Вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь»

В предыдущей статье [1], опубликованной в «СТА» 2/98, были представлены различные методы защиты, применение которых позволяет снизить опасность взрыва или пожара на участках производства с наличием взрывоопасной среды, либо там, где существует потенциальная опасность появления такой среды. Вид взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» и виды защиты, основанные на идее изоляции, являются методами, которые ограничивают взрыв взрывоопасной смеси в пределах оболочки или изолируют электрооборудование от взрывоопасной атмосферы посредством защитного газа (воздуха или инертного газа). В обоих случаях требуется применение специальных оболочек, особой прокладки электрических проводов и размещение оборудования согласно определенным правилам, что требует значительных капитальных вложений.
Искробезопасная электрическая цепь определяется как цепь, в которой разряды или термические воздействия, возникающие во время нормального режима работы электрооборудования, а также в аварийных режимах, не вызывают воспламенения взрывоопасной смеси.
Вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» основывается на поддержании искробезопасного тока (напряжения, мощности или энергии) в электрической цепи. При этом под искробезопасным током (напряжением, мощностью или энергией) имеется в виду наибольший ток (напряжение, мощность или энергия) в электрической цепи, образующий разряды, который не вызывает воспламенения взрывоопасной смеси в предписанных соответствующими стандартами условиях испытаний. К такого рода стандартам можно отнести: ГОСТ 22782.5-78 «Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» или международные стандарты IEC 79-3 Spark Test Apparatus for IntrinsicallySafe Circuits, IEC 79-11 Construction and Test of Intrinsically Safe and Associated Apparatus.
В Соединенных Штатах Америки правомочной организацией по классификации взрывоопасных зон является Государственная ассоциация пожарной охраны (National Fire Protection Association — NFPA). NFPA отвечает за соблюдение Государственных электротехнических норм (National Electrical Code), североамериканского стандарта на взрывозащищенное электрооборудование с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», нормативных документов NFPA 70, NFPA 493.
Статья 500 Государственных электротехнических норм оговаривает применение электрооборудования во взрывоопасных зонах и определяет классификацию зон для возможных групп взрывоопасных веществ и величин температур самовоспламенения.
NFPA 493 относится к виду взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» и является авторитетным источником, на котором базируются стандарты для испытательных лабораторий таких, например, как Factory Mutual Research Corporation — FM (стандарт FM 3610) и Underwriters Laboratories — UL (cтандарт UL 913).
Североамериканский стандарт является равнозначным Европейскому стандарту EN 50.020 для уровня взрывозащиты «ia». Эти стандарты идентичны в части сертификации электрооборудования по отношению к существующей опасности: газ, пыль и температура воспламенения — и в части характеристик искробезопасности для омической, индуктивной и емкостной цепей. Различия лежат в обозначениях групп, в градациях величин температур самовоспламенения и в назначении коэффициентов искробезопасности.

Основные типы электрических цепей

Вспомним простейшие электрические цепи и рассмотрим их с точки зрения искробезопасности.
Типовая электрическая цепь содержит источник напряжения U, сопротивление R, индуктивность L, емкость С и переключатель S, соединенные, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Cхема электрическая типовой искробезопасной цепи

Для анализа электрической цепи на искробезопасность необходимо рассматривать реактивные элементы цепи (индуктивности и емкости), которые способны накапливать и отдавать энергию. Когда переключатель, расположенный в опасной зоне, разомкнут, конденсатор накапливает электрическую энергию, которая выделяется при замыкании переключателя, образуя электрическую искру. Таким же образом при замкнутом переключателе индуктивность накапливает магнитную энергию, которая выделяется в виде электрической дуги при размыкании переключателя. Значение энергии, выделяемой электрической цепью, должно быть ниже минимальной энергии поджигания газовоздушной смеси, присутствующей в опасной зоне.
Теоретическое определение точного значения энергии, накопленной в электрической цепи, не всегда возможно, особенно если вырабатываемая источником энергия выше энергии, накопленной реактивными элементами. По этой причине характеристики искробезопасных электрических цепей представляются в виде соотношения между электрическими параметрами цепи, напряжением, током и минимальной энергией поджигания опасной атмосферы.
Электрическая цепь любой сложности может быть последовательно рассмотрена как омическая, индуктивная и емкостная. Если критерии безопасности отвечают различным типам цепей, то исходная цепь может считаться искробезопасной.
Определение воспламеняющего тока для индуктивной, омической или емкостной цепи производится с помощью установок для контрольных испытаний электрических цепей на искробезопасность. Детальное описание методики определения воспламеняющего тока и напряжения и построения характеристик искробезопасности приводится в ГОСТ 22782.5-78 «Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь». Стандарт полностью соответствует документам МЭК 79-3 (1972 г.) и 79-11 (1976 г.) в части основных технических требований и методов испытаний. Характеристики искробезопасности строятся в прямоугольной системе координат с логарифмическим масштабом. Экспериментальные точки (воспламеняющие параметры) определяются для цепей с индуктивностью 1,10,100 мкГн; 1,10, 100 мГн; 1,10 Гн и т. д. или с емкостью 100, 1000, 10000, 100000 пФ; 1,10, 100 мкФ и т. д., с разрядными резисторами 1,10, 100, 1000 Ом и т.д. Величины напряжения принимаются, исходя из удобства их дальнейшего использования. Обычно используют ряд 7,5; 15; 24; 30; 45; 70; 120 В.

Омическая цепь
Электрическая цепь считается омической, если реактивные сопротивления (индуктивность или емкость) равны нулю или незначительны (рис. 2).

Рис. 2. Схема электрическая омической цепи

Энергия в этом типе электрической цепи зависит от напряжения источника питания U и тока, ограниченного резистором R. В этом случае трудно установить соотношение минимальной энергии поджигания и состояния в цепи, при котором образуется искра.
Экспериментальные исследования этого типа электрической цепи доказывают, что способность к воспламенению взрывоопасных смесей зависит от напряжения в режиме холостого хода U х.х. и тока короткого замыкания I к.з. Зависимости минимального воспламеняющего тока от напряжения источника в омической цепи (индуктивность менее 10^-4 Гн) для всех представительных взрывоопасных смесей показаны на рис. 3. Для определения значения искробезопасного тока (напряжения) необходимо при заданных электрических параметрах цепи определить минимальный воспламеняющий ток (напряжение) заданной взрывоопасной смеси и разделить его на коэффициент искробезопасности, т.е. на 1,5. При расчете цепей переменного тока необходимо принимать амплитудные значения тока и напряжения.

Рис. 3. Зависимости минимального воспламеняющего тока от напряжения источника в омической цепи (индуктивность менее 10^-4 Гн):
1 - группа I (метано-воздушная смесь);
2 - подгруппа IIА (пентано-воздушная смесь);
3 - подгруппа IIВ (этилено-воздушная смесь);
4 - подгруппа II0 (водородно-воздушная смесь)

Индуктивная цепь
Электрическая цепь считается индуктивной, если реактивное сопротивление, определяемое индуктивностью цепи, выше активного сопротивления. Схема электрическая индуктивной цепи приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема электрическая индуктивной цепи

Максимальный ток, протекающий в цепи при замкнутом переключателе, определяется как I= U/R
Индуктивность накапливает энергию в количестве E=1/2LI²
Когда цепь размыкается, напряжение на индуктивности (UL= L dI/dt) суммируется с энергией источника напряжения. Магнитная энергия, накопленная в индуктивности, и энергия источника выделяются в виде электрической дуги.
На рис. 5 приводятся зависимости минимального воспламеняющего тока от индуктивности цепи и напряжения источника для метано-воздушной смеси (группа I).