An toàn nội tại là gì? Định nghĩa, giới hạn và thiết kế khu vực nguy hiểm

Một kỹ thuật viên kẹp thiết bị phát hiện rò rỉ vào máy làm lạnh được nạp propan R290. Dụng cụ này chạy bằng pin 9 V, nằm cách khớp mới bắt đầu kêu khoảng 20 mm và không ai nhìn hai lần vào các thiết bị điện tử bên trong nó. Sự an toàn nội tại tồn tại bởi vì cái nhìn thứ hai đó là thứ ngăn chặn một vụ nổ. Thuật ngữ này mô tả một kỹ thuật bảo vệ giúp giữ năng lượng điện và nhiệt bên trong mạch ở mức dưới mức có thể đốt cháy bầu không khí dễ cháy xung quanh, trong hoạt động bình thường và trong một số điều kiện lỗi xác định.

Định nghĩa này nghe có vẻ khiêm tốn nhưng nó định hình lại mọi thứ ở phía dưới. Bởi vì sự bảo vệ đến từ việc hạn chế năng lượng chứ không phải từ việc ngăn chặn vụ nổ nên nó bao phủ toàn bộ vòng lặp, bao gồm cả các dây chạy ngược lại tủ điều khiển. Điều đó cũng có nghĩa là thiết kế có thể được tính toán và chứng nhận trước khi mọi thứ đến được địa điểm.

Định nghĩa chính thức và ba giới hạn

Cách diễn đạt chính thức lấy từ IEC 60079-11, tiêu chuẩn đằng sau ký hiệu Ex i và được lặp lại trong Chỉ thị ATEX Châu Âu 2014/34/EU và trong sơ đồ IECEx. Một thiết bị được coi là an toàn về bản chất khi năng lượng mà nó có thể giải phóng bị giới hạn để việc đánh lửa không thể xảy ra trong hoạt động bình thường hoặc trong các điều kiện lỗi xác định.

Ba đại lượng được điều khiển cùng nhau và bất kỳ đại lượng nào trong số chúng đều có thể gây cháy:

• Điện áp, vì tia lửa điện cần đủ điện thế để phá vỡ khe hở giữa các dây dẫn.
• Dòng điện, bởi vì năng lượng trong tia lửa điện tăng theo dòng điện và độ tự cảm của mạch điện.
• Công suất và nhiệt độ bề mặt, vì bề mặt nóng có thể đốt cháy khí mà không có bất kỳ tia lửa nào.

Các giới hạn không được người thiết kế lựa chọn. Mọi thiết bị hiện trường được chứng nhận đều được công bố với các thông số thực thể: điện áp đầu vào tối đa Ui, dòng điện đầu vào Ii, công suất đầu vào Pi, điện dung và điện cảm bên trong Ci và Li. Rào chắn hoặc bộ cách ly ở đầu kia của cáp công bố các giá trị đầu ra phù hợp Uo, Io và Po, trong khi cáp bổ sung điện dung và điện cảm cho mỗi mét chiều dài của nó. Một vòng lặp chỉ tuân thủ khi mỗi cặp xếp hàng với lề dự phòng.

Các quy tắc được cố tình bảo thủ. Đường cong đánh lửa tia lửa điện được áp dụng với hệ số an toàn, thường là 1,5, do đó giới hạn được chứng nhận đã nằm dưới năng lượng đốt cháy khí trong thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Đối với các khí nhóm IIC như hydro và axetylen, một mạch thông thường duy trì ở mức dưới 30 V, gần 100 mA và một phần watt, trong khi một thiết kế tương đương dành cho khí mêtan có thể mang nhiều hơn đáng kể. T6 giới hạn nhiệt độ bề mặt ở 85 độ C và T4 ở 135 độ C, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ tự bốc cháy của khí mà chúng bao phủ.

Một mạch an toàn nội tại thực sự chứa đựng những gì

Ba phần tạo nên một bản cài đặt hoạt động và cả ba phần phải khớp nhau trên giấy trước khi bất kỳ phần nào trong số chúng được đặt hàng.

Thiết bị hiện trường trong khu vực được phân loại

Đây là thiết bị, công tắc, cuộn dây hoặc cảm biến tiếp xúc với khí quyển và dấu hiệu của nó cho thấy khả năng chịu lỗi mà nó mang theo. Ex ia vẫn an toàn với hai lỗi và được phép ở Vùng 0, nơi có bầu không khí dễ cháy liên tục hoặc trong thời gian dài. Ex ib bao phủ Vùng 1 với một lỗi và Ex ic bao phủ Vùng 2, nơi không có khí quyển và tồn tại trong thời gian ngắn.

Rào chắn hoặc vật cách ly trong khu vực an toàn

Bộ máy liên quan hạn chế năng lượng truyền tới trường. Rào chắn zener sử dụng điốt shunt, cầu chì và điện trở, đồng thời cần nối đất an toàn chuyên dụng được đo ở mức dưới 1 ohm. Bộ cách ly điện hoạt động thông qua máy biến áp hoặc khớp nối quang và không cần nối đất an toàn, đó là lý do tại sao nó thường được chọn ở những nơi khó chứng minh và bảo trì nối đất.

Bộ máy đơn giản và các tiếp điểm thụ động

Không phải mọi thành phần đều cần có chứng chỉ riêng. IEC 60079-11 cho phép thiết bị đơn giản, được định nghĩa là thiết bị không tạo ra cũng như không lưu trữ quá 1,2 V, 0,1 A, 20 microjoule hoặc 25 mW. Công tắc thụ động, cặp nhiệt điện, hộp đầu cuối và các tiếp điểm công tắc áp suất đơn giản đủ điều kiện miễn là vòng lặp xung quanh đã bị giới hạn năng lượng. Đây là nơi bộ điều khiển áp suất làm lạnh giành được vị trí trong thiết kế: các tiếp điểm của nó dùng chung một vỏ với kết nối quy trình có thể nằm trong khu vực được phân loại và vì các tiếp điểm đó chỉ mang dòng điện vòng hạn chế nên vỏ bọc không nhất thiết phải trở thành hộp chống cháy.

Bộ điều khiển áp suất lạnh Bộ điều khiển áp suất làm lạnh có hình hộp chữ nhật với vỏ nhựa màu trắng chống ăn mòn. Đồng hồ đo áp suất con trỏ cơ học ở cả hai bên của... Xem sản phẩm →

Cáp giữa chúng

Cáp là một thành phần, không phải là phụ kiện. Hệ thống dây dẫn an toàn nội tại thường có vỏ bọc màu xanh lam và cách ly với các mạch không có IS bằng 50 mm hoặc bằng vách ngăn kim loại nối đất, đồng thời điện dung và điện cảm trên mỗi mét của nó được đưa vào tính toán vòng lặp.

An toàn nội tại so với các phương pháp bảo vệ khác

Bảo vệ khu vực nguy hiểm là một nhóm các kỹ thuật chứ không phải là một giải pháp duy nhất. Bảng dưới đây đặt sự an toàn nội tại bên cạnh các phương pháp thường được cân nhắc nhất.

Nơi an toàn nội tại thể hiện trong tủ lạnh và điều hòa không khí

Chất làm lạnh dễ cháy đã chuyển đối tượng từ nhà máy hóa chất vào phòng làm lạnh. R290 và R600a nằm trong nhóm A3, trong khi R32 và R454B nằm trong A2L, có nghĩa là không gian xung quanh thiết bị có thể được phân loại ở nơi đáng tin cậy có rò rỉ. Khi đã tồn tại một vùng, các bộ phận điện gắn vào mạch đó phải được bảo vệ tương ứng.

Các bộ phận điện bên trong vỏ bọc chất làm lạnh dễ cháy

Một cuộn dây điện từ mở ra khi có tải tạo ra chính xác tia lửa điện cảm ứng mà các thông số thực thể về điện cảm đã được ghi và công tắc áp suất mở khi có lỗi cũng làm như vậy. Do đó, cuộn dây, công tắc và cảm biến được chọn có tính đến vùng và định mức cuộn dây được kiểm tra riêng biệt với thân van. Van điện từ làm lạnh chẳng hạn như dòng EVR là một ví dụ quen thuộc về thân van được chọn để đảm bảo áp suất, khả năng tương thích với chất làm lạnh và độ kín, loại van chỉ phù hợp với khu vực được phân loại khi được ghép nối với cuộn dây và mạch được xếp hạng chính xác.

Van điện từ EVR Van điện từ EVRs are key components in refrigeration and air conditioning, controlling the flow of refrigerant through electromagnetic induction. Available in direc... Xem sản phẩm →

Trang web có ghi chú kỹ thuật ngắn gọn về cách Van điện từ loại EVR trong mạch điện lạnh hành xử đúng mực, đây là điểm khởi đầu hữu ích cho việc kiểm tra đó.

Nhiệt năng và công nóng gần mạch hở

An toàn nội tại bao gồm năng lượng nhiệt cũng như năng lượng điện, và công việc dịch vụ là nơi có sự khác biệt đó. Hàn một mối nối trên mạch điện vừa mới mở có nghĩa là ngọn lửa, ống nóng và chất làm lạnh có thể vẫn còn trong đường dây. Các biện pháp kiểm soát thực tế bao gồm thanh lọc nitơ, kiểm tra khí trước khi đốt ngọn đuốc và ngọn lửa có thể được giữ ở kích thước mà khớp nối thực sự cần thay vì ở mức cài đặt lớn nhất hiện có.

Súng hàn MAPP ống đôi Súng hàn MAPP ống kép được thiết kế cho các tình huống như bảo trì hệ thống điều hòa không khí và làm lạnh, hàn ống đồng chính xác, v.v. Nó áp dụng... Xem sản phẩm →

Chúng ta thực sự đang nói về bao nhiêu năng lượng

Năng lượng bốc cháy của các chất dễ cháy thông thường

Hình 1 biểu thị năng lượng đánh lửa của năm chất xuất hiện trong các nhà máy làm lạnh và chế biến. Hydro chỉ cần khoảng 0,017 mJ, gần bằng 1/16 năng lượng mà metan cần. Đó là lý do tại sao cùng một máy phát có thể mang biên độ dòng điện thoải mái trong nhà máy khí đốt tự nhiên nhưng vẫn thất bại trong việc kiểm tra thực thể trên đường trượt hydro, vì nhóm khí thay đổi đường cong mà phép tính chạy theo. Các con số cũng giải thích tại sao tiêu chuẩn này hoạt động theo miliwatt, vì cơ thể con người được tích điện tốt có thể giải phóng hơn 0,017 mJ. Do đó, thiết kế thực tế hướng tới hoạt động ở mức miliwatt và đó là phép tính số học đằng sau hệ số an toàn 1,5.

Năng lượng dự trữ trong cáp kết nối

Hình 2 chuyển đổi điện dung của cáp thành năng lượng dự trữ với mối quan hệ bình phương nửa CV quen thuộc ở điện áp vòng 24 V. Cáp thiết bị ở khoảng 60 pF trên mét đạt khoảng 8,6 microjoule trên 500 m, trong khi cáp đa dụng ở tốc độ 200 pF trên mét truyền được 28,8 microjoule trên cùng một khoảng cách. Đường đứt nét đánh dấu năng lượng đánh lửa 0,017 mJ của hydro mà cáp thông dụng đi qua ở khoảng cách khoảng 300 m và cáp thiết bị không bao giờ đạt tới trong phạm vi biểu đồ. Điểm giao nhau đó là lý do tại sao loại cáp, chiều dài cáp và điện áp vòng lặp lại nằm trên bản vẽ điều khiển thay vì để lại cho người lắp đặt. Nó cũng giải thích tại sao việc đổi cáp tại chỗ để có điện dung tương đương cao hơn là một sự thay đổi về thiết kế chứ không phải là một quyết định bảo trì.

Hai so sánh quyết định một thiết kế

Vòng lặp tiêu thụ bao nhiêu xếp hạng rào cản

Hình 3 thể hiện sự sắp xếp chung, một máy phát 24 V vẽ 20 mA từ một rào cản định mức ở 28 V, 93 mA và 0,65 W và cho thấy mỗi giới hạn mà vòng lặp tiêu thụ là bao nhiêu. Điện áp là giới hạn chặt chẽ nhất ở khoảng 86%, công suất theo sau là khoảng 74% và dòng điện hầu như không chạm vào khoảng 22%. Sự mất cân bằng đó là bình thường, bởi vì các vòng lặp trong khu vực nguy hiểm hầu như luôn bị giới hạn điện áp trong khi khoảng không gian hiện tại trông rộng rãi. Điều quan trọng là khi ai đó muốn thêm thiết bị thứ hai vào cùng một rào cản hoặc kéo dài thời gian chạy, vì quỹ điện áp sẽ biến mất rất lâu trước khi ngân sách hiện tại biến mất. Kiểm tra cả ba cặp, chứ không phải cặp có vẻ thoải mái, là điều giúp vòng lặp được chứng nhận.

Phương pháp bảo vệ theo năm tiêu chí thực tế

Hình 4 cho điểm độ an toàn nội tại, bảo vệ chống cháy và bảo vệ không gây cháy từ 1 đến 5 theo các tiêu chí thường quyết định một dự án: sự phù hợp với Vùng 0, khả năng bảo trì trực tiếp, chi phí lắp đặt, tính đơn giản của hệ thống dây điện và trọng lượng của phần cứng. An toàn nội tại tập trung vào Vùng 0 và bảo trì trực tiếp, đó là lý do tại sao đây là mặc định cho các thiết bị phải được hiệu chuẩn trong khi nhà máy đang chạy. Khả năng bảo vệ chống cháy hướng tới sự đơn giản hóa hệ thống dây điện vì vỏ bọc hoạt động được và không cần tính toán vòng lặp nhưng lại đạt điểm thấp về bảo trì trực tiếp và trọng lượng phần cứng. Bảo vệ không gây cháy nổ đạt đến giới hạn về chi phí và hệ thống dây điện vì nó chỉ dành cho Vùng 2, nơi khó có khả năng tạo ra bầu không khí dễ cháy và tồn tại trong thời gian ngắn. Đọc ba hình dạng cùng nhau sẽ đưa ra quy tắc thực tế: trước tiên hãy khớp phương pháp với vùng, sau đó để chi phí và bảo trì lựa chọn giữa các phương pháp đủ điều kiện.

Việc xác minh là yếu tố phân biệt bản cài đặt tuân thủ với bản cài đặt chỉ có vẻ thuyết phục. Trước khi vòng lặp đi vào hoạt động, hãy kiểm tra số chứng chỉ và nhãn hiệu trên thiết bị, xác nhận rằng Uo bằng hoặc dưới Ui, Io bằng hoặc dưới Ii và Po bằng hoặc dưới Pi, sau đó thêm điện dung và điện cảm của cáp theo Co và Lo. Hãy đọc cả các điều kiện đặc biệt được in sau số chứng chỉ vì chúng thường có chữ X và hạn chế về cách sử dụng thiết bị. Cuối cùng, hãy xác nhận loại nhiệt độ so với khí hoặc hơi thực sự có mặt, vì thiết bị được xếp hạng T4 không được tự động chấp nhận khi giới hạn T6 được đặt.

Việc lựa chọn thành phần thường quyết định mức độ dễ dàng của bài tập đó. Một công tắc áp suất với các thông số thực thể được công bố, một cuộn dây điện từ được xếp hạng cho vùng và một dây cáp có điện dung được nêu trên biểu dữ liệu sẽ biến một phép tính khó thành một danh sách kiểm tra ngắn. Khi một dự án trộn các mạch môi chất lạnh dễ cháy với các khu vực được phân loại, cần sớm xem xét lại danh sách thành phần theo tính toán vòng lặp trước khi cố định bản vẽ.

Nếu bạn đang chỉ định các bộ phận cho một hệ thống như thế này, nói chuyện với đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi về chất làm lạnh, vùng và điện áp điều khiển trước khi đặt hàng.