齐纳式安全栅设计与应用问题探讨

齐纳式安全栅设计与应用问题探讨

彭 莉,杨 亮,杨 森

(国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心,重庆400037)

摘 要:齐纳式安全栅结构简单,广泛用于爆炸性危险区域与安全场所的隔离。论述了齐纳式安全栅的工作原理、器件选择、结构和应用情况,针对熔断管式安全栅的一次性使用问题,提出了一种解决方案。

关键词:齐纳式安全栅;关联设备;本质安全

中图分类号:TN3 文献标识码:C 文章编号:1008-4495(2008)S1-0086-02

收稿日期:2008-04-23

随着煤炭、石油、化工等产业的迅速发展,要求工业控制技术不断提高,在这些行业中存在爆炸危险性,是自动控制设计必须解决的问题。安全栅作为隔离危险区域和安全区域的关联设备,使用越来越广泛。按照工作原理和所采用的电子元件不同,安全栅分为晶体管式安全栅(又称重复式安全栅)、隔离式安全栅和齐纳式安全栅。齐纳式安全栅虽有抗干扰能力差、信号处理功能较弱等缺点,但因为设计简单、元器件少、价格较便宜而得到广泛应用。

1 工作原理

齐纳式安全栅安装在安全区域,用于危险场所和安全场所之间的隔离,限制安全场所的危险能量窜到危险场所,见图1

。

图1 齐纳式安全栅安装示意图

为了对齐纳式安全栅进行本质安全分析,首先对其工作原理进行简单介绍,见图2

。

图2 齐纳式安全栅工作原理图

齐纳式安全栅一般由齐纳二极管Z(又称稳压管)、限流电阻R 和快速熔断器F 组成。齐纳安全栅的作用是限制进入危险场所的能量,通过限制电压和电流来实现。

a.电压限制:齐纳二极管Z 用于限制电压,当反向电压加到某一定值时,反向电流激增,产生反向击穿,在齐纳二极管两端形成反向击穿电压,即稳压管的稳定电压,将本安端的电压限制在稳定电压以下。

b.电流限制:电阻R 用于限制电流,本安端电流经电阻R 限流。

c.二极管保护:熔断器F 用于保护Z,Z 在发生反向击穿时,反向电流激增,此时Z 极易损坏,熔断器F 快速熔断,即可保护Z 。这种用熔断器保护的安全栅称作熔断器保护式安全栅。

还有一种电阻保护式安全栅,其电路与熔断器保护式安全栅相似,只是将熔断器改为电阻。同熔断器保护式安全栅一样,电阻保护式安全栅要求在非本安端施加最高允许电压时,本安端最高输出电

压、最大输出电流不超过设计值。

为了提高齐纳式安全栅的可靠性,可采用双重或三重保护,以满足ib 或ia 等级的要求。

2 器件选择

2.1 熔断器

为了让齐纳式安全栅正常工作,对元器件有一定的要求。熔断器在齐纳式安全栅中发挥着重要的作用,因此要选择合适的熔断器。在选择熔断器时

要求熔断时间远远小于稳压管损坏的时间,所以要用快速熔断器。不允许用自恢复保险丝(pptc),pptc 内部由高分子聚合物与导电粒子材料构成,通过发

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热温度控制材料的压缩或膨胀实现导通或断开。这种工作原理导致断开时间较慢,而且这个断开是相对的,实际呈高阻状态,另外受环境温度影响较大。

2.2限流电阻

限流电阻要选择合适的功率,才能保证齐纳式安全栅正常工作。本安端短路电流为I,R的功率P=I2R,如果P远远大于限流电阻的额定功率,安全栅就会被烧坏。根据GB3836.4)20005爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型/i06的要求,该限流电阻必须是可靠元件,指元件可认为不易发生标准规定的某个故障状态,或者在使用或贮存中故障状态出现的概率很低,因此该故障状态可不予考虑。所以限流电阻必须是下列型式之一:薄膜型、绕线型以及按要求浇封的混合电路。可靠限流电阻只考虑开路状态故障,这不影响安全栅的保护作用。另外限流电阻在正常工作和规定的故障条件下,应能承受可能出现的不小于1.5倍最高电压或不小于1.5倍最大功率。

2.3稳压管

GB3836.4)20005爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型/i06规定,齐纳式安全栅中的稳压管必须进行脉冲电流试验。主要考核齐纳式安全栅能否承受瞬态过程的影响。具体要求是稳压管应承受住沿齐纳方向,重复5次的持续时间为50L s 的矩形电流脉冲试验,各次试验间隔为20ms。脉冲幅值由峰值电压U m除以在20e时熔断器冷态电阻及其串联的可靠电阻之和的电流。在齐纳二极管两端形成反向击穿电压时,反向电流激增,又因为它是可重复动作多次的器件,所以对其可靠性要求很高。

每只二极管还应承受2h、150e温度试验。

稳压管电压应在试验前和试验后进行测量,测量电压之差应不大于5%(5%包括试验设备的误差)。

3结构

3.1端子

齐纳式安全栅的本安端与非本安端之间的距离应不小于50mm。

齐纳式安全栅应采用不对称形状或颜色区分本安端和非本安端。

3.2接地要求

齐纳式安全栅需要用接地来保持防爆型式,这是其特性。在限流电阻R前发生接地故障,同时本安端发生接地故障,限流电阻被短路,如果不接地,将失去限流保护,齐纳安全栅失去作用;如果有接地,能量被限制在非本安端,根本无法到达本安端。晶体管式安全栅和隔离式安全栅不需要接地。

3.3元件的保护

齐纳式安全栅组件应采用浇封或用一个组成不可复原的单元的外壳来保护,以防止检修或替换影响本质安全性能的任何元件,要求全部组件应为一个整体。

4应用

4.1认证参数

齐纳式安全栅属于防爆安全产品,按不同使用条件进行设计。齐纳式安全栅的本安参数有U o, I o,C o,L o,所代表的含义分别是最高输出电压、最大输出电流、最大外部电容、最大外部电感。在选用齐纳式安全栅时,主要参照这4个参数。目前认证技术有/回路认证0技术和/参量认证0技术。/回路认证0技术就是对现场本安设备和关联设备按具体的组合方式进行的检验认证。这种组合一经认定,其本安设备或关联设备就不能用其他型号规格的设备代替。/参量认证0技术是基于/回路认证0的实践经验提出的,是一个系统概念,其基本思想是:对本安系统中的关联设备及现场本安设备分别给出一组本安参数,并允许专业人员对系统的配置进行合理性分析和安全性判定。这种认证技术的重要特点是:用户可以根据一定的规则自由地将不同的本安设备构成本安防爆系统,这样可以给本安系统的配置赋予极大的灵活性。依据/参量认证0,与安全栅配接的设备也有4个参数与之一一对应,分别是U i,I i, C i,L i,代表的含义是最高输入电压、最大输入电流、最大内部电容、最大内部电感,要求U o[U i,I o[I i,

C o\C i,L o\L i。

4.2一次性使用问题

齐纳式安全栅起保护作用后,内部的熔断器就被烧断,由于齐纳式安全栅全部组件为一个整体,因而熔断器被烧断,齐纳式安全栅也就损坏了。为解决这一问题,下面介绍两种改进的齐纳式安全栅,由一个完整的齐纳式安全栅和可换熔断器组成,见图3)4。F1为可换熔断器,设计在壳体外面,方便用户自行更换,其同样具有快速熔断特性,且额定电流值小于F2。当出现故障时,保证F1比F2先熔断,使齐纳式安全栅免受损坏。用户只需更换一只熔断器,不必换掉整个齐纳式安全栅,以减少使用成本,具有很高的实用价值。使用过程中需要注意:首先,安全栅的使用参数发生了变化;其次,现场更换的熔断器是否为快速式很难控制。

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