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[安装敷设] 本安防爆系统设计中安全栅的选用

P:2007-02-05 10:56:28

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李胜利

摘 要:阐述了利用势在必行的“参量认证”方法正确选用安全栅,并探讨了本安回路的阻抗匹配问题。
关键词:安全栅;本质安全系统;回路认证;参量认证
分类号:TH89;TP202.1   文献标识码:B
文章编号:1007-7324(2000)01-0006-02▲

  在爆炸危险区域的自控系统设计中,人们在实践中积累了各种防爆方法,如本质安全型、正压通风型、隔爆型、增安型、充沙型、充油型、浇封型等各种防爆方法。本质安全防爆法以其独特的限制能量的方式被广泛地应用,安全栅作为本安防爆系统中最常用的关联设备,其正确的选用在工程设计中尤为重要。

1 本安防爆系统中的安全栅

  安全栅是介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的电路,用来把控制室供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆危险气体的火花,又不能产生足以引爆危险气体的仪表表面温度,从而消除了引爆源。首先,本文以齐纳安全栅为例介绍它是如何限制能量的。
  基本限能原理如图1。齐纳稳压管Z用于限制电压,当回路电压接近安全限压值时,齐纳稳压管导通放电,使齐纳稳压管两端电压始终保持在安全限压值以下。保险丝F的作用是防止齐纳稳压管Z被长时间流过的大电流烧断使回路限压失败,当超过限压值的电压加在回路上时,齐纳稳压管导通,如果没有保险丝F,通过齐纳稳压管Z的电流会无限上升,使回路限压失败,保险丝F为快速熔断型,一旦回路电压超过限压值时,保险丝先于齐纳稳压管Z快速熔断。电阻R用于限制电流,当电压被限制以后,适当选择电阻值,即可将回路电流限制在安全限流值以下。

t06-1.gif (1039 字节)

图1 基本限能原理图

  在标准实验条件下,人们利用火花试验装置对各类危险气体给出了最小点燃能量,见表1。在本安防爆系统设计中人们就是利用安全栅或其他保安设备把输往危险场所的能量限制在相应的最小点燃值以内,确保不会引爆危险气体。

表1 不同类级别的爆炸性气体混合物的最小点燃能量

类 别级 别最小点燃能量/mJ
 0.28
A0.20
B0.06
C0.019

2 安全栅的选用

  安全栅的选用方法不外乎两种,一是根据“回路认证(Loop Approvals)”,即我们常说的“联合取证”,根据危险环境使用仪表的联合取证情况,选择已与其联合取证的安全栅,一经联合取证,现场仪表与安全栅便固定组合构成本安系统。我国主要采用这种方式认证本安系统。实践中,这种方式对安全栅和现场仪表的选择有很大的局限。一个工程可能用多种仪表,国产的、进口的等等。它们可能没有和同一个安全栅厂家的安全栅联合取证,如果严格按照这种联合取证方式,那么这个工程可能要使用多个厂家生产的安全栅。它们可能有不同的供电、安装、接地等要求,从而带来很多麻烦。另一种是近年来国际上逐渐形成并流行的一种新的本质安全认证技术,即“参量认证(Parametric Approvals)”。按照“参量认证”方式认证的本安设备和关联设备都会给出一组安全参数。这些参数包括:
  1)本安现场设备
  Vmax——在正常工作或故障条件下,能接受并能保持其本安性能的最高电压;
  Imax——在正常工作或故障条件下,能接受并能保持其本安性能的最大电流;
  Ci——本安现场设备内部未被保护的电容;
  Li——本安现场设备内部未被保护的电感;
  Pmaxi——本安现场设备允许输入的最大功率;
  2)关联设备
  Voc——最高开路电压,即在正常工作或故障条件下可能传送到危险场所的最高电压;
  Isc——最大短路电流,即在正常工作或故障条件下可能传送到危险场所的最大电流;
  Ca——关联设备允许外接的最大电容;
  La——关联设备允许外接的最大电感;
  Pmaxo——关联设备允许输入的最大功率;
  只要本安现场设备和关联设备的上述参数满足下列关系式,用户就可以不经防爆检验机构的认可而任意组合配套构成本安防爆系统。
  Vmax07-1.gif (108 字节)Voc
  Imax07-1.gif (108 字节)Isc
  Pmaxi07-1.gif (108 字节)Pmaxo
  Ci+Cc07-2.gif (109 字节)Ca
  Li+Lc07-2.gif (109 字节)La
式中 Cc,Lc分别表示本安现场仪表与关联设备之间连接电缆的分布电容和分布电感。
  结合“参量认证”介绍一下安全栅的选用。
  1)安全栅的最高允许输入电压:与安全栅相连的安全设备的工作电压或可能产生的电压不得超过安全栅的最高允许输入电压。齐纳安全栅的最高允许输入电压一般为250V AC/DC。某些安全设备如彩色CRT可能产生的高压可达上万伏,若用在本安系统时,这些安全设备应采用光电隔离等技术使之从本安系统中隔离开来,或者采用隔离型安全栅,如P+F公司的隔离式安全栅隔离电压可达2500V AC/DC。
  2)“参量认证”中公式Vmax07-1.gif (108 字节)Voc,Imax07-1.gif (108 字节)Isc,Pmaxi07-1.gif (108 字节)Pmaxo本质安全设备的Vmax,Imax,Pmaxi即为本安现场设备能够正常工作的最大电压、电流和功率,一旦本安关联设备可能输出的最大电压、电流和功率Voc,Isc,Pmaxo中任一个大于上述对应值,则本安设备就可能引爆危险气体而不能够正常工作,因此选用时应逐一对比。
  3)“参量认证”中公式Ci+Cc07-2.gif (109 字节)Ca,Li+Lc07-2.gif (109 字节)La引入了Cc,Lc这两个变量,这实际上是在安全栅选用的基础上引出了控制电缆的选用问题,众所周知电容和电感为储能元件的参数,把本安设备和控制电缆的电容和电感视为一个储能元件的话,他们的储能分别不应大于相应类、级别的爆炸性气体混合物的最小点燃能量,显而易见这限定了控制电缆的长度。可见,本安系统设计中控制电缆的选用也是一个不容忽视的问题,这里就不在赘述。
  上述三种条件都满足后,毋庸置疑这种回路肯定是本质安全的,但是本安回路能否正常工作呢?这同样涉及安全栅选用的另一个问题,即阻抗匹配问题。
  本安系统中(见图2),安全栅阻抗Ra,现场仪表阻抗Rb,电缆阻抗RL及安全仪表的允许负载阻抗Ro应满足:

Ra+Rb+RL≤Ro

t07-1.gif (2772 字节)

图2 本安系统中阻抗匹配示意图

  对于输出回路,作为安全仪表的调节器或I/O卡的输出通道等,他们的允许负载阻抗是由制造厂商提供的,如Smar公司的CD600调节器4~20mA输出时允许负载为750Ω,FOXBORO公司I/A系列I/O卡4~20mA输出时允许负载为735Ω。
  对于输入回路,作为安全仪表的显示仪表或I/O卡的输入通道等,他们的允许负载阻抗取决于其输出电压Vo和现场仪表的无负载工作电压Vi,公式表示为:

Ro=(Vo-Vi)÷0.023

以FCX变送器为例,其无负载工作电压为10.5V DC,那么一个输出电压为24V DC的I/O卡的负载电阻Ro=(24V-10.5V)÷0.023A=587Ω。
  无论输入、输出回路,选用安全栅时其阻抗满足上式即可保证回路的正常工作。
  近年来,P+F和MTL等公司相继推出隔离式、总线制隔离式安全栅,无论何种安全栅,在选用过程中都应遵守上述原则。只有这样,才能正确选择并合理使用安全栅,并会取得满意的效果。■

作者简介:李胜利 男 本科学历,1994年毕业于西南石油学院,之后一直从事炼油化工自动化控制的设计工作。
作者单位:李胜利(华东勘察设计研究院,山东 胶州 266300)

参考文献:

[1]GB3836.4-83.中华人民共和国国家标准,爆炸性环境用电气设备:本质安全型电路和电气设备“i”[S]

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