Explosieveilig versus intrinsiek veilig

Kort antwoord

Explosieveilig (Ex d, vlambestendig) houdt interne explosies binnen een zware behuizing en voorkomt dat vlammen zich naar de buitenlucht verspreiden. Intrinsiek veilig (Ex i) beperkt de elektrische energie zodanig dat er zelfs onder foutcondities geen ontbranding kan plaatsvinden. Ex d is robuust en krachtig; Ex i is lichtgewicht en inherent veilig.

Het kernprincipe

Explosieveilig (Ex d): insluiting

"Laat het exploderen, maar houd het binnen."

Vlamdichte apparatuur accepteert dat er een interne ontsteking kan plaatsvinden. De behuizing is ontworpen om:

1. De maximale druk van een interne explosie te weerstaan
2. De ontsnappende gassen af te koelen tot onder de ontstekings temperatuur terwijl ze door nauwkeurig bewerkte vlamdichte verbindingen stromen
3. Externe ontsteking te voorkomen, zelfs als de interne atmosfeer explodeert

Intrinsiek veilig (Ex i): Preventie

"Ontsteking onmogelijk maken."

Intrinsiek veilige apparatuur beperkt elektrische energie (spanning, stroom, opgeslagen energie in capaciteit/inductie) tot niveaus die zo laag zijn dat geen enkele vonk, boog of heet oppervlak de omringende atmosfeer kan ontsteken, zelfs als alle componenten tegelijkertijd uitvallen.

Hoe explosieveiligheid werkt (Ex d)

Vlamdichte behuizingen vallen onder IEC 60079-1 (zie alle beschermingsmethoden). Belangrijkste ontwerpkenmerken:

Drukbeheersing

De behuizing moet bestand zijn tegen een interne explosiedruk van ten minste 1,5 keer de referentiedruk voor de gasgroep. Voor groep IIC (waterstof) betekent dit dat de behuizing een interne explosie met een aanzienlijke kracht – tientallen atmosfeer in milliseconden – kan weerstaan.

Vlamdichte verbindingen

De openingen tussen de pasvlakken (flenzen, afdekkingen, assen) worden nauwkeurig gecontroleerd:

• Maximale opening: doorgaans 0,1–0,5 mm, afhankelijk van de gasgroep en de lengte van de verbinding
• Minimale verbindingslengte: 6–25 mm, afhankelijk van de gasgroep en het volume van de behuizing
• Oppervlaktes: bewerkt of geslepen tot nauwe toleranties, geen schroefdraad/kabelinvoeren in brandwerende verbindingen

Wanneer gassen tijdens een explosie door deze nauwe openingen ontsnappen, koelen ze snel af door contact met de metalen oppervlakken. Tegen de tijd dat ze de buitenlucht bereiken, is hun temperatuur gedaald tot onder de ontbrandingstemperatuur van het gas.

Mechanische sterkte

Behuizingen zijn doorgaans gemaakt van gegoten aluminium, gietijzer of roestvrij staal. De wanddikte wordt berekend op basis van het volume, de gasgroep en de maximale experimentele veilige opening (MESG). Een IIC-behuizing van 10 liter kan wanden van 8–10 mm hebben.

Toegangsmiddelen

Kabelinvoeren moeten vlamdicht blijven. Opties zijn onder meer:

• Gecertificeerde Ex d-kabelwartels met stopdozen
• Indirecte ingangen via terminalcompartimenten met verhoogde veiligheid (Ex e)
• Kabelafdichtingen volgens NEC 501.15 (in Noord-Amerikaanse installaties)

Hoe intrinsieke veiligheid werkt (Ex i)

Intrinsieke veiligheid wordt geregeld door IEC 60079-11 (zie overzicht van normen). Het systeem bestaat uit drie elementen:

1. Intrinsiek veilige apparatuur (in de gevaarlijke zone)

Het veldapparaat – sensor, zender, regelklep, enz. De componenten zijn zo ontworpen en gecertificeerd dat ze zelfs onder foutcondities geen gevaarlijke energie kunnen vrijgeven.

2. Bijbehorende apparatuur (in de veilige zone)

Meestal een veiligheidsbarrière of isolator die de spanning, stroom en opgeslagen energie naar het circuit in de gevaarlijke zone beperkt. Veelvoorkomende typen:

• Zenerbarrières: passieve apparaten die gebruikmaken van zenerdiodes om de spanning te begrenzen en weerstanden om de stroom te beperken
• Galvanische isolatoren: actieve apparaten die transformatoren of optocouplers gebruiken om elektrische isolatie te bieden met een hoger vermogensbudget

3. Verbindingskabel

De kabel introduceert capaciteit en inductie, die energie kunnen opslaan. Bij het ontwerp van het systeem moet rekening worden gehouden met:

• Maximale kabellengte op basis van capaciteit/inductie per meter
• Kabelparameters (Ckabel, Lkabel) gedocumenteerd in installatiedocumenten

Berekeningen van de energielimiet

De veiligheid wordt aangetoond door berekeningen of vonktests. Voor resistieve circuits is de ontstekingsdrempel in een waterstofatmosfeer ongeveer:

20 µJ (microjoules)

Deze kleine hoeveelheid energie – veel minder dan een statische ontlading die u zou voelen – is bepalend voor de ontwerpfilosofie. Typische intrinsiek veilige circuits werken bij:

• Spanning: 12–30 V DC (vaak veel lager)
• Stroom: 20–100 mA (4–20 mA-lussen zijn gebruikelijk)
• Vermogen: milliwatt tot enkele watts

ia vs ib

Er zijn twee niveaus van intrinsieke veiligheid:

• Ex ia: Veilig bij twee gelijktijdige storingen (geschikt voor Zone 0, EPL Ga)
• Ex ib: Veilig bij één fout (geschikt voor Zone 1, EPL Gb)

Fouten omvatten kortsluitingen, open circuits, aardfouten, defecte componenten en combinaties daarvan.

Praktische vergelijking

Wanneer explosieveilig (Ex d) gebruiken

Beste toepassingen:

• Elektromotoren — Hoge startstromen en continu vermogen
• Verlichtingsarmaturen — Halogeen-, LED- of fluorescentielampen die netspanning vereisen
• Grote aansluitdozen — Verdeelpanelen met tientallen circuits
• Actuatoren en solenoïden — Kleppen die aanzienlijke kracht vereisen
• Bedieningspanelen — Lokale bedieningsinterfaces met drukknoppen, displays, relais

Voordelen:

• Geen stroombeperkingen — gebruik standaard industriële spanning en stroomsterkte
• Robuuste en beproefde technologie — wordt al meer dan 80 jaar gebruikt
• Zelfstandige bescherming — geen afhankelijkheid van externe barrières of berekeningen
• Standaard industriële componenten kunnen worden ondergebracht in Ex d-behuizingen

Nadelen:

• Zware behuizingen verhogen de installatie-moeilijkheid en de vereisten voor structurele ondersteuning
• Kan niet worden geopend terwijl het onder spanning staat in de geclassificeerde zone zonder een vergunning voor heet werk
• Hogere behuizingskosten als gevolg van machinale bewerking en druktesten
• Onderhoud vereist zorgvuldige hermontage om de brandwerendheid te behouden (koppelspecificaties, reinheid van verbindingen)

Wanneer intrinsieke veiligheid (Ex i) gebruiken

Beste toepassingen:

• Procesinstrumentatie — Temperatuur-, druk-, niveau- en debiettransmitters (4–20 mA-lussen)
• Gasdetectoren — Draagbare en vaste monitors
• Besturingssystemen — DCS/PLC I/O-circuits, veldbusnetwerken (HART, Profibus, Foundation Fieldbus)
• Telecommunicatie — Telefoons, intercoms, datalinks in gevaarlijke omgevingen
• Analytische instrumenten — Laboratoriumapparatuur, chromatografen die in Zone 1-gebieden worden gebruikt

Voordelen:

• Geschikt voor Zone 0 (Ex ia) — de enige gangbare beschermingsmethode die is toegestaan bij continue aanwezigheid van gas
• Lichtgewicht en compacte veldapparatuur
• Eenvoudige installatie — geen speciale behuizingen of kabelwartels
• Kan live circuits in het veld opsporen (afhankelijk van de procedures ter plaatse)
• Intrinsiek veilig – defecte componenten brengen de veiligheid niet in gevaar

Nadelen:

• Beperkt vermogen – niet geschikt voor motoren, verwarmingselementen of apparaten met een hoog wattage
• Beperkingen in kabellengte vanwege capaciteits-/inductiebeperkingen (vaak max. 1–3 km)
• Het ontwerp van het systeem vereist zorgvuldige berekeningen en documentatie
• Bijbehorende apparatuur (barrières/isolatoren) zorgt voor extra kosten en paneelruimte in de veilige zone
• Het combineren van ia- en ib-circuits vereist scheiding om kruisbesmetting te voorkomen

Kostenvergelijking

De kosten variëren per toepassing, maar de algemene trends zijn:

Kleine aansluitdoos (6 circuits)

• Ex d: € 400–€ 800 voor behuizing + € 50–€ 100 per gecertificeerde kabelwartel = € 700–€ 1.400 totaal
• Ex e (veiligheidsterminalbox): € 200–€ 400 + standaard kabelwartels = € 300–€ 600 totaal
• Ex i-systeem: veldterminatie in niet-Ex-behuizing (€ 50) + 6× veiligheidsbarrières (€ 100–€ 300 per stuk) = € 650–€ 1.850 totaal

Winnaar: Ex e voor aansluitdozen. Ex d is overdreven; Ex i-kosten stijgen met het aantal barrières.

Temperatuurtransmitter

• Ex d-behuizing + transmitter: € 800–€ 1.500 (zware behuizing vereist)
• Ex i-transmitter + barrière: € 400–€ 700 (transmitter) + € 100–€ 300 (barrière) = € 500–€ 1.000 totaal

Winnaar: Ex i voor procesinstrumentatie.

10 kW-motor

• Ex d-motor: € 2.500–€ 5.000 (vlamdichte behuizing en omkasting)
• Ex nA-motor (vonkvrij): € 1.800–€ 3.000 (alleen zone 2)
• Ex i: Niet haalbaar bij dit vermogensniveau

Winnaar: Ex d (of Ex nA voor Zone 2). Geen alternatief voor hoog vermogen in Zone 1.

Verschillen in grootte en gewicht

Voorbeeld: aansluitdoos voor 12 aansluitingen

• Ex d: 300 × 250 × 150 mm, 15 kg (gegoten aluminium)
• Ex e: 250 × 200 × 120 mm, 3 kg (kunststof of glasvezelversterkt polyester)
• Ex i-veldbehuizing: 150 × 100 × 80 mm, 0,5 kg (polycarbonaat), aansluitingen meestal in de controlekamer

Impact: Explosieveilige behuizingen vereisen stevige montagebeugels en mogelijk structurele versterking. Intrinsiek veilige veldapparaten kunnen vaak worden gemonteerd met eenvoudige klemmen of DIN-railclips.

Veelvoorkomende misvattingen

"Explosieveilig betekent dat het niet explodeert"

Nee. Het betekent dat als er een interne explosie plaatsvindt, deze wordt ingeperkt en zich niet verspreidt naar de externe atmosfeer. De apparatuur is ontworpen om een interne explosie te overleven en veilig te ontluchten.

"Intrinsiek veilige apparatuur kan nooit gas doen ontbranden"

Dat klopt als het systeem correct is ontworpen, geïnstalleerd en onderhouden. Intrinsieke veiligheid is echter een systeemconcept: veldapparaat + bijbehorende apparatuur + kabel. Als een onderdeel niet correct is (verkeerde barrière, te lange kabel, installatiefout), komt de veiligheid in het gedrang.

"Ex i is altijd veiliger dan Ex d"

Beide methoden bieden gelijkwaardige veiligheid wanneer ze correct worden toegepast. Ex ia is uniek omdat het geschikt is voor Zone 0, maar binnen hun respectieve zones zijn beide even betrouwbaar.

"U kunt standaard kabelwartels gebruiken met Ex d-apparatuur"

Nee. Voor kabelinvoeren in vlambestendige behuizingen moeten gecertificeerde Ex d-kabelwartels of goedgekeurde afdichtingstechnieken worden gebruikt. Standaard industriële wartels behouden de vlambestendigheid niet.

"Intrinsiek veilige circuits hebben geen kabelgoot nodig"

Dit geldt voor explosiebeveiliging (geen speciale kabelgoten of kabelwartels nodig), maar fysieke bescherming en scheiding van niet-IS-circuits blijven van toepassing volgens de installatienormen van IEC 60079-14.

Ex d en Ex i combineren

Hybride benaderingen zijn gebruikelijk:

Ex d + Ex i-veldbus

Een vlambestendige aansluitdoos (Ex d) in zone 1 bevat een intrinsiek veilig veldbussegment (Ex ia). De Ex d-behuizing biedt mechanische bescherming en een weerbestendige omgeving, terwijl het IS-circuit zone 0-aftakkingen naar instrumenten mogelijk maakt.

Ex e + Ex i-aansluitingen

Terminalboxen met verhoogde veiligheid (Ex e) worden vaak gebruikt voor IS-circuits. De Ex e-behuizing voorkomt vonken/lichtbogen bij de aansluitingen en het IS-circuit zorgt voor ontstekingspreventie. Deze combinatie is populair voor marshalling-kasten in zone 1.

Ex d-motor met Ex i-besturing

Een vlambestendige motor (Ex d) zorgt voor de mechanische aandrijving, terwijl de besturingssignalen (start/stop, VFD-feedback) gebruikmaken van IS-circuits voor flexibiliteit en lagere bekabelingskosten.

Verschillen in installatie en onderhoud

Explosieveilig (Ex d)

• Installatie: Draai bouten vast tot de gespecificeerde waarden (meestal 5-20 Nm, afhankelijk van de grootte). Reinig brandwerende verbindingen vóór montage (geen verf, vet of vuil). Gebruik gecertificeerde kabelwartels met de juiste schroefdraad en kabeldiameter.
• Inspectie: Visuele controles op schade aan verbindingen, corrosie of openingen. Controleer jaarlijks het aanhaalmoment van de bouten. Controleer op ongeoorloofde wijzigingen (geboorde gaten, gelaste bevestigingen).
• Onderhoud: Schakel de stroom uit voordat u de behuizing opent in geclassificeerde gebieden, tenzij er procedures voor heet werk worden gevolgd. Reinig verbindingen met een pluisvrije doek en isopropylalcohol. Vervang beschadigde pakkingen of afdichtingen. Draai de bouten bij het opnieuw monteren opnieuw vast.

Intrinsiek veilig (Ex i)

• Installatie: Controleer de kabelparameters (C_o, L_o) aan de hand van de entiteitsparameters (C_i, L_i, C_o, L_o). Zorg voor een goede aarding van de barrière/isolator. Scheid IS-kabels van niet-IS-circuits (aparte kabelgoot/kabelbak of minimaal 50 mm afstand).
• Inspectie: Controleer de integriteit van de aardverbinding van de barrière/isolator (lage weerstand tegen equipotentiaalverbinding). Controleer op kabelbeschadiging of ongeoorloofde circuitwijzigingen. Controleer of de systeemdocumentatie overeenkomt met de geïnstalleerde configuratie.
• Onderhoud: Werkzaamheden kunnen onder spanning worden uitgevoerd (als de procedures ter plaatse dit toestaan). Vervang veldapparatuur zonder de spanning uit te schakelen. Het testen van barrières/isolatoren gebeurt doorgaans in een veilige omgeving. Gebruik alleen gecertificeerde vervangingsonderdelen met overeenkomende entiteitsparameters.

Samenvatting: de juiste methode kiezen

Gouden regel: gebruik intrinsieke veiligheid voor instrumentatie- en communicatiecircuits. Gebruik explosieveiligheid voor stroomcircuits en apparatuur die de IS-energielimieten overschrijden. Raadpleeg bij twijfel IEC 60079-14 (installatienorm) of een gecertificeerde Ex-professional.

Gerelateerde onderwerpen

• Beschermingsmethoden — Alle Ex-types, waaronder Ex d, Ex i, Ex e en andere
• Apparatuurbeveiligingsniveaus — Hoe Ga/Gb/Gc zich verhouden tot ia/ib en geschiktheid voor zones
• Installatie en inspectie — Juiste installatietechnieken voor Ex-apparatuur
• Ex-markeringen lezen — Ex d- en Ex ia/ib-typeplaatjes ontcijferen