Vad är egensäkerhet? Definition, gränser och utformning av riskområden

En tekniker klämmer fast en läckagedetektor på en kylare laddad med R290 propan. Verktyget drivs på ett 9 V-batteri, sitter cirka 20 mm från en led som precis börjat gråta och ingen tittar två gånger på elektroniken inuti den. Egensäkerhet existerar eftersom den andra titten är det som förhindrar en explosion. Termen beskriver en skyddsteknik som håller den elektriska och termiska energin inuti en krets under den nivå som kan antända den omgivande brandfarliga atmosfären, vid normal drift och under ett definierat antal feltillstånd.

Definitionen låter blygsam, men den omformar allt nedströms. Eftersom skyddet kommer från att begränsa energin snarare än att begränsa en explosion, täcker det hela slingan, inklusive ledningarna som går tillbaka till kontrollskåpet. Det betyder också att designen kan beräknas och certifieras innan någonting når platsen.

Den formella definitionen och de tre gränserna

Den formella formuleringen kommer från IEC 60079-11, standarden bakom Ex i-märkningen, och den upprepas i det europeiska ATEX-direktivet 2014/34/EU och i IECEx-schemat. En anordning kvalificeras som egensäker när energin den kan frigöra är begränsad så att antändning inte kan ske vid normal drift eller under definierade felförhållanden.

Tre kvantiteter kontrolleras tillsammans, och vilken som helst av dem kan starta en brand:

• Spänning, eftersom en gnista behöver tillräckligt med potential för att bryta ner gapet mellan ledarna.
• Ström, eftersom energin i en brytgnista stiger med ström och med kretsinduktans.
• Effekt och yttemperatur, eftersom en het yta kan antända en gas utan någon gnista alls.

Gränserna är inte valda av designern. Varje certifierad fältenhet publiceras med enhetsparametrar: maximal inspänning Ui, ingångsström Ii, ineffekt Pi och intern kapacitans och induktans Ci och Li. Barriären eller isolatorn i andra änden av kabeln publicerar matchande utgångsvärden Uo, Io och Po, medan kabeln lägger till kapacitans och induktans för varje meter av dess längd. En loop är bara kompatibel när varje par ställer upp med marginal till övers.

Reglerna är medvetet konservativa. Gnistantändningskurvor tillämpas med en säkerhetsfaktor, vanligtvis 1,5, så den certifierade gränsen ligger redan under den energi som antände gasen i laboratorietester. För grupp IIC-gaser som väte och acetylen förblir en typisk krets under 30 V, nära 100 mA och en bråkdel av en watt, medan en jämförbar design för metan kan bära märkbart mer. T6 begränsar yttemperaturen till 85 grader Celsius och T4 vid 135 grader Celsius, långt under självantändningstemperaturen för de gaser som de täcker.

Vad en egensäker krets faktiskt innehåller

Tre delar utgör en fungerande installation, och alla tre måste matcha på papper innan någon av dem beställs.

Fältenheten i det sekretessbelagda området

Detta är instrumentet, omkopplaren, spolen eller sensorn som exponeras för atmosfären, och dess märkning visar feltoleransen den bär. Ex ia förblir säker med två fel och är tillåten i zon 0, där en brandfarlig atmosfär förekommer kontinuerligt eller under långa perioder. Ex ib täcker zon 1 med ett fel och Ex ic täcker zon 2, där en atmosfär är osannolik och kortlivad.

Barriären eller isolatorn i det säkra området

Den tillhörande apparaten begränsar energin som når fältet. En zenerbarriär använder shuntdioder, en säkring och ett motstånd, och behöver en dedikerad säkerhetsjord mätt på under 1 ohm. En galvanisk isolator fungerar genom transformatorer eller optisk koppling och behöver ingen säkerhetsjord, varför den ofta väljs där jordning är svår att bevisa och underhålla.

Enkel apparat och passiva kontakter

Inte varje komponent behöver ett eget certifikat. IEC 60079-11 tillåter enkel utrustning, definierad som en enhet som varken genererar eller lagrar mer än 1,2 V, 0,1 A, 20 mikrojoule eller 25 mW. Passiva brytare, termoelement, anslutningslådor och enkla tryckvaktskontakter är kvalificerade så länge som den omgivande slingan redan är energibegränsad. Det är här en kyltrycksregulator tjänar sin plats i en design: dess kontakter delar ett hus med en processanslutning som kan sitta i ett klassificerat område, och eftersom dessa kontakter alltid bara bär en begränsad slingström, behöver höljet inte bli en flamsäker låda.

Kyltrycksregulator Kyltrycksregulatorn har en rektangulär låda med ett vitt, korrosionsbeständigt plasthölje. Mekaniska pektrycksmätare på båda sidor av... Visa produkt →

Kabeln mellan dem

Kabel är en komponent, inte ett tillbehör. Egensäkra ledningar är normalt blåmantlade och åtskilda från icke-IS-kretsar med 50 mm eller av en jordad metallvägg, och dess kapacitans och induktans per meter läggs in i slingberäkningen.

Egensäkerhet jämfört med andra skyddsmetoder

Skydd av riskområden är en familj av tekniker snarare än ett enda svar. Tabellen nedan sätter egensäkerhet vid sidan av de metoder som den oftast vägs mot.

Där egensäkerhet visar sig i kyla och luftkonditionering

Brandfarliga köldmedier flyttade ämnet från den kemiska anläggningen till kylrummet. R290 och R600a sitter i grupp A3, medan R32 och R454B sitter i A2L, vilket innebär att utrymmet runt en apparat kan klassificeras där en läcka är trovärdig. När en zon väl finns, måste de elektriska delarna som är anslutna till den kretsen skyddas i enlighet därmed.

Elektriska komponenter inuti ett brandfarligt köldmediehölje

En solenoidspole som öppnas under belastning producerar exakt den induktiva brytgnistan som entitetsparametrar för induktans skrevs för, och en tryckbrytare som öppnar på ett fel gör detsamma. Spolar, brytare och sensorer väljs därför med tanke på zonen, och en spoleklassning kontrolleras separat från ventilhuset. En kylmagnetventil som EVR-serien är ett välbekant exempel på en kropp vald för tryck, köldmediekompatibilitet och tätning, en som blir lämplig för ett klassificerat område endast när den paras ihop med en korrekt klassad spole och krets.

EVR magnetventil EVR magnetventils are key components in refrigeration and air conditioning, controlling the flow of refrigerant through electromagnetic induction. Available in direc... Visa produkt →

Webbplatsen har en kort teknisk notering om hur Magnetventiler av EVR-typ i kylkretsar bete sig i tjänst, vilket är en användbar utgångspunkt för den kontrollen.

Termisk energi och heta arbeten nära en öppen krets

Egensäkerhet omfattar såväl termisk energi som elektrisk energi, och servicearbete är där den skillnaden biter. Att löda en skarv på en krets som just har öppnats innebär en låga, ett hett rör och köldmedium som fortfarande kan finnas i ledningen. De praktiska kontrollerna är en kvävespolning, en gaskontroll innan brännaren tänds och en ficklampa vars låga kan hållas i den storlek som fogen faktiskt behöver snarare än vid den största tillgängliga inställningen.

Dubbelrör MAPP svetspistol MAPP-svetspistolen med dubbla rör är designad för scenarier som underhåll av luftkonditionering och kylsystem, precisionssvetsning av kopparrör, etc. Den använder... Visa produkt →

Hur mycket energi pratar vi egentligen om

Tändenergi av vanliga brandfarliga ämnen

Figur 1 visar antändningsenergin för fem ämnen som dyker upp i kyl- och processanläggningar. Väte behöver bara cirka 0,017 mJ, ungefär en sextondel av den energi som metan kräver. Det är därför samma sändare kan bära en bekväm strömmarginal i en naturgasanläggning och ändå misslyckas med enhetskontrollen på en vätgassladd, eftersom gasgruppen ändrar kurvan som beräkningen går mot. Siffrorna förklarar också varför standarden fungerar i milliwatt, eftersom en välladdad människokropp kan frigöra mycket mer än 0,017 mJ. Praktisk design syftar därför till milliwattdrift, och det är aritmetiken bakom säkerhetsfaktorn 1,5.

Lagrad energi i anslutningskabeln

Figur 2 omvandlar kabelkapacitans till lagrad energi med det välbekanta halva CV-kvadratförhållandet vid en slingspänning på 24 V. Instrumentkabeln med cirka 60 pF per meter når ungefär 8,6 mikrojoule över 500 m, medan kabeln för allmänt bruk vid 200 pF per meter passerar 28,8 mikrojoule över samma avstånd. Den streckade linjen markerar 0,017 mJ antändningsenergin för vätgas, som den allmänna kabeln korsar på cirka 300 m och instrumentkabeln aldrig når inom det kartlagda området. Den korsningen är anledningen till att kabeltyp, kabellängd och slingspänning hör hemma på kontrollritningen istället för att lämnas till installatören. Det förklarar också varför byte av en kabel på plats mot en högre kapacitans är en designändring snarare än ett underhållsbeslut.

Två jämförelser som avgör en design

Hur mycket av en barriärklassning en slinga förbrukar

Figur 3 tar ett gemensamt arrangemang, en 24 V-sändare som drar 20 mA från en barriär med 28 V, 93 mA och 0,65 W, och visar hur mycket av varje gräns som slingan förbrukar. Spänningen är den hårdaste begränsningen på cirka 86 procent, effekten följer med cirka 74 procent och strömmen är knappt rörd på cirka 22 procent. Den obalansen är normal, eftersom slingor för farliga områden nästan alltid är spänningsbegränsade medan den nuvarande höjden ser generös ut. Det spelar roll när någon vill lägga till en andra enhet till samma barriär eller förlänga körningen, eftersom spänningsbudgeten försvinner långt innan den nuvarande budgeten gör det. Att kontrollera alla tre paren, snarare än det som ser bekvämt ut, är det som håller en loop certifierad.

Skyddsmetoder över fem praktiska kriterier

Figur 4 poängsätter egensäkerhet, flamsäkert skydd och icke-antändande skydd från ett till fem på kriterierna som vanligtvis avgör ett projekt: lämplighet för zon 0, tolerans för underhåll under spänning, installationskostnad, enkel kabeldragning och hårdvarans vikt. Egensäkerhet fyller ut formen mot Zon 0 och levande underhåll, varför det är standard för instrument som måste kalibreras medan anläggningen är igång. Flamsäkert skydd sträcker sig mot enkel kabeldragning, eftersom kapslingen gör jobbet och ingen slingberäkning behövs, men den ger låga poäng på liveunderhåll och hårdvaruvikt. Icke brandfarligt skydd når ytterkanten på kostnad och ledningar eftersom det endast är avsett för zon 2, där en brandfarlig atmosfär är osannolik och kortlivad. Att läsa de tre formerna tillsammans ger den praktiska regeln: matcha metoden med zonen först, låt sedan kostnad och underhåll välja mellan de metoder som kvalificerar sig.

Verifiering är det som skiljer en kompatibel installation från en som bara ser övertygande ut. Innan en slinga tas i bruk, kontrollera certifikatnumret och märkningen på enheten, bekräfta att Uo är vid eller under Ui, att Io är vid eller under Ii och att Po är vid eller under Pi, lägg sedan till kabelkapacitansen och induktansen mot Co och Lo. Läs även de speciella villkoren efter certifikatnumret, eftersom de ofta har ett X och en begränsning för hur enheten får användas. Slutligen, bekräfta temperaturklassen mot den gas eller ånga som faktiskt finns, eftersom en enhet som är klassad för T4 inte är automatiskt acceptabel där en T6-gräns har ställts in.

Komponentval avgör vanligtvis hur lätt den övningen blir. En tryckvakt med publicerade enhetsparametrar, en magnetspole klassad för zonen och en kabel vars kapacitans anges på databladet gör en svår beräkning till en kort checklista. När ett projekt blandar brandfarliga köldmediekretsar med klassificerade områden är det värt att se över komponentlistan mot slingberäkningen tidigt, innan ritningarna fixas.

Om du anger delar för ett system som detta, prata med vårt ingenjörsteam om köldmediet, zonen och styrspänningen innan beställningen görs.