本安防爆安全栅产品应用指南_CN_-A0-2009.pdf

Page 1 of 8 本安防爆及安全栅基础知识本安防爆及安全栅基础知识 一、爆炸的基本认识一、爆炸的基本认识 爆炸是物质产生的一种高速放热的反应。爆炸形成的基本条件：NO.条件 说明 1 可燃性物质 可燃性气体、可燃性液体形成的气雾、可燃性固体形成的粉尘 2 氧化剂 氧气、空气、或释放氧气的化合物 3 引爆源 热的表面、电火花、摩擦和撞击产生的火花 4 爆炸极限 爆炸性混合物的浓度只有在特定的界限范围内时，才能引发爆炸 二、爆炸性气体的分类爆炸性气体的分类 GB3836-2000 规定，可燃性物质的按照易燃程度分为如下几个等级为：工况类别 气体分类 代表性气体 最小引爆火花能量 易燃程度 矿井下 矿井甲烷 0.280mJ A 丙烷 0.180mJ B 乙烯 0.060mJ 矿井外的工厂 C 乙炔、氢气 0.019mJ 难 易 美国和加拿大（NEC500）首先将散布在空气中的爆炸性物体分成三个 CLASS(类别):CLASS 气体和蒸气；CLASS 尘埃；CLASS 纤维.然后再将气体和尘埃分成 Group(组)：类别 组名 代表性气体或尘埃 中国/IEC/欧洲国家 对应的分类(GB3836.1/IEC60079-0/EN50014)A 乙炔 C B 氢气 C C 乙烯 B CLASS D 丙烷 A CLASS E 金属尘埃（煤矿）主题摘要 页码 一、爆炸的基本认识 1 二、爆炸性气体的分类 1 三、危险场所的划分 2 四、防爆电气设备设计标准 2 五、不同国家的防爆标志 2 六、电气设备的防爆型式 3 七、本安防爆技术的基本原理 3 八、本安防爆技术的特点 3 九、本质安全设备及关联设备 3 十、本安电气设备的分类 4 十一、防爆标志 4 十二、本质安全防爆系统的基本构成 5 十三、安全栅 6 十四、本安回路系统设计的一般要求 7 Page 2 of 8F 煤炭尘埃 G 谷物尘埃 CLASS 纤维（毛、棉屑）待定（）三、危险场所的划分危险场所的划分 中国标准（GB3836.14-20000）/IEC 标准（IEC60079-10:2002）/欧洲标准（EN1127-1）/北美标准（NEC Article 500-3（c）划分对照表 中国 爆炸性气体环境连续出现或长时间存在 在正常情况下，可能出现爆炸性气体的环境 在正常情况下，不可能出现爆炸性气体环境,如出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在 描述 欧洲 长期存在(1000/年)正常运行时存在(10-1000/年)仅在不正常时存在(少于 10/年)气体 0 区 1 区 2 区 中国IEC 欧洲 危险场所区域划分 粉尘 20 区 21 区 22 区 描述 在正常运行条件下，连续地、间断地或周期性地存在易燃气体或蒸汽并达到危险浓度 危险气体、蒸汽仅在其容器或系统偶然破裂或发生故障时，或设备异常运行时才能释放形成危险 北美 气体或固体危险场所区域划分 Div.1 Div.2 四、防爆电气设备设计标准防爆电气设备设计标准 国家 标准代码 标准名称 GB3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备 第 1 部分:通用要求 国家标准 GB3836.4-2000 爆炸性气体环境用电气设备 第4部分:本质安全型“i”IEC60079-0:1998 国际电气电工委员会（IEC）IEC60079-11:1999 欧 洲 标 准 委 员 会（CENELEC）EN 50020 本质安全 北美(美国、加拿大)NEC500 国家标准 GB3836-2000 是等效采用 IEC 60079 标准。五、不同国家的防爆标志不同国家的防爆标志 代号 含义 Ex 中国及国际电工委员会防爆标志 EEx 表示欧共体 AD 意大利 MS、AE 法国 FLP 英国 UL、FM 美国 E 德国IEC 国家防爆电气产品质量监督检验中心(CQST)：是国家质量技术监督局授权的国家产品质量监督检验机构，它是中国国家认证认可监督管理委员会（CAL）授权的唯一的国家防爆电气产品质量监督检验中心，同时也是国家进出口商品检验实验室认可委员会(CCIBLAC)授权的进出口防爆电气产品验证试验机构；国家船检局授权的 Page 3 of 8船用防爆电气产品验证试验机构；国家科技部和国家质量技术监督局联合授权的科技成果检测鉴定国家级检测机构和中国实验室国家认可委员会(CNAL)认可的防爆电气产品检验实验室。六、电气设备的防爆型式电气设备的防爆型式 GB3836-2000爆炸性气体环境用电气设备定义的防爆形式：代号 防爆型式 国家标准 防爆措施 适用区域 d 隔爆型 GB3836.2 隔离存在的点火源 Zone1,Zone2 e 增安型 GB3836.3 设法防止产生点火源 Zone1,Zone2 ia 本安型 GB3836.4 限制点火源的能量 Zone0-2 ib 本安型 GB3836.4 限制点火源的能量 Zone1,Zone2 p 正压型 GB3836.5 危险物质与点火源隔开 Zone1,Zone2 o 充油型 GB3836.6 危险物质与点火源隔开 Zone1,Zone2 q 充砂型 GB3836.7 危险物质与点火源隔开 Zone1,Zone2 n 无火花型 GB3836.8 设法防止产生点火源 Zone2 m 浇封型 GB3836.9 设法防止产生点火源 Zone1,Zone2 h 气密型 GB3836.10 设法防止产生点火源 Zone1,Zone2 对于自动化控制和仪表常用的防爆型式是本质安全型、隔爆型和增安型。七、本安防爆技术的基本原理本安防爆技术的基本原理 电气设备中，电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源。本质安全就是通过限制电火花和热效应两个可能的引爆源的能量来实现的。在正常工作和故障状态下当电气设备可能产生的电火花或热效应的能量低于现场危险气体的引爆能量时，电气设备不可能点燃爆炸性气体而产生爆炸。原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证电气设备在正常工作或发生短路和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。八、本安防爆技术的特点本安防爆技术的特点 本质安全防爆技术实际上是一种低功率的设计技术，很好的适用于工业自动化仪表的设计。与其他防爆型式相比，采用本安防爆技术的电气设备具有以下特点：1、本安电气设备结构简单、体积小、重量轻；2、可带电安装及维护；3、安全可靠性高。不会因为外结构件损坏等原因降低电气设备的安全可靠性；4、适用范围广。是唯一可适用于 0 区危险场所的防爆技术。九、本质安全设备及关联设备本质安全设备及关联设备 1）本安电气设备 在国家标准所规定的条件下，产生的任何电火花和热效应都不能点燃规定的爆炸性气体环境的电气设备。它可用于危险场所。它可分为一般本安电气设备和简单电气设备。一般本安电气设备：具有储能元件，是需要防爆认证的本安电气设备。如本安型变送器、接近开关等。简单电气设备：对于电压不超过 1.2V、电流不超过 0.1A，且其能量不超过 20uJ 或功率不超过 25mW 的电气设备可视为简单设备。无需防爆认证，可直接自由的接入本安防爆系统。典型特点：内部等效电感 Li=0，内部等效电容 Ci=0。常见的简单设备有：热电偶、热电阻、电阻、发光二级管、触点开关等。Page 4 of 8 2）关联设备（安全栅）一种安装在安全场所，本安电气设备与非本安电气设备之间相连的电器设备。安全栅能将窜入到现场本安设备的能量限制在安全值内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。十、本安电气设备的分类本安电气设备的分类 a)类别 基于 GB3836-2000 标准规定的电气设备分类原则，本安电气设备可分为两类：代号 含义 I 类 煤矿、井下用电气设备 II 类 工厂用电气设备；根据适用的爆炸性气体的组别，可进一步分为 A、B、C 三级。b)级别 本安设备及关联设备，按其使用场所或相连场所的安全程度可分为 ia 和 ib 两个级别。代号 含义 ia 在正常工作、一个计数故障和两个计数故障情况下均不能点燃爆炸性气体混合物。ia级的本安设备可用在 0 区、1 区、2 区危险场所 ib 在正常工作和一个计数故障情况下均不能点燃爆炸性气体混合物。ib 级的本安设备可用在 1 区、2 区危险场所 c)设备温度等级 直接安装在危险场所的本安设备需要考虑设备温度等级，而关联设备不需要进行设备温度等级的划分。设备的温度等级一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度，否则会引起爆炸。电气设备的温度组别与设备允许最高表面温度和适用气体点燃温度的关系如下：温度组别 安全的物体表面温度 适用危险气体引燃温度 常见爆炸性气体 电器安全性能 T1 450 450 氢气、丙烯腈等 46 种 T2 300 300 乙炔、乙烯等 47 种 T3 200 200 汽油、丁烯醛等 36 种 T4 135 135 乙醛、四氟乙烯等 6 种 T5 100 100 二硫化碳 T6 85 85 硝酸乙酯和亚硝酸乙酯 低 高 十一、防爆标志防爆标志 本安电气设备的防爆标志是该设备所适用的爆炸性危险场所的代号。本安设备的防爆标志必须在“Ex”防爆标记后，依次包含三个参量：防爆等级（适用区域）、气体组别、温度组别。例如：关联设备（安全栅）的是该设备所适用相连接的爆炸性危险场所的代号。关联设备（安全EX iaC T6温度组别气体组别防爆等级防爆标志（依据IEC/GB标准）Page 5 of 8栅）的防爆标志没有温度组别标示，“Ex”和防爆等级必须用方括号括起来。例如：十二、本质安全防爆系统的基本构成本质安全防爆系统的基本构成 本安电气设备的本安性能认证参数：最高输入电压（Ui）：施加到本质安全电路连接装置上，而不会使本质安全性能失效的最高电压（交流峰值或直流）。最高输入电流（Ii）：施加到本质安全电路连接装置上，而不会使本质安全性能失效的最高电流（交流峰值或直流）。最大输入功率（Pi）：当电气设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。最大内部等效电容（Ci）：通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容。最大内部等效电感（Li）：通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。关联设备（安全栅）的本安性能认证参数：最高电压（交流有效值或直流 Um）：施加到关联设备非本质安全连接装置上，而不会使本质安全性能失效的最高电压。最大输出电压（Uo）：在开路条件下，在设备连接装置施加电压达到最高电压（包括 Um和 Ui）时，可能出现的本质安全电路的最高输出电压（交流峰值或直流）。最大输出电流（Io）：来自电气设备连接装置的本质安全电路的最大电流（交流峰值或直流）。最大输出功率（Po）：能从电气设备获得的本质安全电路最大功率。最大外部电容（Co）：可以连接到电气设备连接装置上，而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电容。最大外部电感（Lo）：可以连接到电气设备连接装置上，而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电感。连接线缆：本质安全电缆是一种低电容、低电感的电缆、与其它电缆相比具有优异的屏蔽性能和抗干扰性能，适用于爆炸危险场所及其它防爆安全要求较高的场合。它的本安性能的基本参数如下：电缆最大允许分布电容：Cc=Ck*L 电缆最大允许分布电感：Lc=Lk*L 危险区电缆本安电气设备/简单设备关联设备(安全栅)集控系统/PLC/操作终端等安全区EX iaC关联设备气体组别防爆等级防爆标志（依据IEC/GB标准）Page 6 of 8 其中 Ck 电缆单位长度分布电容 Lk 电缆单位长度分布电感 L 实际电缆长度 本安防爆系统的各配置间必须满足以下条件：1、本安电气设备的防爆标志级别不能高于关联设备（安全栅）的防爆标志级别。2、关联设备、本安电气设备与连接电缆认证参数之间要符合以下不等式。安全栅参数 匹配条件 本安设备参数+电缆参数 Uo Ui Io Ii Po Pi Co Ci+Cc Lo Li+Lc 十三、安全栅十三、安全栅 一些特殊的工业现场不但需要两线制传输，既提供配电电源又有信号隔离功能，同时还需要具有安全火花型防爆的性能，可靠地防止电源高压与信号之间的混触，利用电流、电压双重化限制回路，把进入危险场所的能量限制在安全定额以下，提高系统的本安防爆性能的同时还增加了系统的抗干扰能力，大大提高了系统运行的可靠性。这类具有特殊功能的现场配电器即为安全栅。安全栅应用在本安防爆系统的设计中，它是安装于安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置，电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，它在本安防爆系统中称为关联设备，是本安系统的重要组成部分。由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口，因此无论控制室设备处于正常或故障状态，安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。安全栅按信号流向可分为检测端安全栅和操作端安全栅。1）检测端安全栅：检测端安全栅与危险场所得变送器配合使用，作用为：1）把危险场所变送器送来的的信号转换出与之隔离的标准电流或电压信号传送到安全场所；2）限制危险能量从本安端子窜入到危险场所；3）向危险场所（现场）的工作设备提供隔离配电电源。2）操作端安全栅：操作端安全栅与危险端的电器转换器或电器阀门定位器配合使用，作用为：1）将安全场所的各种信号进行隔离和转换处理传输到危险场所驱动现场的执行机构等；2）限制危险能量从本安端子窜入到危险场所；3）向安全场所提供隔离配电电源。安全栅按结构形式可分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类。1）齐纳式安全栅：电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。原理如下：危险侧安全侧 Page 7 of 8齐纳式安全栅的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于 1，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分苛刻并在实际工程应用中难以保证。要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送，并且由于信号接地，直接降低信号抗干扰能力，影响系统稳定性。齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。使用齐纳式安全栅，信号负极均要接至本安接地，这样大大降低系统信号抗干扰能力，影响系统的可靠性，特别对DCS系统影响尤为突出。2）隔离式安全栅：隔离式安全栅主要由回路限能单元、信号和电源隔离单元、信号处理单元组成。原理如下：隔离式安全栅不但有限能功能，还有隔离功能，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全相比，虽然价格略高，但它其它方面的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：使用隔离式安全栅，可以将危险区的现场回路信号和安全区回路信号有效隔离。这样本安自控系统不需要本安接地系统，简化了本安防爆系统应用时的施工。使用隔离式安全栅，大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力，提高系统可靠性。使用隔离式安全栅，允许现场仪表接地，允许现场仪表为非隔离型的。隔离式安全栅有许多保护功能电路，意外损坏的可能性较小，允许现场仪表带电检修，这样可缩短工程开车准备时间和减少停车时间。隔离式安全栅有较强的信号处理能力。如开关量输入状态控制、mV、Pt100变为420mA等等。这样给现场仪表和控制系统的应用提供了更大的方便、合理和有效。当用户同时应用DCS和ESD时，选用一进二出的安全栅，可以有效地将两个系统隔离开来，避免系统之间互相影响。回路供电隔离式安全栅既保持有源隔离式安全栅的优点，又有齐纳式安全栅一样的接线方便，不需要另外24V电源供电，特别适合配I/O卡直接供电的DCS系统。常用的隔离式安全栅按功能划分可分为：开关量安全栅、模拟量安全栅、数字量安全栅、频率量安全栅、热电阻安全栅、热电偶安全栅等。十四、本安回路系统设计的一般要求十四、本安回路系统设计的一般要求 本安电气设备的选用原则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20J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。一般本安电气设备:是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求设计并已被国家授权的防爆检验机构认可危险侧安全侧隔离单元信号处理单元限能单元 Page 8 of 8的本安电气设备。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。明确Ui、Ii、Pi、Ci和Li认证参数。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。信号传输是以何种方式进行。本安电气设备的最低工作电压及回路正常工作电流。安全栅的选用原则安全栅的选用原则 l 安全栅的防爆标志等级必须不低于本安现场设备的防爆标志等级。l 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。l 安全栅的本安端安全参数能够满足 UoUi、IoIi、CoCi+Cc、LoLi+Lc 的要求。l 安全栅要与本安现场仪表的安全极性及信号传输方式相匹配。l 做好相应的保护工作，避免安全栅的漏电流影响本安现场设备的正常工作。l 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。连接电缆的选用原则连接电缆的选用原则 用于本安系统中连接本安电气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。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。连接电缆长度的限制 在本安回路系统中,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CcCo-Ci和LcLo-Li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。参考:KVV电缆参数：Ck=0.115F/km,Lc=0.20mH/km。本安系统现场布线原则本安系统现场布线原则 整个系统的接线必须按检验机构认可的系统组成。慎防本安回路与非本安回路混触。从控制室到现场的本安电缆与非本安电缆分别敷设在各自的汇线槽内,中间用隔板分开,汇线槽带盖,以防外部机械操作损伤。从现场接线盒或汇线槽引到本安仪表的电缆敷设在钢管内,以防机械损伤及电磁感应引起的危险。本安电缆和非本安电缆不公用一根金属线管和同一个现场接线盒。连接电缆及其钢管、端子板应有蓝色标志(或缠上蓝色胶带)，以便识别。齐纳式安全栅的接地汇流条及接地装置须满足安全栅的使用说明书及国家有关电气安全规程的要求。多个本安电路或关联电路不应共用同一电缆(电缆线芯分别屏蔽者除外)或共处同一钢管内(用屏蔽导线除外)。