Luonnostaan vaarattomat virtapiirit mittaus-, säätö- ja ohjaustekniikassa Räjähdysvaarallisten tilojen mittaus-, säätö- ja ohjaustekniikassa on maailmanlaajuisesti vakiintunut syttymissuojaustapa "luonnostaan vaaraton rakenne (Ex i). Tästä saat lisätietoa luonnostaan vaarattomien virtapiirien suunnittelusta.
Mikä on luonnostaan vaaraton virtapiiri?
Luonnostaan vaarattoman virtapiirin komponentit
Luonnostaan vaaraton virtapiiri koostuu vähintään yhdestä luonnostaan vaarattomasta laitteesta, sen lisälaitteesta ja liitäntäkaapeleista. Luonnostaan vaarattomia laitteita saa kytkeä muihin kuin luonnostaan vaarattomiin virtapiireihin vain lisälaitteiden kautta.
Lisälaite, joka sisältää sekä luonnostaan vaarattomia että ei-luonnostaan vaarattomia virtapiirejä. Erottaminen tapahtuu Zener-barrierien tai galvaanisten erottimien avulla. IEC/EN 60079-11 -standardin mukaisesti luonnostaan vaarattomat laitteet luokitellaan suojaustasoihin ia, ib ja ic.
Syttymissuojaustavan Ex i suojausperiaate
Ex i -syttymissuojaustavan suojausperiaate perustuu räjähdysvaaralliseen tilaan johdetun ja sinne varastoituneen energian rajoittamiseen. Mahdollisen kipinän energian on aina oltava pienempi kuin ympäröivän räjähdyskelpoisen ilmaseoksen vähimmäissyttymisenergia.
Syttymissuojaustapa Ex i viittaa koko luonnostaan vaarattomaan virtapiiriin standardin IEC/EN 60079-11 mukaisesti.
Jännitettä rajoitetaan, jotta kipinän energia pysyisi syttymisenergiaa pienempänä. Virranrajoitin estää liian kuumien pintojen aiheuttamat lämpövaikutukset.
Peruskytkentäkaavio jännitteen ja virran rajoittamista varten
- Jännitteenrajoitus: Zener-diodi muuttuu johtavaksi määritetystä jännitearvosta alkaen ja rajoittaa jännitettä.
- Virranrajoitus: Sarjaan kytketty vastus rajoittaa maksimivirtaa.
Luonnostaan vaarattomien virtapiirien suunnittelu
Laitteen soveltuvuuden tarkistaminen merkintöjen perusteella
Varmistaakseen, että luonnostaan vaaraton virtapiiri on turvallinen, laitteiston haltijan on toteutettava ja pantava täytäntöön toimenpiteet, joilla arvioidaan laitteiden soveltuvuus vaaditun suojaustason ja läsnä olevien materiaaliryhmien osalta luonnostaan vaarattoman rakenteen osoittamisesta aina asennukseen asti. Laitteiston haltija määrittää kenttälaitteen vyöhykkeen, ryhmän ja lämpötilaluokan riskianalyysin perusteella ja tarkistaa laitteiden hyväksynnän käyttötapausta varten. Tämä voidaan tehdä esimerkiksi merkitsemällä laitteet taulukon mukaisesti.
Huomautus: "EX" tarkoittaa tässä Ex-symbolin käyttöä
|
Luonnostaan vaaraton laite (kenttälaite):
EX II 1 G Ex ia IIB T6 Ga |
Ex-merkinnän arviointi |
Lisälaite
EX II (1) G [Ex ia Ga] IIC |
|
|---|---|---|---|
| a) | ....1 ....Ga | Ex i -kenttälaitteen laiteluokka/laitesuojaustaso vastaa määritettyä vyöhykettä | |
| b) | ...1 ...ia ...Ga | Ex i -kenttälaitteen syttymissuojaustapa on hyväksytty määritellyllä vyöhykkeellä | |
| c) | ...1 G ...IIB T6.... | Ex i -kenttälaitteen käyttö on sallittua nykyisessä kaasuilmakehässä | |
| d) | Lisälaitteiden merkinnät suluissa ilman tietoa lämpötilaluokasta/-rajoista | ...(1) ...[...] ... | |
| e) | ...1 G ...Ga | Lisälaitteen laiteluokka/laitesuojaustaso vastaa Ex i -kenttälaitetta | ...(1) G [...Ga] ... |
| f) | ... Ex ia ... | Lisälaitteiden syttymissuojaustapa vastaa Ex i -kenttälaitteen syttymissuojaustapaa | ... [Ex ia ... ] ... |
| g) | ... IIB ... | Lisälaite on hyväksytty samaan tai arvoltaan suurempaan ryhmään | ... IIC |
Osoitus luonnostaan vaarattomasta rakenteesta
Luonnostaan vaaraton virtapiiri koostuu yleensä luonnostaan vaarattomasta laitteesta, sen lisälaitteesta ja liitäntäkaapeleista. Laiteyhdistelmän turvallisuuden varmistamiseksi virtapiirin luonnostaan vaaraton rakenne on osoitettava. Tämä tehdään standardin IEC/EN 60079-14 ja tarvittaessa muiden standardien ja määräysten mukaisesti.
Osoitus luonnostaan vaarattomasta rakenteesta luonnostaan vaarattomille virtapiireille, joissa on yksi virtalähde
Luonnostaan vaarattomat virtapiirit sisältävät yleensä vain yhden energialähteen tai yhden laitteen. Ensin tarkistetaan kriteerit taulukon "Laitteen soveltuvuuden tarkistaminen merkintöjen perusteella" mukaisesti. Käyttöohjeissa annetaan tarvittavat turvatekniset tiedot. Tämän jälkeen tarkistetaan virtapiirin jännitteen, virran, tehon, kapasitanssin ja induktanssin parametrit.
Luonnostaan vaarattoman rakenteen osoittamista varten kaapelin kapasitanssit ja induktanssit on katsottava kaapelin datalehdistä. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää seuraavia pahimman tapauksen ohjearvoja standardin IEC/EN 60079-14 mukaisesti:
- Kaapelikapasiteetit: 200 nF/km
- Kaapelin induktanssit: 1 mH/km
Kaapelivalmistajien ilmoittamat parametrit ovat yleensä alhaisemmat.
Luonnostaan vaarattoman rakenteen osoittamista koskevat ehdot
Jos nämä viisi ehtoa täyttyvät, laitteiden, niiden lisälaitteiden ja kaapeleiden yhdistelmä on luonnostaan vaaraton.
|
Luonnostaan vaaraton laite (kenttälaite)
EX II 1 G Ex ia IIB T6 Ga |
Liitäntäkaapelit |
Lisälaite
EX II (1) G [Ex ia Ga] IIC |
|
|---|---|---|---|
| 1) | Ui | ≥ Uo | |
| 2) | Ii | ≥ Io | |
| 3) | Pi | ≥ Po | |
| 4) | Ci | + Cc | ≤ Co |
| 5) | Li | + Lc | ≤ Lo |
Esimerkki luonnostaan vaarattoman rakenteen osoittamisesta: Analoginen IN
Ex i -erotusvahvistimet
Laite lähettää analogisia 4...20 mA:n signaaleja passiiviselta mittausmuuntimelta räjähdysvaarallisesta tilasta galvaanisesti eristettyyn ohjaukseen ja syöttää mittausmuuntimelle virtaa.
Turvateknisten tietojen vertailu Esimerkki Analoginen IN
Oletus: Cc = 180 nF/km, Lc = 1 mH/km
|
Luonnostaan vaaraton laite (kenttälaite)
Painelähetin |
Liitäntäkaapelit
Pituus = 500 m |
Lisälaite
Ex i -erotusvahvistin MACX MCR-EX-RPSSI-I |
Täyttyykö ehto? | |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Ui = 30 V | ≥ Uo = 25,2 V | kyllä | |
| 2) | Ii = 100 mA | ≥ Io = 93 mA | kyllä | |
| 3) | Pi = 750 mW | ≥ Po = 587 mW | kyllä | |
| 4) | Ci = 0 nF | + Cc = 90 nF | ≤ Co = IIC: 107 nF | kyllä |
| 5) | Li = 0 mH | + Lc = 0,5 mH | ≤ Lo = IIC: 3 mH | kyllä |
Yhteenveto: Luonnostaan vaarattoman rakenteen osoittamisen edellytykset täyttyvät.
Esimerkki luonnostaan vaarattoman rakenteen osoittamisesta: Analoginen OUT
Ex i -erotusvahvistimet
Laite lähettää analogisia 0/4...20 mA:n signaaleja ohjausyksiköstä galvaanisesti erotettuina räjähdysvaarallisessa tilassa olevaan toimilaitteeseen.
Turvateknisten tietojen vertailu Esimerkki Analoginen OUT
Oletus: Cc = 180 nF/km, Lc = 1 mH/km
|
Luonnostaan vaaraton laite
Säätöventtiili |
Liitäntäkaapelit
Pituus = 250 m |
Lisälaite
Ex i -erotusvahvistin MINI MCR-EX-IDS-I-I-PT |
Täyttyykö ehto? | |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Ui = 28 V | ≥ Uo = 26,4 V | kyllä | |
| 2) | Ii = 110 mA | ≥ Io = 98 mA | kyllä | |
| 3) | Pi = 770 mW | ≥ Lo = 647 mW | kyllä | |
| 4) | Ci = 5 nF | + Cc = 45 nF | ≤ Co = IIC: 89 nF | kyllä |
| 5) | Li = 0 mH | + Li = 0,25 mH | ≤ Lo = IIC: 2 mH | kyllä |
Yhteenveto: Luonnostaan vaarattoman rakenteen osoittamisen edellytykset täyttyvät.
Signaalinsiirtoon tarkoitettujen sähkölaitteiden asennus räjähdysvaaralliseen tilaan
Sähkölaitteita koskevat käyttövaatimukset
Räjähdysvaarallisissa tiloissa sijaitsevissa järjestelmissä sähkölaitteille on erilaisia käyttövaatimuksia. MCR-tekniikkaan voi liittyä esimerkiksi seuraavia käyttötapauksia:
- Anturit ja toimilaitteet on jaettu kaikille räjähdysvaarallisille vyöhykkeille
- Erotusvahvistimet sijaitsevat vyöhykkeellä 1, vyöhykkeellä 2 tai turvallisella alueella
- Ohjausyksikkö sijaitsee yleensä turvallisella alueella
Instrumentointi voi tapahtua tällöin syttymissuojaustavan "luonnostaan vaaraton rakenne" ja/tai muun syttymissuojaustavan mukaisesti.
Luonnostaan vaaraton signaalinsiirto räjähdysvaarallisessa tilassa
Vyöhykkeellä 0 olevat anturit ja toimilaitteet asennetaan yleensä syttymissuojaustavan "luonnostaan vaaraton rakenne Ex ia" mukaisesti ja liitetään niiden lisälaitteisiin. Turvatekniset tiedot on ilmoitettu Ex i -erottimen EU-tyyppitarkastustodistuksessa.
Ex i -erottimet saa asentaa vain räjähdysvaarallisen tilan ulkopuolelle, ellei niitä ole suojattu muunlaisella syttymissuojaustavalla, kuten paineenkestävällä koteloinnilla:
• Asennus vyöhykkeelle 1, esim. paineenkestäviin koteloihin
• Asennus vyöhykkeelle 2, esim. yhdistettynä korotettuun turvallisuuteen: Tässä tapauksessa on täytettävä IEC 60079-15 -standardin ehdot, esim. koteloiden on oltava vähintään IP54-suojattuja.
Ei-luonnostaan vaaraton signaalinsiirto räjähdysvaarallisissa tiloissa
Jos käytössä on antureita tai toimilaitteita, joiden syttymissuojaustapa on jokin muu, kuten Ex d tai Ex e, on sallittua käyttää muita kuin luonnostaan vaarattomia erottimia. Vyöhykkeellä 2 käytettäville laitteille vaaditaan Ex ec -hyväksyntä, joka edellyttää erityisehtoja, kuten standardien IEC/EN 60079-15 ja IEC/EN 60079-0 mukaisesti hyväksyttyä kotelointia, jonka kotelointiluokka on vähintään IP54. Ilman tätä hyväksyntää erottimet on asennettava paloturvalliseen koteloon (Ex dc).
Ec-anturi tai -toimilaite voidaan liittää vyöhykkeellä 2 luonnostaan vaarattomaan tai ei-luonnostaan vaarattomaan erottimeen. Liitettäessä laite Ex i -erottimeen luonnostaan vaaraton rakenne ei ole voimassa; ja erotin on merkittävä vastaavasti.
Asennusvaatimukset
Kuvassa esitetään erilaisia asennusvaihtoehtoja sähkölaitteille kaasuräjähdysvaarallisessa tilassa. Projektisuunnittelua, valintaa ja asennusta koskevat vaatimukset sisältyvät standardiin IEC/EN 60079-14. Testaus, kunnossapito ja korjaus on määritelty standardeissa IEC/EN 60079-17 ja IEC/EN 60079-19.
Erotusvahvistimet ja mittausmuuntimet räjähdyssuojaukseen
Vakiotoimintojen lisäksi räjähdyssuojaukseen tarkoitetut erotusvahvistimet ja mittausmuuntimet varmistavat sähköisen räjähdyssuojauksen kaikille aineryhmille ja kaikille alueille sovellettavien standardien mukaisesti. Tuotteet on kehitetty ja arvioitu johdonmukaisesti SIL IEC 61508- ja PL DIN EN ISO 13849 -standardien mukaisesti. Näin minimoidaan vaarat hyväksyttävään jäännösriskiin ja varmistetaan ihmisten, koneiden ja ympäristön suojaaminen.
