7.1. Искробезопасная электрическая цепь
Защита вида "искробезопасная электрическая цепь" является самой распространенной в промышленных контроллерах [Денисенко]. Искробезопасной называют электрическую цепь, в которой любое искрение не вызывает воспламенение; более точно, вероятность того, что воспламенение возникнет, составляет менее 0,001. Тепловое воздействие такой цепи также не способно воспламенить взрывоопасную смесь.
Для того, чтобы электрическая цепь была искробезопасной, необходимо удовлетворить множеству требований стандарта ГОСТ Р 51330.10 [ГОСТ], однако смысл этих требований сводится к ограничению энергии и мощности искры до безопасных значений. Возможность защиты от взрыва таким способом основана на том, что воспламенение и взрыв происходят только при условии, если энергии искры достаточна для инициализации цепной реакция горения, а мощность искры достаточна для компенсации утечки тепла из ядра пламени. Величина энергии воспламенения колеблется от 60 мкДж для водородно-воздушной смеси до 8...50 мДж для зерновой пыли [Семенов].
Для ограничения энергии искры  нужно ограничить ток, напряжение и продолжительность искрения, поскольку
 , где  - напряжение между искрящими проводниками,  - ток искры,  - время,  - продолжительность искрения. Ограничение тока можно осуществить с помощью резисторов, ограничение напряжения - с помощью стабилитронов, ограничение длительности искрения - с помощью постоянной времени  или  , где  - сопротивление,  - емкость,  - индуктивность.
Для описания требований к искробезопасным цепям стандарт [ГОСТ] вводит понятие неповреждаемого элемента (элемент, вероятностью повреждения которого можно пренебречь при анализе искробезопасности), учитываемого повреждения (допустимое количество которых определяют уровень искробезопасности цепи) и неучитываемого повреждения (считается, что такое повреждение всегда имеет место). Например, к неучитываемым повреждениям относятся повреждения зазоров шириной менее 0,5 мм, т.е. для оценки уровня искробезопасности следует считать, что они повреждены всегда. К учитываемым относится, например, повреждение резистора, если он нагружен не более чем на 2/3 от номинального тока и напряжения. Если нагрузка превышает это значение, то считается, что резистор уже поврежден.
Стандарт [ГОСТ] вводит три уровня безопасности электрической цепи: ia, ib, iс. Искробезопасная цепь уровня iс не должна вызывать воспламенение, если в ней произошли некоторые или все неучитываемые повреждения. Цепь уровня ib не должна воспламенять взрывоопасную смесь, если в ней произошли все неучитываемые повреждения и одно учитываемое. Цепь уровня ia не должна воспламенять взрывоопасную смесь, если в ней произошли одновременно все неучитываемые повреждения и одно или два учитываемых. Технически повышение уровня искробезопасности достигается резервированием или применением неповреждаемых (в смысле ГОСТ 51330.10) элементов.
Устройства (контроллеры, модули ввода-вывода, датчики, исполнительные механизмы), применяемые на взрывоопасных объектах, делятся на три больших класса:
- устройства, являющиеся полностью искробезопасными;
- устройства, относящиеся к "cвязанному оборудованию", которые содержат как искробезопасные, так и искроопасные цепи, причем искроопасные цепи не могут влиять на искробезопасные;
- обычные устройства, применяемые совместно с барьерами искробезопасности.
Связанное оборудование обеспечивает передачу информации между взрывоопасной и безопасной зонами. Например, если преобразователь интерфейсов RS-232 и RS-485 содержит искроопасные цепи интерфейса RS-232 и искробезопасные цепи интерфейса RS-485, между которыми существует неповреждаемое (в смысле ГОСТ 51330.10) разделение, то он относится к связанному оборудованию. Типичным примером связанного оборудования являются барьеры искробезопасности [ГОСТ]. В маркировке связанного оборудования присутствуют квадратные скобки, например: [Exia] IIC. В маркировке искробезопасного оборудования их нет, например: ExiaIICТ6. Подробнее о маркировке взрывозащищенных изделий и выборе аппаратных средств для взрывоопасных производственных объектов см. раздел "Выбор аппаратных средств" [Денисенко].
Искробезопасные устройства могут быть расположены как внутри взрывоопасной зоны, так и вне ее (рис. 7.1). Связанное оборудование может располагаться только вне взрывоопасной зоны, но его искробезопасные цепи могут идти внутрь взрывоопасной зоны (на рис. 7.1 искробезопасными являются цепи интерфейса RS-485 и питания 12 В, 0,9 А).
 |
|
Рис. 7.1. Пример расположения модулей ввода-вывода серии NL-Ex [Денисенко] во взрывоопасной зоне
|
При проектировании контроллеров с искробезопасными цепями принимают меры, чтобы любые неисправности в устройстве не могли вызвать искру или нагрев поверхности до опасной температуры. Однако в результате монтажа системы автоматизации появляются дополнительные емкости и индуктивности кабелей, а также входные емкости и индуктивности других устройств, которые, суммируясь, могут превысить допустимые значения. Поэтому на корпусе искробезопасного оборудования указывают не только его собственные параметры, но и допустимые параметры подключаемых цепей. К таким параметрам относятся следующие [ГОСТ]:
- - максимальное напряжение на искроопасных зажимах связанного электрооборудования, которое еще не приводит к нарушению искробезопасности;
- - максимальное входное напряжение на клеммах искробезопасных цепей, которое еще не приводит к нарушению искробезопасности;
- - максимальное выходное напряжение, которое может появиться на зажимах искробезопасных цепей в случае приложения к нему максимальных значений
 и  ;
- - максимальный входной ток, который может протекать в соединительных цепях между искробезопасными устройствами без нарушения искробезопасности;
- - максимальный выходной ток, который может протекать в соединительных цепях между искробезопасными устройствами в случае приложения максимальных напряжений и ;
- - максимальная входная мощность искробезопасной цепи, которая может рассеиваться в электрооборудовании без нарушения его искробезопасности;
- - максимальная электрическая мощность на выходе искробезопасной цепи устройства;
- - максимальное значение емкости, которое может быть подключено к клеммам устройства без нарушения его искробезопасности;
- - суммарная эквивалентная внутренняя емкость устройства, которая может оказаться подключенной к его клеммам;
- - максимальное значение индуктивности, которое может быть подключено к клеммам устройства без нарушения его искробезопасности;
- - суммарная эквивалентная внутренняя индуктивность устройства, которая может оказаться подключенной к его клеммам;
- - максимальное отношение индуктивности к сопротивлению внешней электрической цепи, которое не нарушает его искробезопасность;
- - максимальное отношение внутренней индуктивности к внутреннему сопротивлению, которое может иметь место на его клеммах.
Приведенные условные обозначения являются стандартными и должны быть указаны на всех видах искробезопасного оборудования.
В случае переменного напряжения в приведенных определениях везде понимается его амплитудное значение, за исключением , которое является действующим.
|
|
