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近幾年來，隨著中國煉化一體化進(jìn)程的推進(jìn)，石油煉化廠、化工廠越來越多。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(shù)，安全柵設(shè)置在安全區(qū)域的控制室設(shè)備與危險區(qū)域的本安設(shè)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(shè)備。處于危險場所的本安設(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(shè)備還是危險場所的本安設(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(shù)，安全柵設(shè)置在安全區(qū)域的控制室設(shè)備與危險區(qū)域的本安設(shè)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(shè)備。

處于危險場所的本安設(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(shè)備還是危險場所的本安設(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(dāng)回路電壓接近安全限壓值時，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(dǎo)致回路限壓失效。當(dāng)超過安全限壓值的電壓加在回路上時，齊納管導(dǎo)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ｋU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?。此外，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(jìn)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(diǎn)和特點(diǎn)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(yīng)用時的施工。

③ 使用隔離式安全柵，大大增強(qiáng)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(hù)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(zhǔn)備時間和減少停車時間。

⑥隔離式安全柵有較強(qiáng)的信號處理能力。如開關(guān)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(yīng)用提供了更大的方便、合理和有效。

⑦ 當(dāng)用戶同時應(yīng)用DCS和ESD時，選用一進(jìn)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(diǎn)，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(yīng)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(jìn)行監(jiān)測，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(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號/1~5V信號、熱電阻和熱電偶信號、開關(guān)量信號、通信信號、交流信號和其他非標(biāo)準(zhǔn)信號等幾種類型信號進(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/1~5V信號、開關(guān)量輸出信號、通信信號等幾種類型信號進(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(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(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(shè)備連接裝置施加電壓達(dá)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(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，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(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)證過的其它型號規(guī)格的設(shè)備替代。國際上大多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采用“參量認(rèn)證”的方式，即對關(guān)聯(lián)設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)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(shè)備進(jìn)行組合，從安全性角度出發(fā)只需滿足如下關(guān)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(shè)備的防爆標(biāo)志等級；

b) 根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備類型配備相應(yīng)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(shè)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(shí)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(biāo)：

白色端（非本安側(cè)）接線通往安全區(qū)。

藍(lán)色端（本安側(cè)）接線通往危險區(qū)。

安裝中的注意事項(xiàng)：

1、安全柵應(yīng)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(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）電路的接線導(dǎo)線在匯線槽中應(yīng)分開鋪設(shè)，各自采用獨(dú)立的保護(hù)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(dǎo)線應(yīng)選用有藍(lán)色標(biāo)記的本安導(dǎo)線，導(dǎo)線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、接線方法、線路極性等，是否符合設(shè)計(jì)及產(chǎn)品要求中的規(guī)定，否則可能對人身及設(shè)備造成傷害。 

5、嚴(yán)禁用兆歐表直接測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(jìn)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(yīng)通過經(jīng)國家認(rèn)定的防爆檢驗(yàn)部門的防爆試驗(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，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)備溫度等級規(guī)定了設(shè)備表面的最高允許溫度值。設(shè)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(diǎn)燃溫度，否則會引起燃燒爆炸。