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近幾年來，隨著中國煉化一體化進程的推進，石油煉化廠、化工廠越來越多。由于石油及其相關產(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備與非本安電氣設備之間連接的電氣設備，能夠有效地提高石油化工企業(yè)生產(chǎn)過程中的安全性。

01

安全柵的定義及主要功能

安全柵又稱安全保持器。本安回路的安全接口，它能在安全區(qū)（本質(zhì)安全）和危險區(qū)（非本質(zhì)安全）之間雙向傳遞電信號，并可限制因故障引起的安全區(qū)向危險區(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，安全柵設置在安全區(qū)域的控制室設備與危險區(qū)域的本安設備之間，傳輸信號或能量。安全柵利用電路限流限壓，從而約束安全區(qū)域傳遞能量給危險區(qū)域設備。處于危險場所的本安設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，即使本安設備自身發(fā)生故障，也不會產(chǎn)生任何足以引燃的電火花或發(fā)熱表面。因此，無論是安全場所的控制室設備還是危險場所的本安設備發(fā)生故障，只要安全柵的限流限壓電路正常工作，整個系統(tǒng)都會處于安全狀態(tài)，不會產(chǎn)生爆炸。

02

安全柵的種類和原理

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

處于危險場所的本安設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，即使本安設備自身發(fā)生故障，也不會產(chǎn)生任何足以引燃的電火花或發(fā)熱表面。因此，無論是安全場所的控制室設備還是危險場所的本安設備發(fā)生故障，只要安全柵的限流限壓電路正常工作，整個系統(tǒng)都會處于安全狀態(tài)，不會產(chǎn)生爆炸。

齊納管Z用于限制電壓。當回路電壓接近安全限壓值時，齊納管導通，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。當電壓被限制后，適當選擇電阻值，可將回路電流限制在安全限流值以下。

保險絲F的作用是防止因齊納管被長時間流過的大電流燒斷而導致回路限壓失效。當超過安全限壓值的電壓加在回路上時，齊納管導通，如果沒有保險絲，流經(jīng)齊納管的電流將無限上升，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處理單元三部分組成?；芈废弈軉卧獮榘踩珫诺暮诵牟糠帧４送?，輔助有用于驅(qū)動現(xiàn)場儀表的回路供電電路和用于儀表信號采集的檢測電路。信號處理單元根據(jù)安全柵的功能要求進行信號處理。

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、信號及電源隔離單元、信號處理單元組成，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，雖然價格要高一些，但是它許多優(yōu)點和特點還是給用戶帶來許多方便，使越來越多用戶偏向的選擇隔離式安全柵。

②使用隔離式安全柵，可以將危險區(qū)的現(xiàn)場回路信號和安全區(qū)回路信號有效隔離。這樣本安自控系統(tǒng)不需要本安接地系統(tǒng)，簡化了本安防爆系統(tǒng)應用時的施工。

③ 使用隔離式安全柵，大大增強了檢測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)場儀表接地，允許現(xiàn)場儀表為非隔離型的。

⑤ 隔離式安全柵有許多保護功能電路，意外損壞的可能性較小，允許現(xiàn)場儀表帶電檢修，這樣可縮短工程開車準備時間和減少停車時間。

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

⑦ 當用戶同時應用DCS和ESD時，選用一進二出的安全柵，可以有效地將兩個系統(tǒng)隔離開來，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，又有齊納式安全柵一樣的接線方便，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用

在石油化工生產(chǎn)過程中，需要利用現(xiàn)場儀表對壓力、溫度、流量、液位等方面的進行監(jiān)測，以此保障生產(chǎn)能夠正常順利地進行。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自危險區(qū)的信號，并傳送給安全區(qū)或危險區(qū)處理后的安全信號。盡管現(xiàn)場儀表信號類型各不相同，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)標準4~20mA信號/1~5V信號、熱電阻和熱電偶信號、開關量信號、通信信號、交流信號和其他非標準信號等幾種類型信號進行設計；輸出型安全柵主要根據(jù)標準 4~20mA信號/1~5V信號、開關量輸出信號、通信信號等幾種類型信號進行設計。

在生產(chǎn)設計中，模擬量輸入安全柵和模擬量輸出安全柵被廣大設計人員接受并運用在工程中。模擬量輸入安全柵通常與2線制、3線制變送器或4~20mA信號結(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)場儀表閥門，同時又把由儀表閥門輸出的4~20mA DC電流信號隔離轉(zhuǎn)換成DC電流信號或DC電壓信號后輸出，提供給儀表閥門。

04

安全柵本安性能認證參數(shù)

最高電壓（Um）

可施加到關聯(lián)設備非限能連接裝置上，而不會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）

開路條件下，在設備連接裝置施加電壓達到最高電壓（包括Um和Ui）時，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）

來自電氣設備連接裝置的本質(zhì)安全電路的最大電流(交流峰值或直流)。

最大輸入功率（Pi） 

當電氣設備與外電源連接不使本質(zhì)安全性能失效時，可能在電氣設備內(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） 

通過電氣設備連接裝置出現(xiàn)的電氣設備總等效內(nèi)電容。

最大外部電容（Co）

可以連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質(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） 

通過電氣設備連接裝置出現(xiàn)的電氣設備總等效內(nèi)電感。

最大外部電感（Lo）

可以連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質(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

關聯(lián)設備允許的最大外部電容（Co）與本安設備最大內(nèi)部電容（Ci）之差。

電纜最大允許分布電感（Lc）

關聯(lián)設備允許的最大外部電感（Lo）與本安設備最大內(nèi)部電感（Li）之差。

最大外部電感電阻比（Lo/Ro） 

可以連接到電氣設備連接裝置上，而不會使本質(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)安全設備（如二線制變送器等）提供電源的電壓值。

05

本質(zhì)安全認證技術

本安系統(tǒng)有兩種認證方法：回路認證和參量認證?；芈氛J證除了對本安儀表、關聯(lián)設備（安全柵）、本安電纜分別認證外，還對本安設備和關聯(lián)設備按特定組合進行認證。這種組合方式一經(jīng)認證，其本安設備和關聯(lián)設備（安全柵）就不能用未經(jīng)檢驗機構認證過的其它型號規(guī)格的設備替代。國際上大多數(shù)工業(yè)發(fā)達國家均采用“參量認證”的方式，即對關聯(lián)設備與現(xiàn)場設備分別給出一組安全參數(shù)，并可由用戶自由地將不同生產(chǎn)廠商的電氣設備進行組合，從安全性角度出發(fā)只需滿足如下關系：

06

安全柵的選用原則

a) 根據(jù)危險場所的類型及現(xiàn)場的防爆要求，確定所需要安全柵的防爆等級。安全柵的防爆等級必須不低于本安現(xiàn)場設備的防爆標志等級；

b) 根據(jù)現(xiàn)場的設備類型配備相應類型的安全柵；

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)場設備的信號、電源對地的極性，確定安全柵的極性；安全柵要與本安現(xiàn)場儀表的安全極性及信號傳輸方式相匹配。

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 ——電纜單位長度的分布電容(μF/km) 

LP ——電纜單位長度的分布電感(mH/km)；

L  ——實際配線長(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：

白色端（非本安側(cè)）接線通往安全區(qū)。

藍色端（本安側(cè)）接線通往危險區(qū)。

安裝中的注意事項：

1、安全柵應安裝在安全場所，且環(huán)境條件能滿足本選型手冊中的“環(huán)境條件”的要求（選型手冊可至網(wǎng)站“服務——下載中心”獲?。?。

2、隔離式安全柵本安端（藍色標記）和非本安端（白色標記）電路的接線導線在匯線槽中應分開鋪設，各自采用獨立的保護套管。本安側(cè)的配線套管內(nèi)不允許有其它電源線，包括其本安電路使用的電源線。 

3、通往危險場所的導線應選用有藍色標記的本安導線，導線中的銅截面積必須不小于0.5mm2，絕緣強度應大于500V。 

4、在對隔離式安全柵進行通電調(diào)試前，必須注意隔離式安全柵的型號、接線方法、線路極性等，是否符合設計及產(chǎn)品要求中的規(guī)定，否則可能對人身及設備造成傷害。 

5、嚴禁用兆歐表直接測試隔離安全柵端子之間的絕緣強度。如要檢查系統(tǒng)的絕緣強度，應先斷開全部的接線，否則可能引起安全柵內(nèi)部電路損壞。 

6、在現(xiàn)場對安全柵進行編程前，必須先將所有接線斷開再接入編程器，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)場儀表，均應通過經(jīng)國家認定的防爆檢驗部門的防爆試驗，并取CCC認證的儀表。

8、在設計、安裝、使用、維護隔離式安全柵時，應同時遵守本產(chǎn)品手冊中的說明及《GB3836.13-2021》、《GB3836.14-2014》、《GB3836.15-2017》、《GB50058-2014》等標準。

設備溫度等級規(guī)定了設備表面的最高允許溫度值。設備溫度等級一定要小于使用在該危險場所環(huán)境中可燃物質(zhì)的點燃溫度，否則會引起燃燒爆炸。