Особенности электропитания устройств во взрывоопасных зонах

Взрывозащищенные резервированные источники питания

Е.Г.Сайдулин
Директор компании «ЭТРА-спецавтоматика»

Для обеспечения безопасности во взрывоопасных зонах все оборудование, находящееся в этих зонах, а именно – извещатели, оповещатели, видеокамеры, источники питания, приемно-контрольные приборы и т. д., не должны служить источником воспламенения газовой или пылевоздушной среды.

Что для этого делается?

Способ 1. Ограничение электрической и тепловой энергии.

Искрообразование и нагрев электротехнических приборов могут послужить детонатором взрывоопасной воздушной среды. Но для того, чтобы взорвать взрывоопасную смесь нужна некая пороговая энергия, после чего процесс станет неконтролируемым и будет стремительно развиваться вплоть до взрыва. Что можно сделать для того, чтобы мощность электрического разряда, искры была меньше пороговой? Ограничить ток, напряжение, время прохождения электрического пробоя так, чтобы мощности его не хватило для начала процесса взрыва. Такой способ защиты называется «искробезопасная электрическая цепь i». Устройства с защитой вида i наиболее универсальны и могут применяться во взрывоопасных зонах любых классов. Этот способ защиты описывает ГОСТ Р 52350.11—2005 «Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь "i"»

Способ 2. Изоляция от внешней среды.

В этом случае электрическая и тепловая энергия в электротехническом приборе не ограничиваются, но энергия взрыва, который потенциально может произойти внутри корпуса прибора, не распространится на весь объем взрывоопасной зоны. Для этого применяются различные методы защиты, которые вне зависимости от технологии объединяет одно: локализация энергии взрыва.

Такие способы защиты обеспечивают, например, виды взрывозащиты взрывонепроницаемая оболочка «d» и герметизация компаундом «m».

Взрывонепроницаемая оболочка «d» должна обеспечить изоляцию устройства от внешней среды, от внутренних повреждений, при этом тепловая энергия взрыва, газы, выделяющиеся при горении не должны выделяться наружу. Этот способ защиты описывает ГОСТ Р 52350.1—2005 «Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред. Часть 1. Взрывонепроницаемые оболочки "d"».

Герметизация компаундом «m», в принципе, обеспечивает то же самое, но, как правило, относится к деталям и узлам устройства. Защиту компаундом регламентирует ГОСТ Р 52350.18-2006 «Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред. Часть 18. Конструкция, испытания и маркировка электрооборудования с взрывозащитой вида "герметизация компаундом "m"».

Есть и другие способы изоляции от внешней среды, но в сфере ОПС и систем безопасности они применяются достаточно редко, поэтому в пределах данной статьи рассматриваться не будут.

Рассмотрим теперь более детально применение выше описанных способов защиты в приложении к ОПС и системам безопасности.

Как правило, объект состоит из сочетания взрывоопасных и взрывобезопасных зон. Но все устройства, которые размещаются во взрывоопасной зоне, должны иметь соответствующую маркировку, определяющую допустимое их применение по классу взрывоопасной зоны, области применения, группе взрывоопасной смеси, температурному классу.

Устройства, которые используют взрывонепроницаемую оболочку «d» нетрудно отличить по внешнему виду: толстостенная увесистая конструкция, мощные крепежно-монтажные элементы и кабельные вводы, ведь конструкция корпуса должна выдержать резкое увеличение внутреннего давления, а также обеспечить требуемую механическую прочность от внешнего удара. Для монтажа приборов с Ехd-оболочками используются бронированные кабели или кабель прокладывается в металлических трубах. Естественно, что это влияет на стоимость компонентов системы ОПС, а также на их монтаж и обслуживание.

Рис.1 – Структурная схема системы ОПС сочетающая ПКП в обычном исполнении с извещателями с видом взрывозащиты «d».

В этом плане более выигрышными выглядят устройства с видом взрывозащиты «i». Более легкий корпус приборов, кабели можно прокладывать без дополнительных средств защиты, что делает такой вариант взрывозащиты более дешевым, а по надежности и более универсальным.

При этом, устройство, вырабатывающее энергию (ППКОП, источник питания) должно обеспечить требуемые энергетические параметры искробезопасной цепи «i». Для этого либо само устройство должно обеспечивать искробезопасное питание, либо между питающим выходом устройства и кабелем, идущим во взрывоопасную зону, должен быть барьер искрозащиты, обеспечивающий требуемые параметры питания и защиту искробезопасной цепи от возможных повреждений питающего оборудования.

Рис.2 – Структурная схема системы ОПС с искробезопасным шлейфом.

Но во взрывоопасной зоне необходимо размещать не только двухпроводные слаботочные извещатели, но и четырехпроводные извещатели (с отдельным питанием) световые, звуковые и речевые оповещатели, видеокамеры, прочее оборудование. В этом случае по линии питания нужно передавать уже не миллиамперы, а амперы постоянного тока.

При использовании трубной разводки линий питания можно вынести источник питания за пределы взрывоопасной зоны и от него, аналогично тому, как были подключены извещатели Exd, подать питание на мощные связанные устройства. (До того термин «связанные» в статье не применялся. Это оборудование, размещенное во взрывоопасной зоне и связанное с оборудованием, размещенным вне взрывоопасной зоны).

Рис.3 – Структурная схема централизованного обеспечения питанием мощного связанного оборудования ОПС, находящегося во взрывоопасной зоне.

Нужно учесть, что при такой – централизованной схеме энергоснабжения низковольтовым питанием, неизбежно встанет вопрос падения напряжения на длинных линиях питания, когда закон Ома неумолимо заставляет при увеличении длины и тока увеличивать сечение проводника. Особенно это ярко проявляется при использовании резервированных источников питания в режиме питания от аккумуляторной батареи. Тем самым увеличивается стоимость проекта.

Можно привести аналогию теплоснабжения города от удаленной ТЭЦ: длинные трубы большого сечения, потери в трубах, завышенная температура на входе, чтобы до батареи в доме хоть что-то приличное дошло.

Снизить стоимость на кабельные линии с одновременным увеличением надежности позволяют децентрализованные системы энергоснабжения, при этом низковольтный источник питания размещается как можно ближе к потребителю, т. е. внутри взрывоопасной зоны (которая может тянуться не один километр).

Рис.4 – Структурная схема децентрализованного обеспечения питанием мощного связанного оборудования ОПС, находящегося во взрывоопасной зоне.

Естественно, что при децентрализованной системе питания устройств выдвигаются требования взрывобезопасности к источнику питания, имеющем в своём составе аккумуляторную батарею. Маркировка такого ИП должна быть Exd или Exe.

Обеспечение питанием по искрозабезопасной цепи ограничено допустимыми параметрами, обеспечивающими искробезопасность цепи «i» и наличием энергетических барьеров искрозащиты. При протекании токов около 1А по 12В барьер искрозащиты должен быть активным, что снизит потери в самом барьере. При обеспечении этих условий также можно рассматривать централизованную и децентрализованную системы обеспечения питанием устройств.

Источники вторичного электропитания (ИЭ) резервированные, предназначенные для обеспечения электропитанием средств пожарной сигнализации, размещенных во взрывоопасных зонах должны конструктивно соответствовать требованиям Федерального закона № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», ГОСТ Р 53325-2009 «Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний», а также национальным стандартам по взрывобезопасности.

Применение источников вторичного электропитания регламентирует Свод Правил СП 5.13130.2009 «Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования.

По требованиям к источникам 1-й категории надежности электроснабжения источники вторичного электропитания резервированные обеспечивают питание средств пожарной сигнализации от двух источников электропитания: от питающей сети через понижающий источник питания либо от аккумуляторной батареи, резервирующей питание нагрузки при отключении питающей сети (п.5.2.1.1 ГОСТ Р 53325-2009). Поэтому резервированные ИЭ должны содержать канал питания нагрузки от сети, канал заряда АКБ от сети, канал разряда АКБ в нагрузку при отсутствии питающей сети.

Важным свойством резервированных ИЭ является обеспечение функционирования автоматических систем пожарной сигнализации (АСПС) при отключении основного питания и характеристики аккумулятора влияют на выполнение условий п.15.3 СП 5.1313.2009 «….должны обеспечивать питание указанных электроприемников в дежурном режиме в течение 24 ч плюс 1 ч работы системы пожарной автоматики в тревожном режиме».

В первую очередь «время жизни» связано с токами потребления нагрузки, далее – время зависит от емкости АКБ. Есть разные схемы обеспечения разряда АКБ, которые отличаются потерями в схеме и, в конечном итоге, возможной глубиной разряда. Приближенно оценить время разряда можно по емкости применяемой АКБ: 10-часовой разряд батареи при токе 10% от емкости полностью заряженной АКБ, это соотношение позволяет пропорционально пересчитать на токи нагрузки «время жизни» АСПС при питании от аккумуляторной батареи.

Во избежание повреждения АКБ необходимо обеспечить ограничение разряда батареи не ниже допустимого значения (определяется изготовителем ТД), ограничение уровня и темпа заряда.

Обязательное условие для источника по п.5.2.1.9 ГОСТ Р 533252009 - «ИЭ должен сохранять свои параметры при изменении напряжения по любому вводу электроснабжения от 85% до 110 % номинального значения». В этих условиях должен полностью работать сетевой канал источника питания, заряжаться АКБ. Если ИЭ обеспечивает работу сетевого канала в увеличенном, относительно требуемого, диапазоне напряжения, то это косвенно влияет на «время жизни» АСПС, поскольку причиной перехода на питание от АКБ является не только полное отключение питающей сети, но и выход сетевого напряжения на уровни, которые не позволяют питать нагрузку по сетевому каналу.

Импульсный источник питания, как правило, имеет более широкий диапазон входных напряжений, чем трансформаторный. Как следствие, при просадке напряжения может продолжить работу сетевой канал импульсного ИЭ, не задействуя для питания нагрузки аккумуляторную батарею.

Для обеспечения низковольтным электропитанием связанного оборудования во взрывоопасной зоне (в частности, приборов АСПС и систем безопасности) можно подойти двумя способами:

1. 1. Резервированный ИЭ устанавливается вне взрывоопасной зоны. В этом случае ИЭ может не иметь средств взрывозащиты, но во взрывоопасной зоне питающие кабельные линии должны иметь соответствующую защиту. Недостатком этого способа электропитания является тот факт, что нужно учитывать неизбежное большое падение напряжения при длинных линиях питания. В шахтах, в тоннелях, да и на других промышленных взрывоопасных объектах, расстояния до взрывобезопасной зоны могут быть очень большими. Такой способ обеспечивает централизованное питание устройств, находящихся во взрывоопасной зоне (см. рисунок 3).
2. 2. При втором способе электропитания резервированный ИЭ устанавливается непосредственно во взрывоопасной зоне. Тогда можно построить распределенную систему обеспечения периферийных устройств АСПС (и не только) низковольтным питанием. В этом случае резервированный ИЭ можно установить в непосредственной близости от потребителей энергии (светозвуковые оповещатели (табло), охранные и пожарные извещатели с 4-х проводной схемой включения, видеокамеры, приборы низковольного освещения и пр.), избежав при этом больших падений напряжения. Однако, в этом случае, резервированный ИЭ должен иметь взрывозащищенное исполнение, что накладывает дополнительные требования к его конструкции (см. рисунок 4).

Резервированный ИЭ взрывозащищенного исполнения должен соответствовать стандартам по взрывозащите.

Оболочка ИЭ должна быть выполнена по ГОСТ Р 51330.0-99 «Электрооборудование взрывозащищенное. Общие требования», что сразу ограничивает возможное конструктивное исполнение прибора.

Достаточно часто оболочки ИЭ изготавливают их пластических материалов (ABS-пластик, полистирол). Для взрывозащищенного ИЭ применение пластиков для оболочки ограничивается п.7.3.2 ГОСТ Р 51330.0-99 - «Оболочки должны конструироваться таким образом, чтобы при нормальных условиях эксплуатации, обслуживания и чистки исключалась опасность воспламенения от электростатических зарядов», это как правило специальная антистатическая пластмасса, имеющая сопротивление изоляции не более 10₉ Ом.

Более доступно использовать оболочки металлические, однако материал оболочки должен быть фрикционно безопасен, о чем гласит раздел 8 ГОСТ Р 51330.0-99 - «Материалы, содержащие легкие металлы, применяемые для изготовления оболочек электрооборудования групп I и II, должны обеспечивать фрикционную искробезопасность».

Не последнее место занимает механическая прочность оболочки, методы испытаний которых описаны в п.23.4.3 ГОСТ Р 51330.0-99.

Испытания на ударную прочность

Таким образом, по сумме требований, оболочки из пластмасс довольно затруднительно применять в конструкции взрывозащищенных резервированных ИЭ.

Поскольку желательно, чтобы ИЭ мог применяться по разным температурным классах, в идеале по температурному классу Т6, - это накладывает ограничение на электрическую конструкцию источника: импульсный ИЭ предпочтительнее, чем трансформаторный, поскольку нагрев устройства меньше, поэтому возможно использовать оболочку ИЭ в качестве радиатора, одновременно решая задачу герметичности устройства.

К аккумуляторной батареи, с точки зрения взрывозащиты, также предъявляются особые требования. Если в ИЭ используется вид взрывозащиты «d» - «взрывонепроницаемая оболочка», то при возможном взрыве АКБ внешняя оболочка ИЭ должна выдержать взрывной удар.

Взрывозащита вида «e» п.5.7 ГОСТ Р 51330.8-99 «Защита вида e» определяет другие подходы. Если суммировать требования к АКБ, которые нужно обеспечить для взрывозащиты вида e, то они сводятся к следующему:

• - применять герметичную АКБ;
• - применять заливку компаундом электрических частей, соединений от вероятного разбрызгивания геля из АКБ при ее повреждении;
• - обеспечить защиту устройства от перегрева АКБ при глухом коротком замыкании на контактах батарей.