НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
На предприятиях химической, угольной, нефтехимической, газовой промышленности для сопряжения контрольно измерительного оборудования, размещённого во взрывобезопасной зоне, с устройствами и приборами, установленными во взрывоопасных зонах, в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями применяются барьеры искрозащиты на стабилитронах. Барьер искрозащиты на стабилитронах (БИС) представляет собой удовлетворяющий требованиям стандарта ГОСТ Р 51330.10 99 (МЭК 60079 11 99) узел законченной конструкции, который может изготавливаться в виде от дельного устройства или части искробезопасного и связанного электрооборудования.
Обычно БИС выполнен как единый неразборный блок, залитый компаундом или помещённый в неразборную оболочку, что исключает возможность ремонта или замены элементов его внутреннего монтажа. БИС состоит из шунтирующих стабилитронов и последовательно включённых резисторов или резисторов и предохранителей (рис. 1).
В нормальном режиме работы электрооборудования напряжение пробоя стабилитронов не превышается — стабилитрон не проводит ток. При возникновении аварии во вторичной части измерительной системы, расположенной в безопасной зоне, и при превышении внешним напряжением значения напряжения пробоя стабилитрона (рабочей областью стабилитронов является участок на обратной ветви вольт амперной характеристики) он переходит в режим стабилизации уровня напряжения при изменении величины протекающего через него тока. Стабилитрон начинает проводить ток. Последовательно включённый резистор ограничивает ток в цепи взрывоопасной зоны. При достижении током определённого значения срабатывает встроенный предохранитель F1, что предотвращает передачу недопустимо большой электрической мощности из безопасной зоны в электрические цепи оборудования, расположенного во взрывоопасной зоне. Таким образом обеспечивается искробезопасный ток (напряжение, мощность или энергия) в электрической цепи, при котором не может про изойти воспламенение во взрывоопасной зоне, и в то же время сохраняются нормальные условия для прохождения через барьер электрических сигналов без их шунтирования. Точки 7 и 8 подключаются к электрооборудованию, установленному вне взрывоопасной зоны. Это оборудование не должно содержать источников энергии с напряжением выше 250 В относительно земли. К точкам 1 и 2 допускается подключение только взрывозащищённого электрооборудования с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», предназначенного для установки в конкретных классах взрывоопасных зон, имеющего сертификат соответствия, свидетельство о взрывозащищённости и разрешение Госгортехнадзора РФ на применение во взрывоопасных зонах. БИС разработаны с учётом использования в большинстве задач, связанных с обеспечением искробезопасности цепей систем автоматизации и управления во взрывоопасных средах. Поэтому они могут применяться для подключения и двухпроводных датчиков, и электропневматических преобразователей, и электромагнитных клапанов, и других традиционных устройств систем автоматизации. Допускается подключение и так называемого простого электрооборудования — электрических элементов или комбинаций элементов, имеющих простую конструкцию с точно определёнными электрическими параметрами, совместимыми с допустимыми параметрами для искробезопасной цепи, к которой они подключаются. К простому электрооборудованию относят: а)пассивные элементы, например выключатели, потенциометры и резисторы; б)накапливающие энергию устройства, имеющие точно известные пара метры, например конденсаторы или катушки индуктивности; в)источники энергии, например термопары и фотоэлементы, в которых значения генерируемого напряжения, тока или мощности не превышают соответственно 1,5 В, 100 мА и 25 Вт. Необходимо отметить, что простое электрооборудование должно соответствовать всем требованиям ГОСТ Р 51330.10 99 (МЭК 60079 11 99) «Электрооборудование взрывозащищённое. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь i». БИС идентифицируется по показателям напряжения, сопротивления и полярности, например «10 В, 50 Ом, положительная полярность». Первые два показателя соответствуют напряжению стабилизации стабилитрона, или максимальному выходному напряжению (UZ), и суммарному сопротивлению всех компонентов барьера (последовательное сопротивление). Значение Ik (максимальный выходной ток) получается делением UZ на сопротивление R1, которое в основном определяет величину последовательного со противления барьера. В идентификационных маркировочных табличках на конкретные барьеры приводятся значения UZ и Ik для наихудшего случая, полученные при сертификационных испытаниях. Следует подчеркнуть, что это экстремальные значения показателей, которые не соответствуют рабочему диапазону БИС. В идеальном случае стабилитроны не должны вообще пропускать ток в об ратном направлении до тех пор, пока не будет достигнуто значение напряжения пробоя. На практике стабилитроны допускают небольшой ток утечки, значение которого увеличивается с ростом приложенного напряжения. Следовательно, напряжение рабочей области БИС должно быть ниже напряжения стабилизации, так чтобы протекающий через стабилитрон ток был ограничен до минимума. Обычно БИС должен обеспечивать при заданном напряжении ток утечки менее 10 мкА. Допустимое значение напряжения указывается в перечне технических характеристик для каждого типа барьеров вместе со значением тока утечки. Если значение тока утечки для приведённого напряжения отличается от 10 мкА, то это указывается особо. Так, для барьеров серий Z7хх, Z8хх, Z9хх фирмы Pepperl+Fuchs Elcon данные параметры указаны в [1] и в приложении к Свидетельству о взрывозащищённости электрооборудования (электротехнических устройств) ЦС ВЭ ИГД № 2001.C138. Рис. 2 поясняет принцип работы БИС. Ток утечки через стабилитроны составляет 10 мкА при условии, что напряжение питания менее 25,5 В. Такой ток является допустимым по величине и не оказывает большого влияния на нагрузку (рис. 2 а). В случае если напряжение превышает 25,5 В (максимально допустимое значение входного напряжения), стабилитроны начинают проводить ток, который существенно превышает ток утечки и, протекая че рез стабилитроны, не достигает цепей нагрузки во взрывоопасной зоне (рис. 2 б). Поэтому рекомендуется применять источник с управляемым напряжением, который поддерживает значение напряжения ниже значения, при котором стабилитроны начинают проводить ток.
БИС характеризуются низким значением последовательного сопротивления, определяемого суммой сопротивлений резистора R1 и предохранителя F1. Вследствие этого случайное короткое замыкание точек 1 и 2 может вы звать перегорание внутреннего предо хранителя F1. Для того чтобы избежать это, некоторые барьеры серии Z имеют в своём составе электронные устройства ограничения тока (исполнение CL — current limitation). На рис. 3 при ведена схема БИС Z715 со встроенным электронным ограничителем тока, а на рис. 4 — приведена схема БИС Z954 cо встроенными токоограничивающими резисторами. Некоторые барьеры используют сменные дополнительные предохранители. Эти предохранители обеспечивают защиту в случаях смены полярности рабочего напряжения, скачка напряжений и т.п., которые ча сто происходят во время ввода системы в эксплуатацию. Они устанавливаются таким образом, чтобы иметь возможность среагировать на значение тока раньше внутреннего предохранителя F1.
Все БИС серии µZ600 фирмы Pepperl+Fuchs Elcon снабжены дополнительными сменными предохранителями; рис. 5 приведена схема популярно го БИС µZ631+ со сменным дохранителем. Необходимо заметить, что этот сменный предохранитель обеспечивает также удобство отклю чения или размыкания цепи сигнала при проверках и обслуживании. Многие барьеры имеютные сопротивления, подключённые между выходными точками. Они применяются в схемах с первичными преобразователями, имеющими унифицированный токовый выход (4…20 мА). В качестве примера та кого барьера на рис. 6 представлена схема БИС Z788.R (Z888.R, Z888.R.H).
К ВОПРОСУ О ЗАЗЕМЛЕНИИ
В простейших случаях для решения задач обеспечения искрозащиты применяются одноканальные БИС, подключенные к системе заземления с помощью специально предназначенных для этого соединительных устройств. В качестве таких устройств используется контакт на монтажном основании корпуса барьера, обеспечивающий подключение внутренней электрической цепи БИС к защитному заземлению при установке барьера на DIN рейку, а также по крайней мере одно соедини тельное устройство (интегрированная клемма) для подключения к заземлению изолированным проводом с площадью поперечного сечения не менее 4 мм2. Если БИС не соединён с контуром заземления, то при аварийном режиме возможно возникновение искрового во взрывоопасной зоне (рис. 7). Если же БИС заземлён, то в аварийном режиме при возникновении потенциала, превышающего допустимый, стабилитроны переходят в рабочий режим (участок пробоя обратной ветви вольт амперной характеристики), и протекающий через них ток от по контуру заземления Необходимо запомнить, что БИС могут применяться только в том случае, если они заземлены через эквипотенциальную систему заземления (электрическое соединение, обеспечивающее для различных проводящих участков и прочих сторонних проводящих частей практически равный электрический потенциал), изолированную от точек заземления силовых установок и надёжно присоединённую к точке заземления. Если эквипотенциальная система заземления не может быть организована, то БИС не могут быть применены. Одним из требований ГОСТ Р 51330.10 99 к электрическим цепям является отсутствие заземления у искробезопасной цепи (ИБЦ), если этого не требуют условия работы электрооборудования. Устройства, установленные во взрывоопасной зоне и подключённые к БИС, такие как термопары, термометры сопротивления, выключатели, электропневматические преобразователи, электроклапаны и т. п., должны быть изолированы от заземления; изоляция должна выдерживать испытательное напряжение, равное удвоенному номинальному напряжению искробезопасной цепи, но не менее 500 В переменного тока (действующее значение). В случае если устройства, уста новленные во взрывоопасной зоне, заземлены, для обеспечения искробезопасности цепи применяются барьеры с гальванической развязкой между цепями, подключёнными к установленному вовзрывоопас ной зоне электрооборудованию, и цепями, проложенными вовзрывобезопасной зоне. В этом случае не требуется организация эквипотенциальной системы заземления. Часто аналоговые электроцепи подключаются через двухканальные БИС. Пример применения двух канального БИС показан на рис. 9. Так как в этом случае подключение дат чика выполнено без соединения с контуром заземления, то полученная в результате система может считаться плавающей. Подобные решения на базе многоканальных БИС способствуют улучшению соотношения сигнал/шум при передаче сигнала, а дополни тельным преимуществом их применения является более компактное размещение аппаратуры.
Источник: Жданкин В.К. Оценка искробезопасности электрических цепей// Cовременные технологии автоматизации.
🔗 Барьеры искрозащиты на стабилитронах:критерии выбора и особенности применения (Часть 1)