Проектирование систем автоматизации. Курс лекций

4.5. Взрывозащита

Во многих технологических процессах и производствах, особенно в химической, нефтехимической, нефтяной и газовой промышленно- сти имеются участки, на которых присутствуют горючие газы во взрывоопасной концентрации или возможно появление таких газов во взрывоопасной концентрации. Применяемое на таких участках оборудование, в том числе технические средства АСУТП, не должно вызвать воспламенение горючих газов, для чего участки технологи- ческих процессов и производств должны быть соответственно клас- сифицированы и идентифицированы, а оборудование в необходимых случаях должно иметь надлежащее исполнение, называемое взрыво- защищенным.

Взрывозащита – меры, предотвращающие воздействие на людей опасных и вредных факторов взрыва и обеспечивающие сохранение материальных ценностей.

Классификация взрывоопасных зон определена стандартами ГОСТ Р 51330.9–99 (МЭК 60079-10–95) [4.10] и ГОСТ Р 52350.10–2005 (МЭК 60079-10–2002) [4.11]. В настоящее время действуют оба стан- дарта, более поздний содержит ряд уточнений в значениях критериев классификации, поэтому при проведении классификации взрывоопас- ных зон предпочтительно использовать его. Классификация взрыво- опасных зон также приведена в главе 7.3 Правил устройства электроус- тановок (ПУЭ) [4.12].

В ГОСТ Р 52350.10–2005 даны следующие определения взрыво- опасной среды и взрывоопасных зон:

«2.1 взрывоопасная среда (explosive atmosphere): смесь горюче-

го газа, пара, тумана или твердых частиц горючего вещества (пыли или волокон) с воздухом при нормальных атмосферных условиях, в которой при воспламенении горение распространяется на весь объем несгоревшей смеси.

2.2взрывоопасная газовая среда (explosive gas atmosphere):

Смесь горючего газа или пара с воздухом при нормальных атмо- сферных условиях, в которой при воспламенении горение распро- страняется на весь объем несгоревшей смеси.

2.3взрывоопасная зона (hazardous area): зона, в которой имеет-

ся или может образоваться взрывоопасная газовая смесь в объеме, требующем специальных мер защиты при конструировании, изго- товлении и эксплуатации электроустановок.

71

2.4 взрывоопасные зоны в зависимости от частоты и длительности присутствия взрывчатой газовой смеси подразделяют на три класса:

2.4.1 зона класса 0: зона, в которой взрывоопасная смесь присут- ствует постоянно или в течение длительных периодов времени.

2.4.1 зона класса 1: зона, в которой существует вероятность при- сутствия взрывоопасной газовой смеси в нормальных условиях экс- плуатации.

2.4.1 зона класса 2: зона, в которой маловероятно присутствие взрывоопасной газовой смеси в нормальных условиях эксплуатации, а если она возникает, то редко и существует очень непродолжитель- ное время».

ГОСТ Р 52350.0–2005 [4.13] предусматривает разделение элек- трооборудования для взрывоопасных газовых сред на следующие группы:

I – электрооборудование, применяемое в шахтах (рудниках), опасных по рудничному газу (метану);

II – электрооборудование, используемое во взрывоопасных газо- вых средах, кроме шахт (рудников), опасных по рудничному газу (метану).

Электрооборудование группы II может подразделяться на под- группы в соответствии с категорией взрывоопасности смеси, для ко- торой оно предназначено. Классификация смесей паров и газов с воздухом по безопасным экспериментальным максимальным зазорам и минимальным воспламеняющим токам определена ГОСТ Р 51330.11–99 (МЭК 60079-12–78) [4.14]. Для электрообору-

дования с взрывозащитой вида «взрывонепроницаемая оболочка d» газы и пары классифицируют согласно безопасным минимальным экспериментальным зазорам (БЭМЗ). Для электрооборудования с взрывозащитой типа «искробезопасная электрическая цепь i» газы и пары классифицируют согласно соотношению их минимальных вос- пламеняющих токов (МВТ) к минимальному воспламеняющему току лабораторного метана.

Установлены следующие категории взрывоопасности газов и па- ров (подгруппы электрооборудования группы II) в зависимости от БЭМЗ:

IIA – БЭМЗ ≥ 0,9 мм;

IIB – БЭМЗ более 0,5 мм, но менее 0,9 мм; IIС – БЭМЗ ≤ 0,5 мм.

72

В зависимости от соотношения МВТ установлены следующие ка- тегории взрывоопасности газов и паров (подгруппы электрооборудо- вания группы II):

IIA – соотношение МВТ более 0,8;

IIB – соотношение МВТ от 0,45 до 0,8 включительно; IIС – соотношение МВТ менее 0,45.

Для классификации большинства газов и паров достаточно ис- пользовать только БЭМЗ или только соотношение МВТ.

ГОСТ 51330.11–99 предусмотрены следующие методы классифи- кации:

а – классифицировано по БЭМЗ;

b – классифицировано по соотношению МВТ;

с – классифицировано как по БЭМЗ, так и по соотношению МВТ; d – классифицировано согласно сходству химической структуры

(предварительная классификация).

Классификация электрооборудования группы II по максимальной температуре поверхности в соответствии с ГОСТ Р 52350.0–2005 приведена в табл. 4.4.

Предусмотрены следующие виды взрывозащиты:

•взрывозащита вида взрывонепроницаемая оболочка «d» – это метод, в котором электротехнические оборудование помещается в прочную оболочку, способную выдержать внутренний взрыв без де- формирования корпуса. Защита обеспечивается зазорами элементов корпуса, которые обеспечивают выход газов, образовавшихся во время вспышки во внешнюю атмосферу без подрыва окружающей взрывоопасной среды. (ГОСТ Р 52350.1–2005 [4.15]);

•искробезопасная электрическая цепь «i» – ограничение элек- трической энергии в электрооборудовании и соединительной провод- ке, которые подвергаются воздействию потенциально взрывоопасной

73

атмосферы, до значения ниже уровня, вызывающего воспламенение от искрения или нагрева (ГОСТ Р 52350.11–2005 [4.16]);

•заполнение или продувка оболочки под избыточным давлени- ем «p» – защитный газ (инертный газ или воздух) поддерживается под давлением выше давления во внешней среде и используется для защиты от образования взрывоопасной газовой смеси в оболочках, которые не содержат внутренний источник утечки воспламеняюще- гося газа или пара. Если оболочка содержит внутренний источник утечки, защитный газ подается в количестве, достаточном для того, чтобы концентрация взрывоопасного вещества вокруг электрическо- го компонента была вне пределов взрываемости (ГОСТ Р 52350.2– 2006 [4.17]);

•кварцевое заполнение оболочки «q» – части, способные вос- пламенить взрывоопасную газовую смесь, фиксируются в опреде- ленном положении и полностью окружены заполнителем, предот- вращающим воспламенение окружающей взрывоопасной среды

(ГОСТ Р 52350.5–2006 [4.18]);

•масляное заполнение оболочки «о» – электрооборудование или его части погружены в защитную жидкость так, что взрывоопасная атмосфера, которая может быть над жидкостью или снаружи оболоч- ки, не может воспламениться (ГОСТ Р 52350.6–2006 [4.19]);

•защита вида «е» (повышенная надежность) – способ, заклю- чающийся в том, что в электрооборудовании, не имеющем нормаль- но искрящих частей, принят ряд специальных мер, исключающих опасные нагревы, электрические искры и дуги, способные воспламе- нить взрывоопасные смеси (ГОСТ Р 52350.7–2005 [4.20]);

•защита вида «n» – вид взрывозащиты, заключающийся в том, что электрооборудование, при конструировании которого приняты дополнительные меры защиты, в нормальном и некоторых ненор- мальных режимах работы не может вызвать воспламенение окру-

жающей взрывоопасной газовой среды (ГОСТ Р 52350.15– 2005 [4.21]);

• герметизация компаундом «m» – изоляция путем помещения в компаунд тех электрических элементов, которые могут вызвать под- жигание взрывоопасной смеси при наличии искры или продолжи-

тельного нагрева (ГОСТ Р 52350.18–2006 [4.22]).

Наиболее распространенными видами взрывозащиты являются «взрывонепроницаемая оболочка d» и «искробезопасная электриче- ская цепь i». Искробезопасные цепи «i» классифицируются по трем

74

уровням: ia, ib, ic. Цепи уровня ia не должны вызывать воспламене- ние взрывоопасной смеси при двух повреждениях, уровня ib – при одном. К цепям уровня ic понятие повреждений не применяется.

Искробезопасная электрическая цепь реализуется при помощи барьеров искрозащиты. Пассивные барьеры искрозащиты реализу- ются на основе стабилитронов (диодов Зенера). Принципиальная схема барьера MTL7128+ производства компании MTL Instruments (Великобритания) приведена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Простейший барьер искрозащиты

Барьер устанавливается во взрывобезопасной зоне, к клеммам 3 и 4 подключается соединительный кабель, идущий к оборудованию во взрывоопасной зоне. К клеммам 1 и 2 подключается находящееся во взрывобезопасной зоне и не являющееся взрывозащищенным обору- дование, например, контроллер системы управления. Стабилитроны и резистор ограничивают напряжение и ток во взрывоопасной зоне до значений, делающих невозможным воспламенение газов и паров. Плавкий предохранитель обеспечивает размыкание цепи, если ток превышает допустимое значение. Для применения барьеров искро- защиты требуется разрешение Ростехнадзора.

Более сложным устройством является активный барьер (изоля- тор). Схема включения активного барьера MTL5541 приведена на рис. 4.6.

75

достигнет опасного значения, время реакции системы составляет по- рядка 1,2 мкс. Обнаружение угрозы искрообразования основано на анализе динамики силы тока, протекающего по цепи.

4.6. Заземление

Заземление является одной из самых плохо понимаемых тем в ав- томатизации. Часто ему уделяется недостаточное внимание, его реа- лизуют с грубыми ошибками, диагностика причин проблем, обу- словленных ненадлежащим заземлением, весьма затруднительна. Сложность темы обусловлена распределением в пространстве источ- ников и приемников помех, случайностью момента возникновения помех. Теоретический анализ каждой конкретной ситуации в доста- точно полном объеме требует решения системы дифференциальных уравнений в частных производных для трехмерной задачи, и потому обычно не применяется. В работе [4.24] отмечается, что «решение проблем заземления в настоящее время находится на грани между пониманием, интуицией и везением». Эмоциональная ссылка на ин- туицию не вполне оправдана, мы при рассмотрении заземления бу- дем руководствоваться пониманием.

Под заземлением понимают как соединение с грунтом Земли, так и соединение с общим проводом электрической схемы, потенциал ко- торого принимают за нулевой и относительно которого измеряют по- тенциалы прочих элементов схемы. Например, в автомобиле землей считается его металлический кузов, в портативном компьютере с пи- танием от аккумулятора – общий провод, соединенный с помехоза- щитным экраном. Далее для наземных промышленных объектов под землей будем понимать электрическое соединение с грунтом Земли.

Защитным заземлением называется электрическое соединение то- копроводящих частей оборудования с землей для защиты персонала от поражения электрическим током.

Общим проводом называется проводник в системе, относительно которого отсчитываются потенциалы. Обычно рассматривают провод, общий для источника питания и подключенных к нему устройств.

Сигнальным заземлением называется соединение с землей общего провода цепей передачи сигнала. Сигнальную землю иногда делят на аналоговую и цифровую, а сигнальную аналоговую – на землю ана- логовых входов и землю аналоговых выходов.

Защитное заземление предназначено исключительно для защиты людей от поражения электрическим током. Его устройство регламен-

77

тируется правилами устройства электроустановок (ПУЭ) [4.12]. Сле- дует отметить, что применение заземления может привести к увели- чению помех в системе управления, но требование защитного зазем- ления является обязательным и отказаться от него нельзя.

Сигнальная земля служит для упрощения электрической схемы и удешевления систем и устройств промышленной автоматики. Сиг- нальное заземление используется для уменьшения влияния электро- магнитных помех на систему управления. Как правило, с сигнальным заземлением проблем намного больше, чем с защитным. Сигнальная земля может подразделяться на базовую и экранную. Базовая земля используется для отсчета потенциалов и передачи сигналов, а экран- ная – для заземления экранов и корпусов. Экранная земля также применяется для снятия возникающих из-за трения статических за- рядов конвейерных лент, приводных ремней и т.п.

Защитное заземление зданий, в том числе промышленных, регла- ментируется ПУЭ. Заземлители могут быть естественными – сталь- ные и железобетонные каркасы производственных зданий, металли- ческие конструкции производственного назначения, металлические стационарные открыто расположенные трубопроводы (кроме трубо- проводов горючих и взрывоопасных веществ, канализации и цен- трального отопления) и т.д. Искусственные заземлители конструк- тивно представляют собой стержни, уголки и т.п., помещенные вер- тикально в землю на глубину 3 м или горизонтально на глубину 0,5...0,7 м. Заземление системы управления и ее составных частей реализуется с учетом имеющейся системы заземления здания. По- скольку на промышленном объекте эксплуатируется большое коли- чество мощных потребителей электроэнергии, в частности, электро- двигателей, возможны значительные помехи по цепи заземления. Есть два основных варианта борьбы с этими помехами – выполнение отдельной земли по технологии искусственного заземления в грунт с соединением этого заземления с общим заземлением здания строго в одной точке для выравнивания потенциалов и применение изолиро- ванного провода, не имеющего нигде контакта с металлическими конструкциями здания и соединенного с основной клеммой заземле- ния у ввода питающего фидера в здание.

Отметим, что отдельная система сигнального, экранного и т.д. за- земления является отдельной в том смысле, что к ней подключены все цепи, для которых она предназначена, и никакие другие цепи к ней не подключены. Она не является электрически изолированной от защит-

78

ного заземления и других систем заземления, каждая система зазем- ления имеет соединение с другой системой строго в одной точке.

Негативное воздействие на систему управления оказывают сле- дующие помехи:

•помехи из сети электроснабжения;

•молнии и атмосферное электричество;

•статическое электричество;

•кондуктивные наводки;

•электромагнитные наводки.

Помехи из сети электроснабжения 220/380 В 50 Гц проявляются в виде фона с частотой 50 Гц, выбросов напряжения от разряда мол- ний, кратковременных затухающих колебаний при переключении электрической нагрузки. Менее существенны высокочастотные по- мехи, наложенные на синусоиду частотой 50 Гц, нестабильность во времени среднеквадратичного значения сетевого напряжения (ин- франизкочастотный шум), искажения формы синусоиды и гармони- ки. Для гашения кратковременных выбросов напряжения используют защитные диоды и варисторы. Инфранизкочастотный шум и искаже- ния синусоиды компенсируются стабилизатором и сглаживающим фильтром сетевого источника питания. Помехи от сети питания про- никают через паразитную емкость между обмотками силового трансформатора, далее ток помехи протекает по общему проводу ис- точника питания и заземлителю, создавая на их сопротивлении на- пряжение помехи. Также на линию заземления наводят помехи токи, протекающие через емкости между обмотками электродвигателей и их корпусами, через конденсаторы сетевых фильтров и т.д. Для уменьшения проникновения помехи через источник питания исполь- зуют раздельное экранирование первичной и вторичной обмоток трансформатора, а также разделение сигнальной и корпусной земли.

Молнии являются причиной нежелательных перенапряжений, сбоев и отказов в системах управления. Для защиты от прямого уда- ра молнии используют молниеотводы, соединенные проводом с за- землителем. Заземлитель молниеотвода выполняют отдельно от за- щитного заземления здания, но электрически соединяют с ним для выравнивания потенциалов и устранения возможных искрений. Для защиты от наводимых молнией повышенных напряжений использу- ются разрядники и варисторы, шунтирующие защищаемые цепи при возникновении высокого напряжения. Для защиты от атмосферного электричества гальванически изолированные цепи, не имеющие низ-

79

коомного пути на землю, помещают в защитный экран. Экран соеди- няют с землей в одной точке.

Статическое электричество возникает на диэлектрических мате- риалах. Классическим примером источника статического электриче- ства является ременный привод, состоящий из двух шкивов и ди- электрического ремня. Для борьбы со статическим электричеством на взрывоопасных производствах используют ремни с проводящими присадками или металлизацией. Для снятия с них статических заря- дов используют заземленные металлические щетки и т.п. приспособ- ления. Также для борьбы со статическим электричеством применяет- ся увлажнение воздуха. Системы управления защищают от сбоев, вызываемых статическим электричеством, посредством электроста- тических экранов, соединенных с экранным заземлением.

Кондуктивные наводки – это помехи, которые передаются не че- рез электромагнитное поле, а при прохождении электрического тока по общим для двух и более цепей проводникам, как правило, через общие участки линий питания или заземления. Обычно наводки соз- дают шаговые электродвигатели с импульсным питанием, мощные печи с широтно-импульсным управлением и т.д. Пример возникно- вения помехи по шине заземления приведен на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Кондуктивная помеха при неправильном соединении земель и питания: Eпит – ЭДС источника питания;

Eс – ЭДС источника сигнала; Aвх – аналоговый вход; AGND – аналоговая земля; DGND – цифровая земля; Dвых – дискретный выход

Ток питания Iпит цифровой части модуля ввода проходит по об- щему участку провода, имеющему сопротивление Rобщ, и создает на

80