Räjähdyssuojattu vs. luontaisesti turvallinen

Pika vastaus

Räjähdyssuojattu (Ex d, palonkestävä) rajoittaa sisäiset räjähdykset raskaaseen koteloon ja estää liekin leviämisen ulkoilmaan. Luonnostaan turvallinen (Ex i) rajoittaa sähköenergian niin alhaiseksi, että syttymistä ei voi tapahtua edes vikatilanteissa. Ex d on vankka ja suuritehoinen; Ex i on kevyt ja luonnostaan turvallinen.

Perusperiaate

Räjähdyssuojaus (Ex d): Sulkeminen

"Anna sen räjähtää, mutta pidä se sisällä."

Palonkestävät laitteet hyväksyvät sen, että sisäinen syttyminen voi tapahtua. Kotelo on suunniteltu:

1. kestämään sisäisen räjähdyksen suurimman paineen
2. Jäähdyttämään ulosvirtaavat kaasut syttymislämpötilan alapuolelle niiden kulkiessa tarkasti koneistettujen palonkestävien liitosten läpi
3. Estämään ulkoisen syttymisen, vaikka sisäinen ilmakehä räjähtäisikin

Luonnostaan turvallinen (Ex i): Ehkäisy

"Tehdä syttyminen mahdottomaksi."

Luonnostaan turvalliset laitteet rajoittavat sähköenergian (jännitteen, virran, kapasitanssiin/induktanssiin varastoidun energian) niin alhaisille tasoille, ettei mikään kipinä, valokaari tai kuuma pinta voi sytyttää ympäröivää ilmakehää, vaikka kaikki komponentit vikaantuisivat samanaikaisesti.

Kuinka räjähdyssuojaus toimii (Ex d)

Liekkisuojatut kotelot ovat standardin IEC 60079-1 alaisia (katso kaikki suojausmenetelmät). Tärkeimmät suunnitteluominaisuudet:

Paineen eristäminen

Kotelon on kestettävä sisäinen räjähdyspaine, joka on vähintään 1,5-kertainen kaasuryhmän viitepaineeseen verrattuna. Ryhmän IIC (vety) osalta tämä tarkoittaa, että kotelo kestää sisäisen räjähdyksen, joka tuottaa merkittävän voiman – kymmeniä atmosfäärejä millisekunneissa.

Palonkestävät liitokset

Liitospintojen (laippojen, kansien, akselien) väliset raot on tarkasti hallittu:

• Suurin rako: Tyypillisesti 0,1–0,5 mm kaasuryhmästä ja liitoksen pituudesta riippuen
• Liitoksen vähimmäispituus: 6–25 mm kaasuryhmästä ja kotelon tilavuudesta riippuen
• Pinnan laatu: Koneistettu tai hiottu tiukkojen toleranssien mukaisesti, ei kierteitä/kaapeliläpivientejä räjähdyssuojatuissa liitoksissa

Kun kaasut pääsevät näiden tiiviiden rakojen läpi räjähdyksen aikana, ne jäähtyvät nopeasti kosketuksessa metallipintojen kanssa. Kun ne saavuttavat ulkoilman, niiden lämpötila on laskenut alle kaasun syttymislämpötilan.

Mekaaninen lujuus

Kotelot ovat tyypillisesti valettua alumiinia, valurautaa tai ruostumatonta terästä. Seinämän paksuus lasketaan tilavuuden, kaasuryhmän ja suurimman kokeellisen turvallisen raon (MESG) perusteella. 10 litran IIC-kotelossa seinämien paksuus voi olla 8–10 mm.

Liitäntälaitteet

Kaapeliläpivientien on säilytettävä palonkestävyys. Vaihtoehtoja ovat:

• Sertifioidut Ex d -kaapeliläpiviennit pysäytyslaatikoilla
• Epäsuorat läpiviennit lisäturvallisuuden (Ex e) liitäntäosastojen kautta
• Putkitiivisteet standardin NEC 501.15 mukaisesti (Pohjois-Amerikan asennuksissa)

Kuinka luontainen turvallisuus toimii (Ex i)

Luontaista turvallisuutta säätelee standardi IEC 60079-11 (katso standardien yleiskatsaus). Järjestelmä koostuu kolmesta osasta:

1. Luonnostaan turvallinen laite (vaarallisella alueella)

Kenttälaite, anturi, lähetin, säätöventtiili jne. Komponentit on suunniteltu ja sertifioitu siten, että ne eivät voi vapauttaa vaarallista energiaa edes vikatilanteissa.

2. Liitännäislaitteet (turvallisella alueella)

Tyypillisesti turvaeste tai eristin, joka rajoittaa vaaralliselle alueelle syötettävää jännitettä, virtaa ja varastoitua energiaa. Yleisiä tyyppejä:

• Zener-esteet: Passiiviset laitteet, joissa käytetään Zener-diodeja jännitteen rajoittamiseen ja vastuksia virran rajoittamiseen
• Galvaaniset eristimet: Aktiiviset laitteet, jotka käyttävät muuntajia tai optokoplereita sähköisen eristyksen aikaansaamiseksi suuremmilla tehoarvoilla

3. Liitäntäkaapeli

Kaapeli aiheuttaa kapasitanssia ja induktanssia, jotka voivat varastoida energiaa. Järjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon:

• Maksimikaapelipituus perustuen kapasitanssiin/induktanssiin metriä kohti
• Asennusasiakirjoihin dokumentoidut kaapeliparametrit (C_cable, L_cable)

Energian rajalaskennat

Turvallisuus todistetaan laskelmilla tai kipinätestauksella. Resistiivisissä piireissä syttymiskynnys vetyilmakehässä on noin:

20 µJ (microjoules)

Tämä pieni energiamäärä, joka on paljon pienempi kuin tuntuvissa oleva staattinen purkaus, ohjaa suunnittelufilosofiaa. Tyypilliset luontaisesti turvalliset piirit toimivat seuraavasti:

• Jännite: 12–30 V DC (usein paljon alhaisempi)
• Virta: 20–100 mA (4–20 mA:n silmukat ovat yleisiä)
• Teho: millivatteja muutamaan wattiin

ia vs. ib

Luontaista turvallisuutta on kahta tasoa:

• Ex ia: Turvallinen, kun kaksi vikaa esiintyy samanaikaisesti (sopii vyöhykkeelle 0, EPL Ga)
• Ex ib: Turvallinen yhden vian sattuessa (sopii vyöhykkeelle 1, EPL Gb)

Vikoihin kuuluvat oikosulut, avoimet piirit, maasulut, komponenttiviat ja niiden yhdistelmät.

Käytännön vertailu

Milloin räjähdyssuojattua (Ex d) tulisi käyttää

Parhaat käyttökohteet:

• Sähkömoottorit. Suuret käynnistysvirrat ja jatkuva tehonkulutus
• Valaistuslaitteet. Halogeeni-, LED- tai loistevalaisimet, jotka vaativat verkkojännitettä
• Suuret kytkentärasiat. Kytkentäpaneelit, joissa on kymmeniä piirejä
• Toimilaitteet ja solenoidit. Venttiilit, jotka vaativat huomattavaa voimaa
• Ohjauspaneelit. Paikalliset käyttöliittymät, joissa on painikkeet, näytöt ja releet

Edut:

• Ei tehorajoituksia. Käyttää tavallisia teollisuusjännite- ja virtatasoja
• Kestävä ja todistettu tekniikka. Käytössä jo yli 80 vuotta
• Itsenäinen suojaus. Ei riippuvuutta ulkoisista esteistä tai laskelmista
• Tavalliset teollisuuskomponentit voidaan sijoittaa Ex d -koteloihin

Haitat:

• Raskaat kotelot vaikeuttavat asennusta ja lisäävät rakenteellisten tukien vaatimuksia
• Ei voida avata, kun virta on päällä luokitellulla alueella ilman kuumatyölupaa
• Kotelon kustannukset ovat korkeammat koneistuksen ja paineentestauksen vuoksi
• Huolto vaatii huolellista uudelleenkoontamista palonkestävän rakenteen säilyttämiseksi (vääntömomenttivaatimukset, liitosten puhtaus)

Milloin käyttää luontaista turvallisuutta (Ex i)

Parhaat sovellukset:

• Prosessilaitteet. Lämpötila-, paine-, taso- ja virtausanturit (4–20 mA:n silmukat)
• Kaasunilmaisimet. Kannettavat ja kiinteät monitorit
• Ohjausjärjestelmät. DCS/PLC-I/O-piirit, kenttäväyläverkot (HART, Profibus, Foundation Fieldbus)
• Televiestintä. Puhelimet, sisäpuhelimet, datayhteydet vaarallisilla alueilla
• Analyysilaitteet. Laboratoriolaitteet, vyöhykkeellä 1 toimivat kromatografit

Edut:

• Sopii vyöhykkeelle 0 (Ex ia). Ainoa yleinen suojausmenetelmä, joka on sallittu jatkuvassa kaasun läsnäolossa
• Kevyet ja kompaktit kenttälaitteet
• Helppo asennus. Ei vaadi erityisiä koteloita tai kaapeliläpivientejä
• Vianmääritys jännitteisissä piireissä kentällä (paikan menettelyjen mukaisesti)
• Luonnostaan turvallinen. Komponenttien vikaantuminen ei vaaranna turvallisuutta

Haitat:

• Teho rajoitettu. Ei sovellu moottoreille, lämmittimille tai suuritehoisille laitteille
• Kaapelipituuden rajoitukset kapasitanssi-/induktanssirajojen vuoksi (usein enintään 1–3 km)
• Järjestelmän suunnittelu vaatii huolellista laskemista ja dokumentointia
• Liitännäislaitteet (esteet/eristimet) lisäävät kustannuksia ja vievät tilaa turvallisella alueella
• IA- ja IB-piirien sekoittaminen vaatii erottelua ristikontaminaation estämiseksi

Kustannusvertailu

Kustannukset vaihtelevat sovelluksen mukaan, mutta yleiset trendit ovat seuraavat:

Pieni kytkentärasia (6 piiriä)

• Ex d: 400–800 € kotelolle + 50–100 € sertifioitua kaapeliläpivientiä kohti = yhteensä 700–1 400
• Ex e (turvallisuutta parantava liitäntäkotelo): 200–400 € + vakiomalliset kaapeliläpiviennit = yhteensä 300–600
• Ex i -järjestelmä: kenttäliitäntä ei-Ex-kotelossa (50 €) + 6× turva-aita (100–300 € kukin) = yhteensä 650–1 850

Voittaja: Ex e liitäntäkoteloille. Ex d on liioiteltu; Ex i:n kustannukset nousevat esteiden määrän kasvaessa.

Lämpötilalähetin

• Ex d -kotelo + anturi: 800–1 500 € (vaaditaan raskas kotelo)
• Ex i -lähetin + este: 400–700 € (lähetin) + 100–300 € (este) = yhteensä 500–1 000

Voittaja: Ex i prosessilaitteille.

10 kW:n moottori

• Ex d -moottori: 2 500–5 000 € (palonkestävä runko ja kotelo)
• Ex nA -moottori (kipinätön): 1 800–3 000 € (vain vyöhyke 2)
• Ex i: Ei toteutettavissa tällä tehotasolla

Voittaja: Ex d (tai Ex nA vyöhykkeelle 2). Ei vaihtoehtoa suurelle teholle vyöhykkeellä 1.

Koko- ja painoerot

Esimerkki: Liitäntäkotelo 12 liitännälle

• Ex d: 300 × 250 × 150 mm, 15 kg (valettu alumiini)
• Ex e: 250 × 200 × 120 mm, 3 kg (muovi tai lasikuituvahvistettu polyesteri)
• Ex i -kenttäkotelo: 150 × 100 × 80 mm, 0,5 kg (polykarbonaatti), liitännät tyypillisesti valvomoissa

Vaikutus: Räjähdyssuojatut kotelot vaativat tukevia kiinnikkeitä ja saattavat tarvita rakenteellista vahvistusta. Itsestään turvalliset kenttälaitteet voidaan usein asentaa yksinkertaisilla kiinnikkeillä tai DIN-kiskokiinnikkeillä.

Yleisiä väärinkäsityksiä

"Räjähdyssuojattu tarkoittaa, että se ei räjähtää"

Ei. Se tarkoittaa, että jos sisäinen räjähdys tapahtuu, se pysyy sisällä eikä leviä ulkoilmaan. Laite on suunniteltu kestämään sisäisen räjähdyksen ja poistamaan sen turvallisesti.

"Itsestään turvalliset laitteet eivät voi koskaan sytyttää kaasua"

Tämä on totta, jos järjestelmä on suunniteltu, asennettu ja huollettu oikein. Itsestään turvallisuus on kuitenkin järjestelmäkonsepti: kenttälaite + siihen liittyvät laitteet + kaapeli. Jos jokin osa on virheellinen (väärä este, liian pitkä kaapeli, asennusvirhe), turvallisuus vaarantuu.

"Ex i on aina turvallisempi kuin Ex d"

Molemmat menetelmät tarjoavat vastaavan turvallisuustason, kun niitä sovelletaan oikein. Ex ia on ainutlaatuinen siinä, että se soveltuu vyöhykkeelle 0, mutta omilla vyöhykkeillään molemmat ovat yhtä luotettavia.

"Ex d -laitteiden kanssa voi käyttää tavallisia kaapeliläpivientejä"

Ei. Palonkestävien koteloiden kaapeliläpivienneissä on käytettävä sertifioituja Ex d -kaapeliläpivientejä tai hyväksyttyjä tiivistystekniikoita. Tavalliset teollisuusläpiviennit eivät säilytä palonkestävyyttä.

"Itsestään turvalliset piirit eivät tarvitse suojaputkea"

Tämä pätee räjähdyssuojaukseen (erityisiä suojaputkia tai kaapeliläpivientejä ei tarvita), mutta fyysinen suojaus ja erottelu muista kuin itsesuojatuista piireistä ovat edelleen voimassa IEC 60079-14 -asennusstandardien mukaisesti.

Ex d:n ja Ex i:n yhdistäminen

Hybridiratkaisut ovat yleisiä:

Ex d + Ex i -kenttäväylä

Zone 1:n palonkestävässä kytkentärasiassa (Ex d) on luonnostaan turvallinen kenttäväyläsegmentti (Ex ia). Ex d -kotelo tarjoaa mekaanisen suojan ja säänkestävän ympäristön, kun taas IS-piiri mahdollistaa Zone 0:n haaroitusliitännät mittalaitteisiin.

Ex e + Ex i -liitännät

IS-piireissä käytetään usein turvallisuustasoltaan korotettuja (Ex e) liitäntäkoteloita. Ex e -kotelo estää valokaarien ja kipinöiden muodostumisen liittimissä, ja IS-piiri estää syttymisen. Tämä yhdistelmä on suosittu vyöhykkeen 1 jakelukaapeissa.

Ex d -moottori ja Ex i -ohjaus

Räjähdyssuojattu moottori (Ex d) tarjoaa mekaanisen käyttövoiman, kun taas sen ohjaussignaalit (käynnistys/pysäytys, taajuusmuuttajan takaisinkytkentä) käyttävät IS-piirejä joustavuuden ja alhaisempien kaapelointikustannusten vuoksi.

Asennus- ja huoltoerot

Räjähdyssuojattu (Ex d)

• Asennus: Kiristä pultit määritettyihin arvoihin (tyypillisesti 5–20 Nm koosta riippuen). Puhdista palonkestävät liitokset ennen kokoonpanoa (ei maalia, rasvaa tai roskia). Käytä sertifioituja kaapeliläpivientejä, joiden kierre ja kaapelin halkaisija ovat oikeat.
• Tarkastus: Tarkista silmämääräisesti, ettei liitoksissa ole vaurioita, korroosiota tai rakoja. Tarkista pulttien kiristysmomentti vuosittain. Tarkista, ettei laitteeseen ole tehty luvattomia muutoksia (poratut reiät, hitsatut kiinnikkeet).
• Huolto: Katkaise virta ennen avaamista luokitelluilla alueilla, ellei kuumatyömenettelyjä noudateta. Puhdista liitokset nukkaamattomalla liinalla ja isopropyylialkoholilla. Vaihda vaurioituneet tiivisteet. Kiristä pultit uudelleen kokoonpanon yhteydessä.

Luonnostaan turvallinen (Ex i)

• Asennus: Tarkista kaapeliparametrit (C_o, L_o) suhteessa laitteen parametreihin (C_i, L_i, C_o, L_o). Varmista esteen/erottimen asianmukainen maadoitus. Erota IS-kaapelit muista kuin IS-piireistä (erillinen kaapelikanava/kaapelihylly tai vähintään 50 mm:n etäisyys).
• Tarkastus: Tarkista esteen/eristimen maadoitusliitännän kunto (pieni vastus potentiaalitasausliitoksessa). Tarkista, ettei kaapeleissa ole vaurioita tai luvattomia muutoksia piireihin. Varmista, että järjestelmän dokumentaatio vastaa asennettua kokoonpanoa.
• Huolto: Työt voidaan suorittaa jännitteenalaisena (jos paikan menettelytavat sen sallivat). Vaihda kenttälaitteet ilman jännitteen katkaisua. Esteen/eristimen testaus suoritetaan tyypillisesti turvallisella alueella. Käytä vain sertifioituja varaosia, joiden parametrit vastaavat laitteen parametreja.

Yhteenveto: Oikean menetelmän valinta

Kultainen sääntö: Käytä luontaista turvallisuutta instrumentointi- ja viestintäpiireissä. Käytä räjähdyssuojattua ratkaisua virtapiireissä ja laitteissa, jotka ylittävät IS-energiarajat. Jos olet epävarma, tutustu standardiin IEC 60079-14 (asennusstandardi) tai ota yhteyttä sertifioituun Ex-ammattilaiseen.

Aiheeseen liittyvät aiheet

• Suojausmenetelmät. Kaikki Ex-tyypit, mukaan lukien Ex d, Ex i, Ex e ja muut
• Laitteiden suojausluokat. Miten Ga/Gb/Gc liittyvät ia/ib-luokkiin ja vyöhykkeen sopivuuteen
• Asennus ja tarkastus. Oikeat asennustekniikat Ex-laitteille
• Ex-merkintöjen tulkinta. Ex d- ja Ex ia/ib-tyyppikilpien tulkinta