3. Взрывобезопасность

   1. Искробезопасная электрическая цепь

Искробезопасная электрическая цепь - в которой любое искрение вызывает воспламенение с вероятностью менее 0,001. Тепловое воздействие такой цепи также не способно воспламенить взрывоопасную смесь.

Защита вида искробезопасная электрическая цепь является самой распространенной в промышленных контроллерах. Для того чтобы электрическая цепь была искробезопасной, необходимо удовлетворить множеству требований стандарта ГОСТ Р 51330.10, однако смысл этих требований сводится к ограничению энергии и мощности искры до безопасных значений. Возможность защиты от взрыва таким способом основана на том, что воспламенение и взрыв происходят только при условии, если энергия искры достаточна для инициализации цепной реакция горения, а мощность искры достаточна для компенсации утечки тепла из ядра пламени. Величина энергии воспламенения колеблется от 60 мкДж для водородно-воздушной смеси до 8...50 мДж для зерновой пыли.

Для ограничения энергии искры W нужно ограничить ток, напряжение и продолжительность искрения, поскольку

(7.1)

где u(t) - напряжение между искрящими проводниками, i(t) - ток искры, t - время, Т - продолжительность искрения. Ограничение тока можно осуществить с помощью резисторов, ограничение напряжения - с помощью стабилитронов, ограничение длительности искрения - с помощью постоянной времени цепи: RC или L/R, где R - сопротивление, С - емкость, L - индуктивность.

Для описания требований к искробезопасным цепям указанный стандарт вводит понятия: Неповреждаемый элемент - вероятностью повреждения которого можно пренебречь при анализе искробезопасности.

Учитываемое повреждение - допустимое количество которых определяют уровень искробезопасности цепи. (например, повреждение резистора, если он нагружен не более чем на 2/3 от номинального тока и напряжения, а если нагрузка превышает это значение, то считается, что резистор уже поврежден).

Неучитываемое повреждение - повреждение всегда имеющее место (например, повреждения зазоров шириной менее 0,5 мм, т.е. для оценки уровня искробезопасности следует считать, что они повреждены всегда).

Уровня безопасности электрической цепи ia, ib, ic (в соответствии со стандартом):

• iа - цепь не должна воспламенять взрывоопасную смесь, если в ней произошли одновременно все неучитываемые повреждения и 1 или 2 учитываемых.

• ib - цепь не должна воспламенять взрывоопасную смесь, если в ней произошли все неучитываемые повреждения и одно учитываемое.

• ic - цепь не должна вызывать воспламенение, если в ней произошли некоторые или все неучитываемые повреждения.

Технически повышение уровня искробезопасности достигается резервированием или применением неповреждаемых элементов.

Классы устройств применяемые на взрывоопасных объектах:

• устройства полностью искробезопасные;

• устройства, относящиеся к связанному оборудованию, которые содержат как искробезопасные, так и искроопасные цепи, не могущие влиять на искробезопасные;

• обычные устройства, применяемые совместно с барьерами искробезопасности.

Связанное оборудование обеспечивает передачу информации между взрывоопасной и безопасной зонами. Например, если преобразователь интерфейсов RS-232 и RS-485 содержит искроопасные цепи интерфейса RS-232 и искробезопасные цепи интерфейса RS-485, между которыми существует неповреждаемое разделение, то он относится к связанному оборудованию. Типичным примером связанного оборудования являются барьеры искробезопасности. В маркировке связанного оборудования присутствуют квадратные скобки, например [Exia]IIC. В маркировке искробезопасного оборудования их нет, например ExiaIICT6. Подробнее о маркировке – далее(п.7.5).

Рис.7.1. Пример расположения модулей в-в серии NL-Ex во взрывоопасной зоне

Искробезопасные устройства могут быть расположены как внутри взрывоопасной зоны, так и вне ее (рис.7.1). Связанное оборудование может располагаться только вне взрывоопасной зоны, но его искробезопасные цепи могут идти внутрь взрывоопасной зоны (на рис.7.1 цепи интерфейса RS-485 и питания 12В, 0.9А).

В контроллерах с искробезопасными цепями приняты меры, чтобы любые неисправности в устройстве не могли вызвать искру или нагрев поверхности до опасной температуры. Однако в результате монтажа СА появляются дополнительные емкости и индуктивности кабелей, а также входные емкости и индуктивности других устройств, которые, суммируясь, могут превысить допустимые значения. Поэтому на корпусе искробезопасного оборудования указывают не только его собственные параметры, но и допустимые параметры подключаемых цепей:

U_m – макс. напряжение на искроопасных зажимах связанного электрооборудования, которое еще не приводит к нарушению искробезопасности;

U_i – макс. входное напряжение на клеммах искробезопасных цепей, которое еще не приводит к нарушению искробезопасности;

U₀ – макс. выходное напряжение, которое может появиться на зажимах искробезопасных цепей в случае приложения к нему максимальных значений U_m и U_i;

I_i – макс. входной ток, который может протекать в соединительных цепях между искробезопасными устройствами без нарушения искробезопасности;

I₀ – макс. выходной ток, который может протекать в соединительных цепях между искробезопасными устройствами в случае приложения максимальных напряжений U_m и U_i;

P_i – макс. входная мощность искробезопасной цепи, которая может рассеиваться в электрооборудовании без нарушения его искробезопасности;

Р₀ – макс. электрическая мощность на выходе искробезопасной цепи устройства;

С₀ – макс. значение емкости, которое может быть подключено к клеммам устройства без нарушения его искробезопасности;

C_i - суммарная эквивалентная внутренняя емкость устройства, которая может оказаться подключенной к его клеммам;

L₀ – макс. значение индуктивности, которое может быть подключено к клеммам устройства без нарушения его искробезопасности;

L_i - суммарная эквивалентная внутренняя индуктивность устройства, которая может оказаться подключенной к его клеммам;

L₀/R₀ – макс. отношение индуктивности к сопротивлению внешней электрической цепи, которое не нарушает его искробезопасность;

L_i/R_i – макс. отношение внутренней индуктивности к внутреннему сопротивлению, которое может иметь место на его клеммах.

Приведенные условные обозначения являются стандартными и должны быть указаны на всех видах искробезопасного оборудования.

В случае переменного напряжения в приведенных определениях везде понимается его амплитудное значение, за исключением U_m, которое является действующим.