安全栅选型指南

安全栅选型导购指南

---- 自动化产品选型导购指南

在许多工业过程中，需要处理或使用一些易燃材料，如原油和它的衍生物，酒精，天然气，粉末，飞扬物，任何渗漏或溅出都有可能形成一个爆炸环境。为了工厂和人员的安全，必须确保这个环境不会被点燃引起爆炸。

而在生产过程中大量使用电气设备，各种磨擦的电火花、静电火花、高温等不可避免，尤其当设备发生故障时，都有可能会点燃爆炸环境。为了防止爆炸的发生，至今已开发了8中不同的防爆技术，其中本质安全是一种低成本而高有效的防爆技术。

本质安全（IS）是系统防爆的技术，安全场所的控制室设备通过安全栅与危险场所的本安设备相连，传递信号或能量。安全栅利用限流和限压电路，限制了从安全场所传递到危险场所的能量；处于危险场所的本安设备在这样的能量下能够正常工作，但这样的能量不足以引燃爆炸环境，即使本安设备自身发生故障，也不会产生任何足以引燃的电火花或发热表面。因此，无论是安全场所的控制室设备还是危险场所的本安设备发生故障，只要安全栅的限流限压电路正常工作，整个系统都会处于安全状态，不会产生爆炸。

安全栅作为控制室的非本安设备与危险场所的本安设备之间的关联设备，是本安防爆系统中的重要组成部分。下面主要介绍一下本安系统配置设备选用原则及安全栅的选择方法，希望这些知识对大家有所帮助。

本安系统配置设备选用原则

本安系统由本安现场设备、关联设备(也称安全栅)和连接电缆三部分组成，就本安防爆性能而言，它们必须满足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc+Ci和Lo≥Lc+Li四个条件。这些设备配置的选用原则是：

本安电气设备的选用原则

简单设备：按照GB3836.4-2000防爆标准规定，对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，且其能量不超过20μJ或功率不超过25mW的电气设备可视为简单设备，其中最常见的仪表设备有热电偶、热电阻、pH电极、应变片和开关等，它们的典型特点是仪表设备的内部等效电感Li=0，内部等效电容Ci=0。因此，这些简单设备可以直接应用在现场。

本安电气设备：

安装于危险场所的现场设备，必须明确以下问题：

a)、是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求设计并已被国家防爆检验机构认可的本安电气设备;

b)、防爆标志规定的等级是否适用于使用的危险场所的安全要求;

c)、明确Ui、Ii、Pi、Ci、和Li参数;

d)、本安电路是否接地或接地部分的本安电路是否与安全栅接口部分的电路加以有效隔离。

e)、信号传输是以何种方式进行;

f)、本安电气设备的最低工作电压及回路正常工作电流。

在上述问题明确的基础上，选择与之对应的安全栅。

安全栅的选用原则

a)、安全栅的防爆标志等必须不低于本安现场设备的防爆标志的等级。

b)、确定安全栅的端电阻及回路电阻可以满足本安现场设备的最低工作电压。

c)、安全栅的本安端安全参数能够满足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc和Lo≥Lc的要求。

d)、根据本安现场仪表的电源极性及信号传输方式选择与之相匹配的安全栅。

e)、避免安全栅的漏电流影响本安现场设备的正常工作。

f)、安全栅有两大类，一类为齐纳式安全栅，另一类为隔离式安全栅。

安全栅的选择

安全栅的选用方法不外乎两种，一是根据“回路认证(Loop Approvals)”，即我们常说的“联合取证”，根据危险环境使用仪表的联合取证情况，选择已与其联合取证的安全栅，一经联合取证，现场仪表与安全栅便固定组合构成本安系统。

我国主要采用这种方式认证本安系统。实践中，这种方式对安全栅和现场仪表的选择有很大的局限。一个工程可能用多种仪表，国产的、进口的等等。它们可能没有和同一个安全栅厂家的安全栅联合取证，如果严格按照这种联合取证方式，那么这个工程可能要使用多个厂家生产的安全栅。它们可能有不同的供电、安装、接地等要求，从而带来很多麻烦。

另一种是近年来国际上逐渐形成并流行的一种新的本质安全认证技术，即“参量认证(Parametric Approval s)”。按照“参量认证”方式认证的本安设备和关联设备都会给出一组安全参数。

这些参数包括：

1)本安现场设备

Vmax——在正常工作或故障条件下，能接受并能保持其本安性能的最高电压；

Imax——在正常工作或故障条件下，能接受并能保持其本安性能的最大电流；

Ci——本安现场设备内部未被保护的电容；

Li——本安现场设备内部未被保护的电感；

Pmaxi——本安现场设备允许输入的最大功率；

2)关联设备

Voc——最高开路电压，即在正常工作或故障条件下可能传送到危险场所的最高电压；

Isc——最大短路电流，即在正常工作或故障条件下可能传送到危险场所的最大电流；

Ca——关联设备允许外接的最大电容；

La——关联设备允许外接的最大电感；

Pmaxo——关联设备允许输入的最大功率；

只要本安现场设备和关联设备的上述参数满足下列关系式，用户就可以不经防爆检验机构的认可而任意组合配套构成本安防爆系统。

Vmax >= Voc

Imax >= Isc

Pmaxi >= Pmaxo

Ci + Cc <= Ca

Li ＋Lc <= La

式中Cc，Lc分别表示本安现场仪表与关联设备之间连接电缆的分布电容和分布电感。

结合“参量认证”介绍一下安全栅的选用。

1)安全栅的最高允许输入电压：与安全栅相连的安全设备的工作电压或可能产生的电压不得超过安全栅的最高允许输入电压。齐纳安全栅的最高允许输入电压一般为250V AC/DC。某些安全设备如彩色CRT可能产生的高压可达上万伏，若用在本安系统时，这些安全设备应采用光电隔离等技术使之从本安系统中隔离开来，或者采用隔离型安全栅，如P+F公司的隔离式安

全栅隔离电压可达2500V AC/DC。

2)“参量认证”中公式Vmax >= Voc，Imax >= Isc，Pmaxi >= Pmaxo本质安全设备的Vmax，Imax，Pmaxi即为本安现场设备能够正常工作的最大电压、电流和功率，一旦本安关联设备可能输出的最大电压、电流和功率Voc，Isc,Pmaxo中任一个大于上述对应值，则本安设备就可能引爆危险气体而不能够正常工作，因此选用时应逐一对比。

3)“参量认证”中公式Ci + Cc <= Ca , Li ＋Lc <= La 引入了Cc，Lc这两个变量，这实际上是在安全栅选用的基础上引出了控制电缆的选用问题，众所周知电容和电感为储能元件的参数，把本安设备和控制电缆的电容和电感视为一个储能元件的话，他们的储能分别不应大于相应类、级别的爆炸性气体混合物的最小点燃能量，显而易见这限定了控制电缆的长度。可见，本安系统设计中控制电缆的选用也是一个不容忽视的问题，这里就不在赘述。

上述三种条件都满足后，毋庸置疑这种回路肯定是本质安全的，但是本安回路能否正常工作呢?这同样涉及安全栅选用的另一个问题，即阻抗匹配问题。

本安系统中(见图)，安全栅阻抗Ra，现场仪表阻抗Rb，电缆阻抗RL及安全仪表的允许负载阻抗Ro应满足：

Ra+Rb+RL≤Ro

本安系统中阻抗匹配示意图

对于输出回路，作为安全仪表的调节器或I/O卡的输出通道等，他们的允许负载阻抗是由制造厂商提供的，如Smar公司的CD600调节器4～20mA输出时允许负载为750Ω，FOXBORO 公司I/A系列I/O卡4～20mA输出时允许负载为735Ω。

对于输入回路，作为安全仪表的显示仪表或I/O卡的输入通道等，他们的允许负载阻抗取决于其输出电压Vo和现场仪表的无负载工作电压Vi，公式表示为：

Ro=(Vo－Vi)÷0.023

以FCX变送器为例，其无负载工作电压为10.5V DC，那么一个输出电压为24V DC的I/O 卡的负载电阻Ro=(24V－10.5V)÷0．023A＝587Ω。

无论输入、输出回路，选用安全栅时其阻抗满足上式即可保证回路的正常工作。

安全栅按结构分，主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类。隔离式安全栅的价格要稍高于齐纳式安全栅，但在要求较高的场合，几乎无一例外地采用了隔离式安全栅。隔离式安全栅也有逐步取代齐纳式安全栅的趋势。

近年来，P+F和MTL等公司相继推出隔离式、总线制隔离式安全栅，无论何种安全栅，在选用过程中都应遵守上述原则。只有这样，才能正确选择并合理使用安全栅，并会取得满意的效果。

附：连接电缆的选用原则

用于本安系统中连接本安现场设备与安全栅的连接电缆，其分布参数在一定程度上决定了本安系统的合理性及使用范围，因此必须符合以下条件。

a)、连接电缆规格

连接电缆为铜芯绞线，且每根芯线的截面积不小于0.5mm2。

介质强度应能承受2倍本安电路的额定电压，但不低于500V的耐压试验。

b)、连接电缆长度的限制

在本安系统中，现场本安仪表和连接电缆同为安全栅的负载，当安全栅与现场本安仪表选定后，也就决定了连接电缆的长度。其具体方法如下。

根据Co≥Cc-Ci和Lc≤Lo-Li和公式计算电缆的最大外部分布参数;

按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分别计算电缆长度，取两者中的小值作为实际配线长度L，但多芯电缆，应考虑相互叠加影响。