安全栅简介

随着石油、化工、煤炭、冶金等工业的迅速发展，一些易燃材料的处理引起了社会各界的重视。这些场合通常含有如天然气、合成气、金属屑、碳尘、粉末、浆料、晶粒、纤维、飞扬物等这些材料，任何渗漏或溅出都可能形成一个爆炸性危险场所，为了工厂和人员的安全，必须确保这个环境的安全。因此世界许多国家和地区对防爆电气产品实施防爆认证制度，防爆产品必须取得防爆认证，才允许在爆炸危险场所使用。

一、本质安全防爆技术

1、仪表防爆的基本原理

防止爆炸，就是要避免爆炸的发生的三个条件同时存在，即点火源（电火花、热表面等）、爆炸性物质（可燃性气体或粉尘等）、空气（氧气）。

如图1所示，当上述三个条件同时存在，而且当爆炸性物质与空气的混合浓度处于爆炸范围内（即处于爆炸下限和爆炸上限之间）时，将不可避免地产生爆炸。

因此，在实践中为了有效地防止爆炸事故的发生，人们总是设法避免上述三个条件同时存在，以达到防爆的目的。常见的三种防爆原理：

（1）控制易爆气体

人为地在危险场所（同时具备发生爆炸所需的三个条件的工业现场）营造出一个没有易爆气体的空间，将仪表安装在其中，典型代表为正压型防爆方法Exp。工作原理是：在一个密封的箱体内，充满不含爆炸气体的洁净气体或惰性气体，并保持箱内气压略高于箱外气体，将仪表安装在箱内。常用于在线分析仪表的防爆和将计算机、PLC、操作站或其他仪表置于现场的正压型爆炸仪表柜。

（2）控制爆炸范围

人为地将爆炸限制在一个有限的局部范围内，使该范围的爆炸不至于引起更大范围的爆炸。典型代表为隔爆型防爆方法Exd。工作原理是：为仪表设计一个足够坚固的壳体，按标准严格地设计、制造和安装所有的界面，使在壳体内发生的爆炸不至于引发壳体外危险气体（易爆气体）的爆炸。隔爆防爆方法的设计与制造规范极其严格而且安装、接线和维修的操作规程也非常严格。该方法决定了隔爆的电气设备、仪表往往非常笨重，操作须断电等。

（3）控制引爆源

人为地消除点火源，既消除足以引爆的电火花，又消除足以引爆的热表面，典型代表为本质安全防爆方法Ex i。工作原理是：利用安全栅技术，将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内。按照国际标准和国家标准，当安全栅安全侧连接的设备发生任何故障（不超过250V电压）时，本质安全防爆方法确保危险现场的防爆安全。Ex ia级本质安全设备在正常工作、发生一个故障、发生两个故障时均不会使爆炸性气体混合物发生爆炸。因此，该方法是最安全可高的防爆方法。

2、本质安全防爆技术的特点

与其他两个防爆技术相比较，采用本质安全防爆技术可给工业自动化仪表带来以下技术和商务上的特点。

（1）不需要设计制造工艺复杂、体积庞大且又笨重的隔爆外壳，具有结构简单、体积小、重量轻和造价低的特点；

（2）可在带电工况下进行维护、标定和更换仪表的部分零件等；

（3）安全可靠；

（4）本质安全防爆技术是一种“弱电”技术，可避免现场工程技术人员的触电伤亡事故的发生；

（5）适用范围广。

综上所述，对于自动化仪表而言，本质安全防爆技术是一种比较理想的防爆技术。

二、本质安全设备及关联设备

1、本质安全设备

本质安全型电气设备是由本质安全电路组成的电气设备。本质安全电路在规定的试验条件下，正常工作或规定的故障条件下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。全部电路都是本质安全电路的电气设备为单一式本质安全型电气设备；局部电路为本质安全电路的电气设备为复合式本质安全型电气设备。

2、关联设备(安全栅)

关联设备是与本质安全设备紧密相关的一种设备，其设备本身电路并不一定是本质安全的，但它影响本安电路中的能量，常被用来保持电路的本质安全性能。

安全栅是本质安全防爆仪表系统中最常用的关联设备，它连接在本安电路与非本安电路之间，其作用是限制电流和限制电压，不使危险能量窜入到本安电路中去，以确保本质安全电路的安全性能。

（1）齐纳式安全栅

齐纳式安全栅是并联齐纳二极管通过限压、串联电阻和快速熔断器限流的方式限制回路电能量、实现本质安全防爆功能的回路限能关联设备，它不具备电气隔离功能。原理如图所示。

齐纳式安全栅的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：a．安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且其接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分的苛刻并在实际工程应用中难以保证；

b．要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过其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；

c．对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成其损坏；

d．由于其电路原理需要吸收输入回路的能量，所以易造成输出不稳定。

（2）隔离式安全栅

隔离式安全栅具有电气隔离、信号传输和转换功能。原理如图所示。

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，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全相比，虽然价格较贵，但它性能上的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：

a．由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便；

b．对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表；

c．由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能

力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性；

d．其具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的；

e．可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。

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，其综合成本可能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主要本安防爆仪表，隔离式安全栅已逐渐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。

(3)晶体管式安全栅

晶体管式安全栅是以三极管为主的晶体管电路组成的限压和限流保护装置。所以，归纳起来晶体管安全栅的特点是当输入电压过高时可切断电源电压，并具有动态限流功能，可提高负载能力。

(4)光电隔离式安全栅

光电隔离式安全栅是一种新型的安全栅，它采用光电耦合元件作为隔离元件。光电隔离式安全栅结构较复杂，寿命有限，但是体积小巧、隔离电压高，精度高，抗干扰性能好。

三、防爆技术

1、防爆标志

本安仪表的防爆标志跟其他防爆型式的防爆标志一样，它实质上是仪表所适用的爆炸性危险场所的代号。

通常一个爆炸性危险场所需用三个参量来定义。

a．危险场所区域。反映可能出现危险气体的频率或持续时间，亦即产生爆炸的危险程度；

b．危险性气体的种类，即气体组别。考虑可能出现的危险气体的点燃能量；

c．危险气体的引燃温度，即气体温度组别。考虑可能出现的危险气体的点燃温度。

相应地，本安仪表的防爆标志也必须在“Ex”防爆标记后，依次表达出仪表可适用的区域、气体组别和温度组别三个参量。