Kable i osprzęt kablowy w urządzeniach i systemach ochronnych, w strefach zagrożonych wybuchem

Autor:
|

WSTĘP

W miejscu, w którym występuje potencjalne ryzyko pojawienie się atmosfery wybuchowej, niezbędne jest stosowanie urządzeń oraz podzespołów spełniających wymagania aktualnej dyrektywy ATEX (2014/43/UE). Typ urządzeń i systemów oraz ich komponentów przeznaczonych (nadających się) do zastosowania w strefach zagrożonych wybuchem zajmuje obecnie bardzo szeroką gamę produktów, które znajdują zastosowanie w branży chemicznej, firmach przetwarzających zboże, czy kopalniach.

Przed rozpoczęciem procesu projektowania należy wyznaczyć zasięg oraz rodzaj stref zagrożenia wybuchem, w tym celu stosuje się dokument zabezpieczenia przed wybuchem (DZPW).

To opracowanie pozwala na określenie prawidłowych założeń do projektu, ze względu na fakt, że cały sprzęt znajdujący się w strefie zagrożenia powinien być dostosowany do jej konkretnej specyfiki oraz sprzęt zabezpieczający, sterujący i regulacyjny przeznaczony do użytku poza strefą, a mający znaczenie dla eksploatacji sprzętu wewnątrz strefy powinien zapewniać bezpieczną eksploatację urządzeń i instalacji znajdujących w tej strefie. Dotyczy to wszystkich komponentów, do których należą też oczywiście kable, przewody i osprzęt kablowy.

Na całym świecie (w tym w Europie w ramach dyrektywy ATEX), z wyjątkiem USA i Kanady stosowany jest następujący podział grup i stref zagrożenia wybuchowego¹:

➡ Oznaczenia grup:
Grupa I: kopalnie,
Grupa II: gazy,
Grupa III: pyły.

➡ Strefy (dla gazów/par cieczy) prawdopodobieństwa wystąpienia wybuchu:
Strefa 0: przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa wstępuje stale, często lub przez długie okresy,
Strefa 1: przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa może czasami wystąpić w trakcie normalnego działania,
Strefa 2: przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa nie występuje w trakcie normalnego działania, a w przypadku wystąpienia, utrzymuje się przez krótki okres.

➡ Strefy (dla pyłów/proszków i włókien) prawdopodobieństwa wystąpienia wybuchu:
Strefa 20: przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa wstępuje stale, często lub przez długie okresy,
Strefa 21: przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa może czasami wystąpić w trakcie normalnego działania,
Strefa 22: przestrzeń, w której atmosfera wybuchowa nie występuje w trakcie normalnego działania a w przypadku wystąpienia, utrzymuje się przez krótki okres.

Tabela: Relacja pomiędzy poziomami zabezpieczenia sprzętu (EPL), kategoriami sprzętu i możliwością stosowania go w poszczególnych rodzajach stref zagrożenia

Kable dla urzadzen w strefach ATEX tabela

Urządzenia mogą być zabezpieczane przed wybuchem (spowodowaniem wybuchu) na wiele różnych sposobów, za pomocą:

  • osłon (obudów) ognioszczelnych – „d”,
  • osłon gazowych z nadciśnieniem – „p” (wypełnienia obudowy gazem niewybuchowym),
  • osłon piaskowych – „q”,
  • osłon olejowych – „o”,
  • budowy wzmocnionej – „e”,
  • iskrobezpieczeństwa – „i”,
  • budowy typu „n” (obudowa zapobiegająca wnikaniu do wnętrza łatwopalnych substancji – gazów, par, czy mgieł; tak zwana obudowa trudnooddychająca),
  • hermetyzacji „m”,
  • eliminacji źródeł zapłonu za pomocą metod konstrukcyjnych,
  • konstrukcyjnego zabezpieczenia urządzeń nieelektrycznych „c”,
  • nadzorowania źródeł zapłonu „b” (urządzeń nieelektrycznych),
  • zanurzenia w cieczy „k” (urządzeń nieelektrycznych).

SYSTEM ISKROBEZPIECZNY

Budowa urządzeń przeciwwybuchowych powinna być taka, by temperatura ich metalowej powierzchni obudowy i elementów zewnętrznych była niższa niż temperatura mieszaniny wybuchowej w otaczającej urządzenie przestrzeni. Mimo to należy również przeciwdziałać możliwości wytworzenia się mieszaniny wybuchowej we wnętrzu urządzenia. Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe w urządzeniach elektrycznych przeznaczonych do pracy na przykład w obecności mieszanin gazowych można osiągnąć poprzez:

a) osłonięcie części iskrzących i nagrzewających się (mogących spowodować zapalenie mieszaniny wybuchowej w taki sposób, aby uniemożliwić dostęp do nich mieszaniny wybuchowej,
b) osłonięcie części iskrzących i nagrzewających się osłoną zapobiegającą przeniesieniu się wybuchu z wnętrza osłony do otaczającej urządzenie mieszaniny wybuchowej,
c) wykonanie części mogących iskrzyć lub nagrzewać się ze zwiększoną niezawodnością elektryczną i mechaniczną,
d) wykonanie obwodów elektrycznych w sposób uniemożliwiający powstawanie iskier, łuków elektrycznych i podwyższonych temperatur, mogących zapalić mieszaniny wybuchowe. Zatem równie dobrze można uniemożliwić rozprzestrzenianie się wybuchu, jak i zapobiegać jego powstaniu².

Przez iskrobezpieczeństwo rozumie się zabezpieczenie polegające na ograniczeniu energii elektrycznej w urządzeniu i łączącym oprzewodowaniu, mającym kontakt z atmosferą wybuchową, do poziomu poniżej takiego, który może spowodować zapłon zarówno w wyniku iskrzenia, jak i nagrzewania się.

Urządzeniem iskrobezpiecznym nazywamy urządzenie, którego wszystkie obwody są iskrobezpieczne.

Schemat koncepcji projektowania systemu iskrobezpiecznego

Schemat koncepcji projektowania systemu iskrobezpiecznego

Jak to pokazano na schemacie istnieją dwa sposoby (strategie) uzyskania systemu iskrobezpiecznego:

➡ zaprojektowanie systemu kompletnego i poddanie go certyfikacji (zgodnie z normą PN-EN 60079-25:2011) lub

➡ wykorzystanie komponentów, co do których ich producenci zadeklarowali zgodność z wymaganiami dla danej strefy w określonych warunkach eksploatacji i połączenie ich w sposób gwarantujący właściwą współpracę w warunkach danej strefy. Posiadane przez producenta informacje muszą pozwalać na jednoznaczne ustalenie iskrobezpieczeństwa.

Przykłady przewodów iskrobezpiecznych (ochrona typu „i”):

Norma PN EN 60079-14 nie wprowadza zalecenia, aby do stref zagrożenia wybuchem 1, 2 oraz 21 i 22 musiałyby być stosowane kable i przewody o określonej (specjalnie) konstrukcji. Natomiast do stref 0 (dla gazów i par cieczy) oraz 20 (dla pyłów), czyli w strefach najbardziej niebezpiecznych, można stosować wyłącznie obwody elektryczne iskrobezpieczne. Dotyczy to w szczególności kabli i przewodów łączących moduły urządzeń (połączenia wewnętrzne i zewnętrzne).

W strefach zagrożenia wybuchem zaleca się³ stosowanie wyłącznie kabli izolowanych, gdzie minimalna wartość napięcia testowego pomiędzy żyłą przewodu z ziemią, żyłą przewodu a ekranem, ekranem a ziemią wynosi co najmniej 500 V AC lub 750 V DC, a pomiędzy przewodami przyjmuje się odporność co najmniej podwójną (1000 V AC i 1500 V DC). Dodatkowo pojemność pomiędzy żyłami oraz żyłami a ekranem nie powinna przekraczać 200 pF/m. Wartość indukcyjności nie powinna przekraczać 1 µH/m lub 30 µH/Ω dla obwodów przenoszących prądy do 3A. Przewody te są wyróżniane zwykle (zwyczajowo) kolorem jasnoniebieskim.

Ponadto średnice pojedynczych drutów lub drutów żył wielodrutowych nie powinny być mniejsze niż 0,1 mm.

OZ-BL elastyczny, metrowany przewód iskrobezpieczny w zewnętrznej izolacji w kolorze niebieskim.

Zdjęcie 1: Widok przewodu z rodziny OZ-BL

Zdjęcie 1: Widok przewodu z rodziny OZ-BL

Zdjęcie 2: Widok przewodu ekranowanego z rodziny OZ-BL-CY

Zdjęcie 2: Widok przewodu ekranowanego z rodziny OZ-BL-CY

Zdjęcie 3: Widok przewodu ekranowanego z rodziny OB-BL-PAAR-CY

Zdjęcie 3: Widok przewodu ekranowanego z rodziny OB-BL-PAAR-CY

Przewody OZ-BL-CYOB-BL-PAAR-CY dodatkowo pozwalają na projektowanie instalacji zgodnych z wymaganiami dyrektywy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

W wypadku kabli ekranowanych należy zapewnić, aby ekran, który co do zasady przewodzi prąd elektryczny, był tak dobrany, aby jak już wspomniano wyżej nie wytwarzał zbyt dużej temperatury.

Pokrycie oplotu ekranu powinno być nie mniejsze niż 60% (dla prawidłowych kabli silnikowych ekranowanych to i tak co najmniej 85%). Trudno jest tu doradzać, aby nie łączyć go z jednej strony, gdyż nie spełniałby właściwie przeznaczonej mu roli. Zatem należy zwrócić uwagę na zapobieganie ewentualnemu iskrzeniu w miejscach jego podłączenia oraz na temperaturę powstającą przy największym przewidywanym przepływie pasożytniczym.
W momencie zastosowania napędów o regulowanej prędkości w strefach zagrożenia wybuchem, kable łączące przekształtniki PWM z silnikami (oczywiście ekranowane i obustronnie uziemione) powinny być chronione za pomocą właściwych filtrów na wyjściu falowników (pomiędzy falownikiem i silnikiem).

Tarcze łożyskowe silników powinny być izolowane, napięcia wałowe zredukowane za pomocą odpowiednich układów pierścieni uziemiających. Należy rozważyć ewentualne dodatkowe połączenia wyrównawcze poza wykorzystaniem ekranów oraz zapewnić symetrię kabla (np. TOPFLEX EMV 3 PLUS). Pozostałe zasady doboru i prowadzenia kabli omówiono już powyżej.

Zdjęcie 4: Przykład dławików kablowych typu HSK-EX-Active

Zdjęcie 4: Przykład dławików kablowych typu HSK-EX-Active

W strefie zagrożenia wybuchem szczególną uwagę należy przywiązywać do doboru właściwego dławika do danej średnicy zewnętrznej przewodu. Nie można pozostawiać szczeliny pomiędzy uszczelką i powłoką przewodu, chodzi tu nie tylko o poziom ochrony IP, ale i kontrolę przedostawania się gazu i/lub pyłu do obudowy ze względów wybuchowych.

Kable przeznaczone do stref zagrożenia wybuchem produkowane są w sposób zapewniający niemal idealną kołowość przekroju poprzecznego. Podobnie jak uszczelki dławic, co zapobiega dodatkowo powstawaniu opisanego wyżej problemu.

Należy mieć świadomość, że stabilność procesu produkcji ma zasadnicze znaczenie dla utrzymania niezmiennych parametrów typu, oznacza to, że wyroby z różnych partii produkcyjnych można zawsze traktować jako spełniające zdefiniowane przez prawo, uszczegółowione przez normy i zadeklarowane przez producenta wymagania. Ma to kluczowe znaczenie dla instalacji do stref zagrożenia wybuchem, ponieważ wymagania z powodu wysokiego ryzyka są tu szczególnie rygorystyczne.

¹ Podobnie jak różne są strefy, tak różne muszą być pracujące w nich urządzenia.
² Oczywiście czynimy to jedynie w pewnym prawdopodobieństwem, zależnym bardzo od właściwej eksploatacji urządzeń. Przykładowo – niewłaściwe zamontowane uszczelnienia lub niewłaściwe dokręcenie śrub po otwarciu obudowy w celu dokonania przeglądu całkowicie zniweczy przeciwwybuchowość systemu.
³ Ponieważ z zasady stosowanie norm zharmonizowanych nie jest obowiązkowe, wszędzie stosowane jest w niniejszej pracy określenie nie kategoryczne, np. „zaleca się” zamiast kategorycznego „trzeba” itp. w wypadku zadeklarowania przez producent zgodności z daną normą, oczywiście wszystkie jej zalecenia muszą być respektowane w danym produkcie.