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準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與標準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?？梢圆捎肈IN導(dǎo)軌安裝，又可以采用插拔式安裝?？梢詥为毠╇?，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提供標準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?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)范標準進行。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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