齐纳式安全栅的应用

齐纳式安全栅
P+F公司的齐纳式安全栅
P＋F公司95年推出的新型Z系列齐纳栅专为配合DCS系统而设计。

依照最新齐纳栅应用理念设计，精益求精地选配元器件，采用一丝不苟的精湛工艺制作，使其优秀品质得以充分体现：• 理想化的齐纳特性
• 无源纯阻性电路
• 适应DCS对智能变送器回路供电
• 一台齐纳栅负责一个检测点或一个控制点• 避免除安全需要以外的安全栅的损耗
• 对工程友好的结构设计
理想化的齐纳特性
齐纳栅的基本电路如图1所示。

注：为简化图示，将三重冗余的齐纳管只标出一个。

理想的齐纳栅特性是当回路电压V低于齐纳栅安全限压V0时，齐纳管截止，漏电流I leak 为零；而当回路电压等于安全限压值时，齐纳管突然导通，漏电流跳升至足够大，使回路电压永不超过安全限压值。

当然，理想的齐纳特性并不存在。

当回路电压接近安全限压值时，齐纳管总是逐渐导通的。

实践中，人们将齐纳管漏电流I leak达到10µA时的回路电压V10µA认作齐纳管导通的开启电压。

此V10µA越靠近安全限压值，则齐纳特性越理想。

P＋F公司追求齐纳特性的理想化可谓精益求精。

例如用于标称24V回路的Z系列安全栅，其安全限压值为28V，而V10µA做到26.5V。

齐纳特性的理想化，一方面因回路漏电流减小而使检测精度提高；另一方面也大大增加了安全栅对回路电压的宽容度，从而使P+F公司能够在不影响齐纳栅适用范围的情况下，淘汰原有的有源齐纳栅。

无源纯阻性电路
Z系列齐纳栅采用无源的纯电阻性电路，与有源齐纳栅相比，这种电路不仅元器件少，故障率低，成本低，而且有利于回路信号的保真和抗干扰。

Z系列齐纳栅中常用的电路有六种：齐纳栅电路一单线浮空（图2）
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图2
显然，这是最简单的齐纳栅电路。

其特点是廉价。

典型品种为Z728和Z715等。

其中
Z728
适用于大多数DCS的4-20mA模拟量输出
回路。

Z系列齐纳栅仍保留负极性品种，即将上
图中齐纳管反向设置，如Z828等。

但负极性齐
纳栅会使工程的配电和接地问题更趋复杂，除非
万不得已，一般不建议采用。

所以，此样本不作
详述。

图1 齐纳栅电路二双线浮空、反向截止（图3）
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3
最典型的品种有Z787.H和Z787。

其中
Z787.H被广泛应用于智能变送器回路。

齐纳栅电路三 4-20mA/1-5V转换（图4）
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齐纳式安全栅
典型品种为Z788.R 。

其特点为能将变送
器4-20mA 信号转换为1-5V 信号给DCS 。

齐纳栅电路四 双极星形结构（图5）
此电路最适合±mV 信号回路。

特点为有
较高的共模抑制比。

典型品种为Z960。

专门用于连接热电偶。

齐纳栅电路五 双极性 三线浮空（图6）
为号为
过去这种电路曾被用于热电阻回路，但缺
陷是配三线制热电阻时需要一个半安全栅，多有
不便。

现在则主要用于称重测力传感器的应变电桥回路。

典型品种有Z966（用于电桥配电）和Z964（用于电桥测量）。

8适应DCS 对智能变送器回路供电
5在齐纳栅与DCS 的配合时，人们常会遇
到因齐纳栅回路压降过大，而导致DCS 的回路供电不够驱动智能变送器的情况。

为此，P+F 公司特别推出Z787.H 型齐纳栅。

当用户使用霍尼韦尔、横河、艾默生、ABB 公司的DCS 和智能变送器时，只要选择Z787.H 便无后顾之忧。

76Z787.H 配合DCS 应用于智能变送器回
路如图8所示。

图5
首先，Z787.H 的齐纳管开启电压V 10µA
为26.5V 。

使回路供电电压范围为24V-26.5V 。

许多DCS 如Centum-CS3等，其标准回路供压可设定在25.5V 。

此时选用Z787.H 显然是最理想的。

其次，Z787.H 合理设计其两个通路的端
端电阻，以适应现代智能变送器，如横河EJA 、艾默生3051、ABB600、霍尼韦尔ST3000等，对回路电阻的要求。

以3051为例。

其对回路电阻的要求为： 250Ω ≤ R ≤ (V loop -10.5V) ÷ 0.023A 当DCS 供压为24V 时，回路电压 V loop ＝ 24V - 0.9V ＝ 23.1V 于是： 250Ω ≤ R ≤ 548Ω
而应用Z787.H 时，回路电阻 R = 250Ω + 25Ω + 250Ω = 525Ω 显然满足3051变送器的要求。

Z787.H 并非只适合有DCS 进行回路供
电。

某些DCS 的AI 卡要求齐纳栅外供电（如DCS 的AI 卡内阻较大）时，Z787.H 也是理想的齐纳栅。

8576图7 图8
1-8端端电阻：250欧姆
4-5端端电阻：25欧姆
齐纳式安全栅
一台齐纳栅负责一个检测或控制点
P+F 公司建议用户采用单通道齐纳栅，
即一台齐纳栅负责一个检测点或一个控制点。

同样，一个检测点（如三线制热电阻）也应避免设计两台齐纳栅。

这样做的好处是当维护齐纳栅时，不会影响到其他回路的正常工作。

避免除安全需要以外的安全栅损耗
当回路电压高于齐纳栅的安全限压值时，
将因齐纳管导通而导致保险丝熔断。

这是齐纳栅保证本质安全的正常功能。

但除此以外的安全栅损耗则应尽量避免。

实践中，为了减少齐纳栅的意外损耗，用
户在现场一侧作业时，通常会切断相关回路的供电。

这就使本安防爆允许现场带电作业的优点得不到利用。

为最大限度避免除安全需要以外的意外损
耗，P+F 公司对Z 系列齐纳栅的参数进行了周密的设计。

对于模拟量输出、热偶和热阻输入、数字量输入、纯电流和电压输入、频率输入、选用Z787.H 的模拟量（变送器）输入等回路，在DCS 回路供电的条件下，只要系统一侧无故障，Z 系列齐纳栅就允许现场一侧带电作业。

此时现场的短路和开路均不会损坏齐纳栅。

以变送器回路采用Z787.H 为例。

设回路
电压为26.5V ，DCS 系统一侧无故障，而现场短路。

如图9所示。

此时，回路电流为Isc 。

Isc = (26.5V-0.9V)÷(250Ω+25Ω+250Ω)=49mA
由于Z787.H 采用80mA 高速保险丝，容
量足够，此时不会熔断。

可更换保险丝的齐纳栅
实践中，齐纳栅的损坏绝大部分表现为保
险丝熔断。

于是人们设计出装有可更换保险丝的齐纳栅，希望能减少用户的损失。

图10所示为可更换保险丝的齐纳栅
Z787.H.F 。

与不可更换保险丝的Z787.H 比较可以看出，Z787.H.F 在Z787.H
的基础上增加了可更换的保险丝F3和F4。

保险丝F1和F2的作用示保护齐纳管Z ，不允许更换。

所以Z787.H.F 用可更换保险丝F3和F4来保护保险丝F1和F2。

对工程友好的结构设计
Z 系列齐纳栅的结构设计遵循对工程友好
的基本原则。

其外形如图11所示。

Z 系列齐纳栅的厚度为12.5mm ，相当与两个标准 2.5mm 2接线端子的厚度。

安全栅上设有2.5mm 2自开式接线端子。

任何二线制回路的接线均不重叠，便于接线和查找。

Z 系列齐纳栅采用导轨安装方式（35mm 标准DIN 导轨）。

在安装同时，齐纳栅的接地极与安装导轨卡接。

接地线可以从导轨上引出。

同时安全栅上还另设接地端子，以适应用户的不同接地规范。

如图12所示。

图9 815472 6
3图10
图11
齐纳式安全栅
Z系列齐纳栅上配备有号标牌，无须另购位号附件。

Z系列齐纳栅的安装密度和配线密度设计合理。

以台标准800×800×2100（mm）机柜，两面开门，共可安装512台安全栅，配线容量每柜2000至3000根。

齐纳式安全栅的接地
齐纳栅必须安装在安全区，并可靠接地。

这是为了防止在危险区存在过高的对地电势和产生过大的地电流。

如果齐纳栅不接地，如图13所示，当安全区内的故障导致一个对地的高电势（250Vac 的相线）落在齐纳栅上时，齐纳管只限制齐纳栅两线之间的电压，无法限制任何一线对地的电势。

于是，该电势被引至危险区。

一旦现场发生对地短路，立即产生危险的地电流。

这种对地的高电势和地电流的能量并未得到限制。

因此产生的火花是极其危险的。

图14
如果齐纳栅可靠接地，如图14所示。

当同样的故障发生时，齐纳管限制了对地电势，地电流只产生在安全区内，于是将确保现场的安全。

齐纳栅所连接的地俗称本安地。

欧洲和世界上大部分国家和地区要求本安地的地电阻小于1Ω。

所谓本安地，可以，但并不一定是地桩、地坑、地网所形成的地。

在实践中，有多种本安地设置方案。

如，若工厂设有小于1Ω的等电位地，便可以作为齐纳栅的本安地。

又如，若齐纳栅可能涉及的故障电能量的供电源（如控制室仪表电气电源、照明电源等）有可靠和方便的接地点，则齐纳栅的接地可通过电缆接到该接地点，此时必须保证从齐纳栅到该接地点的电缆电阻小于1Ω。

图13。