1、安全栅的类型及特点
1.1 无源齐纳安全栅
本安无源安全栅，采用齐纳二极管来限制危险侧的电压，如果发生事故，可以通过熔断电阻来可靠地限制短路电流。为了能够使用齐纳安全栅，必须要有与工厂接地隔离的等电位接地系统，齐纳安全栅应通过单点接到等电位接地系统。本安电路的接地电阻必须低于1Ω。如果没有等电位接地系统，则不能使用齐纳安全栅。危险侧的仪表如热电偶(TC)、热电阻(RTD)、变送器、开关元件电气转换器，电动阀等必须是隔离型的，非隔离型的仪表不能采用齐纳安全栅。齐纳二极管的电流泄漏会通过感应产生一个错误的低电平信号，另外齐纳安全栅的串行电阻也会降低可供给现场仪表的电压，这可能会导致变送器或转换器不能正常工作。
图1典型的本安回路接地图
对于齐纳安全栅，在文章《齐纳安全栅和隔离式安全栅性能和特点有什么异同》和《信号隔离器、安全栅和电涌保护器SPD在功能和用途上的区别》对其功能及结构原理有详细介绍。
齐纳安全栅优点：
①价格低；
②体积小。
齐纳安全栅的缺点：
①要求有可靠的等电位接地系统；
②要求危险侧的仪表为隔离型；
③串行电阻易产生电压降；
④不能防止短路电流；
⑤齐纳二极管的漏电流可能会导致错误的检测信号。
1.2 增强型齐纳安全栅
这类安全栅最重要的特点是电流可重复(即可放大复制输入电流)，可用于连接危险侧变送器与非危险侧非防爆仪表。
对于电流，除了提供电流复制放大即在安全区域将变送器电流进行复制与放大并输出外，增强型齐纳安全栅与无源隔离安全栅相似。增强型的齐纳安全栅特别适用于那些标准的无源安全栅因电压降太大，以致于不能给现场仪表提供足够电压的场所。这类安全栅对安全区域的负载可提供足够的电压。
增强型齐纳安全栅优点：
①对变送器与负载有更大的可用电压；
②对变送器有短路电流保护。
增强型齐纳安全栅缺点：
①与标准的无源齐纳安全栅一样需要有可靠的等电位接地系统；
②要求危险侧的仪表为隔离型；
③比无源安全栅的价格高。
1.3、回路供电隔离栅
回路供电隔离栅有3类。
①变送器隔离栅；
②电气转换器隔离栅；
③电动阀驱动器隔离栅。
前两类通过4-20mA信号对仪表回路供电，3类隔离栅均采用DC/AC转换器、隔离变压器和AC/DC逆向转换，从而将危险侧和非危险侧的电流进行隔离。
当没有等电位接地系统，或现场元件不能与地隔离，或不采用有源安全栅，电源的电压能够承受本安回路内部的主要电压降时，经常选用这类安全栅。
回路供电隔离栅优点：
①由于输入/输出电流隔离，因此不要求等电位接地系统；
②允许使用非隔离型现场元件；
③即使在线圈电阻由于环境温度变化而波动时，电动阀门驱动器仍然是安全的；
④短路电流保护；
⑤可以带电插拔。
回路供电隔离栅缺点：
①比齐纳安全栅有更高的内部压降；
②比齐纳栅的价格高。
1.4、有源隔离式安全栅
有源隔离式安全栅可用于类型更为广泛的输入/输出的接口，这种有源隔离式安全栅几乎适用于所有的仪表。可以采用DIN导轨安装，又可以采用插拔式安装。可以单独供电，确保连接到危险侧的本安电路的电流与非危险侧的非本安电路的电流能够隔离。这类安全栅既不要求元件隔离又不要求等电位接地系统。本质安全不会由于隔离故障而危及安全，并且与整个系统的接地连接无关。
有源隔离安全栅允许直接接到热电偶、热电阻、电压信号、变送器、电流信号变送器、张力电桥仪表、pH或电导率电极、接点、接近开关、电气转换器、电气定位器、电磁阀、电磁传感器等。
对于插拔型，有源隔离安全栅可以带电插拔。这个特点可以在不危及本安系统的安全的前提下，很快地将故障安全栅修复。有源隔离栅在技术上符合所有的本安应用。
有源隔离安全栅优点：
①由于输入/输出的电源隔离，因而不要求使用等电位接地系统；
②允许使用非隔离型的现场元件；
③不论供电电源电压如何，现场设备均可以采用高电平信号；
④短路保护；
⑤提供标准的高电平隔离输出信号(通常为4-20mA)；
⑥对插拔型，可以在不切断电源的情况下很快地修复；
⑦可用于所有的本安应用。
有源隔离安全栅缺点：比齐纳安全栅和回路供电隔离栅价格更高。
2、安全栅的接地
2.1 无源安全栅的接地从本质安全的观点来看，无源安全栅的功能与接地系统关系非常密切，因为接地系统能够将来自于非危险区域仪表的危险能量进行释放。
接地电缆至少应为2.5mm2(12AWG)，一般来讲本安接地的电阻应小于1Ω。7无源安全栅的接地如图2所示。
图2 无源安全栅接地示意图
2.2 屏蔽电缆的接地
采用屏蔽电缆连接危险区的检测元件、变送器、执行元件和非危险区的控制与测量系统是普遍采用的方法。从屏蔽的功能来讲，屏蔽的目的是在线芯之间建立等电位，以避免电容耦合。这种目的只有在屏蔽层接到一个参考地电位时才能够实现。屏蔽层最好能够在系统的接地点实现单点接地。如果屏蔽层在两个非等电位点接地，则屏蔽层中可能会产生电流而丧失了其屏蔽的功能。因此屏蔽层外必须加上绝缘护套以防止其与地接触。
对本安仪表，如果电缆损坏了，则屏蔽层会成为危险区与非危险区之间的导体，也会形成故障电流回路，从这个观点来讲，应在危险侧采用隔离，在非危险侧将屏蔽层接地。
对无源安全栅，如果不破坏电流隔离，屏蔽层也可以在现场接地，也就是说在隔离设备两侧的两个屏蔽层不必连接在一起。
对于两个不同类型的本安回路隔离技术的应用情况(如多芯电缆)，屏蔽层的参考接地点必须与无源安全栅的接地连接相似。如图1所示。
出于功能的原因，S1屏蔽层与测量回路一样连接到相同的接地点，不能连接到变送器的金属部件上，因为本安保护方法不允许第二个接地点。
现场变送器的目的是隔离热电偶与非危险侧仪表的电流的，因此屏蔽层S1与S2不能连接在一起，屏蔽层S2与S3提供变送器和安全栅连接之间的屏蔽。它们在接线箱的端子排上连接在一起。S3也连接到安全栅独立使用的接地棒，再将该接地棒连接到参考接地点，屏蔽层S4完全是系统的屏蔽，对于安全栅本身来讲不是非常重要的，它通过接地棒连接到屏蔽层的参考接地点。
对于这类接地连接，有必要将屏蔽层S2恰当地与变送器的金属结构隔离开来，否则会出现如图3所示的情况。
图3 非防爆侧屏蔽层接地可能出现的危险示意图
当在屏蔽层与变送器的外壳之间不存在隔离时，如果地电位V1不同于变送器外壳的电位V2时，则在危险侧会产生过能量的电流。因为故障电流仅仅受屏蔽电阻的影响，可能产生点燃周围环境中危险气体的危险。这种情况可以通过将屏蔽层在危险侧现场接地来避免。这样即使在非危险侧产生火花，也不会引起爆炸。
3、安全栅的选用方法
3.1 热电偶配用安全栅选用流程及应用举例
热电偶配用安全栅选用流程框图见图4；隔离型热电偶配用安全栅应用举例见图5；接地型或非隔离型热电偶配用安全栅应用举例见图6。
图4 热电偶安全栅的选用流程框图
图5 隔离型热电偶应用举例
图6 接地型或非隔离型热电偶应用举例
3.2 热电阻配用安全栅选用流程及应用举例
热电阻配用安全栅选用流程框图见图7；隔离型热电阻配用安全栅应用举例见图8；接地型或非隔离型热电阻配用安全栅应用举例见图9。
图7 热电阻安全栅的选用流程框图
注：与地的隔离，在具体的应用中，应根据有关规范具体确认其大小在具体的应用中，应根据有关规范具体确认其大小
图8 隔离型热电阻RTD应用举例
图9 接地型或非隔离型RTD应用举例
3.3 变送器配用安全栅选用流程及应用举例
变送器配用安全栅选用流程框图见图10；隔离型变送器配用安全栅应用举例见图11；接地型或非隔离型变送器配用安全栅应用举例见图12。
图10 变送器安全栅选用流程框图
图11 隔离型变送器配用安全栅应用举例
图12 接地型或非隔离型变送器应用举例
3.4 电/气转换器配用安全栅选用流程及应用举例电/气转换器配用安全栅选用流程框图见图13；电/气转换器配用安全栅应用举例见图14。
图13 电/气转换器安全栅选用流程框图
图14 电/气转换器应用举例
3.5 数据采集系统配用安全栅选用流程
数据采集系统配用安全栅选用流程框图见图15。
图15 数据采集系统安全栅的选用流程框图
注：对每个具体应用情况，必须检查元件数及元件离控制室的距离是否合适
3.6 接点信号配用安全栅选用流程及应用举例
接点信号配用安全栅选用流程框图见图16；接点信号/接近开关配用安全栅应用举例见图17，电动阀配用安全栅应用举例见图18。
图16 接点信号安全栅选用流程框图
图17 电动阀应用举例
图18 接点/接近开关应用举例
4、结论
合理选用安全栅是本安回路能够正常运行的首要条件，必须基于有关的本质安全原理及规范标准进行。本文侧重探讨了安全接地及合理选用、使用安全栅的一些方法，对工程应用和现场实践有一定的指导意义。
作者：李庆民(锦西炼化总厂设计院)
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