В статье «Взрывозащита» мы подробно рассмотрели классы взрывоопасных зон и способы обеспечения взрывобезопасности оборудования. Рекомендуем изучить ее перед прочтением данной статьи.
В этой статье мы рассмотрим только вид взрывозащиты «Искробезопасная цепь», как ее обеспечить и на что обратить особое внимание.
«Искробезопасная электрическая цепь i» – вид взрывозащиты оборудования, основанный на ограничении энергии искры, которая может возникнуть внутри оборудования или проводки, находящихся во взрывоопасной зоне. Этот метод широко применяется на химических, нефтехимических предприятиях, да и вообще на объектах, где присутствуют горючие газы. Требования к искробезопасному (exia) оборудованию и обеспечению искробезопасности всей системы описаны в ГОСТ 31610.11 (IEC 60079-11:2011).
UPD: с 1 июля 2023 года действует новый ГОСТ 31610.25-2022 (IEC 60079-25:2020, который дополняет и имеет приоритет перед ГОСТ 31610.0 и стандартом по искробезопасности ГОСТ 31610.11. Просим ориентироваться на него.
Представим себе ситуацию: взрывоопасная зона – например, ГРС (газо-распределительная станция). Там постоянно присутствует природный газ. И существует опасность его утечки. Как известно, газ может взорваться в смеси с воздухом (газа от 5% до 15% объема смеси). Но это произойдет только в том случае, если возникнет искра, способная «поджечь» эту взрывоопасную смесь. Если энергии искры будет недостаточно, то взрыва не произойдет.
Постоянное удерживание энергии вероятной искры на уровне, недостаточном для воспламенения взрывоопасной смеси, достигается ограничением напряжения, тока, емкости и индуктивности в электрической цепи «датчик-прибор». Датчик давления или температуры установлен на оборудовании во взрывоопасной зоне, а вторичный прибор – измеритель, терморегулятор, контроллер и т.п. – должен располагаться во взрывобезопасной зоне. Ограничение электрических параметров самого датчика обычно закладывает его производитель. То есть датчик в таком исполнении сам по себе не сможет служить причиной «мощной» искры. Но для искробезопасной цепи этого недостаточно – нужно, чтобы опасная энергия не проникла во взрывоопасную зону извне, от вторичного прибора. Эту задачу решает так называемое «связанное электрооборудование» – барьер искрозащиты. Он устанавливается во взрывобезопасной зоне и не позволяет напряжениям и токам электрической цепи превышать пороговые значения, что может вызвать взрыв. Компания «ОВЕН» предлагает использовать для этого искробарьеры «ИСКРА.03». При подборе датчиков и искробарьеров необходимо учитывать очень важный фактор. О нем – ниже.
И у датчиков в искробезопасном исполнении, и у барьеров есть «свои» пороговые значения, соответственно (рис.1): напряжения (Ui, Uo), тока (Ii, Io), индуктивности (Li, Lo), емкости (Ci, Co). Они должны находиться между собой в определенных соотношениях ( рис. 2).Соединительный кабель также имеет емкость и индуктивность, которую нужно учитывать (Lc, Cc)
Как видно из таблицы, напряжение и ток искробезопасного датчика должны быть выше соответствующих параметров искробарьера. В таком случае барьер гарантированно не введет датчик в опасный режим работы, при котором не гарантируется его взрывобезопасность.
При этом суммарные значения ёмкости и индуктивности связки «датчик + кабель» не должны превышать максимальных выходных параметров искробарьера. Это необходимо для гарантии того, что накопленная в реактивных компонентах энергия в случае короткого замыкания не вызовет искру, способную поджечь газовоздушную смесь. Реактивные компоненты – это катушки индуктивности, конденсаторы и т.п.
Теперь – реальный пример расчета искробезопасной цепи.
Как мы видим, в данном случае условия искробезопасности выполняются: для образования искры с опасной энергией напряжение и ток на датчике должны быть больше 30 В и 120 мА, но искробарьер не допустит превышения этих параметров в цепи выше 7,2 В и 117 мА соответственно.
С емкостью и индуктивностью ситуация аналогичная. «Искра» сможет защитить линию в данном случае, т.к. емкость и индуктивность связки «датчик+кабель» не превышают этих же предельных параметров искробарьера. Параметры 0,011мкФ и 0,1 мГн – это средние значения 100 м кабеля.
Типы барьеров искрозащиты
Как мы уже говорили, искробарьеры – класс устройств, защищающих взрывоопасные зоны от искр, способных вызвать воспламенение горючей смеси.
Искробарьеры делятся на два больших класса: активные и пассивные. Начнем с последних.
Пассивные, или шунт-диодные искробарьеры конструктивно включают в себя так называемые диоды Зенера D (стабилитроны), сопротивления R, плавкие предохранители F (рис.4)
Вторичный прибор на рис.4 - измеритель с RS-485 ТРМ200
При возникновении опасной ситуации (например, скачка напряжения на входе барьера) стабилитроны D открываются и проводят излишки напряжения на землю, предохранитель F защищает барьер от повреждения, резистор R ограничивает ток в цепи. Совместная работа этих элементов гарантирует невозможность превышения тока и напряжения в цепи выше Io и Uo. В конструкцию барьера могут быть заложены 1, 2 или 3 стабилитрона. Это напрямую влияет на его уровень искробезопасности.
Пассивные искробарьеры могут быть трех уровней искробезопасности:
1) ic – самый низкий из уровней взрывозащиты. Классифицируется как «повышенная надежность против взрыва». Применим только для Зоны 2 (напоминаю, классификация зон тут).
2) ib – высокий уровень защиты, классифицируется как «взрывобезопасный». Применим только для Зон 1 и 2.
3) ia - очень высокий уровень защиты, классифицируется как «особо взрывобезопасный». Применим для Зоны 0, Зоны 1 и Зоны 2.
Искробарьеры ОВЕН «Искра.03» относятся к пассивным искробарьерам, и имеют класс взрывозащиты «ia».
Преимущества пассивных искробарьеров:
- бюджетность
- надежность
- не требуют питания
Но есть и недостатки:
- нужно обязательно заземлять искробарьер (что в ряде случаев ограничивает их применение с датчиками, установленными в самой взрывоопасной зоне – Зоне «0»)
- вносят дополнительную погрешность в показания датчиков
- имеют узкий диапазон питающих напряжений
- выходят из строя при выбросах напряжения питания (сгорает предохранитель)
Активные барьеры
Принципиальное отличие активных барьеров от пассивных заключается в том, что активный барьер имеет в своем составе активные полупроводниковые элементы, и с их помощью может запитывать датчик с требуемыми ограничениями по напряжению и току, или выдавать/принимать сигналы, преобразовывать их в унифицированные (4..20 мА), и т.д.
Чаще всего современные активные барьеры имеют гальваническую развязку между цепью датчика и цепью связанного оборудования, находящегося во взрывобезопасной зоне. Гальваническая развязка означает, что цепь датчика, находящегося во взрывоопасной зоне, и цепи питания с цепью входа контроллера, которые находятся в безопасной зоне, не имеют непосредственного электрического контакта. Это существенное преимущество – цепи с гальванической развязкой являются самыми безопасными и помехозащищенными.
Активные барьеры более сложны – они по сути включают в себя пассивный барьер+средства развязки (транзисторные оптопары или трансформаторы), преобразователи сигнала и т.д. )рис.5)
Итак, резюмируем преимущества активных барьеров:
- Гальваническая развязка (лучшие безопасность и помехозащищенность)
- Не нужно заземлять барьер
- Преобразование сигнала от сенсора в унифицированные 0...10 В или 4..20 мА
- Почти не вносят погрешность в показания датчиков
- Имеют широкий диапазон питающих напряжений
- Не выходят из строя при выбросах напряжения питания
Но у них есть и свои минусы:
- высокая цена (по сравнению с пассивными барьерами)
- обязательное наличие внешнего источника питания (обычно =24В)
Если Вам понравилась статья, ставьте "лайк" и подписывайтесь на наш канал "Датчики ОВЕН"!
Автор статьи: Алексей Сидорцев
