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1、第三章 防爆安全栅 3学时 防爆安全的基本概念 1 危险场所的划分 2 防爆仪表的分类 分级和分组 3 本质安全防爆的定义 本质安全防爆仪表的设计要点 防爆安全栅原理 1 齐纳安全栅 2 变压器隔离安全栅 第一节 防爆安全的基本概念 安装于各种具有易燃 易爆气体 蒸汽或粉尘等危险场 所的仪表如果产生火花 就容易引起爆炸 因此 用于这 种场所的仪表与控制系统 必须具有防爆功能 气动仪表从本质上来说具有防爆功能 电动仪表必须 采取必要的防爆措施才具有防爆性能 其防爆措施不同 防爆性能也将不同 因此 适合应用的危险场所也不同 一 危险场所的划分 分为气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两类 1 气体爆
2、炸危险场所的区域等级 0 1 2三类 0类 最危险 2 粉尘爆炸危险场所的区域等级 10 11级两类 10 级更危险 二 爆炸性物质的分类 分级与分组 1 分类 I 矿井甲烷 II 爆炸性气体 可燃蒸汽 III 爆炸性粉尘 易燃纤维 2 分级 1 爆炸性气体的分级 A B C三级 按最大试验安全间隙 MESG 或最小点燃电流 MICR A级危险等级低 最大试验安全间隙 在规定的标准试验条件下 火焰不能传播的最大 间隙 最小点燃电流 在规定的标准试验条件下 调节最小点燃电流 以甲 烷的最小点燃电流为标准 定为1 其它物质的最小点燃电流一之比 较 得出最小点燃电流比为某物质的最小点燃电流 2 爆炸
3、性粉尘的分级 分为A B两类 按粉尘的物理性质划分 A级危险等级低 3 爆炸性物质的分组 按引燃温度分 根据最高表面温度 工厂用防爆仪表分为T1 T6六组 其规定如下表所示 级别MESG mmMICR AMESG 0 9MICR 0 8 B0 9 MESG0 50 8 MICR 0 45 C0 5 MESG0 45 MICR 温度组别T1T2T3T4T5T6 最高表面温度 45030020013510085 仪表的最高表面温度可用下述方法间接得到 仪表的最高表面温度 实测最高表面温度 实测时环境温度 规定最高环境温度 三 防爆仪表的分类 分级和分组 防爆仪表的分类 I类 煤矿井下用电气设备 I
4、I类 工厂用电气设备 工厂用 电气设备又分为8种类型 这8种类型其标志如下 隔爆型d增安型e 本质安全型I正压型p 充油型o充沙型q 无火花型n特殊型s 电动仪表主要有隔爆型 d 和本质安全型 i 两种 本质 安全型又为分两个等级 ia和ib 在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表 引起爆炸主要有两方面的 原因 1 仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产 生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽 2 仪 表过高的表面温度 1 隔爆型防爆仪表 d 采用隔爆型防爆措施的仪表称为隔爆型防爆仪表 其特点是仪表的电 路和接线端子全部置于防爆壳体内 其表壳强度足够大 接合面间隙足够 深 最大的间隙又足够窄
5、 这样 即使仪表因事故在表壳内产生燃烧或爆 炸时 火焰穿过缝隙过程中 通缝隙壁吸热及阻滞作用 将大大降低其外 传能量和温度 从而不会引起仪表外部规定的易爆性气体混合物的爆炸 隔爆型防爆仪表安装及维护正常时 它能达到规定的防爆要求 但是 在揭开仪表表壳后 它就失去了防爆性能 因此不能在通电运行的情况下 打开表壳进行检修或调整 2 本质安全型防爆仪表 i 采用本质安全型防爆措施的仪表称本质安全型防爆仪表 也称安全火 花型防爆仪表 这种防爆结构的仪表 在正常状态下或规定的故障状态下 产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸 正常状 态指在设计规定条件下的工作状态 故障状态指电路中非保
6、护性元件损坏 或产生短路 断路 接地及电源故障等情况 安全火花 是指其能量不足以对其周围可燃介质构成点火 源 1 本质安全防爆系统 变送器 电源箱 安全栅调节器安全栅执行器 若现场仪表中有很大的电感 电容 当线路出现短路或断路故 障时 也可能产生非安全火花 引起爆炸事故 所以一个线路是不是安全火花电路的必要条件 一是自身不产 生非安全火花 二是安全场所的非安全火花不能窜入危险场所 因而一个线路需经过国家防爆机关进行严格鉴定后 方能确 认是否为安全火花电路 安全火花型防爆仪表所采取的措施主要有以下两方面 1 仪表采用低压的工作电压和小的工作电流 通常工 作电压为24VDC 电流不大于20MA 故
7、障时电压不大于 35VDC电流不大于35MA 2 在线路设计上 对处于危 险场所的电路 适当选择电阻 电容和电感的参数值 借以限制火花能量 使其只产生安全火花 3 用防爆 安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开 4 连接 导线不得形成过大的分布电感和电容 分布电容 由于电路的分布特点而具有的电容 例 线 圈的相邻两匝之间 分布电感 在电路中 由于导线分布和元器件分布而存 在的电感 例如 电解电容是两层薄膜卷起来的 这种卷起来的结 构在高频时都具有一定的电感 它对电路的影响等效于 给电路串联上一个电感器 这个电感值就是分布电感 根据电感器的频率特性 可以知道由于分布电感的数值 一般不大 在低频可
8、以不考虑分布电感的影响 但对于 高频交流电路 分布电感的影响就不能忽略了 2 本质安全型ia和ib两个等级 ia 在正常工作 一个故障和两个故障时均不能点 燃爆炸性气体混合物的电气设备 ib 在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性气体 的电气设备 3 防爆仪表的标志 防爆仪表的标志为 Ex 铭牌上防爆标志一般分为四段 ExABC Ex表明此仪表为防爆仪表 A表明防爆类别 如d ia ib等 B为防爆仪表的级别 如I级 II A II B II C C 为防爆仪表的温度组别 控制仪表常见有铭牌上标有 ExiaIICT5和ExdIIBT3 前者 表示II类本质安全型ia等级C级T5组 后者表示II类
9、隔爆型B级 T3组 第二节本质安全型防爆仪表的设计要点 一 降低安全电路的能量 电感 WL L I2 1 2 电容 WC C V2 1 2 限制回路I L 限制回路V C 电阻 同时限制回路I和V I V L 和C的 数值限制在一定 值以下 二 本安电路部件的结构和选取 2 限流电阻 3 隔离电容 5 保护性晶体管组件 1 电源变压器 本安电路供电的绕组与其他绕组可内外分布 其间加强绝缘和有铜质接地屏蔽层隔离 4 分流元件 第三节防爆安全栅原理 安全栅是指接在本质安全电路和非本质安全电路之间 将供给本 质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置 它主要应 用在本安防爆系统的设计中 电路中
10、通过限流和限压电路限制了送 往现场本安回路的能量 从而防止非本安电路的危险能量串入本安 电路 它安装于安全场所 接收来自危险区的信号 输出安全信号到 安全区或危险区 安全栅的作用 一方面 将进入危险场所的电压电流限制在安全额定值 以下 以保证安全火花型防爆性能 另一方面为现场二线制提供电源 在现场和控制室之 间传递信号 安全栅分输入端用安全栅与输出端用安全栅 安全栅的种类 1 电阻式 2 齐纳式 3 中继式 4 变压器隔离式 2 4 用得最多 隔离式安全栅还将危险场所与控制室实行电气隔离 安全栅的品种 一 齐纳式安全栅 1 齐纳式安全栅的工作原理 齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的
11、由限压电路 限流电路和熔断器三部分组成 其原理 电路如图所示 图中R为限流电阻 VZ1 VZ2为齐纳 二极管 FU为快速熔断器 齐纳式安全栅原理图 系统正常工作时 安全侧电压U1低于齐纳二极管的击 穿电压U0 齐纳二极管截止 安全栅不影响正常的工作电 流 但现场发生事故 如短路 利用电阻R进行限流 避 免进入危险场所的电流过大 当安全侧电压U1高于齐纳二 极管的击穿电压U0时 齐纳二极管击穿 进入危险场所的 电压被限制在U0上 同时安全侧电流急剧增大 快速熔断 器FU很快熔断 从而将可能造成危险的高电压立即和现场 断开 保证了现场的安全 并联两个齐纳二极管是增加安 全栅的可靠性 齐纳式安全栅的
12、工作原理 齐纳安全栅优点是采用的器件非常少 体积小 价 格便宜 缺点是对主要构成元件要求高 如齐纳二极管 快 速熔断丝 危险侧本安仪表必须是隔离型的 齐纳安全 栅对供电电源电压响应非常大 电源电压的波动可能会 引起齐纳二极管的电流泄漏 从而引起信号的误差或者 发出错误电平 严重时会使快速熔断器烧断 齐纳式安全栅的优缺点 图中24V DC的电源一方面通过安全栅向二线制变 送器供电 同时将二线制变送器产生的4 20mA DC的信 号传送过来 由250 精确电阻转换为1 5V DC的电压 信号送显示仪表或控制器 当然变送器传送来的信号 也可通过信号分配器 其输出的多路信号可分别送显示 仪表和调节仪表
13、 二线制变送器和齐纳安全栅的连用 二 变压器隔离式安全栅 变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互 感器将供电电源 信号输入端和信号输出端进 行电气隔离 同时通过电子电路 限能器 限制 进入危险场所的能量 变压器隔离式安全栅分 为检测端安全栅 输入式安全栅 和操作端安 全栅 输出式安全栅 两种 1 输入端安全栅的作用 一 输入端用安全栅 1 把来自现场变送器的4 20mADC电流经隔离变压器 1 1地转换成1 5V DC信号或4 20mA DC信号输出至控制 室仪表 计算机 2 为现场两线制变送器提供24V DC直流电源 3 利用限流 限压电路使得任何情况下送往危险场所的 电压不超过30V DC
14、电流不超过30mADC 从而保证了危险 场所的安全 2 输入端安全栅的构成原理 1 外型结构 2 输入输出特性 3 结构组成及工作原理 Ii Vo 24V DC 1 2 5 6 7 8 输入端输出端 Io 4 20 mA 1 5 V 4 20 mA 有六部分组成 1 直流 交流变换器 2 整流滤波电路 3 整流滤波电路 4 电流电压限制电路 5 隔离变压器 6 共基极放大电路 现场 变送器 调 节 器 T1 24V DC 电流电压 限制电路 共基极 放大电路 DC AC交直 流变换器 计 算 机 整流滤 波电路 隔离 变压器 整流滤 波电路 e 0 e 1 e 2 Ii V O A B U I
15、1 5 V 4 20 mA VC 5 VC 3 调制器解调器 隔离 电源 变压器 T2 输入端 输出端 结构组成 1 输出端安全栅的 作用 二 输出端用安全栅 1 把来自控制室仪表的4 20mA DC电流经隔离变压器 1 1地转换成1 5V DC直流电压信号或4 20mA DC直流电流 信号输出至现场执行器 3 利用限流 限压电路使得任何情况下送往危险场所的 电压不超过30V DC 电流不超过30mADC 从而保证了危险 场所的安全 2 为现场执行器提供24V DC直流电源 2 操作端安全栅的构成原理 1 外型结构 2 输入输出特性 Io Ii 24V DC A1 A2 B1 B2 7 8 输
16、出端输入端 4 20 mA 4 20 mA 3 结构组成及工作原理 e2 有六部分组成 1 直流 交流变换器 2 整流滤波电路 3 调制电路 4 电流电压限制电路 5 隔离变压器 6 共基极放大电路 输入端输出端 现场 执行器 调 节 器 T1 24V DC 电流电压 限制电路 共基极 放大电路 DC AC交直 流变换器 计 算 机 整流滤 波电路 隔离 变压器 e0 e1 Io A B U I 4 20 mA VC6 调制器 解调器 隔离 电源 变压器 T2 输出端 输入端 Ii 4 20 mA 调制 电路 作业 1 防爆型控制仪表可分隔爆型和本安型 他们都能通电时 打开检修吗 为什么 2 什么是本质安全防爆 构成本质安全防爆系统必须具备 什么条件 画出本质安全防爆系统结构框图 3 什么是安全栅 说明齐纳安全栅的构成和工作原理 4 设计本质安全电路的基本出发点是什么 1 防爆型控制仪表可分隔爆型和本安型 他们都 能通电时打开检修吗 为什么 答 在通电的情况下 隔爆型仪表不能打开检修 本安型可以 打开检修 原因 隔爆型仪表具有隔爆外壳 其强度足够大 方爆 接合面足够宽 能够承受内部爆炸
