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1、主要內(nèi)容,5.1,防爆基礎(chǔ)理論,5.2,本質(zhì)安全防爆技術(shù),5.3,安全柵,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,第五章 儀表本安防爆技術(shù),5.1,安全防爆的基本概念,在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點(diǎn)燃后燃燒將在整個(gè)范圍內(nèi)傳播的混和物，稱為爆炸性混合物。,含有爆炸性混合物的環(huán)境，稱為爆炸性環(huán)境。,爆炸性環(huán)境分類：國際電工委員會劃分方法、北美劃分方法。,按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時(shí)間和危險(xiǎn)程度，又可將危險(xiǎn)場所劃分成不同級別的危險(xiǎn)區(qū)。,對于,類電氣設(shè)備，電路電壓限制在,30VDC,時(shí)，各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,級 別,最小引爆

2、電流（,mA,）,爆炸性混合物種類,i,120,甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳,70,i,120,乙烯、乙醚、丙烯晴等,i,70,氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦?fàn)t煤氣等,不同的危險(xiǎn)等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬,類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬,類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬,類設(shè)備。,5.1,防爆基礎(chǔ)理論,-,爆炸性物質(zhì)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(chǔ)理論,-,爆炸性物質(zhì)分類,氣體名稱,甲烷,丙烷,乙烯,氫氣,乙炔,IEC,標(biāo)準(zhǔn),I,II A,II B,

3、II C,北美標(biāo)準(zhǔn),D,C,B,A,點(diǎn)燃特性,難,易,爆炸性氣體分組,5.1,防爆基礎(chǔ)理論,-,爆炸性物質(zhì)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(chǎn)生爆炸的重要點(diǎn)燃源。由于自燃點(diǎn)不同，當(dāng)溫度超過某氣體引燃溫度時(shí)，在無任何外界點(diǎn)火源時(shí)，氣體會點(diǎn)燃。,溫度組別,T1,T2,T3,T4,T5,T6,引燃溫度,t,（,）,450,300t450,200t300,135t200,100t135,85t100,點(diǎn)燃特性,難,易,5.1,防爆基礎(chǔ)理論,-,爆炸性物質(zhì)分類,危險(xiǎn)場所劃分為,0,區(qū)、,1,區(qū)、,2,區(qū)三個(gè)區(qū)域。,（,1,）,0,區(qū),：在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)、頻繁或長時(shí)間

4、存在的場所。危險(xiǎn)性最大。,（,2,）,1,區(qū),：在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能存在的場所。,（,3,）,2,區(qū),：在正常情況下，爆炸性氣體混合物不可能出現(xiàn)或偶爾、短時(shí)間存在的場所。,5.1,防爆基礎(chǔ)理論,-,危險(xiǎn)場所防爆技術(shù),一般將所有可能存在產(chǎn)生點(diǎn)燃源的電氣設(shè)備安裝在安全場所。,必須安裝在危險(xiǎn)區(qū)域的電氣設(shè)備，必須具有防爆措施。,只有當(dāng)具有潛在爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中，同時(shí)具備,點(diǎn)燃源、爆炸性物質(zhì)、空氣,時(shí)，才可能產(chǎn)生爆炸。,5.1,防爆基礎(chǔ)理論,-,危險(xiǎn)場所防爆技術(shù),電氣設(shè)備防爆形式,代號,技術(shù)措施,適用區(qū)域,隔爆型,d,隔離存在的點(diǎn)火源,1,區(qū),增安型,e,設(shè)法防止點(diǎn)火源,1,區(qū),本質(zhì)安全型

5、,ia,，,ib,限制點(diǎn)火源的能量,0,區(qū)，,1,區(qū),正壓型,p,把危險(xiǎn)物質(zhì)與點(diǎn)火源隔開,1,區(qū),充油型,o,把危險(xiǎn)物質(zhì)與點(diǎn)火源隔開,1,區(qū),充砂型,q,把危險(xiǎn)物質(zhì)與點(diǎn)火源隔開,1,區(qū),無火花型,n,設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源,2,區(qū),澆封型,m,設(shè)法防止產(chǎn)生點(diǎn)火源,1,區(qū),電氣設(shè)備防爆型式,5.1,防爆基礎(chǔ)理論,-,危險(xiǎn)場所防爆技術(shù),（,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(nèi)。防爆外殼能承受儀表內(nèi)部因故障產(chǎn)生爆炸性氣體混合物的爆炸壓力，并阻止內(nèi)部的爆炸向外殼周圍爆炸性混合物傳播。適用于,1,區(qū)和,2,區(qū)危險(xiǎn)場所，且要求在非通電運(yùn)行情況下進(jìn)行開殼檢修或調(diào)整。,（,2,）

6、,本安型儀表,的全部電路均為本質(zhì)安全電路，電路中的電壓和電流被限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，以保證儀表在正常工作或發(fā)生短路和元器件損壞等故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不會引起周圍爆炸性氣體混合物爆炸。,5.1,防爆基礎(chǔ)理論,-,危險(xiǎn)場所防爆技術(shù),本安設(shè)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(qū)危險(xiǎn)場所。,防爆標(biāo)志,Ex,d II B T3,防爆型式,氣體級別,溫度組別,隔爆型設(shè)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(xiǎn)場所。,防爆標(biāo)志,Exia,II CT4,5.2,本質(zhì)安全防爆技術(shù),引起爆炸性危險(xiǎn)氣體爆

7、炸的主要點(diǎn)燃源,:,電火花和熱效應(yīng),本質(zhì)安全是通過限制電火花和熱效應(yīng)兩個(gè)可能的點(diǎn)燃源能量來實(shí)現(xiàn)。它是唯一可適用于,0,區(qū)危險(xiǎn)場所的防爆技術(shù)。,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(zhuǎn)換器、電閥門和安全柵等。,5.2,本質(zhì)安全防爆技術(shù),-,基本原理,抑制點(diǎn)火能量方法,:,（,1,）對危險(xiǎn)場所的回路，,選擇適當(dāng)?shù)?R,、,L,、,C,，,限制其火花能量；在回路中并聯(lián)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(jìn)行限制和隔離，使其不會竄到危險(xiǎn)場所。,本安型防爆儀表必須限制電火花或熱效應(yīng)的能量小于最小點(diǎn)燃能量，將電路中的電壓和電流限制

8、在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。,保證危險(xiǎn)場所的儀表不產(chǎn)生非安全火花,保證安全場所的不安全火花到不了危險(xiǎn)場所,構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素：,在危險(xiǎn)現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表（本安儀表）。,現(xiàn)場儀表與危險(xiǎn)場所之間的電路連接必須經(jīng)過安全柵（防爆柵）。,5.2,本質(zhì)安全防爆技術(shù),-,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(gè)故障下不會產(chǎn)生安全失效。,ib,級儀表,：儀表產(chǎn)生一個(gè)故障時(shí)不會產(chǎn)生安全失效。,溫度組別：,T1,T6,5.2,本質(zhì)安全防爆技術(shù),-,設(shè)計(jì)要求,（,1,）必須,把本安電路與非本安電路完全、可靠隔離,；,（,2,）

9、本安電路中所有器件或?qū)Ь€的,最高表面溫度不大于所規(guī)定的組別溫度,要求；,（,3,）電路在規(guī)定等級相對應(yīng)的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)評定時(shí)，,不點(diǎn)燃相應(yīng)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(diào)節(jié)器、計(jì)算機(jī)、顯示記錄儀等）和,危險(xiǎn)場所儀表,（如變送器等）的關(guān)聯(lián)設(shè)備，傳輸信號,-,控制流入危險(xiǎn)場所的能量在爆炸氣體或混合物的點(diǎn)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(jià)廉；防爆額定電壓低。,利用電阻的限流作用，把流入危險(xiǎn)側(cè)的能量限制在臨界值以下。,限流電阻要挨個(gè)計(jì)算，數(shù)值太大會影響回路原有性能，數(shù)值太小達(dá)不到防爆要求。,5

10、.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(jià)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(gòu)成,齊納式二極管,齊納二極管,zener,diodes(,又叫穩(wěn)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電阻的半導(dǎo)體器件,.,在這臨界擊穿點(diǎn)上,反向電阻降低到一個(gè)很少的數(shù)值,在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定,穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的,因?yàn)檫@種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用,.,其伏安特性,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓

11、。,齊納二極管不同于鍺二極管的是：如果反向電壓，有時(shí)簡稱為“偏壓”增加到某個(gè)特殊值，對于一個(gè)微小偏壓的變化，就會使電流產(chǎn)生一個(gè)可觀的增加。引起這種效應(yīng)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(fù)性、高線性度和低漂移性，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,為安裝在危險(xiǎn)側(cè)的二線制變送器提供隔離電源，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(fù)性、高線性度和低漂移性，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,光電隔離式安全柵將變送器輸出的,4-20mA,電流轉(zhuǎn)換成,1-5kHz,的頻率，再通過光耦合器件耦合到安全柵，

12、然后利用,f/I,轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成,4-20mA,電流。由于危險(xiǎn)側(cè)與安全柵之間只有光的耦合而無電的聯(lián)系，且光耦合器件具有數(shù)千伏以上的高隔離電壓，所以即使在安全側(cè)產(chǎn)生高電壓時(shí)，也不會傳輸?shù)轿ｋU(xiǎn)側(cè)。,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(fù)雜、體積較大,將危險(xiǎn)側(cè)的儀表與安全側(cè)的所有儀表通過隔離變壓器進(jìn)行嚴(yán)格電氣隔離，切斷安全側(cè)的電源高壓竄人危險(xiǎn)側(cè)的通道。危險(xiǎn)側(cè)與安全側(cè)的一切聯(lián)系都通過電磁轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行。,5.3,安全柵,-,輸入式安全柵,本質(zhì)為一類,隔離式安全柵,，用于為危險(xiǎn)側(cè)的二線制變送器提供直流,24V,電源；同時(shí)把來自于變送器的,4,20mA.D

13、C,電流信號轉(zhuǎn)換成,4,20mA.DC,和,1,5V.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(xiǎn)側(cè)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(zhuǎn)換為電氣隔離的電流輸出信號，送至危險(xiǎn)場所。,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,由本質(zhì)安全型防爆儀表所構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)，并不一定,是本質(zhì)安全型防爆系統(tǒng),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(xiǎn)場所，而其本身不具有限壓限流功能,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,判斷一個(gè)控制系統(tǒng)是否屬于安全火花型防爆系

14、統(tǒng)的充要條件：,1,）危險(xiǎn)場所的儀表必須設(shè)計(jì)成安全火花型；,2,）安全場所的儀表與危險(xiǎn)場所的儀表之間必須有安全柵，限制送往危險(xiǎn)場所的電壓、電流，保證進(jìn)入危險(xiǎn)場所的電功率在安全范圍內(nèi)。,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,-,組成,將從安全場所的非本安回路傳到危險(xiǎn)場所本安儀表的能量抑制在點(diǎn)火極限以下。實(shí)現(xiàn)信號隔離；限壓、限流。,按照本安防爆等級要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，不會產(chǎn)生由火花和熱源引起的點(diǎn)燃。,限制布線長度，及感應(yīng)電動(dòng)勢所帶來的附加能量。,1,）現(xiàn)場本安儀表：從現(xiàn)場儀表的儲能元件角度考慮，要求處于氣體爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中的現(xiàn)場儀表必須按照本安防爆等級要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在減少儀表中的電感和電容等儲能元件回路的同時(shí)，兼

15、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(tài)還是事故狀態(tài)，均不會產(chǎn)生由火花和熱源引起的點(diǎn)燃,2,）連接電纜：存在分布電容和分布電感，本質(zhì)上也是儲能元件，當(dāng)線路出現(xiàn)開路或者短路時(shí)，這部分能量就會以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放，影響系統(tǒng)的本安性能。在保證連接電纜,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,-,組成,不受外界電磁場干擾的同時(shí)，還要限制布線長度以及感應(yīng)電動(dòng)勢帶來的附加能量。,3,）關(guān)聯(lián)設(shè)備：必須在系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)或事故狀態(tài)時(shí)，能夠從安全場所的非本安回路傳到危險(xiǎn)場所的本安儀表能量限制在點(diǎn)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(tǒng)設(shè)計(jì)要求,-,組成,1

16、,）現(xiàn)場本安儀表的防爆標(biāo)志級別不能高于關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）的防爆標(biāo)志級別。,2,）關(guān)聯(lián)設(shè)備與現(xiàn)場本安儀表之間必須同時(shí)滿足以下關(guān)系：,3,）連接電纜長度的分布參數(shù)必須同時(shí)滿足以下關(guān)系：,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,-,要求,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)場總線本安防爆技術(shù),現(xiàn)場總線系統(tǒng)的,多負(fù)載特性,與,本安防爆要求,之間存在矛盾。,現(xiàn)場總線系統(tǒng)是采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)，將設(shè)備掛接在總線上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。一方面要求總線上可掛接的設(shè)備數(shù)越多越好；另一方面，根據(jù)本安防爆系統(tǒng)要求，向掛接設(shè)備供電的關(guān)聯(lián)設(shè)備的輸出電壓和輸出電流必須控制在一個(gè)安全等級上，且關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接的等效電容和電感有限，從而限制了本安現(xiàn)場儀表的允許輸入電容和電感。然而，隨著掛接設(shè)備的增多，現(xiàn)場本安儀表的輸入電容和電感增大。,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)場總線本安防爆技術(shù),美國儀表學(xué)會防爆電氣設(shè)備委員會：基于參量認(rèn)可技術(shù)，制訂,多負(fù)載本安系統(tǒng)的評定規(guī)范；,德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院：基于參量認(rèn)可技術(shù)，提出,F1SCO(Fieldbus,Intrinsical,Safe Concept),。,5.4,本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)場總