過程控制儀表第3章防爆安全柵.ppt

1、1,3.1 防爆安全的基本概念,在生產(chǎn)現(xiàn)場存在各種易燃，易爆氣體或蒸汽，或者存在爆炸性粉塵，易燃纖維。它們與空氣混合，具有爆炸危險，其空間成為具有不同程度的爆炸危險場所。,第三章 防爆安全柵,在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范圍內(nèi)傳播的混和物，稱為爆炸性混合物。 爆炸性物質(zhì)分為3類：類：礦井甲烷；類：爆炸性氣體、蒸汽；類：爆炸性粉塵、纖維。 含有爆炸性混合物的環(huán)境，稱為爆炸性環(huán)境。,2,一、危險場所的劃分 按國家2013年修訂“爆炸危險場所電氣安全規(guī)程”將爆炸危險場所分為兩類5級。 1. 第一類場所 爆炸性氣體或可燃蒸汽與空氣混合形成爆炸性氣體

2、的場所，按危險程度分為3級： 0級區(qū)域：爆炸性氣體連續(xù)地、短時間頻繁出現(xiàn)、長時間存在；,1級區(qū)域：爆炸性氣體可能出現(xiàn)； 2級區(qū)域：僅在不正常情況下偶爾短時間出現(xiàn)。,3,2. 第二類場所 爆炸性粉塵或易燃纖維與空氣混合形成爆炸性混合物的場所,按危險程度分為2級： 10級區(qū)域：爆炸性混合物連續(xù)地、短時間頻繁出現(xiàn)、長時間存在； 11級區(qū)域：僅在不正常情況下偶爾出現(xiàn)爆炸性混合物。 二、防爆儀表分類、分級和分組 分類： 自動化儀表屬于低壓電氣設(shè)備，在危險場所用的自動化儀表要按電氣設(shè)備防爆規(guī)程管理。規(guī)程規(guī)定防爆電氣可制成隔爆型、本安型、防爆通風(fēng)充氣型、防爆充油型、防爆安全型和特殊防爆型等10種結(jié)構(gòu)類型。,

3、4,自動化儀表防爆結(jié)構(gòu)主要有兩種： 隔爆型：標(biāo)志為“d”； 本安型：標(biāo)志為“i”。 隔爆型儀表結(jié)構(gòu)特點： 外殼耐壓（8001000）Kpa； 表殼溫升低于爆炸性氣體的自燃溫度； 表殼結(jié)合面的縫隙寬度、深度按其容積和氣體級別采取規(guī)定的值。 本安型儀表是指正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下，電路及設(shè)備產(chǎn)生的火花能量和達到的溫度都不會引起易爆性氣體爆炸的防爆類型。現(xiàn)代本安防爆概念是指整個自動化系統(tǒng)的防爆性能符合本質(zhì)安全防爆要求。,5,不同的危險等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備。,對于類電氣設(shè)備，電路電壓限制在30V

4、DC時，各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級。,爆炸性混合物的最小引爆電流,6,2、安全火花防爆系統(tǒng) 電動儀表存在電路打火的可能。如果從電路設(shè)計就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下，則此儀表稱為安全火花防爆儀表。,安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危險火花，對其它儀表通過信號線傳入的能量是否安全則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置安全柵，防止危險能量進入，則完全做到了安全火花防爆。,構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素： 在危險現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表（本安儀表）。 現(xiàn)場儀表與危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過安

5、全柵（防爆柵）。,7,3. 本安自動化（安全火花）防爆系統(tǒng)的組成 它包括兩部分：安裝在危險場所（現(xiàn)場）的本安電路； 安裝在非危險場所的非本安電路。 如圖所示。為了防止非本安電路中過大能量進入危險場所的本安電路，兩者之間采用防爆安全柵。使整個系統(tǒng)具有本安防爆性能。,8,4. 本安防爆系統(tǒng)的特點 1）工作電壓低，工作電流小； 正常工作電壓24VDC，工作電流 20mADC, 故障電壓35VDC，故障電流 35mADC。 儀表所用的電阻、電感、電容參數(shù)，保證在正?；蚬收蠣顟B(tài)所產(chǎn)生的火花能量不足以點燃爆炸性混合物； 2）危險場所和非危險場所的電路用防爆安全柵隔離； 3）現(xiàn)場儀表到控制室儀表的連線不得形

6、成大的分布電容和電感；,9,5 . 本安型防爆儀表的標(biāo)志 本安型防爆儀表的標(biāo)志為“i”，按等級分為“ia”適用于0區(qū)，“ib”適用于1區(qū)。 標(biāo)志銘牌上的防爆標(biāo)志分為四段：ExABC 其中Ex:防爆儀表； A:防爆類型，例如d、ia、ib等； B:防爆類和級，例如級、A、B、C等； C:儀表外面溫度級別，例如T1T6。 例如防爆儀表標(biāo)志銘牌上標(biāo)志為ExdiaCT6，指兼有隔爆和本安功能，可在C級T6組以下級別使用的防爆儀表。,10,3.2 防爆安全柵原理,按用途分類： 輸入端用， 輸出端用。,防爆安全柵，防止危險能量由安全場所進入危險場所，不影響儀表正常工作，安放在安全場所的入（出）口處。這樣對

7、安全場所的儀表不作防爆要求。,防爆安全柵的結(jié)構(gòu)種類很多，有電阻式安全柵、中繼放 大式安全柵、齊納式安全柵、光電隔離式安全柵、變壓器 隔離式安全柵等。,基本原理：簡單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進行限壓、用固定電阻進行限流 。,一、齊納式安全柵,當(dāng)輸入電壓Vi在正常范圍（24V）內(nèi)時，齊納二極管VD不導(dǎo)通；當(dāng)電壓高于24V并達到齊納二極管的擊穿電壓（約28V）時，齊納二極管導(dǎo)通，在將電壓鉗制在安全值以下的同時，安全側(cè)電流急劇增大，使快速熔斷絲FU很快熔斷，從而將可能造成事故的高壓與危險現(xiàn)場隔斷。固定電阻R的作用是限制流往現(xiàn)場的電流。,1,2,3,4,兩點不足： 一、固定的限流電阻其

8、大小難以選擇，選小了起不到很好的限流作用，選大了又影響儀表的恒流特性，理想的限流電阻應(yīng)該是可變的，即電流在安全范圍內(nèi)其阻值要足夠小，而當(dāng)電流超出安全范圍時其電阻要足夠大； 二、接地不合理，通常一個信號回路只允許一點接地，若有兩點以上接地會造成信號通過大地短路或形成干擾。,（2）由VD1VD4和F1 F2組成限壓電路。背靠背的齊納管中點接地，改直接接地為保護時接地。,（1）用晶體管限流電路取代固定電阻。VT3工作于零偏壓，作為恒流源向VT1提供足夠的基極電流，保證信號在420mA范圍內(nèi)VT1處于飽和狀態(tài)。,改進后的齊納式安全柵,正常時VT1飽和導(dǎo)通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通；,過

9、流時VR 1 0.6V VT2導(dǎo)通，分流VT3的電流, VT1退飽和 Vce1呈現(xiàn)較高的電阻；,要求快速熔斷絲熔斷時間1mS,工作原理,過壓時VD1 VD4中至少有一個被擊穿，限壓并接地。,改進后的齊納式安全柵,15,1. 輸入端用齊納安全柵 1）配二線制變送器齊納安全柵 其原理電路及系統(tǒng)組成如圖所示。圖中主要由兩部分組成： 齊納柵，變送器 齊納柵包括： 電子集成化浮動電源ED， 齊納二極管VD1、VD2，電子變阻式限流電路Z，快速熔斷器FU。 注意：只能用于變送器和電源共地的測量系統(tǒng)，一般是單獨電源供電。,16,2）雙通道保護的齊納安全柵 原理電路及變送器組成系統(tǒng)如圖所示。其特點是變送器和電

10、源E不共地，安全柵的安全側(cè)兩個端子1和3，任一個出現(xiàn)危險高電壓，分別通過各自的齊納二極管進行保護。變送器出現(xiàn)大電流由電子變阻式限流電路Z將電流限制在25mA以下。,17,輸入端齊納安全柵還有：不接地?zé)犭娕己透邇?nèi)阻二次儀表配用，不接地?zé)犭娕己偷蛢?nèi)阻二次儀表配用， 三線制熱電阻配用，脈沖輸入量，帶電容隔離開關(guān)量輸入用等。,18,2. 輸出端用齊納安全柵 齊納安全柵在安全側(cè)接調(diào)節(jié)器類儀表的輸出。在危險側(cè)的負(fù)載儀表一般為電氣轉(zhuǎn)換器或電動閥門定位器。 按調(diào)節(jié)器輸出電路形式分為兩種：發(fā)射極輸出，集電極輸出 （1）配發(fā)射極輸出型調(diào)節(jié)器的齊納安全柵 其電路和系統(tǒng)組成如圖所示。發(fā)射極輸出時，調(diào)節(jié)器（輸出端一端接

11、地）與安全柵共地。需要單通道保護。二極管VD防止信號極性接反時損壞安全柵（相當(dāng)于齊納二極管正向連接）。,19,（2）配集電極輸出型調(diào)節(jié)器的齊納安全柵 其電路和系統(tǒng)如圖所示。調(diào)節(jié)器的兩個輸出端均不接地。需要用雙通道齊納安全柵。安全柵的1和3（安全側(cè)）接調(diào)節(jié)器輸出，2和4接負(fù)載（現(xiàn)場危險側(cè)），1和3端出現(xiàn)危險的高電壓分別由兩組安全柵保護。,20,S2000系列齊納安全柵能與各種現(xiàn)場的一次儀表如：420mA的壓力、溫度、流量、電信號變送器；電氣轉(zhuǎn)換器、電氣閥門定位器、各類熱電偶、熱電阻、開關(guān)量、報警器、脈沖信號等各種特殊儀表，組成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)，用于現(xiàn)代化工業(yè)的自動化過程控制，廣泛地用于石油化工、

12、冶金、醫(yī)藥、船舶等領(lǐng)域?？上拗莆ｋU能量進入具爆炸性危險氣體環(huán)境的可靠設(shè)備。,21,典型用途： S2003:開關(guān)、變送器、繼電器。S2004：報警器、開關(guān)、變送器。S2005、S2006、S2007：熱電偶、熱電阻。S2008:信號傳輸。S2009:電源、信號。S2014、S2015、S2016、S2017:交直流供電、信號。S2022:電氣閥門、定位器、電氣轉(zhuǎn)換器。 420mA溫度、壓力、液位、物位變送器。 接線端子序號：非本安端子為1、2； 本安端子為3、4； 5 、6 接地。,22,23,24,安全柵與一次儀表的配套要求 1. 安全柵應(yīng)安裝在非危險區(qū)；2. 導(dǎo)流條和機殼絕緣，各導(dǎo)流條之間要

13、用線芯截面積4mm以上的銅導(dǎo)線或電纜線相互連接；3.使用前請認(rèn)真核對安全柵的型號、極性和工作電壓；4.禁止用兆歐表直接測量安全柵端子之間的絕緣。檢查系統(tǒng)線路時，必須斷開全部安全柵的接線；5.安全柵的本安端和非本安端的接線不允許接錯；6.一旦安全柵損壞，用戶不得自已修復(fù)，應(yīng)及時更換；7.本安防爆系統(tǒng)的基本組合條件為： UoUIoICoCp+CLoLp+Li 其中： Uo為最高輸出電壓;Io為最大輸出電流; Co為最大負(fù)載電容;Lo 為最大負(fù)載電感; U為一次儀表允許的最高輸入電壓; I 為一次儀表允許的最大輸入電流;C為一次儀表的最大內(nèi)部等效電容; Li為一次儀表的最大內(nèi)部等效電感;Cp為連接導(dǎo)

14、線（或電纜）允許的最大分布電容; Lp 為連接導(dǎo)線（或電纜）允許的最大分布電感。,25,二、 變壓器隔離式安全柵 它是將危險場所的本安電路與安全場所的非本安電路用變壓器進行電隔離。只允許正常的電源能量和信號通過隔離變壓器，切斷了安全側(cè)高壓竄入危險場所的通道，即使出現(xiàn)故障，有危險能量傳過來，也會被限制器限制。 它分為輸入端（檢測端）用和輸出端（執(zhí)行端）用兩種形式。 （一）輸入端用隔離式安全柵：在向變送器提供電源的同時，將變送器的測量信號經(jīng)隔離變壓器傳給控制室儀表。,DC,26,2. 能量傳輸通道 24VDC經(jīng)電源變換器變?yōu)榻涣麟妷弘娫锤綦x變壓器T1（將交流電源分為兩路）繞組1，3 整流濾波器（將

15、交流變?yōu)橹绷鳎┙庹{(diào)放大器直流電源電壓。繞組4，5 調(diào)制器調(diào)制電壓或整流濾波器 限制器和變送器提供24VDC電源電壓。,它的作用： 為二線制變送器提供直流電源電壓24VDC，用實線表示，將來自變送器的420mA電流信號轉(zhuǎn)換為與之電氣隔離的420mA（或15V）DC的電信號，用虛線表示。,1. 信號傳輸通道 它包括限制器、調(diào)制器、隔離變壓器、解調(diào)放大器。 由危險側(cè)二線制變送器送來的420mADC信號經(jīng)限制器（僅對大電流和高電壓信號有限制作用）調(diào)制器（將其調(diào)制成交流電流或電壓信號） 再由電流互感器（變壓器）T2(隔離作用) 解調(diào)放大器（將交流信號恢復(fù)其420mADC輸出），輸出電流應(yīng)和輸入電流相等，

16、輸入端隔離式安全柵的信號傳輸系數(shù)為1。,檢測端安全柵是一個傳遞系數(shù)為1的傳送器，電源、變壓器、控制室儀表之間用磁耦合，電路上是隔離的。,簡化原理圖如圖所示。,（2）晶體管限壓限流電路 串聯(lián)使用了兩套完全相同的限壓限流電路：VT3、VT4和VD15；VT5、VT6和VD16。 正常工作時VT4、VT6飽和，VT3、VT5截止。, 電源出現(xiàn)過電壓 VD15擊穿（30V） , VT3飽和,Vce30,VT4截止,VAB 限壓,晶體管限壓限流電路原理, 變送器出現(xiàn)過電流,VR6 0.6V,VT3導(dǎo)通，分流,VT4退飽和,Vce4 限流,（二）輸出端安全柵 用于控制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場執(zhí)行器之間，是420m

17、A調(diào)節(jié)信號送往現(xiàn)場的安檢通道。 電路原理基本相似。,34,信號傳輸通道： 來自安全側(cè)電流輸入信號調(diào)制器（將輸入信號420mADC轉(zhuǎn)換為調(diào)制交流信號調(diào)幅） 變壓器T2（隔離作用） 解調(diào)器（將調(diào)制交流信號轉(zhuǎn)換為420mADC電流信號） 限制器（限制高電壓、大電流信號輸出） 電氣轉(zhuǎn)換器（電動閥門）（危險側(cè)）。 能量傳輸通道： 24VDC電源變換器（將直流轉(zhuǎn)換為交流電壓） 變壓器T1（隔離和分兩路）調(diào)制器的調(diào)制電壓或整流濾波器（恢復(fù)直流電壓） 解調(diào)器和限制器電源。 T1和T2實現(xiàn)輸入端（安全側(cè)）與輸出端（危險側(cè)）之間的電氣隔離。,35,WP5000-Ex系列隔離式安全柵,外殼上貼有接線圖標(biāo)簽。端子上貼

18、有序號標(biāo)簽，并分為藍、黃兩色，藍色端子（本安側(cè)） 接線通往危險區(qū)（ 現(xiàn)場） ， 黃色端子（非本安側(cè)）接線通往安全區(qū)。,36,產(chǎn)品采用高品質(zhì)的半導(dǎo)體器件和SMT貼片工藝，廣泛適用于石油、化工、冶金、電力等本安防爆系統(tǒng)。不僅可以與國內(nèi)外多家儀表公司制造的各種二、三線制變送器、二線制智能（HART）變送器、智能（HART）電磁流量計、電氣轉(zhuǎn)換器、電氣閥門定位器、本安電磁閥、液位開關(guān)、NAMUR接近開關(guān)、現(xiàn)場總線（FF）協(xié)議本安儀表等配套使用，還可以與干接點開關(guān)、熱電偶（ J、K、T、E、B、S等） 、應(yīng)變儀、熱電阻(Pt100)等簡單設(shè)備配套使用。 品種全、應(yīng)用廣：支持HART和FF數(shù)字信號雙向通信

19、；承擔(dān)對現(xiàn)場儀表的供電；強大的信號變換功能：直接將Pt100熱電阻信號、熱電偶、mV信號轉(zhuǎn)換成420mA 或15V輸出；一進二出檢測端隔離式安全柵；完全獨立二路隔離式安全柵， 包括開關(guān)量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出隔離柵；一路模擬量輸入、一路模擬量輸出隔離式安全柵；報警和量程設(shè)定功能。,37,安裝注意事項： 1）安裝在安全場所。 2）通往現(xiàn)場（危險場所）的軟銅導(dǎo)線截面積必須大于0.5mm 。 3）連接導(dǎo)線的絕緣強度應(yīng)大于500V。 4）隔離式安全柵本安端（有藍色標(biāo)記）和非本安端電路配線，不得接錯和混淆。本安導(dǎo)線宜選用藍色作為本安標(biāo)記。本安導(dǎo)線和非本安導(dǎo)線在匯線槽中應(yīng)分開鋪設(shè)、采用各自保護套管。隔離式安全柵的本安側(cè)，不允許混有其它電源， 包括其它本安電路的電源。 5）隔離式安全柵與一次儀表組成本安安全防爆系統(tǒng)時，必須經(jīng)國家指定的防爆檢驗機構(gòu)檢驗認(rèn)可。 WP5000-EX系列隔離式安全柵由國家儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站（NEPSI）給出的Ca、La分布參數(shù)是相對于C級（氫氣級）的最大允許