[導讀] 本文介紹安全柵的基礎知識，閘述了正確選用安全柵，以及安裝和在現場調試安全柵時的注意事項。并探討了本安回路的阻抗匹配問題。
1、 前言
安全柵是一種安裝在安全場所的本質安全型防爆儀表的關聯設備，(術語：關聯設備一種安裝在安全場所，本安電氣設備與非本安電氣設備之間的相連的電氣設備)當本安防爆系統的本安儀表發生故障時，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內，從而確保現場設備、人員和生產的安全。
在原油集輸自動化系統中，安全柵是儀表不可或缺的關聯設備，所以對安全柵的基礎知識，正確選用安全柵，安裝、調試安全柵時的注意事項等問題的掌握是至關重要的。本文針對以上問題，對安全柵的基礎知識、選用、安裝以及調試作簡要的介紹，希望對自動化系統設計人員有所幫助。
2、 安全柵知識介紹
2.1 本安型安全柵
本安型安全柵應用在本安防爆系統的設計中，它是安裝于安全場所并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回路的能量，從而防止非本安電路的危險能量串入本安電路，是本安系統的重要組成部分。
安全柵安裝于安全場所，接收來自危險區的信號,輸出安全信號到安全區或危險區。見圖。
由于安全柵被設計為介于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于正常或故障狀態，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。
2.2 安全柵的結構形式
常見的安全柵結構形式分為二大類：一類為齊納式安全柵，它是通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實現能量限制作用，使在本安防爆系統中，不論現場本安儀表發生任何故障，都保證傳輸到現場(危險區)的能量處于一個安全值內(不會點燃規定的分級、分組爆炸性氣體的混合物),從而保證生產現場的安全。另一類是隔離式安全柵，它是本安回路與非本安回路之間通過光、電、磁隔離技術，用變壓器耦合實現電源、信號輸入、信號輸出的隔離，由于信號完全浮空，增強了信號的抗干擾能力，提高了自動控制系統的運行可靠性。并在本安端加類似于齊納式安全柵的快速熔斷絲和限流、限壓電路實現能量的限制，保證本安防爆系統的安全。隔離式安全柵在使用時，不特別要求在本安端接地，系統可以在危險區或安全區認為合適的任何一方接地。二者的結構原理如圖所示。
2.2.1 齊納式安全柵
齊納安全柵原理示意圖如上，它的原理簡單、電路實現容易，價格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其應用中的可靠性受到很大影響，并限制了其應用范圍，其原因如下：1、安裝位置必須有非常可靠的接地系統，并且該齊納式安全柵的接地電阻必須小于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并在實際工程應用中難以保證。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后信號無法正確傳送，并且由于信號接地，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。
2.2.2 隔離式安全柵
隔離式安全柵原理示意圖如上，與齊納式安全相比，雖然價格略高，但其它方面的突出優點卻為用戶應用帶來了更大的受益：
1.由于采用了三方隔離方式，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，現場無需采用隔離式的儀表。
3.由于信號線路無需共地，使得檢測和控制回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，能夠接受并處理熱電偶、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臺設備使用，并保證兩設備信號不互相干擾，同時提高所連接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后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優點和更為廣泛用途，雖然其價格略高于齊納式安全柵，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于齊納式安全柵。在要求較高的工程現場幾乎無一例外地采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應用.
2.3 本安設備標志定義
對于本安設備，常常可以看到這樣的標志：Ex(ia)ⅡC，其中：Ex — 防爆標志 (ia)—防爆等級 ⅡC— 氣體組別。iaIIBT4
2.3.1 防爆等級：
ia：在正常工作狀態下，1個故障或2個故障狀態下都不會點燃危險氣體，回路必須保證在兩個故障同時出現時仍然保證安全特性。“ia ”類電氣設備對易受干擾的元器件必須采用“三重化”設計。“ib”類電氣設備只能保證在1個故障狀態下不會點燃危險氣體。
2.3.2 氣體組別：
Ⅰ組電氣設備：用于易受甲烷影響的煤礦環境中。
Ⅱ組電氣設備：可用于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。各子組用大寫英文子母區分，從下表中可以看出，C子組所需要的點燃能量最少，即在該組電氣設備中，C組設備具備通用性。
2.3.3 常見易燃性物質的分組
表一：易燃性物質的分組
典型氣體 分組標準 點燃特性
中國、IEC、歐洲 北美
甲烷 Ⅰ 易點燃
難點燃
乙炔 ⅡC A
氫氣 ⅡC B
乙烯 ⅡB C
丙烷 ⅡA D
2.3.4 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：
表二：爆炸性危險場所的區域劃分
0區 爆炸性氣體混合物連續地或長時間地存在的場所。 易點燃
難點燃
1區 爆炸性氣體混合物有可能出現的場所。
2區 爆炸性氣體混合不可能出現，或即使出現也是短時間存在的場所。
3、 選用安全柵步驟
安全柵是介于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。
我國采用“回路認證”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。目前廣泛采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，能接受并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，能接受并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”關系式為：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，應采用光電隔離等技術使之與系統隔離開來，或者采用隔離安全柵;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這兩個變量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。最后的公式中，Ra安全柵阻抗，Rl電纜阻抗，安全儀表的允許負載阻抗Ro，對于輸出回路，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制造廠商提供的。對于輸入回路，作為安全儀表的顯示儀表或I/O卡的輸入通道等，它們的允許負載阻抗取決于其輸出電壓和現場儀表的無負載工作電壓。無論輸入還是輸出回路，選用安全柵時其阻抗滿足上式即可保證回路的正常工作。