过程控制仪表第3章防爆安全栅.详解

构成安全火花防爆系统的二要素：
① 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。 ② 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。
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3. 本安自动化（安全火花）防爆系统的组成
它包括两部分：①安装在危险场所（现场）的本安电路； ②安装在非危险场所的非本安电路。
如图所示。为了防止非本安电路中过大能量进入危险场所的本安电路， 两者之间采用防爆安全栅。使整个系统具有本安防爆性能。
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3.2 防爆安全栅原理
防爆安全栅，防止危险能量由安全场所进入危险场所， 不影响仪表正常工作，安放在安全场所的入（出）口处。 这样对安全场所的仪表不作防爆要求。
防爆安全栅的结构种类很多，有电阻式安全栅、中继放 大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器 隔离式安全栅等。 按用途分类： ①输入端用， ②输出端用。
第三章 防爆安全栅
3.1 防爆安全的基本概念
在生产现场存在各种易燃，易爆气体或蒸汽，或 者存在爆炸性粉尘，易燃纤维。它们与空气混合，具 有爆炸危险，其空间成为具有不同程度的爆炸危险场 所。 在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状 的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内 传播的混和物，称为爆炸性混合物。 爆炸性物质分为3类：Ⅰ类：矿井甲烷；Ⅱ类：爆 炸性气体、蒸汽；Ⅲ类：爆炸性粉尘、纤维。 含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。
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2. 输出端用齐纳安全栅
齐纳安全栅在安全侧接调节器类仪表的输出。在危险侧的负载仪表 一般为电－气转换器或电动阀门定位器。 按调节器输出电路形式分为两种：①发射极输出，②集电极输出
（1）配发射极输出型调节器的齐纳安全栅
其电路和系统组成如图所示。发射极输出时，调节器（输出端一端 接地）与安全栅共地。需要单通道保护。二极管VD防止信号极性接反 时损坏安全栅（相当于齐纳二极管正向连接）。
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一、危险场所的划分
按国家2013年修订“爆炸危险场所电气安全规程”将爆 炸危险场所分为两类5级。 1. 第一类场所 爆炸性气体或可燃蒸汽与空气混合形成爆炸性气体的 场所，按危险程度分为3级： 0级区域：爆炸性气体连续地、短时间频繁出现、长时 间存在； 1级区域：爆炸性气体可能出现； 2级区域：仅在不正常情况下偶尔短时间出现。
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2）双通道保护的齐纳安全栅 原理电路及变送器组成系统如图所示。其特点是变送器 和电源E不共地，安全栅的安全侧两个端子1和3，任一个出 现危险高电压，分别通过各自的齐纳二极管进行保护。变送 器出现大电流由电子变阻式限流电路Z将电流限制在25mA以 下。
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输入端齐纳安全栅还有：①不接地热电偶和高内阻 二次仪表配用，②不接地热电偶和低内阻二次仪表配用， ③三线制热电阻配用，④脉冲输入量，带电容隔离开关 量输入用等。
改进后的齐纳式安全栅
（1）用晶体管限流电路取代固定电阻。VT3工作于零偏 压，作为恒流源向 VT1提供足够的基极电流，保证信号在 4～ 20mA范围内VT1处于饱和状态。 （2）由VD1~VD4和F1 ~ F’2组成限压电路。背靠背的齐 纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。
工作原理
正常时VT1饱和导通 VR1 = 0.1～ 0.5V VT2不通；
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不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井 下用电气设备属Ⅰ类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备 属Ⅱ类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属Ⅲ类设备。 对于Ⅱ类电气设备，电路电压限制在 30VDC 时，各种爆炸 性混合物按最小引爆电流分为三级。
爆炸性混合物的最小引爆电流
级 别 最小引爆电流（mA） Ⅰ Ⅱ Ⅲ i＞120 70＜i＜120 i≤70 爆炸性混合物种类 甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧 化碳 乙烯、乙醚、丙烯晴等 氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤 气等
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2、安全火花防爆系统
电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆， 把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆 炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。 安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪 表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电 路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防 爆。
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典型用途：
S2003: 开关、变送器、继电器。 S2004：报警器、开关、变送器。 S2005、S2006、S2007：热电偶、热电阻。 S2008: 信号传输。 S2009: 电源、信号。 S2014、S2015、S2016、S2017: 交直流供电、信号。 S2022: 电气阀门、定位器、电气转换器。 4－20mA温度、压力、液位、物位变送器。 接线端子序号： 非本安端子为1、2； 本安端子为3、4； 5 、6 接地。
两点不足： 一、固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很 好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性，理想的限 流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够 小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大； 二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地， 若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。
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2. 第二类场所
爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸性混合物的场 所,按危险程度分为2级：
10级区域：爆炸性混合物连续地、短时间频繁出现、长时间 存在； 11级区域：仅在不正常情况下偶尔出现爆炸性混合物。 二、防爆仪表分类、分级和分组 1. 分类： 自动化仪表属于低压电气设备，在危险场所用的自动化仪 表要按电气设备防爆规程管理。规程规定防爆电气可制成 隔爆型、本安型、防爆通风充气型、防爆充油型、防爆安 全型和特殊防爆型等10种结构类型。
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一、齐纳式安全栅
基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、
用固定电阻进行限流 。
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当输入电压Vi在正常范围（24V）内时，齐纳二极管VD不导通；当电压 高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压（约28V）时，齐纳二极管导通，在将 电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔断丝FU很快 熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔断。固定电阻R的作用是限 制流往现场的电流。
过流时VR 1 > 0.6V VT2导通，分流VT3的电流
VT1退饱和 Vce1↑呈现较高的电阻； 过压时VD1 ~ VD4中至少有一个被击穿，限压并接地。 要求
快速熔断
丝熔断时 间<1mS
改进后的齐纳式安全栅
1. 输入端用齐纳安全栅
1）配二线制变送器齐纳安全栅
其原理电路及系统组成如图所示。图中主要由两部分组成： ①齐纳栅，②变送器 齐纳栅包括： ①电子集成化浮动电源ED， ②齐纳二极管VD1、VD2， ③电子变阻式限流电路Z，④快速熔断器FU。 注意：只能用于变送器和电源共地的测量系统，一般是单独电源供电。
2. 能量传输通道
24VDC经电源变换器变为交流电压→电源隔离变压器T1（将交流电源 分为两路）→①绕组1，3 →整流滤波器Ⅰ（将交流变为直流）→解 调放大器直流电源电压。②绕组4，5 →调制器调制电压或整流滤波 器Ⅱ →限制器和变送器提供24VDC电源电压。
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简化原理图如图所示。
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＋
＋
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（1）电源变压器
它包括限制器、调制器、隔离变压器、解调放大器。 由危险侧二线制变送器送来的4～20mADC信号经限制器（仅对大电流 和高电压信号有限制作用）→调制器（将其调制成交流电流或电压 信号） →再由电流互感器（变压器）T2(隔离作用) →解调放大器 （将交流信号恢复其4～20mADC输出），输出电流应和输入电流相 等，输入端隔离式安全栅的信号传输系数为1。
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安全栅与一次仪表的配套要求
1. 安全栅应安装在非危险区； 2. 导流条和机壳绝缘，各导流条之间要用线芯截面积4mm² 以上的铜导 线或电缆线相互连接； 3. 使用前请认真核对安全栅的型号、极性和工作电压； 4. 禁止用兆欧表直接测量安全栅端子之间的绝缘。检查系统线路时，必 须断开全部安全栅的接线； 5. 安全栅的本安端和非本安端的接线不允许接错； 6. 一旦安全栅损坏，用户不得自已修复，应及时更换； 7. 本安防爆系统的基本组合条件为： Uo ≤ Uì Io ≤Iì Co ≥ Cp + Cì Lo ≥ Lp + Li 其中： Uo为最高输出电压; Io为最大输出电流; Co为最大负载电 容; Lo 为最大负载电感; Uì 为一次仪表允许的最高输入电压; Iì为一次仪 表允许的最大输入电流; Cì 为一次仪表的最大内部等效电容; Li为一次仪 表的最大内部等效电感; Cp 为连接导线（或电缆）允许的最大分布电 容; Lp 为连接导线（或电缆）允许的最大分布电感。
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（2）配集电极输出型调节器的齐纳安全栅
其电路和系统如图所示。调节器的两个输出端均不接地。 需要用双通道齐纳安全栅。安全栅的1和3（安全侧）接调 节器输出，2和4接负载（现场危险侧），1和3端出现危险 的高电压分别由两组安全栅保护。
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S2000系列齐纳安全栅能与各种现场的一次仪表如：4－20mA的压力、 温度、流量、电信号变送器；电气转换器、电气阀门定位器、各类热电 偶、热电阻、开关量、报警器、脉冲信号等各种特殊仪表，组成本质安 全防爆系统，用于现代化工业的自动化过程控制，广泛地用于石油化工、 冶金、医药、船舶等领域。可限制危险能量进入具爆炸性危险气体环境 的可靠设备。
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5 . 本安型防爆仪表的标志
本安型防爆仪表的标志为“i”，按等级分为“ia”适用于0 区，“ib”适用于1区。
标志铭牌上的防爆标志分为四段：ExABC
其中Ex:防爆仪表；
A:防爆类型，例如d、ia、ib等； B:防爆类和级，例如Ⅰ级、ⅡA、ⅡB、ⅡC等； C:仪表外面温度级别，例如T1～T6。 例如防爆仪表标志铭牌上标志为ExdiaⅡCT6，指兼有隔 爆和本安功能，可在ⅡC级T6组以下级别使用的防爆仪表。
DC / AC：VT1、VT2， VD1～ VD4 及变压器T1构成 磁耦合自激多谐振荡器。
（2）晶体管限压限流电路
串联使用了两套完全相同的限 压限流电路： VT3 、 VT4 和 VD15 ； VT5、VT6和VD16。 正常工作时VT4、 VT6饱和，VT3、VT5截止。
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4. 本安防爆系统的特点
1）工作电压低，工作电流小； 正常工作电压24VDC，工作电流＜ 20mADC, 故障电压＜35VDC，故障电流 ＜35mADC。 仪表所用的电阻、电感、电容参数，保证在正常或故 障状态所产生的火花能量不足以点燃爆炸性混合物； 2）危险场所和非危险场所的电路用防爆安全栅隔离； 3）现场仪表到控制室仪表的连线不得形成大的分布电容 和电感；
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二、 变压器隔离式安全栅
它是将危险场所的本安电路与安全场所的非本安电路用变压器 进行电隔离。只允许正常的电源能量和信号通过隔离变压器，切断 了安全侧高压窜入危险场所的通道，即使出现故障，有危险能量传 过来，也会被限制器限制。 它分为输入端（检测端）用和输出端（执行端）用两种形式。 （一）输入端用隔离式安全栅：在向变送器提供电源的同时，将 变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。
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自动化仪表防爆结构主要有两种：
隔爆型：标志为“d”； 本安型：标志为“i”。 隔爆型仪表结构特点： ①外壳耐压（800～1000）Kpa；
②表壳温升低于爆炸性气体的自燃温度；
③表壳结合面的缝隙宽度、深度按其容积和气体级别采取规 定的值。
本安型仪表是指正常状态和故障状态下，电路及设备产生 的火花能量和达到的温度都不会引起易爆性气体爆炸的防爆类 型。现代本安防爆概念是指整个自动化系统的防爆性能符合本 质安全防爆要求。
DC
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检测端安全栅是一个传递系数为1的传送器，电源、变压器、控制室仪表 之间用磁耦合，电路上是隔离的。 它的作用：① 为二线制变送器提供直流电源电压24VDC，用实线表示，②将来 自变送器的4～20mA电流信号转换为与之电气隔离的4～20mA（或1～5V） DC的电信号，用虚线表示。
1. 信号传输通道