讲座第10讲安全栅与安全仪表参数的确定

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　　5自动化仪表6第29卷第12期2008年12月10讲安全栅与安全仪表安全参数的确定徐建平上海仪器仪表自控系统检验测试所,上海200233安全栅如前所述,含有本安电路和非本安电路,且其构造使非本安电路不能对本安电路产生不利影响的电气设备叫做关联设备。它是设置在本安电路与非本安电路之间的限流、限压装置,可起到防止非本安电路的危险能量窜入本安电路的保护作用。安全栅如齐纳安全栅、隔离式安全栅是一种最典型、最常见的关联设备。安全栅是本安系统的重要组成部分。由于安全栅被设计成介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口,因此,论控制室设备是处于正常工作状态还是故障状态,安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本就安全总体结构而言,安全栅与非本安电路连接叫做安全栅的非本安端,另一端论电路处于正常工作状态还是在故障状态下本安端的输出都保持本安性能。这些性能可用以下参数来描、最大输出功率安全栅的基本形式如上所述,安全栅主要是限制过大的能量从非本安回路流入本安回路的一种装置,对于采用的元器件和结构回路方式没有强制的规定。就安全栅本身的功能而言,大致可归纳为模拟信号用安全栅、开关数字信号用安全栅、带通信功能HART的安全栅、适合现场总线的安全若仅考虑安全栅的结构形式,所有这些安全栅可广义地分成齐纳式安全栅和隔离式安全栅两种。安全栅的安装结构应设计成非对称形状或用颜分。般由熔断器、电阻器或其他保护的并联二极管或二极管限压电路包括齐纳二极管和限流元件金属膜电阻或晶体管组件构成。齐纳式安全栅电路结构安全栅本安端子与非本安端子的距离应不小于50mm。二极管安全栅应设有两个接地端子,其截面积不小于4mm。非接地的安全栅端子应有防护罩。齐纳安全栅电路元器件应依次排列,并用环氧树脂浇封在外壳中或用一个不可拆卸的外壳来保护。齐纳式安全栅的基本原理如图1所示,正常操作条件下,非本安端子max更低于齐纳二极管的齐纳电压,此时两齐纳二极管处于不导通状态,有极微小的漏电流以外,其为开路0状态。只要漏电流小于规定值,安全栅电路不会影响系统的正常工作。当非本安端发生故障,例如在非本安端1、2之间因某种原因混入高电压,使齐纳二极管反向击穿,导通0状态,此时齐纳二极管把混入的高电压限制在齐纳电压上。在安全栅的本安端子3、4上不会出现高压电压,齐纳二极管一旦导通,其电流急剧上升,发生雪崩雪崩过程把串联在电路中的熔断器瞬时熔断,切断了流向现场的高电压,以防止高电压引爆现场爆炸性物质的危险,而保护了现场设备及人员的安全当现场危险区内发生故障,例如负载短路了,安全栅电路中的限流电阻立即起限流作用,短路电流限制75防爆安全技术0讲座第10讲安全栅与安全仪表安全参数的确定徐建平PROCESSAUTOMATIONNSTRUMENTATIONVol2912December2008在某一个电流值之内,这个电流值是安全值,故现场也是安全的。齐纳式安全栅的安全保护作用,实际上是运用齐纳二极管分流和电阻的限流作用,对能量进行限制。由于安全栅的功能,且不论发生任何故障都保证传输到现场危险区的能量是一个安全值不会点燃规定的分级、分组爆炸性气体混合物,从而保证现场安全。快速熔断器快速熔断器是特定种类的熔丝,在设计中应严格的选择熔断器阻值、熔断时间和熔丝导热特性,确保限压元件工作于正常电压或正常的漏电流以内。由于安全栅是将熔断器和稳压管两种元件的特点有机地结合在一起而达到限制能量的目的。因而,当通过熔断器的电流是额定值的规定倍数时,在规定的秒级时间内熔断熔断器的熔断时间必须小于稳压管的击穿时间。正是熔断器所具有特性,才保证了正常的信号传输和安全。所以用其它低值熔丝代替特种熔断器,千万不可为的。熔断器的设计必须符合相关的标准要求,其性能测试也必须符合相关标准条款的要求。限压二极管限压二极管是齐纳式安全栅电路中发挥保护作用的关键元件。它能有效排除大于限压二极管限压值电压引发的危险。限压元件根据适配需要可选用齐纳二极管,也可选用常规二极管,或两种同时采用。齐纳二极管一般用在输出配电电压较高的电路网络中;常规二极管则反之。将常规二极管串在端电路中,一方面可限制齐纳式安全栅的极性;另一方面可提高端电路的反向电压。限压二极管应严格地选用特性曲线陡峭、漏电流小的型号,当然限压二极管的功率、频率特性、电压温度系数也必须予以重视。传输单极性的齐纳式安全栅,限压二极管单向运传输交流信号的齐纳式安全栅,限压二极管对接,以保证其适用传输交流信号的特性。限流电阻限流电阻起限制流入危险区非正常电流的作用,同时,还传输着信号电流,所以必须认真选择。限流电阻的阻值是由输出电压、匹配电流、电缆参数和特定的实际应用确定的。设计中最好使用厚膜工艺精心设计制作并经激光调校的金属膜电阻,其表面有高温烧结的保护层。精度高、功率大、极限工作电压高、温度系数小、噪声小、高频特性好、性能稳定的限流电阻可确保齐纳式安全栅的相关技术指标。隔离式安全栅的基本组成与齐纳式安全栅一样,隔离式安全栅也是一种安装在安全场所的本安防爆关联设备,其保护功能体现在当电路发生故障时,限制危险电压和电流侵入危险区以保护现场设备。隔离式安全栅的基本组成示意如图2所示。隔离式安全栅的基本组成隔离式安全栅一般由熔断器以及其它保护元件或电路、可靠隔离元件以及一个相当于具有限压、限流功能的二极管安全栅网络所组成。隔离式安全栅首先要解决的问题是必须实现本安回路与其它非本安回路之间的可靠隔离。用于电路隔离的元件可以是耦合变压器,也可以是光电隔离器等。隔离式安全栅的非本安端应采用熔断器或其它保护电路保护隔离器件。隔离式安全栅中与本安性能相关元件在结构和参数上应符合本安设计的有关规定。熔断器快速熔断,防止危险电压或电流进入现场。利用快速熔断器实现了电流、电压快速切断功能。电源经DCAC变换器变成交流方波,再经变压器隔离,整流滤波得到直流电源,通过电流电压限制器给两线制变送器提供隔离电源;同时接受变送器的输出电流,经调制变成交流方波信号,通过电流互感器隔离后经解调放大器还原为直流信号输出。实现了电源的隔离与限能作用。经电流互感器隔离后送入解调放大器,输出电流信号。从而实现了输入信号间的隔离与限能作用。由电路和晶体管组成的电压电流限制器或由齐纳管和电阻组成的齐纳式限压限流电路,把通往现场的电压和电流限制在某一个安全值之内,保证了传输到现7610讲安全栅与安全仪表安全参数的确定徐建平5自动化仪表6第29卷第12期2008年12月危险区的能量是一个安全值不会点燃规定的分级、分组爆炸性气体混合物,从而保证现场安全。隔离式安全栅采用快速切断、隔离、限流、限压等多种措施,一方面保证了系统的本安防爆性能, 另一方面 增强了系统的抗干扰能力, 提高了系统运行的可靠性。 隔离式安全栅的基本形式隔离式安全栅, 按照其功能, 大致可分为检测端安 全栅和操作端安全栅。例如, 检测端安全栅与两线制 变送器配合使用, 其作用如下: 为两线制变送器提供隔 离电源, 同时限制危险能量从本安端子窜入到危险场 20mA电流信号转换成与之隔离的 20mA电流信号, 5V的电压信 号输出。 操作端安全栅与电气转换器或电气阀门定位器配 合使用, 它的作用如下: 把来自调节器或操作器的 20mA电流信号经隔离后输出给电气转换器或电气阀门定位器; 限制危险能量从本安端子窜入到危险场所。 本安电路端子与非本安电路端子的距离应不小于 50mm。 应设有两个接地端子,非接地的本安电路端子 应有防护罩保护。 电路元件应依次排列,并用树脂浇封在外壳 外壳防护等级至少为IP20。 本安电路端子与非本安电路端子的距离应不小于 50mm。 外壳防护等级至少为IP20。 在印制板上,依靠例如隔离变压器、光耦隔离 器等隔离元件隔离的本安端电路与非本安端电路必须 分开布置, 且具有明显的隔离带 其带宽必须符合第九讲中表2所要求的在最高电 条件下的爬电距离和电气间隙的要求。 本安仪表安全参数的确定构成本安仪表系统的本安设备关联设备和本安设 备的本安防爆性能主要用一组安全特性参数来表征。 对于本安设备, 其主要安全特性参数如下: Exia] IIC T6 安全参数本安设备在故障状态下的最高输入电压 最大输入电流 本安设备最大内部等效电容 对于关联设备,其主要安全特征参数如下: Exia] IIC 安全参数关联设备在故障状态下的最高输出电压 最大输出电流 关联设备在故障状态下允许的最大外部电容 主要是为了便于多参数控制设备热引燃问题。实践表明, 证设备时,仅确定 参数值是不够的。事实上本安设备在这些参数作用下其电火花点燃特性可能没有问 但是当其可能产生的温升不能同时满足设备要求的温度组别时, 本安设备允许的 本安设备最大输入功率 在考虑系统配置时,同样需要对关联设备的最大输 出功率 进行限制。为此,在认证电气设备时, 有时 还会分别为本安设备和关联设备给出一个被选的最大 功率参数 。这些参数的应用通常可使产品的设计和认证的参数更具灵活性。 总之, 确定本安设备和关联设备的安全参数是开 展本安防爆仪表产品设计与评定工作的关键。下面着 重介绍安全参数确定的一般步骤和常用方法。 关联设备安全参数的确定首先应依据 GB 3836 4标准规定, 在正常工作和规 定的故障条件下 包括 1个故障和 2个故障情况下分别 评定, 通过相应的比较分析和测试, 确定出设备的最高 输出电压 然后应用最小点燃曲线确定出相应的最大外部电容 为下列条件下设备输出电压的最大值, 即无故障和最不利的正常工作条件、最不 1个故障条件、最不利的2个故障条件 仅对于 ia 类本安型电路 应为在最高输出电压条件下可能获得的最大短路电流。 可通过试验或比较的方法确定, 并取由下列方法获得的电容值的较小者。 如果最高输出电压是在正常工作或在 1个故障条 77 防爆安全技术0讲座第10讲 安全栅与安全仪表安全参数的确定 徐建平PROCESS AUTOMATION NSTRUMENTATIONVol 29 12December 2008 件下确定的, 那么最大电容应为在 5倍最高输出电压作用下不会产生点燃的电容最大值。 如果最大输出电压是在 2个故障条件下确定的, 那么最大电容应为在最高输出电压作用下不会产生点 燃的电容最大值。 可通过试验或比较的方法确定, 并取由下列方法获得的电感值的较小者。 如果最大输出电流是在正常工作或在 1个故障条 件下确定的, 那么最大电感应为在 5倍最大输出电流作用下不会产生点燃的电感最大值。 如果最大输出电流是在 2个故障条件下确定的, 那么最大电感应为在最大输出电流作用下不会产生点 燃的电感最大值。 应为其负载可能获取的最大bob体官网手机版功率。例如对于线性电路, 其计算公式为: 可应用下列公式计算。该公式已考虑了电流 超过1%C 设备为525 LJ, 对A类设备为 320 LJ, 160LJ, 对C类设备为 40 LJ; 为在本安现场设备连接端子上呈现的设备总的内部等效电阻。 当要求的安全系数为 值应乘以2125。 通常 是用于分布参数的,例如, 电缆。对于 电感和电阻的集总值, 在使用该公式时, 需要特殊考 对于具有非线性输出的电源,计算 本安设备安全参数的确定本安设备安全参数的确定在原理上与关联设备安 全参数的确定正好相反。即首先应通过分析或必要的 火花试验, 确定出本安设备输入端在正常工作或 故障和2个故障条件下, 对外所呈现出的最大电容 然后,依据这些数值, 运用标准给 出的最小点燃曲线即可分别确定出相应的能保证本安 现场设备正常工作的最高输入电压 和最大输入电流 但在实践中,本安设备的安全参数, 尤其是最高输 入电压和最大输入电流一般应由本安设备设计人员根 据可能的本安系统配套要求提出。然后设计人员应以 此为依据, 首先确保设计电路的输入等效电容和电感 符合本质安全要求, 其次必须验证整个电路在拟考虑 或客户要求的安全参数作用下, 可能产生的电火 花或热表面都是安全的。具体分析如下: 在评定一个元件的温升时,应在可能出现的电 压和电流作用下进行。 本安设备电容放电性能的评定,在考虑放电期 间从电源吸取电流的同时, 应对其两端可能出现的最 高开路电压考虑适当的试验安全系数后进行。 本安设备电感放电性能的评定,应在元件可能 承受的电压和电流作用下进行。试验电流应考虑适当 的安全系数。 本安设备最大内部电感和电容应在正常工作和故障条件下, 按以下方法之一确定, 检验或分析计 根据前述关于安全参数确定方法要求通过试验确认;使用前述的关于安全参数确定方法程序, 导出最大内 部电容或最大内部电感值。 若本安设备的最高输入电压 已经确定,而实际最大电容 值不可能通过分析如存在非线; 得出, 则需借助 火花试验装置和标准规定的试验方法进行测试, 按照正 好不产生点燃所需的电容或电感之差来确定。 在进行内部电容 参数的测试时,应按照火花 试验的试验程序, 对一个可变电容进行试验, 调节其电 直至正好不会产生点燃为止。试验电源电压应为最高输入电压 接着,将本安设备有关的端子并联到上述可变电 容两端。有时, 对于多个端子的本安设备, 须对其不同 端子组重复进行该项试验。 然后, 仍然按火花试验的试验程序, 对一个可变电容 与本安设备的组合进行试验, 重新调节可变电容值, 直至 正好不会产生点燃为止, 并记录此时可变电容值 对应于这些被试端子,本安设备的最大内部电容 应视其为零。上述关于内部电容参数的测试程序同样可用来确 定本安设备的内部电感 参数。此时,本安设备的 被试端子应与一个 95mH的电感串联。供电电源开路 电压为 24 VDC。但是对于工作电流大于 100mA的电 可改变电源电压和电感值,以改善灵敏度。 电路中电流应用一个串联的无感电阻进行调节, 78 10讲安全栅与安全仪表安全参数的确定 徐建平5自动化仪表6第 29卷第 12期 2008年 12月 直至正好不产生点燃为止, 然后利用相应的最小点燃 曲线, 按照电流差即可导出有效电感。 对本安设备的最大输入功率 一般是在单纯规定最高输入电压 不能保证电路全面满足本质安全要求时, 需进一步通过输入功率限 来避免电路或其元件产生高温危险。例如,可依据 温度组别简化判定原则, 对最大输入功率作出限制。 通常, 连接到本安设备每个端子的关联设备及允 许的安全参数应予以文件化规定, 或通过控制图方式 明确。当本安设备有多个关联设备电路连接时, 应考 虑可能的电流或电压的叠加影响。 一般要求电气设备外壳明显处, 须设置清晰的永久性 Ex0 标志。小型电气设备及仪器仪表, 只要产品铭牌右上 方已设有明显的 Ex0标志, 本款可不作要求。 电气设备外壳的明显处, 须设置铭牌, 并可靠 固定。尽管GB 3836 1没有对铭牌材料作出具体规 但是为了防止腐蚀,仪器仪表的铭牌 建议使用青铜、黄铜或不锈钢制成,其厚度不宜 小于0 mm。本质安全设备和关联设备铭牌标志至少应具有 GB 3836 1规定的最少标志内容。 通常情况下, 铭牌须包括以下主要内容: 铭牌右上 方有明显的 Ex0标志; 防爆标志; 防爆检验机构标志; 防爆合格证编号; 其他需标出的特殊条件; 产品出厂日 期或产品编号。 本安防爆相关的标志本安防爆仪表的铭牌上除应具备 GB 3836 1规定 的标志要求外, 还应增加本质安全仪表特有的安全参 数标志。 即有: 最高输入电压 电池型号规格适用时 对于关联设备,即有最高电压 认为需要时 对特别小型的设备允许减少标志内容,但须在 使用说明书中注明。 其他标志本安设备和关联设备的连接件、接线盒、插头和插 座应有易于识别的明显标志。如, 用颜色识别时, 须用 浅蓝色。必要时, 应同时采取机械等方法以保证连接 的绝对正确性。对于基于 FISCO模型认证的设备, 铭牌上应明示相关的信息。防爆安全技术基本术语 maximumexternal inductance resistanceratio 可以连接到电气设备连接装置上, 且不会使本质安全性能失效的外电路的电感与电阻之比。 maximuminput voltage 施加到本质安全电路的连接装置上, 且不会使本质安全性能失效的最高电压 交流峰值或直流 maximuminput current 施加到本质安全电路的连接装置上, 且不会使本质安全性能失效的最大电流 交流峰值或直流 maximuminput power 当电气设备与外电源连接不使本质安全性能失效时, 可能在电气设备内部消耗的本质安全电路的最大输入 功率。 maximuminternal capacitance 通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容。 maximuminternal inductance 通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。 maximuminternal inductance resistanceratio 在电气设备外部连接装置上出现的电感与电阻之比。 最高电压交流有效值或直流 voltage施加到关联设备非本质安全连接装置上, 且不会使本质安全性能失效的最高电压。 79 5自动化仪表6征稿简约