Overspenningsbeskyttelse for eksplosive atmosfærer og farlige områder

Eksplosive atmosfærer og farlige områder – overspenningsbeskyttelse

Eksplosive atmosfærer dannes når en tilstrekkelig konsentrasjon av brennbare stoffer, som gasser, damper eller brennbart støv, blandes med oksygen i luften. Tilstedeværelsen av en antennelseskilde, som en gnist, flamme eller varme, kan da utløse en rask forbrenningsreaksjon, som fører til en eksplosjon.

Kjemisk industri og bensinstasjoner er vanlige eksempler på farlige områder med eksplosiv atmosfære. Disse områdene er definert som farlige på grunn av høy risiko for brann og eksplosjoner som følge av lynnedslag og spenningsspisser.

Det er viktig å merke seg at sikkerhetstiltak må iverksettes for å minimere risikoen for eksplosjoner, forhindre skader på eiendom som følge av lynnedslag og sikre anleggets tilgjengelighet. Dette inkluderer bruk av egensikkert utstyr, et effektivt jordingssystem og nødvendig overspenningsvern.

Klassifisering av farlige områder

To ATEX-direktiver krever at produsenter og arbeidsgivere overholder kravene som er angitt for å forbedre helse og sikkerhet for arbeidere, utstyr og beskyttelsessystemer som er utsatt for fare fra potensielt eksplosive atmosfærer.

Områder med potensielt eksplosive atmosfærer klassifiseres i soner basert på hyppigheten og varigheten av eksplosive atmosfærer. Klassifiseringen hjelper til med å bestemme hvilket beskyttelsesnivå som kreves (tabell 1).

Tabell 1 – Klassifisering av farlige områder

ATEX-direktivet gjelder for en lang rekke bransjer, blant annet olje og gass, kjemisk industri, farmasøytisk industri og gruvedrift. Soneinndeling spiller en avgjørende rolle i risikovurdering, valg av utstyr, sikkerhetstiltak og generell farehåndtering i områder hvor det kan forekomme eksplosive atmosfærer (figur 1).

Lynbeskyttelse for farlige områder

Det bør utformes et omfattende lynbeskyttelsessystem for farlige områder, inkludert luftavledningssystem, jording og sammenkoblet ekvipotensialbinding. Systemet bør oppfylle kravene i IEC 62305.

LPS II-klassen bestemmes ved hjelp av rullende kulemetoden for potensielt eksplosive områder. Imidlertid kan det oppstå gnister på stedet hvor lynet slår ned i lufttermineringssystemet. For å forhindre antennelsesgnister bør lufttermineringssystemene installeres utenfor Ex-sonene.

Metallkonstruksjoner kan fungere som naturlige luftavledningssystemer hvis de har en minimum materialtykkelse på 5 mm. Det kreves et isolert LPS med tilstrekkelig avstand for å eliminere risikoen for gnister eller eksplosjon av brennbare materialer.

Figur 1 – Grunnleggende inndeling av en installasjon i lynbeskyttelsessoner

Jording og ekvipotensialbinding

Alle ledende deler er koblet til jord via et sammenkoblet ekvipotensialbindingssystem med intervaller på 20 m på bakkenivå.

Et sammenkoblet ekvipotensialbindingssystem innebærer å koble sammen alle ledende elementer for å skape et nettverk der de deler samme elektriske potensial. Tverrsnittet på kobberjordingslederen for ekvipotensialbinding må være minst 4 mm.².

Jording bidrar til å forhindre oppbygging av statisk elektrisitet på utstyr eller overflater, og reduserer dermed risikoen for gnister som kan antenne brennbare gasser, damper, tåke eller støv i eksplosive atmosfærer. Det anbefales å installere et separat jordingssystem for hvert enkelt bygg eller hver del av en installasjon.

Bruk av korrosjonsbestandige ledere, limingsmetoder og beskyttende belegg er avgjørende for å opprettholde langvarig integritet i eksplosive områder.

I tillegg må riktig avstand mellom lufttermineringssystemet og nedledere reguleres i samsvar med kravene i IEC 62305. Høyspenningsbestandige, isolerte nedledere kan brukes når det er vanskelig å opprettholde avstanden.

Figur 2 – Et sammenkoblet jordingssystem

Overspenningsbeskyttelse for farlige områder

I områder med eksplosiv atmosfære er det ofte krav om bruk av egensikre (IS) elektriske systemer og enheter. Disse systemene er utformet for å begrense elektrisk energi til nivåer under antennelsestærskelen, og forhindrer dermed gnister eller termiske effekter som kan forårsake antennelse.

IS-systemer bidrar til den generelle sikkerheten ved å minimere risikoen for at elektrisk utstyr blir en antennelseskilde. IS-barrierer fungerer som en beskyttende barriere mellom kontrollsystemet og det farlige området, og hindrer at overdreven energi når potensielt eksplosive atmosfærer.

IS-barrierer er imidlertid ikke overspenningsvern. IS-barrierer er spesielt utviklet for å begrense energien i farlige områder for å forhindre antenning, mens overspenningsvern er ment å beskytte elektronisk utstyr i ikke-farlige områder mot forbigående spenningsspisser.

Derfor bør overspenningsbeskyttelse fortsatt brukes for å beskytte IS-kretser mot forbigående overspenninger.

Installasjon av en egensikker målekrets

Arbeidsprinsippet til et egensikkert elektrisk system er å sikre at det elektriske og termiske energinivået holdes under antennelsestærskelen i potensielt eksplosive atmosfærer.

Egensikre systemer inneholder komponenter som sensorer, sendere og brytere som er spesielt utviklet for å minimere energinivået. Galvanisk isolasjon brukes ofte for å skille elektriske kretser og forhindre strømning av for høy strøm.

Disse systemene er sertifisert av regulerende organer i henhold til standarder som ATEX eller National Electrical Code (NEC), og de installeres vanligvis i farlige soner hvor det er fare for eksplosive atmosfærer.

En typisk måte å installere en egensikker målekrets på, bestående av en kombinasjon av tilhørende elektrisk apparat, egensikker kabelinstallasjon, en temperaturtransmitter (galvanisk adskilt fra sensorelementet) og de tilhørende nødvendige overspenningsvernene (SPD-er).

Isolatoren er plassert i kontrollrommets instrumenterings- og kontrollskap, mens temperaturtransmitteren, som er plassert på en tank med brennbar væske, har sensorelementet direkte i Ex-sone 0.

Senderen, i Ex-sone 1, er sikkert og permanent koblet til metalltanken gjennom metallhuset. Koblingen mellom de to enhetene er etablert ved hjelp av en skjermet, egensikker kabel. Både målestasjonen og tankene er en del av et nettverksjordingssystem.

Overspenningsbeskyttelse for en egensikker målekrets

Figur 3 – Overspenningsvern i en egensikker målekrets

For å beskytte mot lynrelaterte risikoer både i kontrollrommet og i farlige områder, krever installasjonen to overspenningsvern (SPD) i den egensikre kretsen. Det ene SPD-et beskytter isolatoren i kontrollrommet, og det andre beskytter tanksenderen.

Tank-SPD-en forhindrer ikke bare farlig gnistutladning til sensorkonduktoren, men gir også eksplosjonsbeskyttelse. Ved å koble signalkabler, ubrukte kabler og åpne kabelskjerminger til kretsen, forhindrer SPD-ene kompensasjonsstrøm under normal drift. I tilfelle farlige overspenninger kobles de åpne kabelendene til ekvipotensialbinding via SPD-en, noe som forhindrer gnistdannelse.

FRD overspenningsvern bidrar til å beskytte kostbar måleteknologi mot påvirkning fra overspenninger som skyldes atmosfæriske utladninger. De gir optimal beskyttelse for to- eller firepolede måle- og kontrollapplikasjoner.

Overspenningsvern SPD for data, MCR-systemer, egensikre målekretser, feltutstyr, strømningssensorer, temperatursensorer

Skjermbehandling av egensikre kabler

Skjerming i kabler brukes ofte for å forhindre inntrengning eller utstrømning av elektromagnetisk interferens (EMI) eller radiofrekvensinterferens (RFI). Skjerming kan minimere virkningen av ekstern elektromagnetisk interferens på signalene som overføres i kabelen. Dette er spesielt viktig i sensitive kretser som brukes i farlige områder.

Figur 4 – Skjermbehandlingen av egensikre kabler

Riktig jording sikrer skjermens effektivitet. Skjermen fungerer som en jordet bane for uønskede strømmer, og hindrer dem i å sirkulere i kabellederne og potensielt forårsake gnister eller varmepunkter.

Jording av skjoldet på begge kabelendene i farlige områder kun når det ikke er potensialforskjeller mellom jordingspunktene og en isolert jordingsleder er installert parallelt med de egensikre kablene, er koblet til kabelskjoldet på et hvilket som helst punkt og er isolert igjen.

Videre kan permanent og kontinuerlig tilkoblede armeringsjern brukes som ekvipotensialforbindelsesleder som skal kobles til ekvipotensialforbindelsesstangen i begge ender.