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　　在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，人們?cè)趯?shí)踐中積累了各種防爆方法，如本質(zhì)安全型、正壓通風(fēng)型、隔爆型、增安型、充沙型、充油型、澆封型等各種防爆方法。本質(zhì)安全防爆法以其獨(dú)特的限制能量的方式被廣泛地應(yīng)用，安全柵作為本安防爆系統(tǒng)中最常用的關(guān)聯(lián)設(shè)備，其正確的選用在工程設(shè)計(jì)中尤為重要。

1　本安防爆系統(tǒng)中的安全柵

　　安全柵是介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的電路，用來(lái)把控制室供給現(xiàn)場(chǎng)儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的火花，又不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的儀表表面溫度，從而消除了引爆源。首先，本文以齊納安全柵為例介紹它是如何限制能量的。
　　基本限能原理如圖1。齊納穩(wěn)壓管Z用于限制電壓，當(dāng)回路電壓接近安全限壓值時(shí)，齊納穩(wěn)壓管導(dǎo)通放電，使齊納穩(wěn)壓管兩端電壓始終保持在安全限壓值以下。保險(xiǎn)絲F的作用是防止齊納穩(wěn)壓管Z被長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)的大電流燒斷使回路限壓失敗，當(dāng)超過(guò)限壓值的電壓加在回路上時(shí)，齊納穩(wěn)壓管導(dǎo)通，如果沒(méi)有保險(xiǎn)絲F，通過(guò)齊納穩(wěn)壓管Z的電流會(huì)無(wú)限上升，使回路限壓失敗，保險(xiǎn)絲F為快速熔斷型，一旦回路電壓超過(guò)限壓值時(shí)，保險(xiǎn)絲先于齊納穩(wěn)壓管Z快速熔斷。電阻R用于限制電流，當(dāng)電壓被限制以后，適當(dāng)選擇電阻值，即可將回路電流限制在安全限流值以下。

圖1　基本限能原理圖

　　在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下，人們利用火花試驗(yàn)裝置對(duì)各類危險(xiǎn)氣體給出了最小點(diǎn)燃能量，見(jiàn)表1。在本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)中人們就是利用安全柵或其他保安設(shè)備把輸往危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量限制在相應(yīng)的最小點(diǎn)燃值以內(nèi)，確保不會(huì)引爆危險(xiǎn)氣體。

表1　不同類級(jí)別的爆炸性氣體混合物的最小點(diǎn)燃能量

　　安全柵的選用方法不外乎兩種，一是根據(jù)“回路認(rèn)證(Loop Approvals)”，即我們常說(shuō)的“聯(lián)合取證”，根據(jù)危險(xiǎn)環(huán)境使用儀表的聯(lián)合取證情況，選擇已與其聯(lián)合取證的安全柵，一經(jīng)聯(lián)合取證，現(xiàn)場(chǎng)儀表與安全柵便固定組合構(gòu)成本安系統(tǒng)。我國(guó)主要采用這種方式認(rèn)證本安系統(tǒng)。實(shí)踐中，這種方式對(duì)安全柵和現(xiàn)場(chǎng)儀表的選擇有很大的局限。一個(gè)工程可能用多種儀表，國(guó)產(chǎn)的、進(jìn)口的等等。它們可能沒(méi)有和同一個(gè)安全柵廠家的安全柵聯(lián)合取證，如果嚴(yán)格按照這種聯(lián)合取證方式，那么這個(gè)工程可能要使用多個(gè)廠家生產(chǎn)的安全柵。它們可能有不同的供電、安裝、接地等要求，從而帶來(lái)很多麻煩。另一種是近年來(lái)國(guó)際上逐漸形成并流行的一種新的本質(zhì)安全認(rèn)證技術(shù)，即“參量認(rèn)證(Parametric Approvals)”。按照“參量認(rèn)證”方式認(rèn)證的本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備都會(huì)給出一組安全參數(shù)。這些參數(shù)包括：
　　1)本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
　　V_max——在正常工作或故障條件下，能接受并能保持其本安性能的最高電壓；
　　I_max——在正常工作或故障條件下，能接受并能保持其本安性能的最大電流；
　　C_i——本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容；
　　L_i——本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電感；
　　P_maxi——本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備允許輸入的最大功率；
　　2)關(guān)聯(lián)設(shè)備
　　V_oc——最高開(kāi)路電壓，即在正常工作或故障條件下可能傳送到危險(xiǎn)場(chǎng)所的最高電壓；
　　I_sc——最大短路電流，即在正常工作或故障條件下可能傳送到危險(xiǎn)場(chǎng)所的最大電流；
　　C_a——關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接的最大電容；
　　L_a——關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接的最大電感；
　　P_maxo——關(guān)聯(lián)設(shè)備允許輸入的最大功率；
　　只要本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備的上述參數(shù)滿足下列關(guān)系式，用戶就可以不經(jīng)防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可而任意組合配套構(gòu)成本安防爆系統(tǒng)。
　　V_maxV_oc
　　I_maxI_sc
　　P_maxiP_maxo
　　C_i+C_cC_a
　　L_i＋L_cL_a
式中　C_c，L_c分別表示本安現(xiàn)場(chǎng)儀表與關(guān)聯(lián)設(shè)備之間連接電纜的分布電容和分布電感。
　　結(jié)合“參量認(rèn)證”介紹一下安全柵的選用。
　　1)安全柵的最高允許輸入電壓：與安全柵相連的安全設(shè)備的工作電壓或可能產(chǎn)生的電壓不得超過(guò)安全柵的最高允許輸入電壓。齊納安全柵的最高允許輸入電壓一般為250V AC/DC。某些安全設(shè)備如彩色CRT可能產(chǎn)生的高壓可達(dá)上萬(wàn)伏，若用在本安系統(tǒng)時(shí)，這些安全設(shè)備應(yīng)采用光電隔離等技術(shù)使之從本安系統(tǒng)中隔離開(kāi)來(lái)，或者采用隔離型安全柵，如P+F公司的隔離式安全柵隔離電壓可達(dá)2500V AC/DC。
　　2)“參量認(rèn)證”中公式V_maxV_oc，I_maxI_sc，P_maxiP_maxo本質(zhì)安全設(shè)備的V_max，I_max，P_maxi即為本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠正常工作的最大電壓、電流和功率，一旦本安關(guān)聯(lián)設(shè)備可能輸出的最大電壓、電流和功率V_oc，I_sc,P_maxo中任一個(gè)大于上述對(duì)應(yīng)值，則本安設(shè)備就可能引爆危險(xiǎn)氣體而不能夠正常工作，因此選用時(shí)應(yīng)逐一對(duì)比。
　　3)“參量認(rèn)證”中公式C_i+C_cC_a,L_i＋L_cL_a引入了C_c，L_c這兩個(gè)變量，這實(shí)際上是在安全柵選用的基礎(chǔ)上引出了控制電纜的選用問(wèn)題，眾所周知電容和電感為儲(chǔ)能元件的參數(shù)，把本安設(shè)備和控制電纜的電容和電感視為一個(gè)儲(chǔ)能元件的話，他們的儲(chǔ)能分別不應(yīng)大于相應(yīng)類、級(jí)別的爆炸性氣體混合物的最小點(diǎn)燃能量，顯而易見(jiàn)這限定了控制電纜的長(zhǎng)度�？梢�(jiàn)，本安系統(tǒng)設(shè)計(jì)中控制電纜的選用也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，這里就不在贅述。
　　上述三種條件都滿足后，毋庸置疑這種回路肯定是本質(zhì)安全的，但是本安回路能否正常工作呢?這同樣涉及安全柵選用的另一個(gè)問(wèn)題，即阻抗匹配問(wèn)題。
　　本安系統(tǒng)中(見(jiàn)圖2)，安全柵阻抗R_a，現(xiàn)場(chǎng)儀表阻抗R_b，電纜阻抗R_L及安全儀表的允許負(fù)載阻抗R_o應(yīng)滿足：

R_a+R_b+R_L≤R_o

圖2　本安系統(tǒng)中阻抗匹配示意圖

　　對(duì)于輸出回路，作為安全儀表的調(diào)節(jié)器或I/O卡的輸出通道等，他們的允許負(fù)載阻抗是由制造廠商提供的，如Smar公司的CD600調(diào)節(jié)器4～20mA輸出時(shí)允許負(fù)載為750Ω，F(xiàn)OXBORO公司I/A系列I/O卡4～20mA輸出時(shí)允許負(fù)載為735Ω。
　　對(duì)于輸入回路，作為安全儀表的顯示儀表或I/O卡的輸入通道等，他們的允許負(fù)載阻抗取決于其輸出電壓V_o和現(xiàn)場(chǎng)儀表的無(wú)負(fù)載工作電壓V_i，公式表示為：

R_o=(V_o－V_i)÷0.023

以FCX變送器為例，其無(wú)負(fù)載工作電壓為10.5V DC，那么一個(gè)輸出電壓為24V DC的I/O卡的負(fù)載電阻R_o=(24V－10.5V)÷0．023A＝587Ω。
　　無(wú)論輸入、輸出回路，選用安全柵時(shí)其阻抗?jié)M足上式即可保證回路的正常工作。
　　近年來(lái)，P+F和MTL等公司相繼推出隔離式、總線制隔離式安全柵，無(wú)論何種安全柵，在選用過(guò)程中都應(yīng)遵守上述原則。只有這樣，才能正確選擇并合理使用安全柵，并會(huì)取得滿意的效果�！�

作者簡(jiǎn)介：李勝利　男　本科學(xué)歷，1994年畢業(yè)于西南石油學(xué)院，之后一直從事煉油化工自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)工作。
作者單位：李勝利（華東勘察設(shè)計(jì)研究院，山東　膠州　266300）

參考文獻(xiàn)：

［1］GB3836.4-83．中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備：本質(zhì)安全型電路和電氣設(shè)備“i”［S］