安全柵（safety barrier），接在本質安全電路和非本質安全電路之間。將供給本質安全電路的電壓電流限制在一定安全範圍內的裝置。
基本介紹
- 中文名：安全柵
- 外文名：safety barrier
- 工作現場：工業控制中需要安全防爆的場合
- 工作電源：24V±10%DC
- 環境溫度：0-50℃
- 相對濕度：5%~95%RH（非結露）
- 拼音：ān quán zhà
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介紹
安全柵又稱安全限能器，是本安系統中的重要組成部分。
安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類。
齊納式安全柵的核心元件為齊納二極體，限流電阻及快速熔斷絲。
隔離式安全柵不但有限能的功能，還有隔離功能，它主要由迴路限能單元，信號和電源隔離單元、信號處理單元組成。
安全柵的主要功能為限流限壓，保證現場儀表可得到的能量在安全範圍內。
安全柵產品圖別稱
安全柵又稱安全保持器。本安迴路的安全接口，它能在安全區（本質安全）和危險區（非本質安全）之間雙向傳遞電信號，並可限制因故障引起的危險區向安全區的能量轉遞。一般安全柵有齊納式和隔離式。
本安型安全柵套用在本安防爆系統的設計中，它是安裝於安全場所並含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過限流和限壓電路限制了送往現場本安迴路的能量，從而防止非本安電路的危險能量串入本安電路，它在本安防爆系統中稱為關聯設備，是本安系統的重要組成部分。
本安防爆系統關聯設備，是指安裝在安全場所，本安電氣設備與非本安電氣設備之間的相連的電氣設備。
由於安全柵被設計為介於現場設備與控制室設備之間的一個限制能量的接口，因此無論控制室設備處於正常或故障狀態，安全柵都能確保通過它傳送給現場設備的能量是本質安全的。
中國國家儀器儀表防爆安全監督站是中華人民共和國地區監督生產安全防爆產品的權威機構，對本安型安全柵產品有著嚴格、科學、詳細的規定，只有通過該監督站認證的企業及其所開發生產的產品才具備符合標準的安全性能，否則可能會給使用方的設備、人員和生產造成無可估量的損害。
結構形式
齊納式安全柵
電路中採用快速熔斷器、限流電阻或限壓二極體以對輸入的電能量進行限制，從而保證輸出到危險區的能量。
1． 安裝位置必須有非常可靠的接地系統，顯然這樣的要求是十分的苛刻並在實際工程套用中難以保證。
3． 齊納式安全柵對電源影響較大，同時也易因電源的波動而造成齊納式安全柵的損壞。
4．由於齊納式安全柵的電路原理需要吸收輸入迴路的能量，所以易造成輸出不穩定。
隔離式安全柵
採用了將輸入、輸出以及電源三方之間相互電氣隔離的電路結構，同時符合本安型限制能量的要求。與齊納式安全相比，雖然價格較貴，但它性能上的突出優點卻為用戶套用帶來了更大的受益：
1．由於採用了三方隔離方式，因此無需系統接地線路，給設計及現場施工帶來極大方便。
2．對危險區的儀表要求大幅度降低，現場無需採用隔離式的儀表。
3．由於信號線路無需共地，使得檢測和控制迴路信號的穩定性和抗干擾能力大大增強，從而提高了整個系統的可靠性。
4．隔離式安全柵具備更強的輸入信號處理能力，能夠接受並處理熱電偶、熱電阻、頻率等信號，這是齊納式安全柵所無法做到的。
5．隔離式安全柵可輸出兩路相互隔離的信號，以提供給使用同一信號源的兩台設備使用，並保證兩設備信號不互相干擾，同時提高所連線設備相互之間的電氣安全絕緣性能。
因此，對比齊納式和隔離式安全柵的特點和性能後可以看出，隔離式安全柵有著突出的優點和更為廣泛用途，雖然其價格略高於齊納式安全柵，但從設計、施工安裝、調試及維護成本來考慮，其綜合成本可能反而低於齊納式安全柵。在要求較高的工程現場幾乎無一例外地採用了隔離式安全柵作為主要本安防爆儀表，隔離式安全柵已逐漸取代了齊納式安全柵，在安全防爆領域得到了日益廣泛的套用.
本安設備標誌定義
其中：EX —防爆標誌
（ia）—防爆等級
ⅡC —氣體組別
本公司產品防爆級別：EX（ia）ⅡC
套用優點
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，可以將危險區的現場迴路信號和安全區迴路信號有效隔離。這樣本安自控系統不需要本安接地系統，簡化了本安防爆系統套用時的施工。
③ 使用隔離式安全柵，大大增強了檢測和控制迴路的抗干擾能力，提高系統可靠性。
④使用隔離式安全柵，允許現場儀表接地，允許現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，允許現場儀錶帶電檢修，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。如開關量輸入狀態控制、mV、Pt100變為4～20mA等等。這樣給現場儀表和控制系統的套用提供了更大的方便、合理和有效。
⑦ 當用戶同時套用DCS和ESD時，選用一進二出的安全柵，可以有效地將兩個系統隔離開來，避免系統之間互相影響。
工作原理
齊納式安全柵
齊納安全柵原理示意圖如右圖二，它的原理簡單、電路實現容易，價格低廉，但因由於其自身原理的缺陷使其套用中的可靠性受到很大影響，並限制了其套用範圍，其原因如下：
1．安裝位置必須有非常可靠的接地系統，並且該齊納式安全柵的接地電阻必須小於1Ω，否則便失去防爆安全保護性能，顯然這樣的要求是十分苛刻並在實際工程套用中難以保證。
2．要求來自危險區的現場儀表必須是隔離型，否則通過齊納式安全柵的接地端子與大地相接後信號無法正確傳送，並且由於信號接地，直接降低信號抗干擾能力，影響系統穩定性。
3．齊納式安全柵對電源影響較大，同時也易因電源的波動而造成齊納式安全柵的損壞。
隔離式安全柵
安全柵的主要功能就是限制安全場所的危險能量進入危險場所，及限制送往危險場所的電壓和電流。齊納管Z用於限制電壓。當迴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壓值以下。電阻R用於限制電流。當電壓被限制後，適當選擇電阻值，可將迴路電流限制在安全限流值以下。
（2）
（2）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之外，還帶有電流隔離的功能。隔離柵通常由迴路限能單元、電流隔離單元和信號處理單元三部分組成，基本功能電路如圖2所示。迴路限能單元為安全柵的核心部分。此外，輔助有用於驅動現場儀表的迴路供電電路和用於儀表信號採集的檢測電路。信號處理單元則根據安全柵的功能要求進行信號處理。
工業現場一般需要採用兩線制傳輸方式的配電器，既要為諸如壓力變送器等一次儀表提供24V 配電電源，同時又要對輸入的電流信號進行採集、放大、運算、和進行抗干擾處理後，再輸出隔離的電流和電壓信號，供後面的二次儀表或其它儀表使用。但一些特殊的工業現場不但需要兩線制傳輸，既提供配電電源又有信號隔離功能，同時還需要具有安全火花型防爆的性能，可靠地防止電源高壓與信號之間的混觸，利用電流、電壓雙重化限制迴路，把進入危險場所的能量限制在安全定額以下的具有特殊功能的配電器—安全柵。
隔離式安全柵，基本有檢測端安全柵和操作端安全柵兩種類型。檢測端安全柵與兩線制變送器配套使用；操作端安全柵與電氣轉換器或電氣閥門配套使用。也有信號輸入等類型隔離式安全柵。
由於隔離式安全柵採用了限壓、限流、隔離等措施，不僅能防止危險能量從本安端子進入危險現場，提高系統的本安防爆性能，而且還增加了系統的抗干擾能力，大大提高了系統運行的可靠性。 24VDC 電源經DC-AC-DC變換後，輸出模組電路所需要的多種電壓。
檢測端隔離式安全柵的原理是：模組電路將通過本安能量限制電路輸入的電流或電壓信號轉變為0.2-1VDC後，送入模組內進行採集、放大、運算和進行抗干擾處理後，再經變壓器調製成輸出隔離的電流和電壓信號，供後面的二次儀表或其它儀表使用。模組還需輸出一個隔離的18.5∽28.5VDC電壓，通過本安能量限制電路做為供給兩線制變送器的工作電壓。本安能量限制電路能限制大電流或高電壓的危險信號竄入危險現場。
安全柵前後圖防爆等級
ia：在正常工作狀態下，1個計數故障或2個計數故障狀態下都不會點燃危險氣體，迴路必須保證在兩個計數故障同時出現時仍然保證安全特性。“ia”類電氣設備對易於受干擾的元器件必須採用“三重化”設計。“ib”類電氣設備只能保證在1個計數故障狀態下不會點燃危險氣體。
氣體組別：
Ⅰ組電氣設備：用於易受甲烷影響的煤礦環境中。
Ⅱ組電氣設備 ：可用於除煤礦以外的爆炸危險環境中。
Ⅱ組電氣設備根據易燃性物質的不同點燃能量進一步細分。
各子組用大寫英文字母區分，從下表中可以看出，中國、IEC、歐洲分組標準中ⅡC組所需要的點燃能量最少，即在該組電氣設備中，ⅡC組設備具備對ⅡA、ⅡB組的通用性。
如何選用
安全柵是介於現場設備與控制室設備之間的一個限能電路，用來把控制室供給現場儀表的電能量限制在既不能產生足以引爆危險氣體的火花，又不能產生足以引爆危險氣體的儀表表面溫度，從而消除了引爆源。在選擇安全柵時必須考慮其型號與現場儀表類型相適應，還須考慮安全柵與本質安全儀表要求相兼容及形成的本安系統中阻抗匹配的問題。我國採用“迴路認證”這種方式認證本安系統，即根據危險環境使用儀表的聯合取證情況，選擇已與其聯合取證的安全柵，一經聯合取證，現場儀表與安全柵便固定組合構成本安系統。實踐中，這種方式對安全柵和現場儀表的選擇有很大的局限性。廣泛採用是進年來逐漸形成的一種本質安全認證技術，即“參量認證”。按照“參量認證”方式認證的本安設備和關聯設備需要一組安全參數，包括：
Vmax― 在正常工作或故障條件下，能接受並能保持其本安性能的最高電壓。
Imax ―在正常工作或故障條件下，能接受並保持其本安性能的最高電流。
Ci―本安現場設備內部未被保護的電容。
Li―本安現場設備內部未被保護的電感。
Pmaxo ―關聯設備允許輸入的最大功率。
“參量認證”關係式為：Vmax>Voc，Imax>Isc，Pmaxi>Pmaxo，Ci+Cc結合“參量認證”可知安全柵的選用：1）與安全柵相連的安全設備的工作電壓不得超過安全柵的最高允許電壓。否則，應採用光電隔離等技術使之與系統隔離開來，或者採用隔離安全柵；2）“參量認證”公式的Vmax，Imax，Pmaxi即為本安現場設備的正常參數，選用時應該逐一對比。3）“參量認證”公式中引入Cc，Lc這兩個變數實際是引出了控制電纜的選用問題，從而限制了電纜長度。實際使用中還應考慮阻抗匹配問題。最後的公式中，Ra安全柵阻抗，Rl電纜阻抗，安全儀表的允許負載阻抗Ro，對於輸出迴路，作為安全儀表的調節器或I/O卡的輸出通道等，它們的允許負載阻抗是製造廠商提供的。對於輸入迴路，作為安全儀表的顯示儀表或I/O卡的輸入通道等，它們的允許負載阻抗取決於其輸出電壓和現場儀表的無負載工作電壓。無論輸入還是輸出迴路，選用安全柵時其阻抗滿足上式即可保證迴路的正常工作。
按照“參量認證”的關係式選用的安全柵，理論上可以保證正常工作，實際使用時還必須注意以下問題：
1、所選用的齊納安全柵應已經防爆檢測機構防爆認證，並有防爆合格證書。
2．根據工作現場所屬的危險區域( 0區、1區、2區)，氣體級別和溫度組別來選擇齊納安全柵的防爆等級( 安全柵防爆標誌) ，使其符合上述的防爆環境，由安全柵來限制傳輸到現場的能量，確保現場安全。
3．根據現場使用儀表的工作電壓和工作電流對地的極性，選擇齊納安全柵的極性(正極性、負極性或交流極性）。
4．根據信號傳輸線路的數量，選擇齊納安全柵的通道數 (單通道、雙通道、三通道) , 由安全柵的通道對傳輸線路進行保護。
5．根據二次儀表供電電壓的大小，選擇齊納安全柵的工作電壓，供電電壓應小於或等於齊納安全柵的工作電壓。對於波動範圍大的供電電壓，則應當選擇工作電壓範圍大的齊納安全柵型號。根據現場儀表電壓和電流的大小，選擇齊納安全柵的端電阻。在最大工作電流時安全柵的端電阻引起的壓降應不影響現場儀表最低工作電壓的要求，保證現場儀表能正常工作。
6．當供電電壓為DCS 系統中卡件直接供電時，請詳細查閱DCS系統中的供電卡件資料。注意供電卡件中往往串接一隻限流電阻，當使用齊納安全柵時，此限流電阻應引以充分的重視。選用電阻限流式齊納安全柵時應把串入的電阻去掉用熔絲或開關代替，選用電子限流式齊納安全柵時，此電阻值不能大於180Ω，否則由於供電迴路電阻太大，造成現場儀表供電電壓太低而不能工作。有些DCS系統卡件供電電路中裝有一個限流電路，當使用齊納安全柵則不能選用有功耗的齊納安全柵，一旦卡件供電電路限流值小於齊納安全柵的工作電流時，則會造成齊納安全柵無法工作。
7．本質安全防爆實質上是系統防爆，所以現場儀表和齊納安全柵一起由防爆檢測機構進行系統防爆取證，(術語：聯合取證安全柵是本質安全防爆系統的一種關聯設備，它的設計製造都嚴格按照國家有關法規和標準，並要經國家指定的防爆檢測機構防爆鑑定取證後才能生產使用。)根據防爆檢測機構給出的最大電纜參數值Cc、Lc的大小，計算出電纜長度、型號、滿足傳送距離的要求。
易燃物質
典型氣體分組標準 點燃特性
中國、IEC、歐洲北美
甲烷Ⅰ
乙炔ⅡC A
氫氣ⅡC B
乙烯ⅡB C
丙烷ⅡA D
爆炸性危險場所的區域劃分
在安全防爆系統的設計及防爆產品的選型中，除了需要對爆炸性環境中存在的氣體進行分級、分組外，還應根據爆炸性氣體出現的頻繁程度和持續時間對爆炸性氣體危險場所進行區域劃分：
0區
爆炸性氣體混合物連續地或長時間地存在的場所。
1區 爆炸性氣體混合物有可能出現的場所
2區 爆炸性氣體混合物不可能出現，或即使出現也是短時間存在的場所
本公司產品適用於0區，同時適用1區和2區。
隔離式安全柵的安裝
色標：
黃色端（非本安側）接線通往安全區。
藍色端（本安側）接線通往危險區。
使用注意
本安系統除了要選擇合適的安全柵外，使用的時候要注意以下幾個方面：
第一，要注意線纜和現場設備的容抗和感抗，本安防爆是系統防爆，除了安全柵需要達到所需的 防爆等級外，線纜和現場設備的蓄能也是一個關鍵問題。特別是在參量認證替代系統認 證後，工程商尤其要注意這個問題。
第二，要注意本安接地，齊納安全柵需要本安接地，接地電阻應小於1。
第三，本安線纜與非本安線纜應分開敷設在不同的線槽里。並應有明顯標識。
第四，更換時應注意斷電。
防爆系統
本安系統在國內越來越受人關注，作為其主要構成部件的安全柵也被人們所認識。那么，安全柵是靠什麼來防爆的呢？控制能量，控制能量是安全柵防爆的法寶，不管是齊納安全柵還是隔離式安全柵都是通過控制能量來達到防爆規定的要求的。齊納安全柵，從名字上我們知道齊納安全柵其主要構成元件是齊納管，也叫穩壓二極體。但齊納二極體只能把電壓值控制住，那么構成電能的第二要素的電流由什麼元件控制呢？電阻，具備一定功率承受能力的電阻在這裡充當了限流的作用，使安全柵輸向危險區域的電流始終控制在一個允許的範圍內，從而達到了本安。那么隔離安柵是靠什麼來控制能量的呢？脈衝變壓器是隔離安全柵隔離能量的主要部件，有了它以後流向危險區的能量才會被控制住。
結構選擇
一般來講，齊納安全柵選型容易，不易損壞，對原系統結構要求改動的地方比較少， 優點比較明顯。齊納安全柵的防爆原理是用齊納二級管控制輸出電壓，用電阻限制輸出電流，電路相對簡單。在正常工作時，齊納安全柵相當於兩個電阻串入電路，因此對系統結構無須作改動。另外，齊納安全柵由於無信號的轉變，對原信號精度也沒有影響。隔離安全柵是以高頻作為基波，將信號進行調製解調，信號有了變動，精度會受到安全柵電路的影響。隔離安全柵由於具有高頻震盪電路，將產生出射頻干擾，對系統不利，而且隔離安全柵也比較容易損壞。但隔離安全柵不需要本安接地，這是它比齊納安全柵優越的地方。
價格方面，齊納安全柵要比隔離的便宜很多，這在需要使用很多安全柵的場合，齊納安全柵的價格優勢明顯體現了出來。
安裝守則
1．安全柵應安裝在安全場所，並且環境條件滿足《安全柵選型樣本》中的“使用條件”的要求。
2． 隔離式安全柵本安端（藍色端）和非本安端電路的連線導線在匯線槽中應分開鋪設，各自採用獨立的保護套管。本安側的配線管道內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，導線的軟銅面積必須大於0.5mm2，絕緣強度應大於500V。
4． 在對隔離式安全柵進行通電調試前，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品要求中的規定，否則可能對人身及設備造成傷害。
5．嚴禁用兆歐表測試隔離式安全柵端子之間的絕緣強度。如要檢查系統的絕緣強度，應先斷開全部隔離式安全柵的接線，否則可能引起安全柵內部電路損壞。
6． 在現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，然後通電編程，否則可能引起不良後果。
7．與隔離式安全柵相連線的現場儀表，均應採用通過經國家認定的有關防爆檢驗部門進行防爆試驗、並取得防爆合格證的儀表。
8． 在設計、安裝、使用、維護隔離式安全柵時，應同時遵守本產品使用手冊中的說明及《GB3836.15-2000爆炸性氣體環境用電氣設備第15部分：危險場所電氣安裝（煤礦除外）》及《GB50058-1992爆炸和火災危險環境電力設定設計規範 》。
進口品牌
國內運用比較火的進口品牌有兩個，MTL和P+F，它們分別是英國和德國進口的。
P+F
成立於1945年。1958年，P+F公司發明了世界首例本安型接近開關及與之世界的隔離式安全柵使工業防爆套用領域發生了全新的變革。在國內，的P+F安全柵得到廣大認證的好評。P+F安全柵有源隔離器與無源隔離器，齊納式安全柵和隔離式安全柵。P+F安全柵齊納齊納式隔離式安全柵能與各種現場的一次儀表如：4－20mA的壓力、溫度、流量、電信號變送器；電器轉換器、電氣閥門定位器、各類熱電偶、熱電阻、開關量、報警器、脈衝信號等各種特殊儀表，組成本質安全防爆系統，用於現代化工業的自動化過程控制，廣泛地用於石油化工、冶金、醫藥、船舶等領域。可限制危險能量進入具爆炸性危險氣體環境的可靠設備。P+F安全柵採用兩種不同的外型和安裝尺寸，外殼由阻燃防弧塑膠壓製成型，整個安全柵電路以阻燃環氧樹脂封裝在殼體內，各端子間的爬電距離、電氣間隙及材料的相對泄痕指數均符合GB 3836.4中的有關規定。
正常工作環境溫度：－20ºC～+40ºC ；b.相對濕度： < 95% RH ; c. 大氣壓：80～110 Kpa ;
