介绍

　　安全栅又称安全限能器，是本安系统中的重要组成部分。

　　安全栅的核心元件为齐纳二极管，限流电阻及快速熔断丝。

　　安全栅的主要功能为限流限压，保证现场仪表可得到的能量在安全范围内。

　　安全栅又称安全保持器。本安回路的安全接口，它能在安全区和危险区之间双向转递电信号，并可限制因故障引起的安全区向危险区和能量转递。一般安全栅有齐纳式、隔离式。

　　本安型安全栅应用在本安防爆系统的设计中，它是安装于安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置，电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，它在本安防爆系统中称为关联设备，是本安系统的重要组成部分。

　　本安防爆系统关联设备，是指安装在安全场所，本安电气设备与非本安电气设备之间的相连的电气设备。

　　由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口，因此无论控制室设备处于正常或故障状态，安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。

　　中国国家仪器仪表防爆安全监督站是中华人民共和国地区监督生产安全防爆产品的机构，对本安型安全栅产品有着严格、科学、详细的规定，只有通过该监督站认证的企业及其所开发生产的产品才具备符合标准的安全性能，否则可能会给使用方的设备、人员和生产造成无可估量的损害。

　　安全栅安装于安全场所，接收来自危险区的信号，输出安全信号到安全区或危险区。

齐纳式安全栅

　　电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。它的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：

　　1． 安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分的苛刻并在实际工程应用中难以保证。

　　2．要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送，并且由于信号接地，直接降低信号抗*力，影响系统稳定性。

　　3． 齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。

　　4．由于齐纳式安全栅的电路原理需要吸收输入回路的能量，所以易造成输出不稳定。

隔离式安全栅

　　采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全相比，虽然价格较贵，但它性能上的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：

　　1．由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来*方便。

　　2．对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。

　　3．由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗*力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。

　　4．隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。

　　5．隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。

　　因此，对比齐纳式和隔离式安全栅的特点和性能后可以看出，隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛用途，虽然其价格略高于齐纳式安全栅，但从设计、施工安装、调试及维护成本来考虑，其综合成本可能反而低于齐纳式安全栅。在要求较高的工程现场几乎无一例外地采用了隔离式安全栅作为主要本安防爆仪表，隔离式安全栅已逐渐取代了齐纳式安全栅，在安全防爆领域得到了日益广泛的应用.

　　本安设备标志定义

　　其中：EX —防爆标志

　　（ia）— 防爆等级

　　ⅡC —气体组别

　　本公司产品防爆级别：EX（ia）ⅡC

　　① 隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比，虽然价格要高一些，但是它许多优点和特点还是给用户带来许多方便，使越来越多用户偏向的选择隔离式安全栅。

　　②使用隔离式安全栅，可以将危险区的现场回路信号和安全区回路信号有效隔离。这样本安自控系统不需要本安接地系统，简化了本安防爆系统应用时的施工。

　　③ 使用隔离式安全栅，大大增强了检测和控制回路的抗*力，提高系统可靠性。

　　④使用隔离式安全栅，允许现场仪表接地，允许现场仪表为非隔离型的。

　　⑤ 隔离式安全栅有许多保护功能电路，意外损坏的可能性较小，允许现场仪表带电检修，这样可缩短工程开车准备时间和减少停车时间。

　　⑥隔离式安全栅有较强的信号处理能力。如开关量输入状态控制、mV、Pt100变为4～20mA等等。这样给现场仪表和控制系统的应用提供了更大的方便、合理和有效。

　　⑦ 当用户同时应用DCS和ESD时，选用一进二出的安全栅，可以有效地将两个系统隔离开来，避免系统之间互相影响。

　　⑧回路供电隔离式安全栅既保持有源隔离式安全栅的优点，又有齐纳式安全栅一样的接线方便，不需要另外24V电源供电，特别适合配I/O卡直接供电的DCS系统。

齐纳式安全栅

　　齐纳安全栅原理示意图如右图二，它的原

齐纳安全栅原理示意图

^[1]

理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：

　　1．安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分苛刻并在实际工程应用中难以保证。

　　2．要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送，并且由于信号接地，直接降低信号抗*力，影响系统稳定性。

　　3．齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。

隔离式安全栅

　　安全栅的主要功能就是限制安全场所的危险能量进入危险场所，及限制送往危险场所的电压和电流。

（2）（1张）

齐纳管Z用于限制电压。当回路电压接近安全限压值时，齐纳管导通，使齐纳管两端的电压始终保持在安全限压值以下。电阻R用于限制电流。当电压被限制后，适当选择电阻值，可将回路电流限制在安全限流值以下。

　　与齐纳安全栅相比，隔离式安全栅除具有限压与限流的作用之外，还带有电流隔离的功能。隔离栅通常由回路限能单元、电流隔离单元和信号处理单元三部分组成，基本功能电路如图2所示。回路限能单元为安全栅的核心部分。此外，辅助有用于驱动现场仪表的回路供电电路和用于仪表信号采集的检测电路。信号处理单元则根据安全栅的功能要求进行信号处理。

　　工业现场一般需要采用两线制传输方式的配电器，既要为诸如压力变送器等一次仪表提供24V 配电电源，同时又要对输入的电流信号进行采集、放大、运算、和进行抗干扰处理后，再输出隔离的电流和电压信号，供后面的二次仪表或其它仪表使用。但一些特殊的工业现场不但需要两线制传输，既提供配电电源又有信号隔离功能，同时还需要具有安全火花型防爆的性能，可靠地防止电源高压与信号之间的混触，利用电流、电压双重化限制回路，把进入危险场所的能量限制在安全定额以下的具有特殊功能的配电器—安全栅。

　　隔离式安全栅，基本有检测端安全栅和操作端安全栅两种类型。检测端安全栅与两线制变送器配套使用；操作端安全栅与电气转换器或电气阀门配套使用。也有信号输入等类型隔离式安全栅。

　　由于隔离式安全栅采用了限压、限流、隔离等措施，不仅能防止危险能量从本安端子进入危险现场，提高系统的本安防爆性能，而且还增加了系统的抗*力，大大提高了系统运行的可靠性。 24VDC 电源经DC-AC-DC变换后，输出模块电路所需要的多种电压。

　　检测端隔离式安全栅的原理是：模块电路将通过本安能量限制电路输入的电流或电压信号转变为0.2-1VDC后，送入模块内进行采集、放大、运算和进行抗干扰处理后，再经变压器调制成输出隔离的电流和电压信号，供后面的二次仪表或其它仪表使用。模块还需输出一个隔离的18.5∽28.5VDC电压，通过本安能量限制电路做为供给两线制变送器的工作电压。本安能量限制电路能限制大电流或高电压的危险信号窜入危险现场。

　　操作端隔离式安全栅的原理是：将调节器或操作器输出的4-20mA DC信号隔离后再输出4-20mA DC 的信号，通过本安能量限制电路供给电气转换器或现场的电气阀门定位器使用。

　　ia：在正常工作状态下，1个计数故障或2个计数故障状态下都不会点燃危险气体，回路必须保证在两个计数故障同时出现时仍然保证安全特性。“ia”类电气设备对易于受干扰的元器件必须采用“三重化”设计。“ib”类电气设备只能保证在1个计数故障状态下不会点燃危险气体。

　　气体组别：

　　Ⅰ组电气设备：用于易受甲烷影响的煤矿环境中。

　　Ⅱ组电气设备 ：可用于除煤矿以外的爆炸危险环境中。

　　Ⅱ组电气设备根据易燃性物质的不同点燃能量进一步细分。

　　各子组用大写英文字母区分，从下表中可以看出，中国、IEC、欧洲分组标准中ⅡC组所需要的点燃能量zui少，即在该组电气设备中，ⅡC组设备具备对ⅡA、ⅡB组的通用性。

　　安全栅是介于现场设备与控制室设备之间的一个限能电路，用来把控制室供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆危险气体的火花，又不能产生足以引爆危险气体的仪表表面温度，从而消除了引爆源。在选择安全栅时必须考虑其型号与现场仪表类型相适应，还须考虑安全栅与本质安全仪表要求相兼容及形成的本安系统中阻抗匹配的问题。

P+F安全栅

我国采用“回路认证”这种方式认证本安系统，即根据危险环境使用仪表的联合取证情况，选择已与其联合取证的安全栅，一经联合取证，现场仪表与安全栅便固定组合构成本安系统。实践中，这种方式对安全栅和现场仪表的选择有很大的局限性。目前广泛采用是进年来逐渐形成的一种本质安全认证技术，即“参量认证”。按照“参量认证”方式认证的本安设备和关联设备需要一组安全参数，包括：

　　Vmax― 在正常工作或故障条件下，能接受并能保持其本安性能的zui高电压。

　　Imax ―在正常工作或故障条件下，能接受并保持其本安性能的zui高电流。

　　Ci―本安现场设备内部未被保护的电容。

　　Li―本安现场设备内部未被保护的电感。

　　Pmaxo ―关联设备允许输入的zui大功率。

　　“参量认证”关系式为：Vmax>Voc，Imax>Isc，Pmaxi>Pmaxo，Ci+Cc结合“参量认证”可知安全栅的选用：1）与安全栅相连的安全设备的工作电压不得超过安全栅的zui高允许电压。否则，应采用光电隔离等技术使之与系统隔离开来，或者采用隔离安全栅；2）“参量认证”公式的Vmax，Imax，Pmaxi即为本安现场设备的正常参数，选用时应该逐一对比。3）“参量认证”公式中引入Cc，Lc这两个变量实际是引出了控制电缆的选用问题，从而限制了电缆长度。实际使用中还应考虑阻抗匹配问题。zui后的公式中，Ra安全栅阻抗，Rl电缆阻抗，安全仪表的允许负载阻抗Ro，对于输出回路，作为安全仪表的调节器或I/O卡的输出通道等，它们的允许负载阻抗是制造厂商提供的。对于输入回路，作为安全仪表的显示仪表或I/O卡的输入通道等，它们的允许负载阻抗取决于其输出电压和现场仪表的无负载工作电压。无论输入还是输出回路，选用安全栅时其阻抗满足上式即可保证回路的正常工作。

　　按照“参量认证”的关系式选用的安全栅，理论上可以保证正常工作，实际使用时还必须注意以下问题：

　　1、所选用的齐纳安全栅应已经防爆检测机构防爆认证，并有防爆合格证书。

　　2．根据工作现场所属的危险区域（ 0区、1区、2区），气体级别和温度组别来选择齐纳安全栅的防爆等级（ 安全栅防爆标志） ，使其符合上述的防爆环境，由安全栅来限制传输到现场的能量，确保现场安全。

　　3．根据现场使用仪表的工作电压和工作电流对地的极性，选择齐纳安全栅的极性（正极性、负极性或交流极性）。

　　4．根据信号传输线路的数量，选择齐纳安全栅的通道数 （单通道、双通道、三通道） , 由安全栅的通道对传输线路进行保护。

　　5．根据二次仪表供电电压的大小，选择齐纳安全栅的工作电压，供电电压应小于或等于齐纳安全栅的工作电压。对于波动范围大的供电电压，则应当选择工作电压范围大的齐纳安全栅型号。根据现场仪表电压和电流的大小，选择齐纳安全栅的端电阻。在zui大工作电流时安全栅的端电阻引起的压降应不影响现场仪表zui低工作电压的要求，保证现场仪表能正常工作。

　　6．当供电电压为DCS 系统中卡件直接供电时，请详细查阅DCS系统中的供电卡件资料。注意供电卡件中往往串接一只限流电阻，当使用齐纳安全栅时，此限流电阻应引以充分的重视。选用电阻限流式齐纳安全栅时应把串入的电阻去掉用熔丝或开关代替，选用电子限流式齐纳安全栅时，此电阻值不能大于180Ω，否则由于供电回路电阻太大，造成现场仪表供电电压太低而不能工作。有些DCS系统卡件供电电路中装有一个限流电路，当使用齐纳安全栅则不能选用有功耗的齐纳安全栅，一旦卡件供电电路限流值小于齐纳安全栅的工作电流时，则会造成齐纳安全栅无法工作。

　　7．本质安全防爆实质上是系统防爆，所以现场仪表和齐纳安全栅一起由防爆检测机构进行系统防爆取证，（术语：联合取证安全栅是本质安全防爆系统的一种关联设备，它的设计制造都严格按照国家有关法规和标准，并要经的防爆检测机构防爆鉴定取证后才能生产使用。）根据防爆检测机构给出的zui大电缆参数值Cc、Lc的大小，计算出电缆长度、型号、满足传送距离的要求。

　　典型气体分组标准 点燃特性

　　中国、IEC、欧洲北美

　　甲烷Ⅰ

　　乙炔ⅡC A

　　氢气ⅡC B

　　乙烯ⅡB C

　　丙烷ⅡA D

　　爆炸性危险场所的区域划分

　　在安全防爆系统的设计及防爆产品的选型中，除了需要对爆炸性环境中存在的气体进行分级、分组外，还应根据爆炸性气体出现的频繁程度和持续时间对爆炸性气体危险场所进行区域划分：

　　0区

　　爆炸性气体混合物连续地或长时间地存在的场所。

　　1区 爆炸性气体混合物有可能出现的场所

　　2区 爆炸性气体混合物不可能出现，或即使出现也是短时间存在的场所

　　本公司产品适用于0区，同时适用1区和2区。

　　隔离式安全栅的安装

　　色标：

　　黄色端（非本安侧）接线通往安全区。

　　蓝色端（本安侧）接线通往危险区。

　　本安系统除了要选择合适的安全栅外，使用的时候要注意以下几个方面：

　　*，要注意线缆和现场设备的容抗和感抗，本安防爆是系统防爆，除了安全栅需要达到所需的 防爆等级外，线缆和现场设备的蓄能也是一个关键问题。特别是在参量认证替代系统认 证后，工程商尤其要注意这个问题。

　　第二，要注意本安接地，齐纳安全栅需要本安接地，接地电阻应小于1。

　　第三，本安线缆与非本安线缆应分开敷设在不同的线槽里。并应有明显标识。

　　第四，更换时应注意断电。

　　本安系统在国内越来越受人关注，作为其主要构成部件的安全栅也被人们所认识。那么，安全栅是靠什么来防爆的呢？控制能量，控制能量是安全 栅防爆的法宝，不管是齐纳安全栅还是隔离式安全栅都是通过控制能量来达到防爆规定的要求的。齐纳安全栅，从名字上我们知道齐纳安 全栅其主要构成元件是齐纳管，也叫稳压二极管。但齐纳二极管只能把电压值控制住，那么构成电能的第二要素的电流由什么元件控制呢？电阻，具备一定功率承受能力的电阻在这里充当了限 流的作用，使安全栅输向危险区域的电流始终控制在一个允许的范围内，从而达到了本安。那么隔离安栅是靠什么来控制能量的呢？脉冲变压器是隔离安全栅隔离能量的主要部件有了它以后流向危险区的能量才会被控制住。

　　一般来讲，齐纳安全栅选型容易，不易损坏，对原系统结构要求改动的地方比较少， 优点比较明显。齐纳安全栅的防爆原理是用齐纳二级管控制输出电压，用电阻限制输出电流，电路相对简单。在正常工作时，齐纳安全栅相当于两个电阻串入电路，因此对系统结构无须作改动。另外，齐纳安全栅由于无信号的转变，对原信号精度也没有影响。隔离安全栅是以高频作为基波，将信号进行调制解调，信号有了变动，精度会受到安全栅电路的影响。隔离安全栅由于具有高频震荡电路，将产生出射频干扰，对系统不利，而且隔离安全栅也比较容易损坏。但隔离安全栅不需要本安接地，这是它比齐纳安全栅*的地方。

　　价格方面，齐纳安全栅要比隔离的便宜很多，这在需要使用很多安全栅的场合，齐纳安全栅的价格优势明显体现了出来。

　　1．安全栅应安装在安全场所，并且环境条件满足《安全栅选型样本》中的“使用条件”的要求。

　　2． 隔离式安全栅本安端（蓝色端）和非本安端电路的连接导线在汇线槽中应分开铺设，各自采用独立的保护套管。本安侧的配线管道内不允许有其它电源线，包括其本安电路使用的电源线。

　　3．通往危险场所的导线应选用有蓝色标记的本安导线，导线的软铜面积必须大于0.5mm2，绝缘强度应大于500V。

　　4． 在对隔离式安全栅进行通电调试前，必须注意隔离式安全栅的型号、接线方法、线路极性等是否符合设计及产品要求中的规定，否则可能对人身及设备造成伤害。

　　5．严禁用兆欧表测试隔离式安全栅端子之间的绝缘强度。如要检查系统的绝缘强度，应先断开全部隔离式安全栅的接线，否则可能引起安全栅内部电路损坏。

　　6． 在现场对安全栅进行编程前，必须先将所有接线断开再接入编程器，然后通电编程，否则可能引起不良后果。

　　7．与隔离式安全栅相连接的现场仪表，均应采用通过经国家认定的有关防爆检验部门进行防爆试验、并取得防爆合格证的仪表。

　　8． 在设计、安装、使用、维护隔离式安全栅时，应同时遵守本产品使用手册中的说明及《GB3836.15-2000爆炸性气体环境用电气设备第15部分：危险场所电气安装（煤矿除外）》及《GB50058-1992爆炸和火灾危险环境电力设置设计规范 》。

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