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近幾年來(lái)，隨著中國(guó)煉化一體化進(jìn)程的推進(jìn)，石油煉化廠(chǎng)、化工廠(chǎng)越來(lái)越多。由于石油及其相關(guān)產(chǎn)品大多具有易燃易爆特性，所以一定要使用安全、有利的防爆方法，以確保安全。安全柵作為本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間連接的電氣設(shè)備，能夠有效地提高石油化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的安全性。

01

安全柵的定義及主要功能

安全柵又稱(chēng)安全保持器。本安回路的安全接口，它能在安全區(qū)（本質(zhì)安全）和危險(xiǎn)區(qū)（非本質(zhì)安全）之間雙向傳遞電信號(hào)，并可限制因故障引起的安全區(qū)向危險(xiǎn)區(qū)的能量轉(zhuǎn)遞。

本質(zhì)安全（IS）是儀表系統(tǒng)采用的防爆技術(shù)，安全柵設(shè)置在安全區(qū)域的控制室設(shè)備與危險(xiǎn)區(qū)域的本安設(shè)備之間，傳輸信號(hào)或能量。安全柵利用電路限流限壓，從而約束安全區(qū)域傳遞能量給危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)備。處于危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備在這樣的能量下能夠正常工作，但這樣的能量不足以引燃爆炸環(huán)境，即使本安設(shè)備自身發(fā)生故障，也不會(huì)產(chǎn)生任何足以引燃的電火花或發(fā)熱表面。因此，無(wú)論是安全場(chǎng)所的控制室設(shè)備還是危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備發(fā)生故障，只要安全柵的限流限壓電路正常工作，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)處于安全狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生爆炸。

02

安全柵的種類(lèi)和原理

本質(zhì)安全（IS）是儀表系統(tǒng)采用的防爆技術(shù)，安全柵設(shè)置在安全區(qū)域的控制室設(shè)備與危險(xiǎn)區(qū)域的本安設(shè)備之間，傳輸信號(hào)或能量。安全柵利用電路限流限壓，從而約束安全區(qū)域傳遞能量給危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)備。

處于危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備在這樣的能量下能夠正常工作，但這樣的能量不足以引燃爆炸環(huán)境，即使本安設(shè)備自身發(fā)生故障，也不會(huì)產(chǎn)生任何足以引燃的電火花或發(fā)熱表面。因此，無(wú)論是安全場(chǎng)所的控制室設(shè)備還是危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備發(fā)生故障，只要安全柵的限流限壓電路正常工作，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)處于安全狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生爆炸。

齊納管Z用于限制電壓。當(dāng)回路電壓接近安全限壓值時(shí)，齊納管導(dǎo)通，使齊納管兩端的電壓始終保持在安全限值以下。電阻R用于限制電流。當(dāng)電壓被限制后，適當(dāng)選擇電阻值，可將回路電流限制在安全限流值以下。

保險(xiǎn)絲F的作用是防止因齊納管被長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)的大電流燒斷而導(dǎo)致回路限壓失效。當(dāng)超過(guò)安全限壓值的電壓加在回路上時(shí)，齊納管導(dǎo)通，如果沒(méi)有保險(xiǎn)絲，流經(jīng)齊納管的電流將無(wú)限上升，最終燒斷齊納管，使回路失去限壓。為確?；芈废迚喊踩?，保險(xiǎn)絲的熔斷速度要比齊納管可能被燒斷的速度快十倍。

齊納式安全柵是最早出現(xiàn)的安全柵。它的核心元件是齊納二極管，限流電阻及快速熔斷絲，原理圖如下圖所示。

隔離式安全柵與齊納安全柵相比，隔離式安全柵除具有限壓與限流的作用外，還帶有電流隔離的功能。隔離柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號(hào)處理單元三部分組成。回路限能單元為安全柵的核心部分。此外，輔助有用于驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)儀表的回路供電電路和用于儀表信號(hào)采集的檢測(cè)電路。信號(hào)處理單元根據(jù)安全柵的功能要求進(jìn)行信號(hào)處理。

隔離式安全柵不僅能夠限壓限流，還能電流隔離。隔離室安全柵主要由限能單元、信號(hào)及電源隔離單元、信號(hào)處理單元組成，基本功能電路如下圖所示。

① 隔離式安全柵與齊納式安全柵相比，雖然價(jià)格要高一些，但是它許多優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)還是給用戶(hù)帶來(lái)許多方便，使越來(lái)越多用戶(hù)偏向的選擇隔離式安全柵。

②使用隔離式安全柵，可以將危險(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)回路信號(hào)和安全區(qū)回路信號(hào)有效隔離。這樣本安自控系統(tǒng)不需要本安接地系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了本安防爆系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的施工。

③ 使用隔離式安全柵，大大增強(qiáng)了檢測(cè)和控制回路的抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。

④使用隔離式安全柵，允許現(xiàn)場(chǎng)儀表接地，允許現(xiàn)場(chǎng)儀表為非隔離型的。

⑤ 隔離式安全柵有許多保護(hù)功能電路，意外損壞的可能性較小，允許現(xiàn)場(chǎng)儀表帶電檢修，這樣可縮短工程開(kāi)車(chē)準(zhǔn)備時(shí)間和減少停車(chē)時(shí)間。

⑥隔離式安全柵有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力。如開(kāi)關(guān)量輸入狀態(tài)控制、mV、Pt100變?yōu)?～20mA等等。這樣給現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更大的方便、合理和有效。

⑦ 當(dāng)用戶(hù)同時(shí)應(yīng)用DCS和ESD時(shí)，選用一進(jìn)二出的安全柵，可以有效地將兩個(gè)系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，避免系統(tǒng)之間互相影響。

⑧回路供電隔離式安全柵既保持有源隔離式安全柵的優(yōu)點(diǎn)，又有齊納式安全柵一樣的接線(xiàn)方便，不需要另外24V電源供電，特別適合配I/O卡直接供電的DCS系統(tǒng)。

03

安全柵在儀表中的應(yīng)用

在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中，需要利用現(xiàn)場(chǎng)儀表對(duì)壓力、溫度、流量、液位等方面的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此保障生產(chǎn)能夠正常順利地進(jìn)行。安全柵作為儀表控制系統(tǒng)的安全保持器，它需要接收并處理來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)的信號(hào)，并傳送給安全區(qū)或危險(xiǎn)區(qū)處理后的安全信號(hào)。盡管現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)類(lèi)型各不相同，但是從整體而言，基本上可以分為兩種：輸入安全柵和輸出安全柵。輸入安全柵主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號(hào)/1~5V信號(hào)、熱電阻和熱電偶信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)、通信信號(hào)、交流信號(hào)和其他非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)等幾種類(lèi)型信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)；輸出型安全柵主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 4~20mA信號(hào)/1~5V信號(hào)、開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)、通信信號(hào)等幾種類(lèi)型信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，模擬量輸入安全柵和模擬量輸出安全柵被廣大設(shè)計(jì)人員接受并運(yùn)用在工程中。模擬量輸入安全柵通常與2線(xiàn)制、3線(xiàn)制變送器或4~20mA信號(hào)結(jié)合使用，模擬量輸出安全柵通常與調(diào)節(jié)閥結(jié)合使用。隔離式安全柵的運(yùn)用，在很大程度上提高了儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它把適合的電量提供給現(xiàn)場(chǎng)儀表閥門(mén)，同時(shí)又把由儀表閥門(mén)輸出的4~20mA DC電流信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換成DC電流信號(hào)或DC電壓信號(hào)后輸出，提供給儀表閥門(mén)。

04

安全柵本安性能認(rèn)證參數(shù)

最高電壓（Um）

可施加到關(guān)聯(lián)設(shè)備非限能連接裝置上，而不會(huì)使其防爆型式失效的最高電壓（交流有效值或直流電壓值）。

最高輸入電壓（Ui）

施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上,而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最高電壓（交流峰值或直流）。

最高輸出電壓（Uo）

開(kāi)路條件下，在設(shè)備連接裝置施加電壓達(dá)到最高電壓（包括Um和Ui）時(shí)，可能出現(xiàn)的本質(zhì)安全電路的最高輸出電壓（交流峰值或直流）。

最大輸入電流（Ii） 

施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最大電流（交流峰值或直流）。

最大輸出電流（Io）

來(lái)自電氣設(shè)備連接裝置的本質(zhì)安全電路的最大電流(交流峰值或直流)。

最大輸入功率（Pi） 

當(dāng)電氣設(shè)備與外電源連接不使本質(zhì)安全性能失效時(shí)，可能在電氣設(shè)備內(nèi)部消耗的本質(zhì)安全電路的最大輸入功率。

最大輸出功率（Po）

能從電氣設(shè)備獲得的本質(zhì)安全電路的最大輸出功率。

最大內(nèi)部電容（Ci） 

通過(guò)電氣設(shè)備連接裝置出現(xiàn)的電氣設(shè)備總等效內(nèi)電容。

最大外部電容（Co）

可以連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路的最大電容。

最大內(nèi)部電感（Li） 

通過(guò)電氣設(shè)備連接裝置出現(xiàn)的電氣設(shè)備總等效內(nèi)電感。

最大外部電感（Lo）

可以連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路的最大電感。

電纜最大允許分布電容

關(guān)聯(lián)設(shè)備允許的最大外部電容（Co）與本安設(shè)備最大內(nèi)部電容（Ci）之差。

電纜最大允許分布電感（Lc）

關(guān)聯(lián)設(shè)備允許的最大外部電感（Lo）與本安設(shè)備最大內(nèi)部電感（Li）之差。

最大外部電感電阻比（Lo/Ro） 

可以連接到電氣設(shè)備連接裝置上，而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的外電路的電感與電阻之比。

配電電壓 

為本質(zhì)安全設(shè)備（如二線(xiàn)制變送器等）提供電源的電壓值。

05

本質(zhì)安全認(rèn)證技術(shù)

本安系統(tǒng)有兩種認(rèn)證方法：回路認(rèn)證和參量認(rèn)證。回路認(rèn)證除了對(duì)本安儀表、關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）、本安電纜分別認(rèn)證外，還對(duì)本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備按特定組合進(jìn)行認(rèn)證。這種組合方式一經(jīng)認(rèn)證，其本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）就不能用未經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)證過(guò)的其它型號(hào)規(guī)格的設(shè)備替代。國(guó)際上大多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均采用“參量認(rèn)證”的方式，即對(duì)關(guān)聯(lián)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分別給出一組安全參數(shù)，并可由用戶(hù)自由地將不同生產(chǎn)廠(chǎng)商的電氣設(shè)備進(jìn)行組合，從安全性角度出發(fā)只需滿(mǎn)足如下關(guān)系：

06

安全柵的選用原則

a) 根據(jù)危險(xiǎn)場(chǎng)所的類(lèi)型及現(xiàn)場(chǎng)的防爆要求，確定所需要安全柵的防爆等級(jí)。安全柵的防爆等級(jí)必須不低于本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆標(biāo)志等級(jí)；

b) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備類(lèi)型配備相應(yīng)類(lèi)型的安全柵；

c) 根據(jù)控制室儀表可能存在或產(chǎn)生的最高電壓，確定安全柵最高電壓；

d) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)、電源對(duì)地的極性，確定安全柵的極性；安全柵要與本安現(xiàn)場(chǎng)儀表的安全極性及信號(hào)傳輸方式相匹配。

e) 考慮安全柵端電阻壓降的影響，確定安全柵的最大短路電流及系統(tǒng)能否正常工作；

f) 安全柵允許的分布參數(shù)是否合乎要求。

07

連接電纜的選擇原則

連接電纜存在分布電容和分布電感，使連接電纜成為儲(chǔ)能元件。它的本安性能的基本參數(shù)如下：

電纜最大允許分布電容  CC＝CP×L

電纜最大允許分布電感  LC＝LP×L

式中：

CP ——電纜單位長(zhǎng)度的分布電容(μF/km) 

LP ——電纜單位長(zhǎng)度的分布電感(mH/km)；

L  ——實(shí)際配線(xiàn)長(zhǎng)(km)。

注：推薦符合本質(zhì)安全性能的電纜最大參數(shù)值：

CP＝0.2μF/km，LP＝1mH/km。

08

隔離式安全柵的安裝

色標(biāo)：

白色端（非本安側(cè)）接線(xiàn)通往安全區(qū)。

藍(lán)色端（本安側(cè)）接線(xiàn)通往危險(xiǎn)區(qū)。

安裝中的注意事項(xiàng)：

1、安全柵應(yīng)安裝在安全場(chǎng)所，且環(huán)境條件能滿(mǎn)足本選型手冊(cè)中的“環(huán)境條件”的要求（選型手冊(cè)可至網(wǎng)站“服務(wù)——下載中心”獲?。?/span>

2、隔離式安全柵本安端（藍(lán)色標(biāo)記）和非本安端（白色標(biāo)記）電路的接線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)在匯線(xiàn)槽中應(yīng)分開(kāi)鋪設(shè)，各自采用獨(dú)立的保護(hù)套管。本安側(cè)的配線(xiàn)套管內(nèi)不允許有其它電源線(xiàn)，包括其本安電路使用的電源線(xiàn)。 

3、通往危險(xiǎn)場(chǎng)所的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)選用有藍(lán)色標(biāo)記的本安導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)中的銅截面積必須不小于0.5mm2，絕緣強(qiáng)度應(yīng)大于500V。 

4、在對(duì)隔離式安全柵進(jìn)行通電調(diào)試前，必須注意隔離式安全柵的型號(hào)、接線(xiàn)方法、線(xiàn)路極性等，是否符合設(shè)計(jì)及產(chǎn)品要求中的規(guī)定，否則可能對(duì)人身及設(shè)備造成傷害。 

5、嚴(yán)禁用兆歐表直接測(cè)試隔離安全柵端子之間的絕緣強(qiáng)度。如要檢查系統(tǒng)的絕緣強(qiáng)度，應(yīng)先斷開(kāi)全部的接線(xiàn)，否則可能引起安全柵內(nèi)部電路損壞。 

6、在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)安全柵進(jìn)行編程前，必須先將所有接線(xiàn)斷開(kāi)再接入編程器，然后通電編程，否則可能引起不良后果。 

7、與隔離式安全柵相連的現(xiàn)場(chǎng)儀表，均應(yīng)通過(guò)經(jīng)國(guó)家認(rèn)定的防爆檢驗(yàn)部門(mén)的防爆試驗(yàn)，并取CCC認(rèn)證的儀表。

8、在設(shè)計(jì)、安裝、使用、維護(hù)隔離式安全柵時(shí)，應(yīng)同時(shí)遵守本產(chǎn)品手冊(cè)中的說(shuō)明及《GB3836.13-2021》、《GB3836.14-2014》、《GB3836.15-2017》、《GB50058-2014》等標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)備溫度等級(jí)規(guī)定了設(shè)備表面的最高允許溫度值。設(shè)備溫度等級(jí)一定要小于使用在該危險(xiǎn)場(chǎng)所環(huán)境中可燃物質(zhì)的點(diǎn)燃溫度，否則會(huì)引起燃燒爆炸。