1、主要內容主要內容5.1 防爆基礎理論5.2 本質安全防爆技術5.3 安全柵5.4 本安防爆系統設計要求第五章 儀表本安防爆技術5.1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大氣條件下，氣體蒸汽、薄霧、粉塵或纖維在大氣條件下，氣體蒸汽、薄霧、粉塵或纖維狀的易燃物質與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范狀的易燃物質與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范圍內傳播的混和物，稱為爆炸性混合物。圍內傳播的混和物，稱為爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的環境，稱為爆炸性環境。含有爆炸性混合物的環境，稱為爆炸性環境。 爆炸性環境分類：國際電工委員會劃分方法、爆炸性環境分類：國際電工委員會劃分方法、北美劃分方法。北美劃分方法。

2、 按爆炸性混合物出現的頻度、持續時間和危險按爆炸性混合物出現的頻度、持續時間和危險程度，又可將危險場所劃分成不同級別的危險區。程度，又可將危險場所劃分成不同級別的危險區。 對于對于類電氣設備，電路電壓限制在類電氣設備，電路電壓限制在30VDC時，各時，各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級。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爆炸性混合物的最小引爆電流級級 別別最小引爆電流（最小引爆電流（mA）爆炸性混合物種類爆炸性混合物種類 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 7070i120120乙烯、

3、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i7070氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦爐煤氣等氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦爐煤氣等不同的危險等級對電氣設備的防爆要求不同，不同的危險等級對電氣設備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設備屬煤礦井下用電氣設備屬類設備；有爆炸性氣體的類設備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設備屬工廠用電氣設備屬類設備；有爆炸性粉塵的工廠類設備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設備屬用電氣設備屬類設備。類設備。 5.1 防爆基礎理論-爆炸性物質分類I類：礦井甲烷； II類：爆炸性氣體混合物； III類：爆炸性粉塵和纖維。5.1 防爆基礎理論-爆炸性物質分類氣體名稱甲烷丙烷乙烯氫

4、氣乙炔IEC標準III AII BII C北美標準DCBA點燃特性難 易爆炸性氣體分組 5.1 防爆基礎理論-爆炸性物質分類爆炸性氣體的引燃溫度的組別劃分 溫度是爆炸性氣體產生爆炸的重要點燃源。由于自燃點不同，當溫度超過某氣體引燃溫度時，在無任何外界點火源時，氣體會點燃。 溫度組別T1T2T3T4T5T6引燃溫度t（）450300t450200t300135t200100t13585t100點燃特性難 易5.1 防爆基礎理論-爆炸性物質分類危險場所劃分為0區、1區、2區三個區域。（1）0區：在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續、頻繁或長時間存在的場所。危險性最大。（2）1區：在正常情況下，爆炸性

5、氣體混合物有可能存在的場所。（3）2區：在正常情況下，爆炸性氣體混合物不可能出現或偶爾、短時間存在的場所。 5.1 防爆基礎理論-危險場所防爆技術 一般將所有可能存在產生點燃源的電氣設備安裝在安全場所。 必須安裝在危險區域的電氣設備，必須具有防爆措施。 只有當具有潛在爆炸危險的環境中，同時具備點燃源、爆炸性物質、空氣時，才可能產生爆炸。5.1 防爆基礎理論-危險場所防爆技術電氣設備防爆形式代號技術措施適用區域隔爆型d隔離存在的點火源1區增安型e設法防止點火源1區本質安全型ia，ib限制點火源的能量0區，1區正壓型p把危險物質與點火源隔開1區充油型o把危險物質與點火源隔開1區充砂型q把危險物質與

6、點火源隔開1區無火花型n設法防止產生點火源2區澆封型m設法防止產生點火源1區電氣設備防爆型式 5.1 防爆基礎理論-危險場所防爆技術（1）隔爆型儀表具有防爆外殼，儀表的電路和接線端子全部位于防爆殼內。防爆外殼能承受儀表內部因故障產生爆炸性氣體混合物的爆炸壓力，并阻止內部的爆炸向外殼周圍爆炸性混合物傳播。適用于1區和2區危險場所，且要求在非通電運行情況下進行開殼檢修或調整。（2）本安型儀表的全部電路均為本質安全電路，電路中的電壓和電流被限制在一個允許的范圍內，以保證儀表在正常工作或發生短路和元器件損壞等故障情況下產生的電火花和熱效應不會引起周圍爆炸性氣體混合物爆炸。5.1 防爆基礎理論-危險場所

7、防爆技術本安設備適用于氣體組別不高于II類C級，氣體引燃溫度不低于T4（135）的0區危險場所。 防爆標志 Ex Ex d II B T3防爆型式氣體級別溫度組別隔爆型設備適用于氣體組別不高于II類B級，氣體引燃溫度不低于T3（200）的危險場所。防爆標志Exia II CT45.2 本質安全防爆技術引起爆炸性危險氣體爆炸的主要點燃源: 電火花和熱效應本質安全是通過限制電火花和熱效應兩個可能的點燃源能量來實現。它是唯一可適用于0區危險場所的防爆技術。 DDZ-儀表中屬于本安防爆儀表的有：差壓變送器、溫度（毫伏）變送器、電/氣轉換器、電閥門和安全柵等。 5.2 本質安全防爆技術-基本原理抑制點火

8、能量方法:（1）對危險場所的回路，選擇適當的R、L、C，限制其火花能量；在回路中并聯二極管以消除不安全火花；（2）加入安全柵，對安全場所的高能量進行限制和隔離，使其不會竄到危險場所。本安型防爆儀表必須限制電火花或熱效應的能量小于最小點燃能量，將電路中的電壓和電流限制在一個允許的范圍內。保證危險場所的儀表不產生非安全火花 保證安全場所的不安全火花到不了危險場所 構成安全火花防爆系統的二要素：構成安全火花防爆系統的二要素： 在危險現場使用的儀表必須是安全火花防在危險現場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表（本安儀表）。爆儀表（本安儀表）。 現場儀表與危險場所之間的電路連接必須現場儀表與危險場所之間的電

9、路連接必須經過安全柵（防爆柵）。經過安全柵（防爆柵）。5.2 本質安全防爆技術-分類I類：煤礦用本安儀表；II類：工廠用本安儀表。使用場所的安全程度 ia級儀表：在最大兩個故障下不會產生安全失效。ib級儀表：儀表產生一個故障時不會產生安全失效。 溫度組別：T1T6 5.2 本質安全防爆技術-設計要求（1）必須把本安電路與非本安電路完全、可靠隔離；（2）本安電路中所有器件或導線的最高表面溫度不大于所規定的組別溫度要求；（3）電路在規定等級相對應的試驗條件下進行試驗評定時，不點燃相應的爆炸性氣體混合物。 5.3 安全柵-安裝在安全場所，是安全場所儀表（如調節器、計算機、顯示記錄儀等）和危險場所儀表

10、（如變送器等）的關聯設備，傳輸信號-控制流入危險場所的能量在爆炸氣體或混合物的點火能量以下。5.3 安全柵-基本形式（1）電阻式安全柵精確、可靠、小型和價廉；防爆額定電壓低 。 利用電阻的限流作用，把流入危險側的能量限制在臨界值以下。 限流電阻要挨個計算，數值太大會影響回路原有性能，數值太小達不到防爆要求。5.3 安全柵-基本形式（2）齊納式安全柵體積小、重量輕、工作可靠、防爆定額高；通用性好，價格便宜；快速熔斷器制作困難且工藝和材料要求都較高。 利用齊納二極管的反向擊穿性構成 齊納式二極管 齊納二極管zener diodes(又叫穩壓二極管) :此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高

11、電阻的半導體器件.在這臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很少的數值,在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恒定,穩壓二極管是根據擊穿電壓來分檔的,因為這種特性,穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用.其伏安特性,穩壓二極管可以串聯起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯就可獲得更多的穩定電壓。 齊納二極管不同于鍺二極管的是：如果反向電壓，有時簡稱為“偏壓”增加到某個特殊值，對于一個微小偏壓的變化，就會使電流產生一個可觀的增加。引起這種效應的電壓稱為“擊穿”電壓或“齊納”電壓。 5.3 安全柵-基本形式（3）光電隔離式安全柵良好的重復性、高線性度和低漂移性，但結構較為復雜 為安裝在危險側的二線制變送器提

12、供隔離電源，供電電路帶有限壓、限流電路，防止了因電源電壓故障引起過電壓、過電流。5.3 安全柵-基本形式良好的重復性、高線性度和低漂移性，但結構較為復雜 光電隔離式安全柵將變送器輸出的4-20mA電流轉換成1-5kHz的頻率，再通過光耦合器件耦合到安全柵，然后利用f/I轉換器轉換成4-20mA電流。由于危險側與安全柵之間只有光的耦合而無電的聯系，且光耦合器件具有數千伏以上的高隔離電壓，所以即使在安全側產生高電壓時，也不會傳輸到危險側。5.3 安全柵-基本形式（4）變壓器隔離式安全柵可靠性高、防爆定額高，但是電路復雜、體積較大 將危險側的儀表與安全側的所有儀表通過隔離變壓器進行嚴格電氣隔離，切斷

13、安全側的電源高壓竄人危險側的通道。危險側與安全側的一切聯系都通過電磁轉換方式進行。 5.3 安全柵-輸入式安全柵本質為一類隔離式安全柵，用于為危險側的二線制變送器提供直流24V電源；同時把來自于變送器的420mA.DC電流信號轉換成420mA.DC和15V.DC信號輸出，從而將輸入電信號與輸出電信號相互隔離，限制流入危險側的火花能量。 5.3 安全柵-輸入式安全柵5.3 安全柵-輸入式安全柵5.3 安全柵-輸出式安全柵一類隔離式安全柵，用于把來自于安全場所的電流輸入信號轉換為電氣隔離的電流輸出信號，送至危險場所。 5.4 本安防爆系統設計要求 由本質安全型防爆儀表所構成的過程控制系統，并不一定

14、 是本質安全型防爆系統 只起到信號的隔離作用，可以防止控制室直流高壓竄入危險場所，而其本身不具有限壓限流功能5.4 本安防爆系統設計要求判斷一個控制系統是否屬于安全火花型防爆系統的充要條件： 1）危險場所的儀表必須設計成安全火花型；2）安全場所的儀表與危險場所的儀表之間必須有安全柵，限制送往危險場所的電壓、電流，保證進入危險場所的電功率在安全范圍內。 5.4 本安防爆系統設計要求-組成將從安全場所的非本安回路傳到危險場所本安儀表的能量抑制在點火極限以下。實現信號隔離；限壓、限流。 按照本安防爆等級要求進行設計 ，不會產生由火花和熱源引起的點燃。 限制布線長度，及感應電動勢所帶來的附加能量。 1

15、）現場本安儀表：從現場儀表的儲能元件角度考慮，要求處于氣體爆炸危險環境中的現場儀表必須按照本安防爆等級要求進行設計。在減少儀表中的電感和電容等儲能元件回路的同時，兼顧元件的功耗及溫升問題，從而保證儀表不論處于正常工作狀態還是事故狀態，均不會產生由火花和熱源引起的點燃2）連接電纜：存在分布電容和分布電感，本質上也是儲能元件，當線路出現開路或者短路時，這部分能量就會以電火花或熱效應的形式釋放，影響系統的本安性能。在保證連接電纜5.4 本安防爆系統設計要求-組成不受外界電磁場干擾的同時，還要限制布線長度以及感應電動勢帶來的附加能量。3）關聯設備：必須在系統處于正常工作狀態或事故狀態時，能夠從安全場所

16、的非本安回路傳到危險場所的本安儀表能量限制在點火極限以下。要求除了具備信號隔離作用，還要有限壓、限流功能5.4 本安防爆系統設計要求-組成1）現場本安儀表的防爆標志級別不能高于關聯設備（安全柵）的防爆標志級別。2）關聯設備與現場本安儀表之間必須同時滿足以下關系：3）連接電纜長度的分布參數必須同時滿足以下關系：5.4 本安防爆系統設計要求-要求asasasPPIIUU,ascascLLLCCC,5.4 本安防爆系統設計要求現場總線本安防爆技術現場總線系統的多負載特性與本安防爆要求之間存在矛盾。 現場總線系統是采用計算機網路技術，將設備掛接在總線上，以實現數據共享。 一方面要求總線上可掛接的設備數

17、越多越好；另一方面，根據本安防爆系統要求，向掛接設備供電的關聯設備的輸出電壓和輸出電流必須控制在一個安全等級上，且關聯設備允許外接的等效電容和電感有限，從而限制了本安現場儀表的允許輸入電容和電感。然而，隨著掛接設備的增多，現場本安儀表的輸入電容和電感增大。5.4 本安防爆系統設計要求現場總線本安防爆技術 美國儀表學會防爆電氣設備委員會：基于參量認可技術，制訂 多負載本安系統的評定規范； 德國聯邦物理技術研究院：基于參量認可技術，提出 F1SCO(Fieldbus Intrinsical Safe Concept)。 5.4 本安防爆系統設計要求現場總線本安防爆技術-本安現場總線系統 具有多負載特征，滿足互操作性 與本安現場總線電路的完全隔離 5.4 本安防爆系統設計要求現場總線本安防爆技術-要求1）關聯設備：一般采用隔離式安全柵；確保系統可獲取的電流達到最大，同時保證電源電壓與安全柵接口的工作電壓相匹配。2）本安現場儀表：降低每臺設備工作所需的工作電壓