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1、5自动化仪表6第 29卷第 12期 2008年 12月/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(上海仪器仪表自控系统检验测试所,上海 200233)1 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,不论控制室设备是处于正常工
2、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安的。就安全总体结构而言,安全栅与非本安电路连接端(即输入端)叫做安全栅的非本安端,另一端(即输出端)叫本安端。本安端具有限压、限流输出特性,不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述:最高开路电压(Uo)、最大短路电流(Io)、最大输出功率(Po)、最大外部电容(Co)、最大外部电感(Lo)或最大外部电感与电阻比(Lo/Ro)、最高电压(Um)。2 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
3、定。就安全栅本身的功能而言,大致可归 纳为 4 种性质的安全 栅,即: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栅。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色区分。3 齐纳式安全栅3.1 齐纳式安全栅的基本组成图 1所示是齐纳式安全栅的典型电路结构,它一般由熔断器、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。图 1 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
4、两个接地端子,其截面积不小于 4mm2。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。3.2 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 1、2之间所加的电压低于最高工作电压 Umax(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,除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,呈/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
5、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PROCESS AUTOM ATION I NSTRUM ENTATION Vo.l 29 No.12 Dece mber 2008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
6、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。3.3 齐纳式安全栅的关键部件3.3.1 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器熔丝的热阻、热阻压降大增,迫使熔丝快速彻底地烧断,以保
7、证稳压管在熔丝熔断时间内可靠工作。换言之,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,是千万不可为的。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。3.3.2 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
8、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,限压二极管单向运用;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。3.3.3 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
9、保齐纳式安全栅的相关技术指标。4 隔离式安全栅4.1 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图,如图 2所示。图 2 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
10、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。4.2 隔离式安全栅的基本原理 当外界加入的电流或电压超过快速熔断器的额定值时,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 DC/AC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。输入的直流信号通过调制器变为交流方波电流,经电流互感器隔离后送入解调放大器,输出电流信号。
11、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76/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5自动化仪表6第 29卷第 12期 2008年 12月场(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。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。4.3 隔离式安全栅的基本形式隔离式安全栅,按照其功能,大
12、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所;把两线制变送器送来的 4 20mA电流信号转换成与之隔离的 4 20 mA电流信号,或 1 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 420mA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。5 安全栅的结构设计5.1 齐纳式安全栅的结构设计原则 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
13、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中。外壳防护等级至少为 IP20。其余应符合本安仪表结构设计的有关要求。5.2 隔离式安全栅的结构设计原则 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(标准要求的分隔间距),其带宽必须符合第九讲中表 2所要求的在最高电压(即峰值电压 Um)条件下的爬电距离和电气间隙的要求。隔离元件必须按可靠元件设计与测试。其余应符合本安仪表结构设计的有关要求。6 安全参数的确定6.1 本安仪表
14、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:防爆标志(如,Ex ia IIC T6)安全参数本安设备在故障状态下的最高输入电压 Ui,最大输入电流 Ii,最大输入功率 Pi;本安设备最大内部等效电容 Ci,最大内部等效电感 Li。对于关联设备,其主要安全特征参数如下:防爆标志(如,Ex ia IIC)安全参数关联设备在故障状态下的最高输出电压 Uo,最大输出电流 Io,最大输出功率 Po;关联设备在故障状态下允许的最大外部电容 Co,最大外部电感 Lo。安全参数中引入最大功率参数(Pi、Po)主要是
15、为了便于多参数控制设备热引燃问题。实践表明,在认证设备时,仅确定 Ui、Ii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题,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 Ui、Ii值(即,本安设备最大输入功率 Pi)必将受到进一步的限制。相应地,在考虑系统配置时,同样需要对关联设备的最大输出功率 Po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 Pi、Po。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。
16、下面着重介绍安全参数确定的一般步骤和常用方法。6.2 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(Uo)和最大输出电流(Io),然后应用最小点燃曲线确定出相应的最大外部电容(Co)和电感(Lo)。具体确定步骤如下:最高输出电压(Uo)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、最不利的 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)。最大输出电流(Io)应为在最高输出电压条件下可能获得的最大短路电流。最大外部电容
17、(Co)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 AUTOM ATION I NSTRUM ENTATION Vo.l 29 No.12 Dece mber 2008件下确定的,那么最大电容应为在 1.5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。最大外部电感(Lo)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。
18、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 1.5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。最大输出功率(Po)应为其负载可能获取的最大功率。例如对于线性电路,其计算公式为:Po=Uo#Io4(1)最大外部电感与电阻比(Lo/Ro)可应用下列公式计算。该公式已考虑了电流 1.5倍安全系数,当 Ci超过 1%Co时,该公式不适用。Lo/Ro=8eRi+(64e2Ri2-72Uo2)4.5Uo2(H/8)(2)式中:e为火花试验装置最小点燃能量,J,其对于
19、类设备为 525 LJ,对 A类设备为 320 LJ,对 B类设备为 160 LJ,对 C类设备为 40 LJ;Ri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 1.0 时,Lo/Ro值 应乘以2125。通常 Lo/Ro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,需要特殊考虑。对于具有非线性输出的电源,计算 Lo/Ro值时需要特殊考虑。6.3 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 1个故障和 2个故障条件下,对外所呈现出的最
20、大电容(Ci)和电感(Li)值;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(Ui)和最大输入电流(Ii)。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的(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
21、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,检验或分析计算;如果设备制造商声明了其最大内部电容或电感,则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(Ui)和最大输入电流(Ii)已经确定,而实际最大电容(Ci)和电感(Li)值不可能通过分析(如存在非线性储能元件等)得出,则需借助火花试验装置和标准规定的试验方
22、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(Ci)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,调节其电容值,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(Ui)的 1.5倍。记录该电容值 C1。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 C2。对应于这些被试端子,本安设备的最大内部电容Ci为 2个记录的电容值之差,即 Ci=C1
23、-C2,Ci为负数时,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(Li)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的电路,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/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(Pi),一般是在单纯规定最高输入电压(Ui)
24、和最大输入电流(Ii)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制,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。7 本安仪表标志7.1 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
25、规定,但是为了 防止腐蚀,仪器 仪表的铭 牌(含警 告牌)建议使用青铜、黄铜或不锈钢制成,其厚度不宜小于 0.5 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。7.2 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(Ui);最大输入电流(Ii);最大输入功率(Pi)(认为需要时);最大内部电容(Ci);最大
26、内部电感(Li);最大内部电感与电阻比(Li/Ri)(认为需要时);电池型号规格(适用时)。对于关联设备,即有最高电压(Um);最高输出电压(Uo);最大短路电流(Io);最大输出功率(Po)(认为需要时);最大外部电容(Co);最大外部电感(Lo);最大外部电感与电阻比(Lo/Ro)(认为需要时)。注: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。7.3 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,其铭牌上应明示相关的信息。防爆安
27、全技术基本术语#最大外部电感与电阻比(L0/R0)maximum external inductance to resistance ratio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。#最高输入电压(Ui)maxi mum input 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)。#最大输入电流(Ii)maxi mu m input 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)。#最大输入功率(Pi)maxi mum input power当电气设
28、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。#最大内部电容(Ci)maxi mum internal capacitance通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容。#最大内部电感(Li)maxi mum internal inductance通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。#最大内部电感与电阻比(Li/Ri)maxi mum internal inductance to resistance ratio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 Um)maximum r.m.s.a.c.or d.c.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。795自动化仪表 6征稿简约