Искробезопасные цепи в контрольно-измерительных приборах и автоматике Для контрольно-измерительных приборов и автоматики в установках, в которых есть взрывоопасные зоны, во всем мире применяется класс искробезопасности (Ex i). Подробнее о проектировании искробезопасных цепей можно узнать здесь.
Что такое искробезопасная цепь?
Компоненты искробезопасной цепи
Искробезопасная цепь тока обычно состоит как минимум из одной искробезопасной единицы электрооборудования, связанного с ней электрооборудования и соединительных кабелей. Искробезопасное электрооборудование может быть подключено к не искробезопасным цепям только через соответствующее электрооборудование.
Принадлежащее электрооборудование содержит как искробезопасные, так и неискробезопасные цепи. Разделение достигается с помощью барьеров Зенера или гальванических развязок. В соответствии с МЭК/EN 60079-11 искробезопасное электрооборудование подразделяется на уровни защиты ia, ib и ic.
Принцип защиты класса искробезопасности Ex i
Принцип защиты согласно классу искробезопасности Ex i предполагает ограничение энергии, передающейся и накапливающейся во взрывоопасной зоне. Энергия возможной искры всегда должна быть меньше минимальной энергии воспламенения окружающей взрывоопасной среды.
Класс искробезопасности Ex i относится ко всей искробезопасной цепи в соответствии с МЭК/EN 60079-11.
Чтобы энергия искры была ниже энергии зажигания, ограничивается напряжение. Ограничитель тока предотвращает тепловой эффект, вызванный чрезмерно горячими поверхностями.
Принципиальная схема ограничения напряжения и тока
- Ограничение напряжения: диод Зенера становится проводящим при превышении определенного значения напряжения и ограничивает его.
- Ограничение тока: последовательно соединенный резистор ограничивает максимальный ток.
Проектирование искробезопасных цепей
Проверка пригодности устройства на основании маркировки
Чтобы обеспечить безопасность искробезопасной цепи, оператор должен выполнить и реализовать меры по оценке пригодности электрооборудования с учетом требуемого уровня защиты и присутствующих групп материалов, начиная с проверки искробезопасности и заканчивая установкой. Оператор определяет зону, группу и температурный класс для полевого устройства на основе анализа рисков и проверяет допуск устройств к применению. Это можно сделать, например, промаркировав электрооборудование в соответствии с таблицей.
Примечание: EX означает использование символа Ex
|
Искробезопасное электрооборудование (полевое устройство):
EX II 1 G Ex ia IIB T6 Ga |
Оценка маркировки Ex |
Связанное электрооборудование
EX II (1) G [Ex ia Ga] IIC |
|
|---|---|---|---|
| а) | .... 1 .... Ga | Категория устройства / уровень защиты оборудования полевого устройства Ex i соответствуют указанной зоне | |
| б) | ... 1 ... ia ... Ga | Класс искробезопасности полевого устройства Ex i допускается в указанной зоне | |
| c) | ... 1 G ... IIB T6 .... | Допуск к использованию полевого устройства Ex i в существующей газовой атмосфере | |
| d) | Маркировка сопутствующего электрооборудования со скобками, без указания температурного класса/пределов | ... (1) ... [ ... ] ... | |
| e) | ... 1 G ... Ga | Категория устройства / уровень защиты оборудования связанного электрооборудования соответствует полевому устройству Ex i | ... (1) G [ ... Ga] ... |
| f) | ... Ex ia ... | Класс искробезопасности связанного электрооборудования соответствует классу искробезопасности полевого устройства Ex i | ... [Ex ia ... ] ... |
| g) | ... IIB ... | Сопутствующее электрооборудование допущено к использованию в той же или более высокой группе | ... IIC |
Подтверждение искробезопасности
Искробезопасные цепи обычно состоят из искробезопасного электрооборудования, связанного с ним электрооборудования и соединительных кабелей. Для обеспечения безопасности комбинации устройств необходимо проверить искробезопасность цепи. Это делается в соответствии с МЭК/EN 60079-14 и другими стандартами и предписаниями.
Подтверждение искробезопасности искробезопасной цепи с источником тока
Искробезопасные цепи обычно содержат только один источник энергии или одну единицу электрооборудования. Сначала проверяются критерии в соответствии с таблицей «Проверка пригодности устройства на основе маркировки». В инструкции по эксплуатации приведены необходимые данные по технике безопасности. Затем проверяются параметры цепи: напряжение, ток, мощность, емкость и индуктивность цепи.
Для проверки искробезопасности емкость и индуктивность кабеля должны быть взяты из технического описания кабеля. В качестве альтернативы можно принять следующие ориентировочные значения для наихудшего случая в соответствии с МЭК/EN 60079-14:
- Емкость кабеля: 200 нФ/км
- Индуктивность кабеля: 1 мГн/км
Параметры, указываемые производителями кабелей, обычно ниже.
Условия выполнения доказательства искробезопасности
Если эти пять условий соблюдены, то комбинация электрооборудования, сопутствующего электрооборудования и кабелей обладает искробезопасностью.
|
Искробезопасное электрооборудование (полевое устройство)
EX II 1 G Ex ia IIB T6 Ga |
Соединительные кабели |
Связанное электрооборудование
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 |
Пример подтверждения искробезопасности: аналоговый ВХОД
Искробезопасный разделительный усилитель с развязкой цепи питания Ex i
Устройство передает аналоговые сигналы от 4 до 20 мА от пассивного измерительного преобразователя из взрывоопасной зоны на контроллер в электрически изолированном виде и подает питание на измерительный преобразователь.
Сравнение данных по технике безопасности Пример аналогового ВХОДА
Допущение: Cc = 180 нФ/км, Lc = 1 мГн/км
|
Искробезопасное электрооборудование (полевое устройство)
Преобразователь давления |
Соединительные кабели
Длина = 500 м |
Связанное электрооборудование
Ex i разделительный усилитель с развязкой цепи питания MACX MCR-EX-RPSSI-I |
Условие выполнено? | |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Ui = 30 В | ≥ Uo = 25,2 В | да | |
| 2) | Ii = 100 мА | ≥ Io = 93 мА | да | |
| 3) | Pi = 750 мВт | ≥ Po = 587 мВт | да | |
| 4) | Ci = 0 нФ | + Cc = 90 нФ | ≤ Co = IIC: 107 нФ | да |
| 5) | Li = 0 мГн | + Lc = 0,5 мГн | ≤ Lo = IIC: 3 мГн | да |
Вывод: Условия доказательства искробезопасности выполнены.
Пример подтверждения искробезопасности: аналоговый ВЫХОД
Разделительный усилитель с развязкой выходов Ex i
Устройство передает аналоговые сигналы от 0/4 до 20 мА от контроллера к исполнительному элементу во взрывоопасной зоне с гальванической развязкой.
Сравнение данных по технике безопасности Пример аналогового ВЫХОДА
Допущение: Cc = 180 нФ/км, Lc = 1 мГн/км
|
Искробезопасное электрооборудование
Сервоклапан |
Соединительные кабели
Длина = 250 м |
Связанное электрооборудование
Выходной изолирующий усилитель Ex i MINI MCR-EX-IDS-I-I-PT |
Условие выполнено? | |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Ui = 28 В | ≥ Uo = 26,4 В | да | |
| 2) | Ii = 110 мА | ≥ Io = 98 мА | да | |
| 3) | Pi = 770 мВт | ≥ Lo = 647 мВт | да | |
| 4) | Ci = 5 нФ | + Cc = 45 нФ | ≤ Co = IIC: 89 нФ | да |
| 5) | Li = 0 мГн | + Li = 0,25 мГн | ≤ Lo = IIC: 2 мГн | да |
Вывод: Условия доказательства искробезопасности выполнены.
Установка электрических устройств для передачи сигналов во взрывоопасных зонах
Требования к применению электрооборудования
В установках со взрывоопасными зонами предъявляются различные требования к эксплуатации электрооборудования. Например, для КИПиА можно найти следующие применения:
- Датчики и исполнительные элементы распределены по всем взрывоопасным зонам
- Разделительные усилители располагаются в зоне 1, зоне 2 или в безопасной зоне
- Контроллер обычно располагается в безопасной зоне
Приборы могут иметь класс искробезопасности и/или другой класс защиты.
Искробезопасная передача сигналов во взрывоопасной зоне
Датчики и исполнительные элементы в зоне 0 обычно устанавливаются в классе искробезопасности Ex ia и подключаются к соответствующему электрооборудованию. Данные по безопасности указаны в сертификате ЕС об утверждении типа изолятора Ex i.
Изоляторы Ex i могут устанавливаться только вне взрывоопасной зоны, если они не защищены другим видом защиты, например, взрывонепроницаемой оболочкой:
• Установка в зоне 1, например, во взрывозащищенных корпусах
• Установка в зоне 2, например, в сочетании с повышенной безопасностью: здесь должны выполняться условия МЭК 60079-15, например, корпуса должны иметь защиту не ниже IP54.
Неискробезопасная передача сигналов во взрывоопасной зоне
При наличии датчиков или исполнительных элементов с другими классами искробезопасности, например, Ex d или Ex e, допускается использование неискробезопасных изоляторов. Для устройств в зоне 2 требуется допуск Ex ec, который предусматривает особые условия, например, наличие сертифицированного корпуса в соответствии с МЭК/EN 60079-15 и МЭК/EN 60079-0 с классом защиты не ниже IP54. Без этого допуска разъединители должны устанавливаться во взрывозащищенном корпусе (Ex dc).
Датчик или исполнительный элемент «ec» может быть подключен к искробезопасному или неискробезопасному изолятору в зоне 2. При подключении к изолятору Ex i искробезопасность не действует, изолятор должен иметь соответствующую маркировку.
Требования к монтажу
На рисунке показаны различные варианты установки электроприборов в потенциально взрывоопасных газовых средах. Требования к проектированию, выбору и установке содержатся в МЭК/EN 60079-14. Испытания, техническое обслуживание и ремонт определены в МЭК/EN 60079-17 и МЭК/EN 60079-19.
Разделительные усилители и измерительные преобразователи для взрывозащиты
Разделительные усилители и измерительные преобразователи для взрывозащиты обеспечивают, в дополнение к стандартным функциям, электрическую взрывозащиту для всех групп веществ и зон согласно соответствующим стандартам. Изделия последовательно разрабатываются и оцениваются в соответствии со стандартами SIL МЭК 61508 и PL DIN EN ISO 13849. Это позволяет свести опасность к приемлемому остаточному риску и обеспечить защиту для людей, оборудования и окружающей среды.
