Atmosfery wybuchowe i obszary niebezpieczne – ochrona przeciwprzepięciowa
Atmosfera wybuchowa powstaje, gdy wystarczająca koncentracja substancji palnych, takich jak gazy, opary lub pyły palne, miesza się z tlenem zawartym w powietrzu. Obecność źródła zapłonu, takiego jak iskra, płomień lub ciepło, może wówczas wywołać gwałtowną reakcję spalania, prowadzącą do wybuchu.
Przemysł chemiczny i stacje benzynowe to typowe przykłady obszarów niebezpiecznych, w których występuje atmosfera wybuchowa. Obszary te uznaje się za niebezpieczne ze względu na wysokie ryzyko pożaru i wybuchów spowodowanych uderzeniami pioruna i skokami napięcia.
Należy pamiętać, że należy podjąć środki bezpieczeństwa, aby zminimalizować ryzyko wybuchów, zapobiec uszkodzeniom mienia spowodowanym przez wyładowania atmosferyczne i zapewnić dostępność zakładów. Obejmuje to stosowanie urządzeń iskrobezpiecznych, skutecznego systemu uziemienia i niezbędnych urządzenia zabezpieczające przed przepięciami.
Klasyfikacja obszarów niebezpiecznych
Dwie dyrektywy ATEX wymagają od producentów i pracodawców przestrzegania określonych wymagań w celu poprawy bezpieczeństwa i higieny pracy pracowników, sprzętu i systemów ochronnych narażonych na ryzyko związane z atmosferami potencjalnie wybuchowymi.
Obszary, w których może wystąpić atmosfera wybuchowa, są klasyfikowane do stref w oparciu o częstotliwość i czas trwania występowania atmosfery wybuchowej. Klasyfikacja ta pomaga w określeniu wymaganego poziomu ochrony (Tabela 1).
Tabela 1 – Klasyfikacja obszarów niebezpiecznych
Dyrektywy ATEX mają zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle naftowym i gazowym, chemicznym, farmaceutycznym i górniczym. Klasyfikacja stref odgrywa kluczową rolę w ocenie ryzyka, doborze sprzętu, środkach bezpieczeństwa i ogólnym zarządzaniu zagrożeniami w obszarach, w których może wystąpić atmosfera wybuchowa (rysunek 1).
Ochrona odgromowa dla obszarów niebezpiecznych
Należy zaprojektować kompleksową ochronę odgromową dla obszarów niebezpiecznych, obejmującą system wyprowadzania wyładowań atmosferycznych, uziemienie i wzajemnie połączone wyrównanie potencjałów. System powinien spełniać wymagania określone w normie IEC 62305.
Klasa LPS II jest określana przy użyciu metody toczącej się kuli dla obszarów potencjalnie wybuchowych. Jednak w przypadku uderzenia pioruna w system odprowadzania wyładowań atmosferycznych w miejscu uderzenia może dojść do iskrzenia. Aby zapobiec iskrzeniu, systemy odprowadzania wyładowań atmosferycznych powinny być instalowane poza strefami Ex.
Konstrukcje metalowe mogą pełnić funkcję naturalnych systemów odprowadzania powietrza, jeśli osiągną minimalną grubość materiału wynoszącą 5 mm. Wymagany jest izolowany LPS z odpowiednią odległością separacyjną, aby wyeliminować ryzyko iskrzenia lub wybuchu materiałów palnych.
Rysunek 1 – Podstawowy podział instalacji na strefy ochrony odgromowej
Uziemienie i wyrównanie potencjałów
Wszystkie części przewodzące są połączone za pomocą systemu połączeń ekwipotencjalnych z uziemieniem w odstępach co 20 m na poziomie gruntu.
System połączeń ekwipotencjalnych polega na połączeniu wszystkich elementów przewodzących w celu utworzenia sieci, w której mają one ten sam potencjał elektryczny. Przekrój poprzeczny miedzianego przewodu uziemiającego do połączeń ekwipotencjalnych musi wynosić co najmniej 4 mm.2.
Uziemienie pomaga zapobiegać gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych na urządzeniach lub powierzchniach, zmniejszając prawdopodobieństwo powstania iskier, które mogłyby spowodować zapłon łatwopalnych gazów, oparów, mgieł lub pyłów w atmosferze wybuchowej. Zaleca się zainstalowanie oddzielnego systemu uziemienia dla każdego budynku lub części instalacji.
Zastosowanie przewodników odpornych na korozję, metod łączenia i powłok ochronnych ma kluczowe znaczenie dla utrzymania długotrwałej integralności w obszarach zagrożonych wybuchem.
Ponadto należy zapewnić odpowiednią odległość między systemem uziemienia powietrznego a przewodami odprowadzającymi zgodnie z wymaganiami normy IEC 62305. W przypadku gdy utrzymanie odpowiedniej odległości jest utrudnione, można zastosować izolowane przewody odprowadzające odporne na wysokie napięcie.
Rysunek 2 – System uziemienia z połączeniem siatkowym
Ochrona przeciwprzepięciowa dla obszarów niebezpiecznych
W obszarach, w których występuje atmosfera wybuchowa, często wymagane są iskrobezpieczne (IS) systemy i urządzenia elektryczne. Systemy te są zaprojektowane tak, aby ograniczać energię elektryczną do poziomów poniżej progu zapłonu, zapobiegając powstawaniu iskier lub efektów termicznych, które mogłyby spowodować zapłon.
Systemy IS przyczyniają się do ogólnego bezpieczeństwa poprzez minimalizowanie ryzyka, że urządzenia elektryczne staną się źródłem zapłonu. Bariery IS pełnią funkcję bariery ochronnej między systemem sterowania a miejscem niebezpiecznym, zapobiegając przedostawaniu się nadmiernej energii do atmosfery potencjalnie wybuchowej.
Jednak bariery IS nie są zabezpieczeniami przeciwprzepięciowymi. Bariery IS są specjalnie zaprojektowane w celu ograniczenia energii w obszarach niebezpiecznych, aby zapobiec zapłonowi, podczas gdy zabezpieczenia przeciwprzepięciowe mają na celu ochronę sprzętu elektronicznego w obszarach bezpiecznych przed przejściowymi skokami napięcia.
Dlatego też nadal należy stosować ochronę przeciwprzepięciową, aby chronić obwody IS przed przejściowymi przepięciami.
Instalacja iskrobezpiecznego obwodu pomiarowego
Zasada działania iskrobezpiecznego systemu elektrycznego polega na utrzymywaniu poziomu energii elektrycznej i cieplnej poniżej progów zapłonu w atmosferze potencjalnie wybuchowej.
Systemy iskrobezpieczne zawierają elementy, takie jak czujniki, nadajniki i przełączniki, które zostały specjalnie zaprojektowane w celu zminimalizowania poziomów energii. Izolacja galwaniczna jest często stosowana do oddzielania obwodów elektrycznych i zapobiegania przepływowi nadmiernego prądu.
Systemy te są certyfikowane przez organy regulacyjne zgodnie z normami takimi jak ATEX lub National Electrical Code (NEC) i są powszechnie instalowane w strefach niebezpiecznych, gdzie istnieje ryzyko wystąpienia atmosfery wybuchowej.
Typowy sposób instalacji iskrobezpiecznego obwodu pomiarowego, składającego się z kombinacji powiązanego urządzenia elektrycznego, iskrobezpiecznej instalacji kablowej, przetwornika temperatury (galwanicznie oddzielonego od elementu czujnikowego) oraz odpowiednich wymaganych urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej (SPD).
Izolator znajduje się w szafie sterowniczej i kontrolnej, natomiast przetwornik temperatury, umieszczony na zbiorniku z cieczą palną, ma element czujnikowy bezpośrednio w strefie Ex 0.
Nadajnik, znajdujący się w strefie Ex 1, jest bezpiecznie i trwale połączony z metalowym zbiornikiem za pomocą metalowej obudowy. Połączenie między tymi dwoma urządzeniami jest realizowane za pomocą ekranowanego, iskrobezpiecznego kabla. Zarówno stacja pomiarowa, jak i zbiorniki są częścią sieciowego systemu uziemienia.
Ochrona przeciwprzepięciowa dla iskrobezpiecznego obwodu pomiarowego
Rysunek 3 – Urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej w iskrobezpiecznym obwodzie pomiarowym
Aby zabezpieczyć się przed zagrożeniami związanymi z wyładowaniami atmosferycznymi zarówno w sterowni, jak i w obszarach niebezpiecznych, instalacja wymaga dwóch urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) w obwodzie iskrobezpiecznym. Jedno urządzenie SPD chroni izolator w sterowni, a drugie chroni przetwornik zbiornika.
Ogranicznik przepięć SPD nie tylko zapobiega niebezpiecznemu wyładowaniu iskrowemu do przewodu czujnika, ale także zapewnia ochronę przeciwwybuchową. Poprzez podłączenie przewodów sygnałowych, nieużywanych przewodów i otwartych ekranów kabli do obwodu, ograniczniki przepięć SPD zapobiegają przepływowi prądu kompensacyjnego podczas normalnej pracy. W przypadku niebezpiecznych przepięć otwarte końce kabli są połączone z wyrównaniem potencjałów poprzez ogranicznik przepięć SPD, co zapobiega powstawaniu iskier.
Urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej FRD pomagają chronić kosztowną technologię pomiarową przed wpływem przepięć atmosferycznych. Zapewniają one optymalną ochronę dla dwubiegunowych lub czterobiegunowych zastosowań pomiarowych i sterujących.
Urządzenie ochrony przeciwprzepięciowej SPD do danych, systemów MCR, iskrobezpiecznych obwodów pomiarowych, urządzeń polowych, czujników przepływu, czujników temperatury
SPD dla iskrobezpiecznych obwodów pomiarowych FDB2-24
Ogranicznik przepięć z obwodem ochronnym o niskiej pojemności do ochrony iskrobezpiecznych obwodów pomiarowych i systemów magistrali. Zastosowanie: czujniki przepływu, czujniki temperatury.
- Łatwy montaż na zapasowej dławicy kablowej urządzeń polowych
- Pojemność własna i indukcyjność własna są nieistotnie małe.
- Obudowa ze stali nierdzewnej z odporną na ciśnienie obudową
Ochrona ekranująca kabli iskrobezpiecznych
Ekranowanie w kablach jest często stosowane w celu zapobiegania przedostawaniu się lub wydostawaniu się zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) lub zakłóceń częstotliwości radiowej (RFI). Ekranowanie może zminimalizować wpływ zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych na sygnały przesyłane w kablu. Jest to szczególnie ważne w przypadku wrażliwych obwodów stosowanych w obszarach niebezpiecznych.
Rysunek 4 – Ekranowanie kabli iskrobezpiecznych
Prawidłowe uziemienie zapewnia skuteczność ekranów, które działają jak uziemiona ścieżka dla niepożądanych prądów, zapobiegając ich krążeniu w przewodach kabla i potencjalnemu iskrzeniu lub powstawaniu gorących punktów.
Uziemianie ekranu na obu końcach kabla w obszarach niebezpiecznych tylko wtedy, gdy nie ma różnic potencjałów między punktami uziemienia, a izolowany przewód uziemiający jest zainstalowany równolegle do kabli iskrobezpiecznych, jest podłączony do ekranu kabla w dowolnym punkcie i jest ponownie izolowany.
Ponadto stale i w sposób ciągły połączone pręty zbrojeniowe mogą być wykorzystywane jako przewody wyrównujące potencjały, które należy podłączyć do listwy wyrównującej potencjały na obu końcach.
