Вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь»

26.05.2014
Искробезопасная электрическая цепь определяется как цепь, в которой разряды или термические воздействия, возникающие во время нормального режима работы электрооборудования, а также в аварийных режимах, не вызывают воспламенения взрывоопасной смеси.
Вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» основывается на поддержании искробезопасного тока (напряжения, мощности или энергии) в электрической цепи. При этом под искробезопасным током (напряжением, мощностью или энергией) имеется в виду наибольший ток (напряжение, мощность или энергия) в электрической цепи, образующий разряды, который не вызывает воспламенения взрывоопасной смеси в предписанных соответствующими стандартами условиях испытаний.
К такого рода стандартам можно отнести: ГОСТ 22782.5&78 «Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» или международные стандарты IEC 79-3 Spark Test Apparatus for IntrinsicallySafe Circuits, IEC 79&11 Construction and Test of Intrinsically Safe and Associated Apparatus.
В Соединенных Штатах Америки правомочной организацией по классификации взрывоопасных зон является Государственная ассоциация пожарной охраны (National Fire Protection Association — NFPA). NFPA отвечает за соблюдение Государственных электротехнических норм (National Electrical Code), североамериканского стандарта на взрывозащищенное электрооборудование с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», нормативных документов NFPA 70, NFPA 493.
Статья 500 Государственных электротехнических нормоговаривает применение электрооборудования во взрывоопасных зонах и определяет классификацию зон для возможных групп взрывоопасных веществ и величин температур самовоспламенения.
NFPA 493 относится к виду взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» и является авторитетным источником, на котором базируются стандарты для испытательных лабораторий таких, например, как Factory Mutual Research Corporation — FM (стандарт FM 3610) и Underwriters Laboratories — UL (cтандарт UL 913).
Североамериканский стандарт является равнозначным Европейскому стандарту EN 50.020 для уровня взрывозащиты «ia». Эти стандарты идентичны в части сертификации электрооборудования по отношению к существующей опасности: газ, пыль и температура воспламенения — и в части характеристик искробезопасности для омической, индуктивной и емкостной цепей. Различия лежат в обозначениях групп, в градациях величин температур самовоспламенения и в назначении коэффициентов искробезопасности.

Основные типы электрических цепей
 
Вспомним простейшие электрические цепи и рассмотрим их с точки зрения искробезопасности.
Типовая электрическая цепь содержит источник напряжения U, сопротивление R, индуктивность L, емкость С и переключатель S, соединенные, как показано на рис. 


 
Для анализа электрической цепи на искробезопасность необходимо рассматривать реактивные элементы цепи (индуктивности и емкости), которые способны накапливать и отдавать энергию. Когда переключатель, расположенный в опасной зоне, разомкнут, конденсатор накапливает электрическую энергию, которая выделяется при замыкании переключателя, образуя электрическую искру.
Таким же образом при замкнутом переключателе индуктивность накапливает магнитную энергию, которая выделяется в виде электрической дуги при размыкании переключателя. Значение энергии, выделяемой электрической цепью, должно быть ниже минимальной энергии поджигания газовоздушной смеси, присутствующей в опасной зоне.
Теоретическое определение точного значения энергии, накопленной в электрической цепи, не всегда возможно,особенно если вырабатываемая источником энергия выше энергии, накопленной реактивными элементами. По этой причине характеристики искробезопасных электрических цепей представляются в виде соотношения между электрическими параметрами цепи, напряжением, током и минимальной энергией поджигания опасной атмосферы.
Электрическая цепь любой сложности может быть последовательно рассмотрена как омическая, индуктивная и емкостная. Если критерии безопасности отвечают различным типам цепей, то исходная цепь может считаться искробезопасной. Определение воспламеняющего тока для индуктивной, омической или емкостной цепи производится с помощью установок для контрольных испытаний электрических цепей на искробезопасность. Детальное описание методики определения воспламеняющего тока и напряжения и построения характеристик искробезопасности приводится в ГОСТ 22782.578 «Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь». Стандарт полностью соответствует документам МЭК 79&3 (1972 г.) и 79&11 (1976 г.) в части основных технических требований и методов испытаний. Характеристики искробезопасности строятся в прямоугольной системе координат с логарифмическим масштабом. Экспериментальные точки (воспламеняющие параметры) определяются для цепей с индуктивностью 1,10,100 мкГн; 1,10, 100 мГн; 1,10 Гн и т. д. или с емкостью 100, 1000, 10000, 100000 пФ; 1,10, 100 мкФ и т. д., с разрядными резисторами 1,10, 100, 1000 Ом и т.д. Величины напряжения принимаются, исходя из удобства их дальнейшего использования. Обычно используют ряд 7,5; 15; 24; 30; 45; 70; 120 В.

Омическая цепь
 
Электрическая цепь считается омической, если реактивные сопротивления (индуктивность или емкость) равны нулю или незначительны


 
Энергия в этом типе электрической цепи зависит от напряжения источника питания U и тока, ограниченного резистором R. В этом случае трудно установить соотношение минимальной энергии поджигания и состояния в цепи, при котором образуется искра.
Экспериментальные исследования этого типа электрической цепи доказывают, что способность к воспламенению взрывоопасных смесей зависит от напряжения в режиме холостого хода U х.х. и тока короткого замыкания I к.з. Зависимости минимального воспламеняющего тока от напряжения источника в омической цепи (индуктивность менее 10&4 Гн) для всех представительных взрывоопасных смесей показаны на рис.  



Для определения значения искробезопасного тока (напряжения) необходимо при заданных электрических параметрах цепи определить минимальный воспламеняющий ток (напряжение) заданной взрывоопасной смеси и разделить его на коэффициент искробезопасности, т.е. на 1,5. При расчете цепей переменного тока необходимо принимать амплитудные значения тока и напряжения.
 
Индуктивная цепь
 
Электрическая цепь считается индуктивной, если реактивное сопротивление, определяемое индуктивностью цепи, выше активного сопротивления.
Схема электрическая индуктивной цепи приведена на рис. 


 
Максимальный ток, протекающий в цепи при замкнутом переключателе, определяется как I= U/R
Индуктивность накапливает энергию в количестве E=1/2LI2
Когда цепь размыкается, напряжение на индуктивности (UL= L dI/dt) суммируется с энергией источника напряжения. Магнитная энергия, накопленная в индуктивности, и энергия источника выделяются в виде электрической дуги.
 
Емкостная цепь
 
Электрическая цепь считается емкостной, если реактивное сопротивление, определяемое емкостью цепи, выше активного сопротивления.Емкостная цепь изображена на рис. 


 
Kогда цепь разомкнута, конденсатор заряжается до напряжения U; в момент замыкания цепи энергия, накопленная конденсатором (Е=1/2 СU2), выделяется в виде электрической искры. Разряд конденсатора является неполным и происходит не мгновенно. Резистор, включенный в цепь разряда конденсатора, увеличивает время разряда, рассеивает часть энергии, накопленной конденсатором, и таким образом ограничивает энергию, выделяемую в месте контакта. 
 
Классификация взрывозащищенного электрооборудования
 
В стандартах на электрооборудование с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» рассматриваются три типа устройств:
  •  элементарные устройства,
  •  искробезопасное электрооборудование,
  •  связанное электрооборудование.
Элементарные устройства
 
К элементарным устройствам относятся такие, в которых не превышается ни одно из следующих значений: 1,2 В; 0,1 А; 20 мкДж; 25 мВт. К этой категории относятся пассивные воспринимающие элементы (термопары, резистивные датчики, контакты, светодиоды и т.д.), которые могут быть непосредственно размещены на опасных участках. Они не требуют сертификации и маркировки.
 
Искробезопасное 
 
Искробезопасным электрооборудованием является электрооборудование, у которого внешние и внутренние электрические цепи искробезопасны. Внешнее оборудование (выходные элементы, преобразователи «ток&давление», клапаны соленоидов и т.д.), применяющееся во взрывоопасных зонах, должно быть сертифицировано на искробезопасность. Сертификация основывается на максимальном уровне энергии (группа газа) и величине температуры самовоспламенения.
Маркировка электрооборудования, устанавливаемого во взрывоопасных условиях, должна содержать обозначения уровня искробезопасной цепи.
В электрооборудовании группы II, рассчитанном для применения в конкретном горючем газе или паре, вместо обозначения подгруппы температурного класса по ГОСТ 12.2.02076 указывается наименование этого газа или пара.
Пример: ОЕхia аммиак «В комплекте… (указывается сокращенное наименование комплекта электрооборудования или системы)».
В электрооборудовании группы II, предназначенном для установки вне взрывоопасной зоны и имеющем искробезопасные цепи, в маркировке по ГОСТ 12.2.020&76 должны быть исключены знаки уровня взрывозащиты и температурного класса.
Пример: ExiaIIC или ExibIIA «В комплекте… (указывается сокращенное наименование электрооборудования или системы)».

Связанное электрооборудование
 
К этому типу устройств относят электрооборудование или его цепи, которые при нормальном или аварийном режиме работы не отделены гальванически от искробезопасных цепей.
Пассивные барьеры, изолированные барьеры постоянного тока и контрольно&измерительное оборудование, которые применяются для сопряжения и измерения сигналов, поступающих из опасных зон, являются основной частью этого типа оборудования и должны быть сертифицированы на соответствие максимальному значению энергии (группа газа), которое может быть передано во взрывоопасную зону.
Электрооборудование должно размещаться во взрывобезопасной зоне, а при размещении во взрывоопасной среде должно иметь соответствующие виды взрывозащиты.
В европейской практике для связанного электрооборудования, размещенного во взрывобезопасной зоне, применяется следующая маркировка: [Ex ia] II, C.
Связанное электрооборудование, размещенное во взрывоопасной зоне и име&ющее вид взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка», маркируется следующим образом: Ex «d» [ia] II,C T4.
Маркировка в квадратных скобках указывает на то, что это связанное электрооборудование.
Взрывозащищенное электрооборудование с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», размещенное во взрывоопасной зоне, должно быть также сертифицировано на соответствие величине температуры самовоспламенения.

Коэффициенты искробезопасности

Под коэффициентом искробезопасности понимается отношение минимальных воспламеняющих параметров к соответствующим искробезопасным. По стандартам США для вида взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» приняты следующие коэффициенты искробезопасности:
1,5 — при наиболее неблагоприятных условиях и одном повреждении,
1 — при наиболее неблагоприятных условиях и двух повреждениях.
В Северной Америке принят коэффициент искробезопасности 1,5 по энергии, если конструкция устройства экспериментально испытана. При теоретических исследованиях применяется коэффициент 2 по напряжению и току для нормального режима и одного повреждения в аварийном режиме, коэффициент 1,33 применяется для аварийного режима с двумя повреждениями.
Основной причиной повышения значений коэффициентов искробезопасности при теоретических исследованиях является неизвестность номинальных значений компонентов. Например, значение индуктивности может зависеть от метода измерения.
В соответствии с европейскими стандартами и отечественным ГОСТом 22782.5&78 искробезопасные цепи должны иметь коэффициент искробезопасности не ниже 1,5 в нормальном режиме работы электрооборудования, а также в аварийных режимах при искусственно создаваемых повреждениях его элементов и соединений.
Коэффициент искробезопасности 1,5 применяется к напряжению и току, ему соответствует коэффициент 2,25 по энергии.

По материалам статьи "Вид взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь"В. Жданкин, СТА 2/99, стр. 72-83.

Посмотреть полную статью



Читать другие публикации...