[導(dǎo)讀] 本文介紹安全柵的基礎(chǔ)知識(shí)，閘述了正確選用安全柵，以及安裝和在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安全柵時(shí)的注意事項(xiàng)。并探討了本安回路的阻抗匹配問(wèn)題。
1、 前言
安全柵是一種安裝在安全場(chǎng)所的本質(zhì)安全型防爆儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備，(術(shù)語(yǔ)：關(guān)聯(lián)設(shè)備一種安裝在安全場(chǎng)所，本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間的相連的電氣設(shè)備)當(dāng)本安防爆系統(tǒng)的本安儀表發(fā)生故障時(shí)，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全值以?xún)?nèi)，從而確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。
在原油集輸自動(dòng)化系統(tǒng)中，安全柵是儀表不可或缺的關(guān)聯(lián)設(shè)備，所以對(duì)安全柵的基礎(chǔ)知識(shí)，正確選用安全柵，安裝、調(diào)試安全柵時(shí)的注意事項(xiàng)等問(wèn)題的掌握是至關(guān)重要的。本文針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)安全柵的基礎(chǔ)知識(shí)、選用、安裝以及調(diào)試作簡(jiǎn)要的介紹，希望對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有所幫助。
2、 安全柵知識(shí)介紹
2.1 本安型安全柵
本安型安全柵應(yīng)用在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它是安裝于安全場(chǎng)所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過(guò)限流和限壓電路限制了送往現(xiàn)場(chǎng)本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險(xiǎn)能量串入本安電路，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。
安全柵安裝于安全場(chǎng)所，接收來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)的信號(hào),輸出安全信號(hào)到安全區(qū)或危險(xiǎn)區(qū)。見(jiàn)圖。
由于安全柵被設(shè)計(jì)為介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的接口，因此無(wú)論控制室設(shè)備處于正常或故障狀態(tài)，安全柵都能確保通過(guò)它傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。
中國(guó)國(guó)家儀器儀表防爆安全監(jiān)督站是中華人民共和國(guó)地區(qū)監(jiān)督生產(chǎn)安全防爆產(chǎn)品的權(quán)威機(jī)構(gòu)，對(duì)本安型安全柵產(chǎn)品有著嚴(yán)格、科學(xué)、詳細(xì)的規(guī)定，只有通過(guò)該監(jiān)督站認(rèn)證的企業(yè)及其所開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品才具備符合標(biāo)準(zhǔn)的安全性能，否則可能會(huì)給使用方的設(shè)備、人員和生產(chǎn)造成無(wú)可估量的損害。
2.2 安全柵的結(jié)構(gòu)形式
常見(jiàn)的安全柵結(jié)構(gòu)形式分為二大類(lèi)：一類(lèi)為齊納式安全柵，它是通過(guò)快速熔斷絲和限壓、限流電路實(shí)現(xiàn)能量限制作用，使在本安防爆系統(tǒng)中，不論現(xiàn)場(chǎng)本安儀表發(fā)生任何故障，都保證傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)(危險(xiǎn)區(qū))的能量處于一個(gè)安全值內(nèi)(不會(huì)點(diǎn)燃規(guī)定的分級(jí)、分組爆炸性氣體的混合物),從而保證生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全。另一類(lèi)是隔離式安全柵，它是本安回路與非本安回路之間通過(guò)光、電、磁隔離技術(shù)，用變壓器耦合實(shí)現(xiàn)電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出的隔離，由于信號(hào)完全浮空，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力，提高了自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。并在本安端加類(lèi)似于齊納式安全柵的快速熔斷絲和限流、限壓電路實(shí)現(xiàn)能量的限制，保證本安防爆系統(tǒng)的安全。隔離式安全柵在使用時(shí)，不特別要求在本安端接地，系統(tǒng)可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一方接地。二者的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。
2.2.1 齊納式安全柵
齊納安全柵原理示意圖如上，它的原理簡(jiǎn)單、電路實(shí)現(xiàn)容易，價(jià)格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其應(yīng)用中的可靠性受到很大影響，并限制了其應(yīng)用范圍，其原因如下：1、安裝位置必須有非常可靠的接地系統(tǒng)，并且該齊納式安全柵的接地電阻必須小于1Ω，否則便失去防爆安全保護(hù)性能，顯然這樣的要求是十分苛刻并在實(shí)際工程應(yīng)用中難以保證。2、要求來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)儀表必須是隔離型，否則通過(guò)齊納式安全柵的接地端子與大地相接后信號(hào)無(wú)法正確傳送，并且由于信號(hào)接地，直接降低信號(hào)抗干擾能力，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。3、齊納式安全柵對(duì)電源影響較大，同時(shí)也易因電源的波動(dòng)而造成齊納式安全柵的損壞。
2.2.2 隔離式安全柵
隔離式安全柵原理示意圖如上，與齊納式安全相比，雖然價(jià)格略高，但其它方面的突出優(yōu)點(diǎn)卻為用戶(hù)應(yīng)用帶來(lái)了更大的受益：
1.由于采用了三方隔離方式，因此無(wú)需系統(tǒng)接地線(xiàn)路，給設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)極大方便。
2.對(duì)危險(xiǎn)區(qū)的儀表要求大幅度降低，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需采用隔離式的儀表。
3.由于信號(hào)線(xiàn)路無(wú)需共地，使得檢測(cè)和控制回路信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強(qiáng)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
4.隔離式安全柵具備更強(qiáng)的輸入信號(hào)處理能力，能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等信號(hào)，這是齊納式安全柵所無(wú)法做到的。
5.隔離式安全柵可輸出兩路相互隔離的信號(hào)，以提供給使用同一信號(hào)源的兩臺(tái)設(shè)備使用，并保證兩設(shè)備信號(hào)不互相干擾，同時(shí)提高所連接設(shè)備相互之間的電氣安全絕緣性能。
因此，對(duì)比齊納式和隔離式安全柵的特點(diǎn)和性能后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優(yōu)點(diǎn)和更為廣泛用途，雖然其價(jià)格略高于齊納式安全柵，但從設(shè)計(jì)、施工安裝、調(diào)試及維護(hù)成本來(lái)考慮，其綜合成本可能反而低于齊納式安全柵。在要求較高的工程現(xiàn)場(chǎng)幾乎無(wú)一例外地采用了隔離式安全柵作為主要本安防爆儀表，隔離式安全柵已逐漸取代了齊納式安全柵，在安全防爆領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用.
2.3 本安設(shè)備標(biāo)志定義
對(duì)于本安設(shè)備，常常可以看到這樣的標(biāo)志：Ex(ia)ⅡC，其中：Ex — 防爆標(biāo)志 (ia)—防爆等級(jí) ⅡC— 氣體組別。iaIIBT4
2.3.1 防爆等級(jí)：
ia：在正常工作狀態(tài)下，1個(gè)故障或2個(gè)故障狀態(tài)下都不會(huì)點(diǎn)燃危險(xiǎn)氣體，回路必須保證在兩個(gè)故障同時(shí)出現(xiàn)時(shí)仍然保證安全特性。“ia ”類(lèi)電氣設(shè)備對(duì)易受干擾的元器件必須采用“三重化”設(shè)計(jì)。“ib”類(lèi)電氣設(shè)備只能保證在1個(gè)故障狀態(tài)下不會(huì)點(diǎn)燃危險(xiǎn)氣體。
2.3.2 氣體組別：
Ⅰ組電氣設(shè)備：用于易受甲烷影響的煤礦環(huán)境中。
Ⅱ組電氣設(shè)備：可用于除煤礦以外的爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中。
Ⅱ組電氣設(shè)備根據(jù)易燃性物質(zhì)的不同點(diǎn)燃能量進(jìn)一步細(xì)分。各子組用大寫(xiě)英文子母區(qū)分，從下表中可以看出，C子組所需要的點(diǎn)燃能量最少，即在該組電氣設(shè)備中，C組設(shè)備具備通用性。
2.3.3 常見(jiàn)易燃性物質(zhì)的分組
表一：易燃性物質(zhì)的分組
典型氣體 分組標(biāo)準(zhǔn) 點(diǎn)燃特性
中國(guó)、IEC、歐洲 北美
甲烷 Ⅰ 易點(diǎn)燃
難點(diǎn)燃
乙炔 ⅡC A
氫氣 ⅡC B
乙烯 ⅡB C
丙烷 ⅡA D
2.3.4 爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域劃分
在安全防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及防爆產(chǎn)品的選型中， 除了需要對(duì)爆炸性環(huán)境中存在的氣體進(jìn)行分級(jí)、分組外，還應(yīng)根據(jù)爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間對(duì)爆炸性氣體危險(xiǎn)場(chǎng)所進(jìn)行區(qū)域劃分：
表二：爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域劃分
0區(qū) 爆炸性氣體混合物連續(xù)地或長(zhǎng)時(shí)間地存在的場(chǎng)所。 易點(diǎn)燃
難點(diǎn)燃
1區(qū) 爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場(chǎng)所。
2區(qū) 爆炸性氣體混合不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也是短時(shí)間存在的場(chǎng)所。
3、 選用安全柵步驟
安全柵是介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限能電路，用來(lái)把控制室供給現(xiàn)場(chǎng)儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的火花，又不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的儀表表面溫度，從而消除了引爆源。在選擇安全柵時(shí)必須考慮其型號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)儀表類(lèi)型相適應(yīng)，還須考慮安全柵與本質(zhì)安全儀表要求相兼容及形成的本安系統(tǒng)中阻抗匹配的問(wèn)題。
我國(guó)采用“回路認(rèn)證”這種方式認(rèn)證本安系統(tǒng)，即根據(jù)危險(xiǎn)環(huán)境使用儀表的聯(lián)合取證情況，選擇已與其聯(lián)合取證的安全柵，一經(jīng)聯(lián)合取證，現(xiàn)場(chǎng)儀表與安全柵便固定組合構(gòu)成本安系統(tǒng)。實(shí)踐中，這種方式對(duì)安全柵和現(xiàn)場(chǎng)儀表的選擇有很大的局限性。目前廣泛采用是進(jìn)年來(lái)逐漸形成的一種本質(zhì)安全認(rèn)證技術(shù)，即“參量認(rèn)證”。按照“參量認(rèn)證”方式認(rèn)證的本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備需要一組安全參數(shù)，包括：
Vmax— 在正常工作或故障條件下，能接受并能保持其本安性能的最高電壓。
Imax —在正常工作或故障條件下，能接受并保持其本安性能的最高電流。
Ci— 本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容。
Li—本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電感。
Pmaxo — 關(guān)聯(lián)設(shè)備允許輸入的最大功率。
“參量認(rèn)證”關(guān)系式為：Vmax>Voc，Imax>Isc，Pmaxi>Pmaxo，Ci+Cc結(jié)合“參量認(rèn)證”可知安全柵的選用：1)與安全柵相連的安全設(shè)備的工作電壓不得超過(guò)安全柵的最高允許電壓。否則，應(yīng)采用光電隔離等技術(shù)使之與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，或者采用隔離安全柵;2)“參量認(rèn)證”公式的Vmax，Imax，Pmaxi即為本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常參數(shù)，選用時(shí)應(yīng)該逐一對(duì)比。3)“參量認(rèn)證”公式中引入Cc，Lc這兩個(gè)變量實(shí)際是引出了控制電纜的選用問(wèn)題，從而限制了電纜長(zhǎng)度。實(shí)際使用中還應(yīng)考慮阻抗匹配問(wèn)題。最后的公式中，Ra安全柵阻抗，Rl電纜阻抗，安全儀表的允許負(fù)載阻抗Ro，對(duì)于輸出回路，作為安全儀表的調(diào)節(jié)器或I/O卡的輸出通道等，它們的允許負(fù)載阻抗是制造廠(chǎng)商提供的。對(duì)于輸入回路，作為安全儀表的顯示儀表或I/O卡的輸入通道等，它們的允許負(fù)載阻抗取決于其輸出電壓和現(xiàn)場(chǎng)儀表的無(wú)負(fù)載工作電壓。無(wú)論輸入還是輸出回路，選用安全柵時(shí)其阻抗?jié)M足上式即可保證回路的正常工作。