第5章仪表本安防爆技术.ppt

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1、第五章 仪表防爆安全技术,5.1 防爆基础理论,在石油、化工、煤炭等生产企业中，某些生产场所存在着易燃易爆的气体、蒸气或固体粉尘，它们与空气混合成为具有火灾或爆炸危险的混合物(爆炸性混合物)，使其周围空间成为具有不同程度爆炸危险的场所(爆炸性环境)。安装在这些场所的检测仪表和执行器如果产生的火花或热效应能量能点燃危险混合物，就会引起火灾或爆炸。因此，用于危险场所的控制仪表必须具有防爆性能。,1.爆炸性物质分类,在我国，爆炸性物质分为三类：I类：矿井甲烷；II类：爆炸性气体混合物；III类：爆炸性粉尘和纤维。,II类爆炸性气体分级:,a.爆炸性气体分组,b.可燃性气体出现的可能性分组,按爆炸性混

2、合物出现的频度、持续时间和危险程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。,（1）0区：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续、频繁或长时间存在的场所。（2）1区：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能存在的场所。（3）2区：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现或偶尔、短时间存在的场所。,2.危险场所防爆技术,我国对电气设备的防爆型式划分为以下八种:,（1）隔爆型仪表具有防爆外壳，仪表的电路和接线端子全部位于防爆壳内。,在非通电运行情况下进行开壳检修或调整.,（2）本安型仪表的全部电路均为本质安全电路,安全可靠性高，可在带电工况下进行维护和调整.,电气设备的防爆等级按照“Ex”、防爆型式、气体级

3、别和温度组别的顺序进行标记.防爆标志Exd II BT3 表示隔爆型设备适用于气体组别不高于II类B级，气体引燃温度不低于T3（200）的危险场所,不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同:煤矿井下用电气设备属类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属类设备。,电路电压限制在30VDC时，各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。,表4-1 爆炸性混合物的最小引爆电流,本质安全是通过限制电火花和热效应两个可能的点燃源的能量来实现的。,5.2 本质安全防爆技术,1.本安防爆技术的基本原理,（1）在电路设计上，对处于危险场所的回路，选择适当的R、L、C，借以限制火花能

4、量，使其只产生安全火花；同时，在较大R、L、C回路中并联二极管以消除不安全火花；（2）在仪表品种中增加安全单元安全栅，从而对安全场所的高能量进行限制和隔离，使其不会窜到危险场所。,本安型防爆仪表必须限制能量，措施：,2.本安仪表的分类,（1）根据国家标准GB3836.1，本安仪表可以分为两类：I类：煤矿用本安仪表；II类：工厂用本安仪表。（2）按本安仪表及关联设备使用场所的安全程度可分为ia和ib两个级别。ia级仪表：在最大考虑两个计数故障情况下不会产生安全失效。ib级仪表：仅考虑仪表产生一个故障时不会产生安全失效。（3）本安仪表的温度组别是允许仪表可能产生的最高表面温度，它不能高于危险气体自

5、燃温度最小值，也被划分为T1T6六个组别。,电阻式安全栅在信号通路上串联一定电阻，起限流作用。其缺点是正常信号也衰减，且防爆定额低。,5.3安全栅,如热电偶温度变送器的输入端,安全栅（又称防爆栅）是传递正常信号，是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。,齐纳式安全栅,R限流电阻 FU1、FU2快速熔断器 Hr氩放电管 VS1、VS2齐纳二极管,存在的问题：,有两点以上接地，会造成信号通过大地短路或形成干扰（除安全栅接地外，相连仪表也有接地）,R1、R2对仪表正常的工作仍有影响，阻值过大影响仪表的恒流特性，过小起不到限流作用。,用二极管VD1、VD2进行限压，用电阻R1、R2及熔

6、断丝F进行限流。,（2）由VD1VD4和F1 F2组成限压电路。背靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。,（1）用晶体管限流电路取代固定电阻。VT3工作于零偏压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，保证信号在420mA范围内VT1处于饱和状态。,改进后的齐纳式安全栅,正常时VT1饱和导通 VR1=0.1 0.5V VT2不通,过流时VR 1 0.6V VT2导通，分流VT3的电流,VT1退饱和 Vce1呈现较高的电阻,要求快速熔断丝熔断时间1mS,工作原理,过压时VD1 VD4中至少有一个被击穿，限压并接地,它由光耦合器件、I/f转换器、f/I转换器和限流、限压电路组成,光电隔离式安

7、全栅,危险侧与安全侧的一切联系都通过电磁转换方式进行,变压器隔离式安全栅,隔离式安全栅用变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和电源进行隔离，可以对二线制变送器进行隔离供电。因而分检测端安全栅和执行端安全栅。1 检测端安全栅检测端安全栅在向变送器提供电源的同时，将变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。,检测端安全栅是一个传递系数为1的传送器，电源、变压器、控制室仪表之间用磁耦合，电路上是隔离的。简化原理图如图所示。,（2）晶体管限压限流电路 串联使用了两套完全相同的限压限流电路：VT3、VT4和VD15；VT5、VT6和VD16。正常工作时VT4、VT6饱和，VT3、VT5截止。,电源出现

8、过电压 VD15击穿（30V）,VT3饱和,Vce30,VT4截止,VAB 限压,晶体管限压限流电路原理,变送器出现过电流,VR6 0.6V,VT3导通，分流,VT4退饱和,Vce4 限流,2 执行端安全栅 用于控制室中调节器和现场执行器之间，是420mA调节信号送往现场的安检通道。与检测端安全栅的区别：信号传输方向相反，不需给现场供电。电路原理基本相似。,5.4本安防爆系统设计要求,安全火花防爆系统 电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。,5.4.1本安防爆

9、系统设计的一般要求,安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。,构成安全火花防爆系统的二要素：在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。,现场本安仪表（如变送器、执行器）连线电缆关联设备，常采用安全栅,1.本安防爆系统组成,（1）现场本安仪表,表征仪表本安性能的参数主要包括：本安仪表在故障状态下的最高输入电压Ua、最大输入电流Ia、最大输入功率Pa；本安仪表的最大内部等效电容Ca、

10、最大内部等效电感La等。,表征电缆本安性能的参数包括：电缆最大允许分布电容Cc、电缆最大允许分布电感Lc。,（2）连接电缆,（3）关联设备,表征关联设备本安性能的基本参数包括：关联设备在故障状态下的最高开路电压Us、最大短路电流Is、最大功率Ps、允许的最大外部电容Cs和最大外部电感Ls。,（1）现场本安仪表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）关联设备与现场本安仪表之间必须同时满足以下关系：（3）连接电缆长度的分布参数必须同时满足以下关系：,2.本安防爆系统设计的基本要求,1.本安现场总线系统,5.4.2现场总线本安防爆技术,（1）关联设备,采用隔离式安全栅,（2）本安现场仪表,本安现场仪表设计的关键在于降低每台设备工作所需的工作电压和电流。目前，一般控制在I20mA、U32V。,（3）终端器,终端器本质上是一个阻容元件,在其设计中主要考虑：在电容器短路故障时，电阻会直接并接在总线上，导致通信故障，同时关联设备的全部输出功率会施加在该电阻上，使电阻的表面温度升高，甚至超过相应的温度组别要求。一般情况下，温度组别设计为T4。,