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浅谈安全栅的原理与使用

董垠峰


       安全栅被广泛用于石油、化工、煤化工、制药、冶金等行业,只要生产过程中会产生易燃易爆物质的都会用到。本质安全( 以下简称本安) 型安全栅应用在本安防爆系统的设计中,它是含有本安电路和非本安电路的装置,电路中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,它在本安防爆系统中称为关联设备,是本安系统的重要组成部分。

隔离式安全栅.jpg

一、安全栅的由来与分类

       在许多工业过程中,需要处理或使用一些易燃材料,如原油和它的衍生物,酒精,天然气,粉末,飞扬物,任何渗漏或溅出都有可能形成一个爆炸环境( 危险场所,具体分类方法见下文) 。为了工厂和人员的安全,必须确保这个环境不会被点燃引起爆炸。而在生产过程中大量使用电气设备,各种磨擦的电火花、静电火花、高温等不可避免,尤其当设备发生故障时,都有可能会点燃爆炸环境。为了防止爆炸的发生,至今已开发了8 种不同的防爆技术,其中本质安全是一种低成本而高有效的防爆技术。本质安全( 以下简称本安) 是系统防爆的技术,安全场所的控制室设备通过安全栅与危险场所的本安设备相连,传递信号或能量。安全栅利用限流和限压电路,限制了从安全场所传递到危险场所的能量; 处于危险场所的本安设备在这样的能量下能够正常工作,但这样的能量不足以引燃爆炸环境,即使本安设备自身发生故障,也不会产生任何足以引燃的电火花或发热表面。因此,无论是安全场所的控制室设备还是危险场所的本安设备发生故障,只要安全栅的限流限压电路正常工作,整个系统都会处于安全状态,不会产生爆炸。安全栅作为控制室的非本安设备与危险场所的本安设备之间的关联设备,是本安防爆系统中的重要组成部分。

常见的安全栅包括齐纳式安全栅、晶体管式安全栅、变压器隔离式安全栅。文章主要对齐纳式与隔离式安全栅进行解析。


二、典型安全栅原理

2、1 齐纳式安全栅

齐纳式安全栅就是一种由快速熔断器、限流电阻或限压二极管组成的能量限制器。图1 是齐纳安全栅原理示意图。

齐纳式安全栅原理示意图.png

      限流电阻R : 在输出端接地或短路及故障时,限流电阻可以把输出电流限制在安全数值内。限压器D: 由齐纳二极管组成,电压超过额定值时,齐纳管导通,限制电压在一定数值范围内。快速熔断器FU: 当使用电压超过一定数值时,FU 先于齐纳管熔断,起到保护作用。齐纳安全栅电路中利用快速熔断器、限流电阻及限压二极管对输入的电能量进行限制,从而保证了输出到危险区的能量。它的原理简单、电路实现容易、价格低廉。

使用齐纳式安全栅应注意:

( 1) 安装位置必须有非常可靠的接地系统,并且接地电阻必须小于1Ω,否则便失去防爆安全保护性能; 

( 2) 要求来自危险区的现场仪表最好带隔离功能,否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送,并且由于信号接地,直接降低信号抗干扰能力,影响系统稳定性; 

( 3) 齐纳式安全栅对电源影响较大,同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏; 

( 4) 由于齐纳式安全栅的电路原理需要吸收输入回路的能量,易造成输出不稳定。


2、2 隔离式安全栅

工业现场很多情况下采用两线制传输方式的配电器,既要为诸如流量计压力变送器等一次仪表提供24 V 配电电源,又要对输入的电流信号进行采集、放大、运算和进行抗干扰处理后,再输出隔离的电流和电压信号,供后面的二次仪表使用。隔离安全栅兼具此特性。隔离式安全栅采用了限压、限流、隔离等措施,但一些特殊的工业现场不仅需要两线制传输,提供配电电源又有信号隔离功能,同时还需要具有本安型防爆性能,能够可靠地防止电源高压与信号之间的混触,利用电流、电压双重化限制回路,把进入危险区域的能量限制在安全定额以下。隔离式安全栅不仅能防止危险能量由本安端子进入危险现场,提高系统的本安防爆性能,并且还增加了系统的抗干扰能力,大大提高了系统运行的可靠性。隔离式安全栅可分为检测端安全栅和操作端安全栅两种基本类型。检测端安全栅与两线制变送器配合使用; 操作端安全栅与电气转换器或电气阀门配合使用。

图2 是隔离式安全栅工作原理示意图。输入电源经DC /AC 变换器变成方波,经电源变压器耦合整流滤波得到直流稳压电源,通过电流、电压限制电路,提供给现场的隔离电源。

隔离式安全栅原理示意图.png

       检测端安全栅: 接收变送器的电流信号,经调制成交流方波,经过信号变压器耦合到安全侧,经解调还原成直流信号输出,实现电源隔离和危险侧输入信号与安全侧输出信号隔离。操作端安全栅: 安全侧输入的直流信号通过调制成交流方波信号,经过信号变压器耦合到危险侧,送入解调放大器输出直流信号,实现安全侧输入信号与危险侧输出信号间的隔离; 在危险侧输入( 或输出) 信号通过快速熔断器、限压电路、限流电路组成的齐纳式限压限流电路,把通往现场的电压和电流限制在安全值内,保证传输现场的能量在一个安全值内,以保证现场的安全。隔离式安全栅采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构,同时也符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全栅相比,隔离式安全栅线路复杂,但通用性强、可靠性高。隔离式安全栅信号处理功能更强,能够接受并处理热电偶、热电阻等信号,也很容易实现信号分配( 一入二出) ,使之适用面更广; 由于电源、输入、输出相互隔离,在组成系统时不需要接地,给设计与工程施工带来很大方便,降低了系统的综合成本; 因为没有公共接地,信号完全浮空,检测和控制回路的信号稳定性和抗干扰能力大大加强,从而提高了整个系统的可靠性( 对于DCS 自动控制系统来说,这一点特别重要) 。

       因此,对比齐纳式和隔离式安全栅的特点和性能后可以看出,隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛的用途,虽然其价格略高于齐纳式安全栅,但从设计、施工安装、调试及维护成本来考虑,其综合成本反而低于齐纳式安全栅。在要求较高的工程现场几乎无一例外地采用了隔离式安全栅作为最主要的本安防爆仪表,隔离式安全栅已取代了齐纳式安全栅,在安全防爆领域得到了日益广泛的应用。


三、 使用维护安全栅时的注意事项

( 1) 隔离式安全栅本安端( 蓝色标记) 和非本安端电路的接线导线在汇线槽中必须分开铺设,各自采用独立的保护套管。本安侧的配线套管内不允许有其它电源线,包括其本安电路使用的电源线。

( 2) 在对隔离式安全栅进行通电调试前,必须注意隔离式安全栅的型号、线路极性、接线方法等,是否符合设计及产品要求中的规定,否则可能对人身及设备造成伤害。

( 3) 严禁使用兆欧表测试隔离安全栅端子之间的绝缘强度。如要检查系统的绝缘强度,应先断开全部的接线,否则可能引起安全栅内部快速熔断器熔断。

( 4) 凡与安全栅相连接的现场仪表,均应选用有关防爆部门进行防爆试验并取得防爆合格证的仪表。

( 5) 安全栅内部模块损坏维修或更换后,经检验后方能重新投入运行,不允许随意更换影响防爆性能的元件。

( 6) 在设计、安装、使用、维护隔离式安全栅时,应同时遵守产品手册中的说明及注意事项。关于安全栅的解析与使用。



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