1、安全柵的類型及特點
1.1 無源齊納安全柵
本安無源安全柵，采用齊納二極管來限制危險側(cè)的電壓，如果發(fā)生事故，可以通過熔斷電阻來可靠地限制短路電流。為了能夠使用齊納安全柵，必須要有與工廠接地隔離的等電位接地系統(tǒng)，齊納安全柵應(yīng)通過單點接到等電位接地系統(tǒng)。本安電路的接地電阻必須低于1Ω。如果沒有等電位接地系統(tǒng)，則不能使用齊納安全柵。危險側(cè)的儀表如熱電偶(TC)、熱電阻(RTD)、變送器、開關(guān)元件電氣轉(zhuǎn)換器，電動閥等必須是隔離型的，非隔離型的儀表不能采用齊納安全柵。齊納二極管的電流泄漏會通過感應(yīng)產(chǎn)生一個錯誤的低電平信號，另外齊納安全柵的串行電阻也會降低可供給現(xiàn)場儀表的電壓，這可能會導(dǎo)致變送器或轉(zhuǎn)換器不能正常工作。
圖1典型的本安回路接地圖
對于齊納安全柵，在文章《齊納安全柵和隔離式安全柵性能和特點有什么異同》和《信號隔離器、安全柵和電涌保護器SPD在功能和用途上的區(qū)別》對其功能及結(jié)構(gòu)原理有詳細(xì)介紹。
齊納安全柵優(yōu)點：
①價格低；
②體積小。
齊納安全柵的缺點：
①要求有可靠的等電位接地系統(tǒng)；
②要求危險側(cè)的儀表為隔離型；
③串行電阻易產(chǎn)生電壓降；
④不能防止短路電流；
⑤齊納二極管的漏電流可能會導(dǎo)致錯誤的檢測信號。
1.2 增強型齊納安全柵
這類安全柵最重要的特點是電流可重復(fù)(即可放大復(fù)制輸入電流)，可用于連接危險側(cè)變送器與非危險側(cè)非防爆儀表。
對于電流，除了提供電流復(fù)制放大即在安全區(qū)域?qū)⒆兯推麟娏鬟M行復(fù)制與放大并輸出外，增強型齊納安全柵與無源隔離安全柵相似。增強型的齊納安全柵特別適用于那些標(biāo)準(zhǔn)的無源安全柵因電壓降太大，以致于不能給現(xiàn)場儀表提供足夠電壓的場所。這類安全柵對安全區(qū)域的負(fù)載可提供足夠的電壓。
增強型齊納安全柵優(yōu)點：
①對變送器與負(fù)載有更大的可用電壓；
②對變送器有短路電流保護。
增強型齊納安全柵缺點：
①與標(biāo)準(zhǔn)的無源齊納安全柵一樣需要有可靠的等電位接地系統(tǒng)；
②要求危險側(cè)的儀表為隔離型；
③比無源安全柵的價格高。
1.3、回路供電隔離柵
回路供電隔離柵有3類。
①變送器隔離柵；
②電氣轉(zhuǎn)換器隔離柵；
③電動閥驅(qū)動器隔離柵。
前兩類通過4-20mA信號對儀表回路供電，3類隔離柵均采用DC/AC轉(zhuǎn)換器、隔離變壓器和AC/DC逆向轉(zhuǎn)換，從而將危險側(cè)和非危險側(cè)的電流進行隔離。
當(dāng)沒有等電位接地系統(tǒng)，或現(xiàn)場元件不能與地隔離，或不采用有源安全柵，電源的電壓能夠承受本安回路內(nèi)部的主要電壓降時，經(jīng)常選用這類安全柵。
回路供電隔離柵優(yōu)點：
①由于輸入/輸出電流隔離，因此不要求等電位接地系統(tǒng)；
②允許使用非隔離型現(xiàn)場元件；
③即使在線圈電阻由于環(huán)境溫度變化而波動時，電動閥門驅(qū)動器仍然是安全的；
④短路電流保護；
⑤可以帶電插拔。
回路供電隔離柵缺點：
①比齊納安全柵有更高的內(nèi)部壓降；
②比齊納柵的價格高。
1.4、有源隔離式安全柵
有源隔離式安全柵可用于類型更為廣泛的輸入/輸出的接口，這種有源隔離式安全柵幾乎適用于所有的儀表。可以采用DIN導(dǎo)軌安裝，又可以采用插拔式安裝。可以單獨供電，確保連接到危險側(cè)的本安電路的電流與非危險側(cè)的非本安電路的電流能夠隔離。這類安全柵既不要求元件隔離又不要求等電位接地系統(tǒng)。本質(zhì)安全不會由于隔離故障而危及安全，并且與整個系統(tǒng)的接地連接無關(guān)。
有源隔離安全柵允許直接接到熱電偶、熱電阻、電壓信號、變送器、電流信號變送器、張力電橋儀表、pH或電導(dǎo)率電極、接點、接近開關(guān)、電氣轉(zhuǎn)換器、電氣定位器、電磁閥、電磁傳感器等。
對于插拔型，有源隔離安全柵可以帶電插拔。這個特點可以在不危及本安系統(tǒng)的安全的前提下，很快地將故障安全柵修復(fù)。有源隔離柵在技術(shù)上符合所有的本安應(yīng)用。
有源隔離安全柵優(yōu)點：
①由于輸入/輸出的電源隔離，因而不要求使用等電位接地系統(tǒng)；
②允許使用非隔離型的現(xiàn)場元件；
③不論供電電源電壓如何，現(xiàn)場設(shè)備均可以采用高電平信號；
④短路保護；
⑤提供標(biāo)準(zhǔn)的高電平隔離輸出信號(通常為4-20mA)；
⑥對插拔型，可以在不切斷電源的情況下很快地修復(fù)；
⑦可用于所有的本安應(yīng)用。
有源隔離安全柵缺點：比齊納安全柵和回路供電隔離柵價格更高。
2、安全柵的接地
2.1 無源安全柵的接地從本質(zhì)安全的觀點來看，無源安全柵的功能與接地系統(tǒng)關(guān)系非常密切，因為接地系統(tǒng)能夠?qū)碜杂诜俏ｋU區(qū)域儀表的危險能量進行釋放。
接地電纜至少應(yīng)為2.5mm2(12AWG)，一般來講本安接地的電阻應(yīng)小于1Ω。7無源安全柵的接地如圖2所示。
圖2 無源安全柵接地示意圖
2.2 屏蔽電纜的接地
采用屏蔽電纜連接危險區(qū)的檢測元件、變送器、執(zhí)行元件和非危險區(qū)的控制與測量系統(tǒng)是普遍采用的方法。從屏蔽的功能來講，屏蔽的目的是在線芯之間建立等電位，以避免電容耦合。這種目的只有在屏蔽層接到一個參考地電位時才能夠?qū)崿F(xiàn)。屏蔽層最好能夠在系統(tǒng)的接地點實現(xiàn)單點接地。如果屏蔽層在兩個非等電位點接地，則屏蔽層中可能會產(chǎn)生電流而喪失了其屏蔽的功能。因此屏蔽層外必須加上絕緣護套以防止其與地接觸。
對本安儀表，如果電纜損壞了，則屏蔽層會成為危險區(qū)與非危險區(qū)之間的導(dǎo)體，也會形成故障電流回路，從這個觀點來講，應(yīng)在危險側(cè)采用隔離，在非危險側(cè)將屏蔽層接地。
對無源安全柵，如果不破壞電流隔離，屏蔽層也可以在現(xiàn)場接地，也就是說在隔離設(shè)備兩側(cè)的兩個屏蔽層不必連接在一起。
對于兩個不同類型的本安回路隔離技術(shù)的應(yīng)用情況(如多芯電纜)，屏蔽層的參考接地點必須與無源安全柵的接地連接相似。如圖1所示。
出于功能的原因，S1屏蔽層與測量回路一樣連接到相同的接地點，不能連接到變送器的金屬部件上，因為本安保護方法不允許第二個接地點。
現(xiàn)場變送器的目的是隔離熱電偶與非危險側(cè)儀表的電流的，因此屏蔽層S1與S2不能連接在一起，屏蔽層S2與S3提供變送器和安全柵連接之間的屏蔽。它們在接線箱的端子排上連接在一起。S3也連接到安全柵獨立使用的接地棒，再將該接地棒連接到參考接地點，屏蔽層S4完全是系統(tǒng)的屏蔽，對于安全柵本身來講不是非常重要的，它通過接地棒連接到屏蔽層的參考接地點。
對于這類接地連接，有必要將屏蔽層S2恰當(dāng)?shù)嘏c變送器的金屬結(jié)構(gòu)隔離開來，否則會出現(xiàn)如圖3所示的情況。
圖3 非防爆側(cè)屏蔽層接地可能出現(xiàn)的危險示意圖
當(dāng)在屏蔽層與變送器的外殼之間不存在隔離時，如果地電位V1不同于變送器外殼的電位V2時，則在危險側(cè)會產(chǎn)生過能量的電流。因為故障電流僅僅受屏蔽電阻的影響，可能產(chǎn)生點燃周圍環(huán)境中危險氣體的危險。這種情況可以通過將屏蔽層在危險側(cè)現(xiàn)場接地來避免。這樣即使在非危險側(cè)產(chǎn)生火花，也不會引起爆炸。
3、安全柵的選用方法
3.1 熱電偶配用安全柵選用流程及應(yīng)用舉例
熱電偶配用安全柵選用流程框圖見圖4；隔離型熱電偶配用安全柵應(yīng)用舉例見圖5；接地型或非隔離型熱電偶配用安全柵應(yīng)用舉例見圖6。
圖4 熱電偶安全柵的選用流程框圖
圖5 隔離型熱電偶應(yīng)用舉例
圖6 接地型或非隔離型熱電偶應(yīng)用舉例
3.2 熱電阻配用安全柵選用流程及應(yīng)用舉例
熱電阻配用安全柵選用流程框圖見圖7；隔離型熱電阻配用安全柵應(yīng)用舉例見圖8；接地型或非隔離型熱電阻配用安全柵應(yīng)用舉例見圖9。
圖7 熱電阻安全柵的選用流程框圖
注：與地的隔離，在具體的應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)范具體確認(rèn)其大小在具體的應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)范具體確認(rèn)其大小
圖8 隔離型熱電阻RTD應(yīng)用舉例
圖9 接地型或非隔離型RTD應(yīng)用舉例
3.3 變送器配用安全柵選用流程及應(yīng)用舉例
變送器配用安全柵選用流程框圖見圖10；隔離型變送器配用安全柵應(yīng)用舉例見圖11；接地型或非隔離型變送器配用安全柵應(yīng)用舉例見圖12。
圖10 變送器安全柵選用流程框圖
圖11 隔離型變送器配用安全柵應(yīng)用舉例
圖12 接地型或非隔離型變送器應(yīng)用舉例
3.4 電/氣轉(zhuǎn)換器配用安全柵選用流程及應(yīng)用舉例電/氣轉(zhuǎn)換器配用安全柵選用流程框圖見圖13；電/氣轉(zhuǎn)換器配用安全柵應(yīng)用舉例見圖14。
圖13 電/氣轉(zhuǎn)換器安全柵選用流程框圖
圖14 電/氣轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例
3.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配用安全柵選用流程
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配用安全柵選用流程框圖見圖15。
圖15 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安全柵的選用流程框圖
注：對每個具體應(yīng)用情況，必須檢查元件數(shù)及元件離控制室的距離是否合適
3.6 接點信號配用安全柵選用流程及應(yīng)用舉例
接點信號配用安全柵選用流程框圖見圖16；接點信號/接近開關(guān)配用安全柵應(yīng)用舉例見圖17，電動閥配用安全柵應(yīng)用舉例見圖18。
圖16 接點信號安全柵選用流程框圖
圖17 電動閥應(yīng)用舉例
圖18 接點/接近開關(guān)應(yīng)用舉例
4、結(jié)論
合理選用安全柵是本安回路能夠正常運行的首要條件，必須基于有關(guān)的本質(zhì)安全原理及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行。本文側(cè)重探討了安全接地及合理選用、使用安全柵的一些方法，對工程應(yīng)用和現(xiàn)場實踐有一定的指導(dǎo)意義。
作者：李慶民(錦西煉化總廠設(shè)計院)
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