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1、第7章 检测仪表与系统的防爆,7.1 检测仪表与系统防爆概述 7.2 检测仪表的本质安全防爆 7.3 防爆检测仪表的选择与应用,7.1 检测仪表与系统防爆概述,7.1.1 检测仪表的安全特性 在工业生产，尤其是石化生产中，许多生产过程具有易燃、易爆、高温、高压和有毒等特点， 许多工艺介质具有强烈的腐蚀性，有些介质易结晶和堵塞管道。测量仪表在这些特殊的场所中使用时必须采取相应的技术措施，解决仪表的防护问题。,为了使检测仪表，尤其是电动测量仪表、电动执行器等直接靠近生产设备或生产环境的仪表单元，能够适用于具有火灾及爆炸危险的生产现场，对检测仪表提出的安全要求通常有如下两种类型。 (1)检测仪表自身
2、具有本质安全特性，即使在具有爆炸危险的环境中使用，也不会产生可燃物质或可燃性混合物燃烧爆炸所需要的有效点火源或危险火花。 (2)检测仪表自身具有一定的防爆、隔爆特性，能将检测仪表内部与其外部的易燃、易爆危险环境进行有效的隔离，限制从电动仪表内部进入到危险现场中的火花能量，不向仪表外部的易燃、易爆危险环境提供足以引起燃烧、爆炸的危险火花。,一般地，具有本质安全特性的检测仪表称为本质安全型仪表，也称为安全火花型仪表，其主要特点是仪表自身不会产生危险火花。而具有一定防爆、隔爆特性的检测仪表称为防爆型或隔爆型仪表，它的主要特点是在仪表内部仍有可能产生危险火花，并且该火花能够点燃由仪表缝隙进入其内部的可
3、燃混合气体，但却能阻止仪表内部的燃烧或爆炸通过缝隙传至外部的危险环境。必须指出，防爆或隔爆型的结构不但适用于检测仪表，也适用于电气设备或电动机的安全要求，是先于本质安全型结构之前应用的传统防爆类型。,7.1.2 检测仪表的防爆结构 1隔爆型 隔爆型将检测仪表及配线完全装在仪表盒、设备盒或管内进行密封，但是无论怎样密封，内外的温差照样能使内部空气膨胀和收缩，通过间隙进行呼吸，因而不可能完全防止爆炸性气体从外部进入结构内部。所以，像隔爆仪表箱、电动机外壳、开关箱、照明灯具玻璃罩等，除了要做成完全密封的结构之外，还要做成即使在结构内部发生电火花引起可燃性气体爆炸，也能耐得住爆炸的结构(其耐压大约为0
4、.8MPa)。同时，爆炸生成的气体通过间隙出来时，还要能够冷却到不致对密封结构外部的爆炸性混合气体构成点火源。,必须指出，如果在隔爆型结构的结合面上使用密封填料封闭，那么在隔爆容器内发生爆炸时，爆炸压力会将密封填料挤出去，使它起不到隔爆的作用。因此，通常是将结合面全部加工成光洁面或螺纹进行连接。这样的话，爆炸产生的气体通过金属光洁面或螺纹时，能被冷却到爆炸性混合气体的燃点温度以下，从而阻止燃烧波的传播。这时的气路长度(即金属光洁结合面的间隙深度或者螺纹峰谷面的总长)与间隙或缝隙大小必须符合最大安全缝隙或火焰蔓延极限所规定的具体值。,根据国际电工委员会79-1A号文件规定，最大安全缝隙是指受试设
5、备两部分壳体间，在缝隙深度(即气路长度)为25mm时，能够阻止其内部可燃性混合气体被点燃后，通过壳体结合面而将爆炸传至外部可燃混合气的最大间隙值。对各种爆炸性气体混合物而言，都具有其最大安全缝隙，一些可燃物质的最大安全缝隙数据见表71。在国家标准GB133677中，最大安全缝隙大小分别为：1.0mm、0.6mm1.0mm、0.4mm0.6mm和0.4mm四种情况。,将可燃气和空气构成的爆炸性混合物按传播爆炸的危险性依次分为1、2、3、4级。若再将爆炸性物质按自燃点分组情况给予综合考虑，就可得出可燃气体或蒸汽的分级、分组标准。依照国家标准GB1336-77，一些可燃气体或易燃液体蒸汽的级别、组别
6、情况见表72。这一标准(GB1336-77)以往是作为可燃气体或易燃液体蒸汽与空气混合物环境中，选用防爆、隔爆检测仪表的主要依据。隔爆型产品中有适合于爆炸等级1、2、3、4级和燃点组别a、b、c、d的，但对爆炸等级4和燃点组别c的情况仍有一定困难。需说明，当前执行的国家标准GB3836-2000采取与国际标准接轨的原则，对爆炸性气体混合物的分级、分组规定进行了适当的调整。,表7-1可燃物质的最大安全缝隙,表7-1 可燃物质的最大安全缝隙,表7-2 爆炸性混合气体的分级分组规定,2防爆通风充气型 防爆通风充气型也称为正压型，它与隔爆型一样，需将检测仪表装入全封闭的容器内或外壳中，同时里面充入清洁
7、空气或惰性气体，以稍微提高内部压力来防止危险性气体进入。如果内部压力下降，外部的爆炸性气体有可能进入而发生危险，故一般设有内部压力监测及自动报警或自动停车等装置，监控内部压力下降情况。 对于爆炸危险等级较高(如危险性级别在3和4)和自燃点组别较低的可燃性气体或蒸气，往往隔爆结构制造有困难，对此，采用通风充气型结构是合适的，可以有效地提高仪表和电气设备的安全性。所以，在电动仪表、电气自动控制装置等设备上常采用通风充气型防爆结构。防爆通风充气型电设备的标志为p。,3防爆充油型 防爆充油型简称充油型，这种结构主要用于电气设备的防爆。它是将开关、制动器、变压器、整流器等电气主体浸没在绝缘油中，而且从油
8、面高出危险部位的距离至少要保证在10mm以上。在这种防爆结构中，漏油引起的油面下降是十分危险的。因此，必须用油面计来经常监测油面位置，以确保安全性。此外，在充油型开关中，开关开闭时产生的弧光能使绝缘油热分解，产生以氢气为主的可燃气体，所以要设排气孔以防止由于其中积累分解气体而成为混合气体发生爆炸。防爆充油型结构标志为o。,4防爆安全型 防爆安全型结构并不是真正的防爆结构，只是采用辅助性措施，将正常运行中容易过热或产生电火花的仪表或设备部件，在绝缘、温升等方面加以处理，使之比一般要求的部件做得可靠。同时对仪表或设备中的气隙、端子板、连接点等部位严格要求，增加安全度。因此，防爆安全型有时也称为增安
9、型。防爆安全型结构的标志为e。,5特殊防爆型 通常，特殊防爆型结构多用在实验测试仪器和安全性检查仪器中，其防爆性能要通过实验被确认之后，才能付诸使用。 以上五种结构防爆形式在检测仪表和电气设备的安全防护中有着广泛的应用。对于检测测量仪表来讲，其中隔爆型、防爆通风充气型(即正压型)和防爆安全型(增安型)用得更多一些，是主要采用的结构防爆类型。但是，在石油、化学工业中，随着自动控制技术、计算机技术的广泛应用，利用电子设备、微电子设备进行各种工艺计量、参数监测和控制愈来愈多，如果原封不动地采用上述防爆结构，则在技术上和经济上都造成一定的困难，因而发展形成了适于低电压、弱电流电子设备和微电子设备的安全
10、防爆型式本质安全型防爆结构，亦称为安全火花型结构(标志为ia和ib)。,凡具有本质安全型防爆结构的检测仪表，都是安全火花防爆仪表。在这种防爆结构中，仪表的各个电气回路中使用的都是一些很微弱的电压和电流，即使断开通电中的电感回路时，在断开处产生火花或者在间歇接触电容回路或电阻回路时产生小火花和电弧，但这些火花或电弧已经完全小到不能成为爆炸性混合气体的点火源，其极限能量无论如何也达不到可燃气体在空气中最适宜浓度下的最小点火能量，所以，安全火花防爆仪表具有本质安全特性。安全火花(本质安全型)防爆仪表在防爆结构设计中采用的安全防护措施有两方面：一是对送往易燃、易爆危险现场的电信号，经专门的安全保持器，
11、进行严格的限压、限流和电路隔离；二是对危险现场中仪表的高储能危险元件，在线路设计上对其自身能量进行限制，严格防止危险火花的出现。,7.2检测仪表的本质安全防爆,7.2.1本质安全防爆的基本原理与措施 从危险火花的分析可得，设计本质安全防爆系统就是要合理地选择电气参数，使系统和设备在正常或故障状态下发生的电火花变得相当小，不会点燃周围环境的可燃性气体混合物。由于本质安全防爆是利用系统或电路的电气参数达到防爆要求的，因而是一种非常可靠的防爆手段。鉴于此，确定什么样的电火花标准才能不点燃周围环境中可燃性气体混合物即成为关键性问题。标准确定得当，既保证了安全，又利于设计制造;标准确定得过严，安全固然得
12、到保证，但设计制造方面会存在困难；标准确定得过宽，安全得不到保证，显然也不合适。因此，必须在实验和理论分析相结合的基础上认识电火花在可燃性气体混合物中的点燃特性，认识影响电火花点燃特性的各种因素。,1影响电火花点燃能力的因素 利用电火花发生装置产生的电火花，在各种爆炸性混合物中进行一系列点燃试验发现，爆炸性混合物能否被点燃，与下列各种因素有关。 (1)可燃性气体或蒸汽本身的因素，如气体或蒸汽的种类、浓度、温度和压力等； (2)电气回路存在的因素，如直流、交流电路，高频、低频信号，电压、电流大小，电路的电感性、电容性和电阻性等； (3)产生电火花方面的因素，如产生火花的两个导电极的形状、尺寸、材
13、料、开闭速度、开闭方式和极性等； (4)火花次数的影响。,2实现本质安全的基本措施 1）合理选择元件的额定参数 本质安全电路中元件的额定参数，需根据爆炸性混合物的级别和组别进行选择，既应满足电路的本质安全性能设计要求，使电路在任何工作状态下发生的电火花的能量均小于爆炸性混合物分级点燃的最小点燃能量，还应考虑一定的裕量，使电路中所有元件工作时的表面温度低于爆炸性混合物按自燃温度分组所允许的最高表面温度。所以，与本质安全性能有关的元件(变压器除外)在正常工作状态时，其电流、电压或功率不得大于其额定值的2/3。,当电路中由于电流太大而不能达到本质安全性能时，可采用保护性元件串接限流。一般，串接限流用
14、电阻元件的选择，应使其使用功率在正常工作状态下不大于其额定值的2/3，故障状态下不大于其额定值。金属膜电阻、线绕被覆层电阻等可作为限流电阻，不宜采用碳膜电阻，而且限流电阻的装配应防止电阻两端短路，线绕电阻需有防止松脱措施。,当电路中由于电感、电容元件储能太大而不能达到本质安全性能时，可在其两端加保护性元件或组件。根据电容火花和电感火花放电过程的分析结果，电容储能经串联电阻放电可以减小电火花，这时串联放电用电阻的额定功率应符合限流用电阻元件的要求。而电感火花放电能量的减小，可通过对电感元件两端并接分流元件加以实现。电感线圈两端常用的保护性元件或组件(即并接分流元件)是经过老化筛选的电容器和二极管
15、或齐纳二极管，并且需采用双重化措施。桥式连接的二极管组件可作为双重化分流元件。一般，二极管作分流元件时，其承受的最大电压应不大于其额定反向电压的2/3，承受的最大电流应不大于其额定值的2/3；电容器作分流元件时，其所承受的最高电压应不大于其额定值的2/3，且不宜采用电解电容和钽电容。此外，分流元件与被保护元件应连接可靠，当其处于危险环境时应胶封为一体，特殊情况可采用相应的措施。,2）降低电源的容量 一般降低电压或电流，是减小电路火花，提高本质安全性能的普遍有效的方法。因此，为使爆炸性危险环境所用电气设备达到本质安全型，应在满足电路或电气设备的工作功率和工作性能要求的条件下，把电压、电流或二者都
16、设计成较小的值。换言之，就是要降低电路或电气设备电源的容量，防止电路中出现过高的电压或过大的电流。这也正是本质安全型防爆结构只能适用于测量、监视、通信及控制等弱电设备和系统的原因所在。,根据电火花放电过程分析，对于电感性负载，减小电流比降低电压作用更大，更有利于实现安全火花；同理，对于电容性负载，降低电压比减小电流更有利；对于电阻性负载，多数场合是降低电压。然而，随着电子工业的飞速发展和电子元、器件及电动仪表等在爆炸危险环境中的广泛应用，电路、仪表等的功能增多，电路趋于复杂，对电源容量的要求越来越高，电源容量和电源的本质安全性能之间的矛盾越来越突出。当电路为完成其基本功能而需要较大的电源容量，同时又要考虑其本质安全性能时，解决的办法是在电路中设计并采用专用的装置快速切断负载，人为地缩小电路放电时间，以利于提高电源容量。有关实验表明，当电路放电时间缩短后，电源电压、电流都可以得到很大提高，即允许的安全火花电源容量可以提高很多。而且电路放电时间的缩短，可通过提高保护电路的动作速度加以实现。,3）机械隔离与电
