本质安全系统设计的若干问题探讨 - 文章

本质安全系统设计的若干问题探讨

作者：华东理工大学李继平凌志浩

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摘要：介绍了工作在危险区域中的本质安全电路通过阻止工作在危险区域中的仪器和低电压电路释放出足够的能量即限制超过标准的以电压和电流形式存在的电能而使电路达到本质安全的原理。阐述了模拟量输入输出和数字量输入输出的安全栅是如何保证各种应用是本质安全的。最后给出了本质安全系统的接线、安装、接地维护和故障诊断等细节。
关键词：本质安全系统设计安全栅

引言

本质安全能够阻止工作在危险区域中的仪器和低电压电路释放出足够的能量而引燃爆炸性气体，危险区域中的现场设备如热电偶、热电阻、开关接点、电磁阀、变送器和显示器等在本质安全系统中都需要达到本质安全，所以有必要在这些设备的回路中配置相应的安全栅来阻止安全区发生故障时产生过多的电能传输到危险区域而导致的爆炸。

1 本质安全系统

1.1 本质安全系统简介

本质安全系统由3 个组成部分：本质安全设备、相应的安全栅和现场的布线。设计本质安全系统时，经常从分析现场设备开始，这样能够确定相应配接的安全栅类型，从而使电路能够在正常和非正常的条件下发挥恰当的功能。

1.2 现场设备

现场设备被分为储能设备和简单设备。

简单设备产生的能量不会产生超过1.5 V、0.1 A、25 mW 的能量，诸如开关接点、热电偶、热电阻和发光二极管、无电感电位计和电阻等。这些元件在满足一定的条件下如果与通过认证的本质安全设备相连接，那么整个系统被视为本质安全的。

储能设备能生成或储存超过上述的能量值。典型的器件如电磁阀、继电器等。当这些器件通过本质安全认证时，在整体参数规则下，它们有如下的参数：

① 最高输入电压Ui

施加到本质安全电路连接装置上，而不会使本质安全性能失效的最高电压（交流峰值或直流）。

② 最大输入电流Ii

施加到本质安全电路连接装置上，而不会使本质安全性能失效的最大电流（交流峰值或直流）。

③ 最大输入功率Pi

当电气设备与外电源连接不使本质安全性能失效时，可能在电气设备内部消耗的本质安全电路的最大输入功率。

④ 最大内部等效电容Ci

通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容。

⑤ 最大内部等效电感Li

通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。

1.3 安全栅

1.3.1 安全栅的基本类型

为了与不同类型和参数的现场设备配接，相应的安全栅有很多类型，按通道数量划分可以分为单通路和双通路两种类型；按极性划分可以分为有极性（正极性和负极性）和无极性（用于交流）两种类型；其他划分情况，如不同的使用场合，不同等级的工作电压等。

1.3.2 安全栅的基本结构

图1 显示了单通路齐纳安全栅的基本电路结构，1、2 端是非本质安全端，与安全区设备配接，3、4 端是本质安全端，与危险区设备配接（下同）。该类型安全栅有3 个限压和限流的部件：

一个电阻，两个齐纳二极管，一个保险丝。电阻把电流限定在短路电流以下；齐纳二极管把电压限制在开路电压以下，当二极管导通时，保险丝会熔断，此时电路将断开，阻止了二极管的损坏导致过量的电压窜至危险区域。在每个安全栅中至少有两个齐纳二极管平行排列安装，如果一个失效，另一个提供完全保护的功能。

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图1 单通路齐纳安全栅电路结构图

图2 示意了双通路齐纳安全栅的基本结构，该种类安全栅的原理同单通路的相同。

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图2 双通路齐纳安全栅电路结构图

应用本质安全电路时，要查验电路回路在正常工作情况下安全栅的输入和输出之间的压降，以确认系统能否正常工作。

1.3.3 安全栅的参数

① 最高输出电压U0

在开路条件下，在设备连接装置施加电压达到最大值时可能出现在本质安全电路上的最高输出电压（交流峰值或直流）。

② 最大输出电流I0

来自电气设备连接装置的本质安全电路的最大电流（交流峰值或直流）。

③ 最大输出功率P0

能从电气设备获得的本质安全电路最大功率。

④ 最大外部电容C0

可以连接到电气设备装置上，而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电容。

⑤ 最大外部电感L0

可以连接到电气设备装置上，而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电感。

2 模拟量输入本质安全系统设计

2.1 热电偶输入本质安全系统设计

2.1.1 热电偶配接安全栅的必要性

安装在危险区域中的热电偶通常并不是本质安全的，因此必须在热电偶和安全侧之间选择参数适合的安全栅，这样才能使系统达到本质安全。热电偶有接地和不接地两种类型，相应配接的二次仪表也有高内阻和低内阻两种类型，因此，在应用时应该注意不同配接情况下的安全栅类型的选择。

2.1.2 热电偶输入本质安全系统设计细则

① 不接地热电偶与高内阻二次仪表的连接

如图3 所示，不接地热电偶可以通过安全栅直接输出热电偶产生的电信号，热电偶属于简单设备，因此不经过本质安全认证就可以使用在系统中，在应用时选择8.2V 无极性的安全栅，该类型的安全栅可以排除共模交直流干扰，且二次仪表浮空时不受接地故障的影响，但是，由于现场环境对测量结果有影响，应将补偿导线一直连接至二次仪表，并在安全栅和二次仪表之间进行冷端补偿。

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图3 不接地热电偶与高内阻二次仪表的连接

② 不接地热电偶与低内阻二次仪表的连接

常用的动圈仪表通常情况下内阻都比较低，可以使用端电阻比较低的交流安全栅，如图4所示，这种安全栅有较低的匹配功率和适应各类的电缆参数，但是它的共模抑制比低，容易受到干扰。

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图4 不接地热电偶与低内阻二次仪表的连接

③ 接地式热电偶与温度变送器的连接

接地式热电偶容易受到安装条件环境下的电气干扰，当这种干扰严重影响测量时，应当配置现场安装的温度变送器来隔离热电偶接地的干扰，通常我们选择图5 所示的双通路的直流安全栅来配接。

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图5 接地式热电偶与温度变送器的连接

2.2 变送器输入本质安全系统设计

2.2.1 变送器的功能

在选择安全栅以前，我们首先要清楚4-20mA 的变送器的功能。变送器把温度、压力等物理量转化为电信号，不需要经过调制而把电信号发送到远程控制系统。变送器是一种储能设备，因此需要通过防爆认证。变送器有一个很重要的参数：最小工作电压（负载伟0 时），该电压以国内DDZ-III 型的各类变送器来讲为16~17V，国外的产品通常在12V 左右。

2.2.2 变送器输入本质安全系统设计细则

① 具有独立电源的二线制变送器与单通路安全栅的连接

如图6 所示，单通路的安全栅只保护变送器的一根导线，另外一根直接接地，该线路的电流流经二次仪表的输入回路而不通过变送器，将对系统产生误差，因此使用中应限制工作电压，在工作电压为25.1V 时，漏电流小于10μA，以变送器最低供电电压为16V 计算，可以保持低于0.1%的测量精度。

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图6 具有独立电源的二线制变送器与单通路安全栅的连接

DCS 通常为变送器提供24V 直流电源，变送器把物理量测量转化为电流信号。然后变送器把4-20 mA 的电流发送回DCS。电流信号传输能够避免潜在的压降而导致信号的损失。由于控制器以电压为输入信号，在DCS 输入通道中，一个大约250 Ω 的转换电阻把电流信号转化成电压信号。

② 具有公共电源的二线制变送器与双通路安全栅的连接

如图7 所示，双通路安全栅有28V 和8.2V 两个通路，在传输信号为20mA 时，8.2V 通路上的压降为1.4V，28V 通路上的压降为5.1V，以变送器最低供电电压为12V 计算，二次仪表的输入电压为5V，导线上压降为0.4V，这样，系统最低供电电压为23.9V。在25.1V 工作电压下，28V 通路的漏电流为10μA，8.2V 通路的漏电流可以忽略。10μA 的漏电流对测量误差的影响小于0.1%。所以，在额定工作电压为24V 时，各通路上的漏电流对测量精度的影响可以忽略不计。

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图7 具有公共电源的二线制变送器与双通路安全栅的连接

连接时应注意电源的接线是否正确，如果电源电压接错，则8.2V 通路可能被破坏。

③ 三线制变送器双通路安全栅的连接

变送器的电流消耗通常在10~20mA，可以选择双通路直流安全栅，如果需要消耗较大的功率或返回较大的电压信号，可以将两个安全栅并联使用，具体的连接方法如图8 所示。

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图8 三线制变送器双通路安全栅的连接

3 数字量输入本质安全系统设计

3.1 继电器的功能

通过继电器实现开关量操作是数字量操作的典型应用，继电器通常需要110 V 交流或24 V直流电源供电，在危险区域的触点上有很小的电压和电流，当触点闭合时，继电器把信号从危险侧传输到安全侧，在危险侧的开关操作安全侧的继电器或光耦输出。因为信号在电气上是隔离的，所以不需要接地。开关放大器在安全侧可以有两种输出形式：继电器和光耦。前者通常用于低速的场合，如控制水泵、电机或其他电气设备；后者利用发光二极管来操纵光敏三极管实现触点的开闭，经常用于返回DCS 的开关量操作，速度高达几千赫兹。

3.2 开关量输入本质安全系统设计细则

① 开关与单通路安全栅的连接

图9 示意了一个最简单的开关继电器组合系统，继电器为24V，400Ω，一般情况下，开关电路应设计成故障安全型，即正常状态下开关是闭合的，而继电器是通电的，当电源发生故障或线路断开时，继电器失电并发出报警，以达到故障安全型的目的。但是图9 所示的方案达不到故障安全型的目的，因为该系统在5 处发生接地故障时，继电器仍保持在通电状态。

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图9 开关与单通路安全栅的连接

② 开关与双通路安全栅的连接

当采用图10 所示的方法进行连接时，如果线路断开或线路接地，熔断丝烧毁或安全栅内的二极管短路都会导致继电器失电，从而达到故障安全型的目的，在这类系统中，安全栅的总端电阻应接近继电器的线圈阻抗。

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图10 开关与双通路安全栅的连接

③ 多路开关与多路安全栅的连接

用安全栅为危险区中的逻辑开关供电和返回信号提供保护的安全栅系统构成如图11 所示，电源传输采用双通路安全栅并联，可以降低供电电阻，为逻辑功能块提供的电压为8.8V，逻辑功能块可以是机械开关、执行元件、电磁阀、显示灯等。

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图11 多路开关与多路安全栅的连接

4 信号输出的本质安全系统设计

4.1 模拟量输出的本质安全系统设计

4.1.1 I/P 转换器介绍

模拟量输出与电动调节器、I/P 转换器有关，电动调节器输出驱动信号，I/P 转换器根据电流信号的输入产生相应的电信号输出。转换器输入电流越大，允许驱动气压就越高，I/P 变送器的输出与输入成比例。

I/P 变送器需要进行本质安全认证，相当于电路中的电阻，因此选择安全栅时我们必须清楚变送器阻抗、驱动器最大负载和变送器的参数。如果I/P 变送器阻抗为150 Ω，驱动器负载为1000Ω，那么安全栅的内部电阻必须小于850 Ω，计算电路的压降来确定安全栅的额定电压。例如，电路的总阻抗为540 Ω，在20mA 的最大电流的情况下，电路的压降为10.8 V，所以选择额定电压不小于10.8 V 的安全栅。

4.1.2 模拟量输出的本质安全系统设计细则

① 调节器输出浮空时的本质安全系统设计

当调节器输出浮空时，可以选用单通路直流安全栅与I/P 转换器配接，具体连接方法如图12所示。

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图12 调节器输出浮空时的本质安全系统设计

② 调节器射极输出时的本质安全系统设计

调节器为射极输出时，也可以选用单通路直流安全栅，此时安全栅的0V 端可以通过汇流条接地，具体方法如图13 所示。

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图13 调节器射极输出时的本质安全系统设计

③ 调节器集电极输出时的本质安全系统设计

当调节器的输出电路与0V 汇流条分开（集电极输出）时，如图14 所示，可以采用双通路直流安全栅，此时返回通路中的二极管的作用是防止信号极性接反。

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图14 调节器集电极输出时的本质安全系统设计

4.2 数字量输出的本质安全系统设计

4.2.1 数字量输出的原理介绍

数字量输出与DCS 系统中的闭合触点有关，作用是把电压传输到过程现场来操纵现场的设备。最常用的现场设备是电磁阀，设计本质安全的包含电磁阀的电路有利有弊。弊是指与变送器用最低电压衡量不同，电子管生产商通常用标准的操作电压或电流来描述晶体管，为了选择合适的安全栅，我们需要知道在最恶劣的条件下器件能够工作的操作特性。利是指只有少数几种通过本质安全认证的电磁阀供我们选择，生产商使用模拟输入输出的安全栅来测试他们的本质安全电磁阀。

数字输出电路工作在24 V 直流的电压下，所以要使用正向的额定电压为24 V 的安全栅，如果知道电子管的最低操作电流和线圈的内部电阻，我们就可以计算安全栅和电缆的最大允许电阻。例如，假设电磁阀有28 mA 的最低操作电流和400 Ω的线圈电阻，电路的最大允许阻抗为857 Ω，如果电磁阀的内部电阻抗为400 Ω，那么安全栅和电缆的最大允许电阻为457 Ω。现在，我们可以很容易地选择正向安全栅，并计算安全栅的最大允许电阻和确定电磁阀的参数同安全栅是否相匹配。

4.2.2 数字量输出的本质安全系统设计细则

① 电磁阀与单通路安全栅的连接

电磁阀可以和单通路安全栅组合进行连接，如图15 所示，此时开关必须浮空，当地线出现故障时，线路是故障安全型的。

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图15 开关浮空时电磁阀与单通路安全栅的连接

当然，还有另外一种组合方式，如图16 所示，其特点是控制信号不是直接去控制电磁阀，而是经过一个晶体管加以放大，从发射极输出。

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图16 射极输出时电磁阀与单通路安全栅的连接

② 电磁阀与双通路安全栅的连接

对于大多数控制系统而言，开关通常是接地的，如图17 所示，此时电磁阀应该与双通路的安全栅相配接。如果发生接地故障，低电压一路相当于把开关闭合，从而带动负载，所以这种电路不是故障安全型的。

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图17 开关浮空时电磁阀与双通路安全栅的连接

与单通路安全栅的连接一样，如图18 所示，安全区的输出信号也可以通过地线一侧的控制信号，以三极管集电极输出形式供给电磁阀。

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图18 集电极输出时电磁阀与双通路安全栅的连接

应用时如果电磁阀的阻抗可以选择的话，应选择电磁阀的阻抗大约等于安全栅的阻抗，以达到最大的匹配功率，另外，也可以将几个低功耗的电磁阀并联起来接到一个安全栅上，并联的数量由电源电压和需要的功率决定。

5 本质安全系统的安装

5.1 本质安全系统接线

本质安全系统电路的接线同非危险区域中的电路的接线方式相同，只是要特别注意独立性和隔离性。本质安全的导线一定要与其他的导线相隔离，带有外壳的金属导线可以通过接地金属或者绝缘物隔离开。

安全栅通常要安装在无尘干燥的非危险的区域中，导线外壳应该尽可能靠近危险区域，以减小电缆距离，增加电路的电容。如果导线安装在危险区域，导线必须有合适的外壳以保证安全。非本质安全电路配线和安全栅相连接时，必须防止配线相互接错，同时非本质安全线路和本质安全线路在仪表外壳分开连接，并在汇线槽中分开铺设。

安装时要先确定系统中使用的安全栅是齐纳式的还是隔离式的。齐纳式安全栅必须接地，隔离式安全栅不须接地。齐纳式安全栅系统接地的主要规则如下：从安全栅到接地点的电阻一定要小于1 Ω，所有接地点必须是安全、永久、可见，便于日常检查；通常需要一个单独的隔离的接地导体。

接地不良的系统可能对电路产生干扰，影响系统信号输出。图19 显示了一个接地不良的系统，众多的接地点形成了地回路，这对本质安全系统的信号输出影响比较大。图20 显示了正确的接地方法，所有的地线集中起来进行一点接地。

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图 19 错误的安全栅接地方法

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图20 正确的安全栅接地方法

5.2 安全栅的封装

为了避免可燃气体或蒸汽从危险侧传到安全侧，而不是防止火花和爆炸，封装是必要的。通常只要有机械性的方法来阻止气体的传播，例如控制室的气压是正的或者在电缆终端和电缆外包之间进行通过本质安全认证的胶封，那么就不需要防爆封装，工程上使用环氧树脂来封装以阻止气体的泄漏，但是必需要得到有关部门的认可。

当把安全栅安装在放在危险区域中的防爆的外壳中时，我们需要对外壳进行防爆封装。通常为了保持一致性，在没有使用多端子屏蔽电缆的情况下，我们也在本质安全电路上进行防爆封装。在某些防爆装置中，电缆的封装可能会有些困难，但是对电缆终端和电缆外包之间进行有效的封装可以有效阻止气体、蒸汽和粉尘的泄漏。图21 示意了本质安全电路的外壳封装。

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图21 本质安全电路外壳的封装

5.3 安全栅的故障检测和更换

如果安全栅安装完毕并上电后仍然不能正常工作，通常我们需要检查接触是否良好，检查接线是否与控制接线图相符合，确定电路是否上电，检查安全栅的内部电阻是否过高，和检查安全栅保险丝是否熔断。

如果电路的保险丝断开，通常导致安全栅的电压过载，从而导致二极管导通，进而在保险丝中产生过电流。确定了过电压的原因之后，必须更换安全栅，首先要断开安全侧的安全栅接线，然后断开危险侧的安全栅接线，最后断开地线，用胶带封闭导线的裸露端，并按照相反的顺序安装新的安全栅。注意，安装时要先接地线，断开时要后断地线。

6 结束语

本质安全系统能够在极大程度上避免由于危险区域中的设备发生故障而引起的爆炸。本文介绍了本质安全电路的原理，讨论了本质安全系统实现的若干问题，综合给出了本质安全系统安装实现上的细节，为本质安全系统的设计和实现提供了很好的参考。

参考文献
1 York,T.A. Smith,Q. Davasion,J.L.Grieve,B.D. An Intrinscially Safe Electrial Tomography System [J]. Industrial Electronics, 2003
2 Benjamin P.S. David P.M .Installation of intrinsically safe and non-incendive systems [EB/OL]. http://www.ul.com/regulators/is_circuits.pdf
3 Intrinscially Safe [EB/OL]. http://www.crouse-hinds.com/crousehinds/resourses/intrinsically_safe
4 PEPPERL+FUCHS Engineer's Guide SECTION 9 [EB/OL]. http://www.am.pepperl-fuchs.com/pdf/documents/2006-application-guide.pdf
5 汤亚微.仪表本质安全防爆技术及其应用[J].化工建设工程,2004 年04 期
6 曾欣.安全测控仪表接地技术的探讨[J].煤矿安全,2004 年07 期(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/31/2010)


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