第三章防爆安全栅

第三章防爆安全栅(3学时)防爆安全的基本概念1、危险场所的划分；2、防爆仪表的分类、分级和分组；3、本质安全防爆的定义本质安全防爆仪表的设计要点防爆安全栅原理1、齐纳安全栅；2、变压器隔离安全栅第一节防爆安全的基本概念安装于各种具有易燃、易爆气体、蒸汽或粉尘等危险场所的仪表如果产生火花，就容易引起爆炸。因此，用于这种场所的仪表与控制系统，必须具有防爆功能。气动仪表从本质上来说具有防爆功能。电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能，其防爆措施不同，防爆性能也将不同，因此，适合应用的危险场所也不同。一危险场所的划分分为气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两类。1、气体爆炸危险场所的区域等级：0、1、2三类，0类最危险。2、粉尘爆炸危险场所的区域等级：10、11级两类，10级更危险。二爆炸性物质的分类、分级与分组

1、分类I-矿井甲烷；II-爆炸性气体、可燃蒸汽；III-爆炸性粉尘、易燃纤维。2、分级（1）爆炸性气体的分级A、B、C三级，按最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流（MICR）。A级危险等级低。

最大试验安全间隙：在规定的标准试验条件下，火焰不能传播的最大间隙。

最小点燃电流：在规定的标准试验条件下，调节最小点燃电流，以甲烷的最小点燃电流为标准，定为1，其它物质的最小点燃电流一之比较，得出最小点燃电流比为某物质的最小点燃电流。（2）爆炸性粉尘的分级分为A、B两类。按粉尘的物理性质划分。A级危险等级低。3、爆炸性物质的分组按引燃温度分。根据最高表面温度，工厂用防爆仪表分为T1-T6六组，其规定如下表所示：级别MESG/mmMICRⅡAMESG≥0.9MICR>0.8ⅡB0.9>MESG0.50.8≥MICR≥0.45ⅡC0.5≥MESG0.45>MICR温度组别T1T2T3T4T5T6最高表面温度/℃45030020013510085仪表的最高表面温度可用下述方法间接得到：仪表的最高表面温度=实测最高表面温度-实测时环境温度+规定最高环境温度三防爆仪表的分类、分级和分组防爆仪表的分类I类：煤矿井下用电气设备II类：工厂用电气设备

（工厂用）电气设备又分为8种类型。这8种类型其标志如下：隔爆型 d 增安型 e本质安全型 I 正压型 p 充油型 o 充沙型 q无火花型 n 特殊型 s电动仪表主要有隔爆型（d）和本质安全型（i）两种。本质安全型又为分两个等级：ia和ib。在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表，引起爆炸主要有两方面的原因：（1）仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽；（2）仪表过高的表面温度。1、隔爆型防爆仪表（d）采用隔爆型防爆措施的仪表称为隔爆型防爆仪表，其特点是仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内，其表壳强度足够大，接合面间隙足够深，最大的间隙又足够窄。这样，即使仪表因事故在表壳内产生燃烧或爆炸时，火焰穿过缝隙过程中，通缝隙壁吸热及阻滞作用，将大大降低其外传能量和温度，从而不会引起仪表外部规定的易爆性气体混合物的爆炸。隔爆型防爆仪表安装及维护正常时，它能达到规定的防爆要求，但是在揭开仪表表壳后，它就失去了防爆性能，因此不能在通电运行的情况下打开表壳进行检修或调整。2、本质安全型防爆仪表(i)采用本质安全型防爆措施的仪表称本质安全型防爆仪表，也称安全火花型防爆仪表。这种防爆结构的仪表，在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸。正常状态指在设计规定条件下的工作状态，故障状态指电路中非保护性元件损坏或产生短路、断路、接地及电源故障等情况。

“安全火花”，是指其能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。1、本质安全防爆系统变送器电源箱安全栅调节器安全栅执行器若现场仪表中有很大的电感、电容，当线路出现短路或断路故障时，也可能产生非安全火花，引起爆炸事故。所以一个线路是不是安全火花电路的必要条件，一是自身不产生非安全火花，二是安全场所的非安全火花不能窜入危险场所。因而一个线路需经过国家防爆机关进行严格鉴定后，方能确认是否为安全火花电路。安全火花型防爆仪表所采取的措施主要有以下两方面：（1）仪表采用低压的工作电压和小的工作电流。通常工作电压为24VDC，电流不大于20MA，故障时电压不大于35VDC电流不大于35MA。（2）在线路设计上，对处于危险场所的电路，适当选择电阻、电容和电感的参数值，借以限制火花能量，使其只产生安全火花。（3）用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。（4）连接导线不得形成过大的分布电感和电容。分布电容：由于电路的分布特点而具有的电容。例：线圈的相邻两匝之间。分布电感：在电路中，由于导线分布和元器件分布而存在的电感。例如，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时都具有一定的电感，它对电路的影响等效于给电路串联上一个电感器，这个电感值就是分布电感。根据电感器的频率特性，可以知道由于分布电感的数值一般不大，在低频可以不考虑分布电感的影响，但对于高频交流电路，分布电感的影响就不能忽略了。2、本质安全型ia和ib两个等级

ia——在正常工作、一个故障和两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。

ib——在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性气体的电气设备。3、防爆仪表的标志防爆仪表的标志为“Ex”；铭牌上防爆标志一般分为四段：ExABC。Ex表明此仪表为防爆仪表，A表明防爆类别，如d、ia、ib等，B为防爆仪表的级别，如I级、IIA、IIB、IIC。C为防爆仪表的温度组别。控制仪表常见有铭牌上标有：

ExiaIICT5和ExdIIBT3。前者表示II类本质安全型ia等级C级T5组，后者表示II类隔爆型B级T3组。第二节本质质安全型防爆仪表的的设计要点点一、降低安全电电路的能量量电感：WL=−LI212电容：WC=−CV212限制回路I、L限制回路V、C电阻：同时时限制回路路I和VI、V、L、和C的的数值限制在在一定值以下二、本安电电路部件的的结构和选选取2.限流电电阻3.隔离电电容5.保护性性晶体管组组件1.电源变变压器本安电路供供电的绕组组与其他绕绕组可内外外分布:其间加强绝绝缘和有铜铜质接地屏屏蔽层隔离离.4.分流元元件第三三节节防防爆爆安安全全栅栅原原理理安全全栅栅是指指接接在在本本质质安安全全电电路路和和非非本本质质安安全全电电路路之之间间，，将将供供给给本本质质安安全全电电路路的的电电压压或或电电流流限限制制在在一一定定安安全全范范围围内内的的装装置置。。它它主主要要应应用用在在本本安安防防爆爆系系统统的的设设计计中中，，电电路路中中通通过过限限流流和和限限压压电电路路限限制制了了送送往往现现场场本本安安回回路路的的能能量量，，从从而而防防止止非非本本安安电电路路的的危危险险能能量量串串入入本本安安电电路路。。它它安安装装于于安安全全场场所所，，接接收收来来自自危危险险区区的的信信号号,输输出出安安全全信信号号到到安安全全区区或或危危险险区区安全栅的作用用:一方面,将进进入危险场所所的电压电流流限制在安全全额定值以下,以保证证安全火花型型防爆性能;另一方面为现现场二线制提提供电源,在在现场和控制制室之间传递信号。。安全栅分输入入端用安全栅栅与输出端用用安全栅。安全栅的种类类：1.电阻式式2.齐纳式式3.中继式式4.变压器器隔离式2、4用得得最多√√隔离式安全栅栅还将危险场场所与控制室室实行电气隔隔离。安全栅的品种种:一、齐纳式安安全栅1.齐纳式式安全栅的工工作原理齐纳安全栅是是基于齐纳二二极管反向击击穿特性工作作的。由限压电路,限流电路和熔断器三部分组成。。其原理电路路如图所示：：图中R为限限流电阻，VZ1、VZ2为齐纳二二极管，FU为快速熔断断器。齐纳式安全栅栅原理图系统正常工作时，安全侧电压U1低于齐纳纳二极管的击击穿电压U0，齐纳二极管截截止，安全栅栅不影响正常常的工作电流流。但现场发生事事故，如短路，利利用电阻R进进行限流，避免进入危险险场所的电流流过大；当安全侧电压压U1高于齐齐纳二极管的的击穿电压U0时，齐纳二极管击击穿，进入危危险场所的电电压被限制在在U0上，同时安全侧电电流急剧增大大，快速熔断断器FU很快快熔断，从而而将可能造成成危险的高电电压立即和现现场断开，保保证了现场的的安全。并联两个齐纳纳二极管是增增加安全栅的的可靠性。齐纳式安全栅栅的工作原理理齐纳安全栅优点是采用的的器件非常少少，体积小，，价格便宜;缺点是对主要要构成元件要要求高，如齐齐纳二极管、、快速熔断丝丝；危险侧本本安仪表必须须是隔离型的的；齐纳安全全栅对供电电电源电压响应应非常大，电源电压的波波动可能会引引起齐纳二极极管的电流泄泄漏，从而引起信信号的误差或或者发出错误误电平，严重重时会使快速速熔断器烧断断。齐纳式安全栅栅的优缺点图中24VDC的电源一方方面通过安全全栅向二线制制变送器供电电，同时将二线制变送器器产生的4-20mADC的信号号传送过来，，由250ΩΩ精确电阻转转换为1-5VDC的的电压信号送送显示仪表或或控制器，当然变送器传传送来的信号号也可通过信号号分配器,其其输出的多路路信号可分别别送显示仪表表和调节仪表表。二线制变送器器和齐纳安全全栅的连用二、变压器隔隔离式安全栅栅变压器器隔离离式安安全栅栅利用用变压压器或或电流流互感感器将将供电电电源源、信信号输输入端端和信信号输输出端端进行行电气气隔离离，同同时通通过电电子电电路(限能能器)限制制进入入危险险场所所的能能量。变压压器隔隔离式式安全全栅分分为检测端端安全全栅（输入入式安安全栅栅）和和操作端端安全全栅（输出出式安安全栅栅）两两种。。1.输输入入端安安全栅栅的作作用(一)输入入端用用安全全栅（1））把来自现现场变变送器器的4～～20mADC电流流经隔离变压器器1:1地地转换换成1～5VDC信号号或4～20mADC信信号输出至至控制制室仪仪表（（计算算机））。（2））为现场场两线线制变变送器器提供供24VDC直流流电源源（3））利用限限流、、限压压电路路使得得任何何情况况下送送往危危险场场所的的电压压不超超过30VDC、、电流流不超超过30mADC，，从从而保保证了了危险险场所所的安安全。。2.输入入端安全栅栅的构成原原理(1)外型型结构(2)输入入输出特性性(3)结构构组成及工工作原理IiVo24VDC125678输入端输出端Io4~20mA1~5V4~20mA有六部分组组成：1.直流-交流变换换器2.整流滤波波电路Ⅰ3.整流滤波波电路Ⅱ4.电流电电压限制电电路5.隔离离变压器6.共共基极放大大电路现场变送器调节器T124VDC电流电压限制电路共基极放大电路DC/AC交直流变换器计算机整流滤波电路Ⅰ隔离变压器整流滤波电路Ⅱe0e1e2IiVOABU-I1~5V4~20mA+--+-+VC5VC3调制器解调器隔离电源变压器T2输入端输出端结构组成1.输出端端安全栅的的作用(二)输输出端用安安全栅（1）把把来自控制室仪表表的4～20mADC电流流经隔离变压器1:1地转转换成1～5VDC直流流电压信号号或4～20mADC直直流电流信信号输出至现场场执行器。。（3）利利用限流、、限压电路路使得任何何情况下送送往危险场场所的电压压不超过30VDC、电流流不超过30mADC，从从而保证了了危险场所所的安全。。（2）为现场执行行器提供24VDC直流电电源2.操作端端安全栅的的构成原理理(1)外型型结构(2)输入入输出特性性IoIi24VDCA1A2B1B278输出端输入端4~20mA4~20mA(3)结构构组成及工工作原理e2有六部分组组成：1.直流-交流变换换器2.整流滤滤波电路3.调制制电路4.电流电电压限制电电路5.隔离变变压器6.共基极放放大电路输入端输出端现场执行器调节器T124VDC电流电压压限制电路路共基极放大电路路DC/AC交直直流变换器器计算机整流滤波电路ⅠⅠ隔离变压器e0e1IoABU-I4~20mA+--+-+VC6调制器解调器隔离电源变压器T2输出端输入端Ii4~20mA调制电路作业1、防爆爆型控制制仪表可可分隔爆爆型和本本安型，，他们都都能通电电时打开开检修吗吗？为什什么？2、什么么是本质质安全防防爆？构构成本质质安全防防爆系统统必须具具备什么么条件？？画出本本质安全全防爆系系统结构构框图。。3、什么是安安全栅？？说明齐齐纳安全全栅的构构成和工工作原理理。4、设计计本质安安全电路路的基本本出发点点是什么么？1、防爆爆型控制制仪表可可分隔爆爆型和本本安型，，他们都都能通电电时打开开检修吗吗？为什什么？答:在通通电的情情况下，，隔爆型型仪表不不能打开开检修，，本安型型可以打打开检修修。原因：隔隔爆型仪仪表具有有隔爆外外壳，其其强度足足够大，，方爆接接合面足足够宽，，能够承承受内部部爆炸并并阻止其其向外部部传播，，一旦打打开，防防爆作用用就失去去，故不不能带电电检修。。本安型仪表内内部为本质安安全电路，电电路中的电压压和电流被限限制在一允许许的范围内，，有故障也不不会导致周围围混合物的爆爆炸，故可以以带电检修。2、什么是本质安安全防爆？构构成本质安全全防爆系统必必须具备什么么条件？画出出本质安全防防爆系统结构构框图。答：本质安全防爆爆是指电路中的电压压和电流被限限制在一个允允许的范围内内，以保证仪仪表在正常工工作或发生短短接和元器件件损坏等故障障情况下产生生的电火花和和热效应不致致引起其周围围爆炸性气体体混合物爆炸炸。要使控制系统统具有本安防防爆性能，应应满足两个条条件：①在危危险场所使用用本质安全型型防爆仪表，，如本安型变变送器、电-气转换器、、电气阀门定定位器等；②②在控制室仪仪表与危险场场所仪表之间间设置安全栅栅，以限制流流入危险场所所的能量。下下图给出本安安防爆系统的的结构。3、