Вид взрывозащиты искробезопасная цепь "Ex i" / "Eх ia/b/c".
ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99) «Электрооборудование взрывозащищенное, Часть 11, Искробезопасная цепь I».
Искробезопасная цепь является единственной концепцией взрывозащиты, приборы с которой можно использовать в Зоне 0. Являясь самой безопасной формой защиты (категория "ia"), данная концепция предлагает более высокий уровень обеспечения безопасности, чем другие концепции защиты.
Обеспечение искробезопасности достигается путем поддержания электрической энергии проходящей или сохраняющейся в защищенном приборе на уровне недостаточном для воспламенения окружающей взрывоопасной атмосферы, даже при условиях неисправности прибора.
Энергия, которую необходимо учитывать при разработке системы защиты искробезопасная цепь, является минимальной энергией воспламенения смеси газа/воздуха и испарений/воздуха. Таковой является наименьший уровень электрической энергии остающейся при разрядке конденсатора, и которой может по-прежнему быть достаточно для воспламенения самой взрывоопасной смеси газа или испарений и воздуха при атмосферном давлении и температуре 20°С. Кривые, указывающие на пределы воспламенения для различных подгрупп газа определяются с помощью экспериментального прибора для определения энергии искры.
Также, при рассмотрении энергии, сохраняющейся в цепи необходимо учитывать такие факторы как, например, ёмкость или индуктивность. В случае короткого замыкания, данная энергия может освободиться дополнительно к энергии из взаимодействующего прибора.
Искробезопасные цепи используются в следующих случаях:
- Измерениях.
- Коммуникациях.
- Сенсорных технологиях.
- Приводах.
- Цепях КИПиА с низким напряжением и током.
Искробезопасное оборудование относится к группе оборудования II, категориям 1G (ia) EPL Ga или 2G (ib) EPL Gb или 3G (ic) EPL Gc.
Исходя из данного метода, с помощью которого обеспечивается искробезопасность, необходимо учитывать, что не только тот электрический прибор, который находится во взрывоопасной атмосфере подвергается её воздействию, но так же и другой электрический прибор с которым он взаимосвязан, сконструирован соответствующим образом и подходит для данного вида защиты.
В зависимости от конструкции и цели использования, если питание поступает от соответствующего прибора, установленного в безопасной зоне (взаимодействующий прибор) он не образует воспламеняющей дуги, искр или горячих поверхностей, как при нормальных режимах работы, так и при аварийных режимах в цепях и компонентах этих цепей, а также в соединяющих эти цепи кабелях.
Маркировка взаимодействующего прибора согласно МЭК.
Категория искробезопасности "ia".
Категория искробезопасности "ib".
Категория искробезопасности "ic".
Требования к кабельным вводам для оборудования "Ex i".
Использование искробезопасных систем.
Сравнение двух типов интерфейса: Барьера Зенера и гальванической развязки.
Заземление искробезопасного электрооборудования.
Техническое обслуживание искробезопасного электрооборудования.
Выявление неисправностей искробезопасного электрооборудования.
Это компоненты электрооборудования в простом исполнении, которые совместимы с искробезопасной цепью. Например:
- Пассивные компоненты, например, выключатели, распределительные коробки, резисторы и простые полупроводниковые устройства.
- Источники, например, термопары и фотоэлементы, электрические параметры которых не превышают следующие параметры: 1,5 В, 100 мА и 25 мВт.
Взаимодействующий прибор - это прибор, в котором присутствуют как искробезопасные цепи так и неискрозащищённые цепи, а также данная система выполнена таким образом, что неискрозащищённые цепи не смогут повлиять на систему безопасности подключенных к ним искробезопасных цепей.
Взаимодействующий прибор не предназначен для установки в опасных зонах, но определяет мощность источника и энергию (напряжение, ток) на входе к искрозащищённым приборам. Данные приборы предназначены для того, чтобы даже при появлении неисправности, безопасные уровни энергии (напряжение, ток) не были превышены.
Маркировка взаимодействующего прибора согласно МЭК.
Если взаимодействующий прибор подходит для установки в опасной зоне и устройство понижения энергии находится внутри самого прибора или устройства, который(-ое) установлен(-но) в опасноей зоне, то символы типа защиты по искробезопасности должны быть указаны в квадратных скобках, например: Ex d[ia] IIС T4 Gb.
Пример:
Если Группа газов взаимодействующего прибора отличается от Группы газов самого прибора, то Группа газа взаимодействующего прибора должна также быть включена в квадратные скобки, например: Ex d [ia IIС Ga] IIB T4 Gb.
Если прибор подходит для установки в опасной зоне и устройство понижения энергии находится за пределами опасной зоны, то символы типа защиты не заключают в квадратные скобки, например: Ex d ia IIС Т4 Gb.
Пример:
Если взаимодействующий прибор не подходит для установки в опасной зоне, то символ Ех и символ типа защиты заключают в квадратные скобки, например: [Ex ia Ga] IIС.
Пример:
Если оборудование состоит как из взаимодействующего прибора, так и из искробезопасного прибора и не требует организации пользователем соединения с барьером в безопасной зоне, то маркировка взаимодействующего прибора не должна фигурировать на приборе, если только уровень защиты оборудования (EPL) не имеет разную маркировку, например:
Ex d ib IIС Т4 Gb не применительно для следующего случая: Ex d ib[ib Gb] IIС T4 Gb. Применительно для следующего случая: Ex d ia[ia Ga] IIС Т4 Gb.
Примечание: При использовании взаимодействующего прибора не предназначенного для установки в опасной зоне температурный класс, как правило, не указывается.
| Искробезопасные приборы | Взаимодействующий электрический прибор | |
|---|---|---|
| Содержит только искробезопасные электрические цепи | Содержит оба типа искробезопасные и неискробезопасные электрические цепи | |
| ЕЕх ib IIС Т6 | [ЕЕх ib]IIС Т6 | ЕЕх de [ib] IIС Т6 |
| Указывается вся необходимая информация, такая как категория, группа газа и температурный класс. | Квадратные скобки обозначают, что взаимодействующий прибор имеет искробезопасную цепь, которая может быть установлена в Зоне 1, группа газа IIА, IIВ и IIС. | |
| Данный прибор может быть использован в Зоне 1. | Прибор должен быть установлен вне потенциально взрывоопасного участка. | Прибор может быть использован в Зоне 1 при условии его установки во взрывонепроницаемую оболочку (“d”) |
Категория искробезопасности "ia".
Данная категория является высшей категорией искробезопасности, при примененнии которой разрешено использование искробезопасных электрических цепей прибора в Зоне 0.
Прибор и системы данной категории не должны вызвать воспламенение взрывоопасной атмосферы посредством электрической дуги, искр и горячих поверхностей при нормальном режиме работы даже при одновременном возникновении двух неисправностей.
Необходимо учитывать следующие факторы безопасности:
- Фактор безопасности 1.5: при нормальной эксплуатации и возникновении одной неисправности. Прибор категории "ia" допускающий возникновение одного короткого замыкания, не должен вызвать воспламенение взрывоопасной атмосферы при использовании напряжения (тока, мощности) в 1,5 раза превышающего номинальное напряжение (тока, мощности).
- Коэффициент безопасности 1.0: при нормальной эксплуатации и возникновении двух неисправностей. Прибор категории "ia" допускающий одновременное возникновение двух неисправностей не должен вызвать воспламенение взрывоопасной атмосферы при работе с номинальным уровнем напряжения (тока, мощности).
Фактор безопасности применяется к напряжению, току (или их комбинации в зависимости от ситуации), которые могут в данных условиях вызвать электрическую дугу или искру.
На практике, применение коэффициента безопасности 1.5 к рабочему напряжению означает, что компоненты и соединительные элементы цепи должны работать при использовании не более двух третьих (2/3) от своего соответствующего максимально номинально напряжения, тока и мощности.
В целом, все другие компоненты (такие как резисторы, полупроводники, стабилитроны, конденсаторы) так же подходят для применения к ним номинального фактора безопасности, не смотря на то, что применение такого фактора приводит к снижению уровня безопасности.
Практическим методом получения повышенного уровня безопасности является использование резервных элементов.
Категория искробезопасности "ib".
Искробезопасные цепи в электрических приборах категории "ib" не должны вызывать воспламенение при нормальных условиях эксплуатации при возникновении одной неисправности.
Необходимо учитывать следующие факторы безопасности:
- Коэффициент безопасности 1.5 при нормальной эксплуатации. Приборы категории "ib" при отсутствии неисправности не должны вызывать воспламенение взрывоопасной атмосферы при использовании напряжения (тока, мощности) в 1,5 раза превышающего номинальное значение напряжения (тока, мощность).
- Коэффициент безопасности 1.0 при нормальной эксплуатации и возникновении одной неисправности. Прибор категории "ib" предусматривающий возникновение одной неисправности не должен вызывать воспламенение взрывоопасной атмосферы при работе с номинальным напряжением (током, мощностью).
Категория искробезопасности "ic".
Это минимальная категория искробезопасности, допускающая использование искробезопасных цепей в Зоне 2.
Прибор и системы с данной категорией не должны вызывать воспламенение взрывоопасной атмосферы при искрообразовании, дуге или горячих поверхностях, но только при нормальном режиме работы.
Клемные колодки для искрозащищённых цепей считаются простым прибором и, поэтому, для них не требуется сертификация "Ex i". Некоторые клеммные колодки имеют цветовое решение "Ех е", следовательно они имеют сертификацию "Ех е". Согласно с промышленным стандартом клеммы для искробезопасных цепей маркируются голубым цветом.
Требования к кабельным вводам для оборудования "Ex i".
Разрешается использовать несертифицированные кабельные вводы для "Ex i" оборудования. Если оборудование имеет вид защиты "Ex d [i]", то в данном случае для оболочки вида "Ex d" требуются кабельные вводы с видом защиты "Ex d" или "Ex d/e".
Использование искробезопасных систем.
Искробезопасные системы состоят из одного или более устройств сопряжения (барьер Зенера или изоляция), из одной или более единиц полевого оборудования, и взаимосвязанной проводки, где любые цепи, которые искробезопасны и предназначены для использования в потенциально взрывоопасной атмосфере. Для цветовой индикации искробезопасного оборудования преимущественно используется голубой цвет.
Существует два типа устройств сопряжения, а именно барьер Зенера и гальваническая изоляция.
Данный тип устройства сопряжения широко используется уже долгое время.
Пример устройства барьера:
Плавкий предохранитель ограничивает мощность короткого замыкания, диоды Зенера ограничивают напряжение, а сопротивление ограничивает ток. Барьеры обычно характеризуются следующими параметрами безопасности, например 28 V, 116 mА, 240 Ом, где Uo = 28 V и сопротивление ограничивающее ток 240 Ом.
Диоды Зенера, используемые для ограничения напряжения, также как и другие полупроводниковые компоненты считаются подверженными короткому замыканию и должны быть защищены посредством резервных элементов.
В случае выхода из строя одного диода Зенера, второй диод Зенера должен принять на себя функции первого для обеспечения безопасности при одной неисправности (категория "ib": один резервный диод Зенера).
В случае выхода из строя двух диодов Зенера, третий стабилитрон должен принять на себя функции двух неисправных для обеспечения безопасности при двух неисправностях (Категория "ia": два резервных стабилитрона).
Необходимо отметить, что на вышеуказанном рисунке три стабилитрона использованы для создания барьера, обеспечивающего безопасность двойного короткого замыкания (категория "ia").
Проволочные резисторы для ограничения тока считаются безотказными. Поэтому использование одного такого компонента считается достаточным для надёжной защиты.
На следующем рисунке представлена конструкция элемента гальванической развязки:
Часть гальванической изоляции для ограничения действительной мощности содержит все элементы барьера Зенера. Подача питания осуществляется через трансформатор, обратный сигнал может проходить через оптопару, трансформатор или реле. Электрическая цепь, находящаяся в опасном участке, эффективно изолирована от цепи безопасного участка.
Сравнение двух типов интерфейса: Барьера Зенера и гальванической развязки.
Ведутся различные дискуссии о преимуществах и недостатках обоих типов устройств сопряжения. В следующей сравнительной таблице приведены соответствующие характеристики барьера и изолятора. Значимость критериев зависит от типа установки.
| БАРЬЕРЫ ЗЕНЕРА | ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ |
|---|---|
| Простой | Сложный |
| Питание не требуется | Питание требуется |
| Высокая плотность при монтаже | Низкая плотность при монтаже |
| Требуется заземление для обеспечения безопасной работы | Заземление не требуется |
| Опорное напряжение 0V накладываемое на систему | Изоляция между сигналами |
| Не требуется подсоединение экрана в опасных зонах (500 V) | Возможно подсоединение экрана в опасных зонах |
| Точность и линейность (0.1%) | Низкая точность и линейность (0.25%) |
| Низкая стоимость | Высокая стоимость |
| Хорошая частотная характеристика | Ограниченная частотная характеристика |
| Уязвим для грозовых разрядов и других разрядов | Менее уязвим для грозовых разрядов и других разрядов |
Единственное правило, которое применяется в некоторых странах (например, в Германии), что барьеры для обеспечения безопасности не применимы для защиты искробезопасных цепей в Зоне 0. Для Зоны 0 в основном требуется использование устройств гальванической изоляции.
Заземление искробезопасного электрооборудования.
Сначала необходимо определить, какой тип искробезопасных барьеров будет использоваться - барьер Зенера с заземлением или устройство гальванической изоляции. Изоляция обычно больше по размеру, дороже и не требует установки заземления для обеспечения безопасности. Барьеры Зенера с заземлением меньше и значительно дешевле, но требует заземления, чтобы отвести избыточную энергию. Основные правила заземления искробезопасных систем включают:
- Заземляющий контур должен иметь сопротивление менее 1 Ома от дальнего барьера до основного заземляющего электрода.
- Минимальное сечение заземляющего проводника должно быть 4 мм2. Все соединения заземляющего контура должны быть надёжно закреплены и должны быть постоянными, видимыми и доступными при проведении ежедневной инспекции.
- Обычно требуется отдельный дополнительный заземляющий проводник (жёлто-зелёный/зелёный).
Плохая система заземления может воздействовать на функциональность системы, создавая характерный шум в цепи или искажая сигнал.
На следующем рисунке изображена неправильная система заземления. Несколько точек заземления образуют контуры заземления, которые могут воздействовать на изменение сигналов и вызывать паразитное напряжение в искробезопасных цепях.
Правильный метод заземления указан на следующем рисунке, где все точки заземления связаны с одной точкой в системе.
Техническое обслуживание искробезопасного электрооборудования.
Некоторые работы могут проводиться на оборудовании под напряжением. К таким работам на искрозащищённом оборудовании под напряжением относятся калибровка и настройка приборов, также электрические измерения в цепи с помощью тестера, если только измерительные приборы имеют сертификацию по искрозащите и зона, в которой проводятся работы не содержит газа, а также для неё применяется наряд-допуск на огневые работы.
Не требуется применения специальных правил для искробезопасных систем. Раз в год барьеры должны проверяться на наличие ослабленных соединений и на заземляющем проводнике должно быть сопротивление менее 1-го Ома, а также сами барьеры должны быть сухими и чистыми.
Должна проводиться проверка шкафов и кабелей на предмет соблюдения безопасных расстояний между цепями. Никогда не проверяйте барьер омметром или другим контрольным прибором, пока прибор подсоединён к цепи. В данном случае нарушается защита барьера и Ваши действия могут вызвать опасное напряжение на стороне искробезопасного прибора во взрывоопасной зоне.
Барьер никогда нельзя тестировать при помощи любого тестера и прибора, когда он подсоединён к цепи.
Выявление неисправностей искробезопасного электрооборудования.
Если искробезопасная цепь не функционирует должным образом после завершения монтажа всей системы и подачи питания, следуйте инструкциям приведённым ниже:
- Убедитесь в надёжности соединений.
- Проверьте правильность подсоединения проводки к клеммным колодкам, используя принципиальную схему. Правильность схемы цепей управления определяется с помощью чертежей и других документов, предоставленных производителем искробезопасного или взаимодействующего прибора, в которых подробно описывается соединение между искробезопасными и неискробезопасными приборами.
- Убедитесь, что в цепи есть питание.
- Проверьте, не высокое ли сопротивление в барьере для данной цепи. Как до этого уже упоминалось, цепи должны быть проверены на правильное сопротивление (барьер и кабель) и напряжение на входе. Если цепь не функционирует должным образом, проверьте цепь согласно схемы цепи управления.
- Проверьте целостность предохранителя барьера. Данную процедуру необходимо выполнять, отсоединить барьер от цепи и проверить сопротивление барьера от начала до конца. Если омметр определит бесконечное сопротивление, то с большой уверенностью можно сказать, что сгорел предохранитель. Весьма вероятно, что предохранитель вышел из строя из-за неисправности в цепи и, поэтому, необходимо протестировать всю цепь перед установкой нового барьера.
Если предохранитель в барьере сгорел, то это, обычно, является результатом высокого напряжения, которое образовалось на безопасной стороне. При высоком напряжении стабилитрон начинает пропускать ток, который в дальнейшем обычно приводит к выходу из строя предохранителя. После приложения такого напряжения к барьеру, он должен быть заменён.
Процедура отсоединения проводки от барьера должна осуществляться в определенном порядке: сначала отсоединяется соединение безопасной зоны, затем соединение опасной зоны и заземление в последнюю очередь. Заизолируйте оголённые провода, замените барьер и затем установите барьер в обратной последовательности.
Всегда устанавливайте заземление в первую очередь и отсоединяйте его в последнюю очередь.