تجهیزات برقی ضد انفجار (Ex) ، انوع محیط های انفجاری

 

مکان های قابل انفجاری که به صورت تصادفی یا طبیعی به وجود می آیند نتیجه­ ای از یک فرآیند هستند و معمولا تحت فعالیت یا تولید محصول در مکان رخ می­دهند و در بسیاری از مکانهای صنعتی و معدنی وجود دارند.

در این شرایط، تنها یک جرقه کوچک می­تواند آغازگر یک انفجار بزرگ باشد و نیاز است تا در هنگام استفاده از تجهیزات برقی در این مکان ها، دقت زیادی به کار برده شود.

در مکانهای صنعتی و معدنی معمولا  تجهیزات برقی ضد انفجار مورد استفاده ، استانداردهای لازم جهت جلوگیری از رخداد انفجار را دارا هستند. برای تمامی دستگاههای اتصال مکانیکی، موتورها و دیگر تجهیزات احتمال ایجاد جرقه وجود دارد که تحت شرایط مناسب، این جرقه می­تواند باعث ایجاد انفجار گردد.

انفجارها به وسیله جرقه­ های الکتریکی یا به وسیله حرارت ناشی از فعالیت تجهیزات برقی آغاز می­شوند و محافظت اصلی برای جلوگیری از رخ دادن جرقه­ها یا قوس های الکتریکی در این مکان ها ، اغلب تجهیزات ضدانفجار موجود می باشد که هدف اصلی شان محافظت از لوازم یا تجهیزات ،  در مقابل انفجارهای بیرونی است. تجهیزات ضد انفجار برای حفاظت مکان بیرونی در برابر قوس الکتریکی یا جرقه­ های موجود در داخل تجهیزات ، و یا برای جلوگیری از گسترش انفجارها از داخل تجهیزات به مکان اطراف آنها طراحی گردیده است.

برای یافتن معیارهایی جهت تعیین میزان محافظت در برابر انفجار (میزان ضدانفجاری بودن یک مکان یا محوطه)، یک محوطه باید قادر باشد تا مانع گسترش انفجار به محیط اطراف خود شود و از رخ دادن جرقه­ های خطرناک در محیط اطراف خود که می تواند ناشی اشتعال بخارات، گازها، گرد و غبار یا فیبرها در هوا باشد جلوگیری کند. بنابراین، در هنگام صحبت درباره مکان­های الکتریکی، ضدانفجاری بودن این مکان­ها بدین معنی نیست که این مکان­ها می­توانند انفجار بیرونی (انفجاری که در بیرون از محیط رخ می­دهد) را تحمل کنند. بلکه به مفهوم توانایی این مکان ­ها جهت جلوگیری از ایجاد هرگونه جرقه یا انفجاری در داخل خودشان می­باشد که می­توانند سبب انفجارهای بسیار بزرگتری شوند.

محیط های انفجاری

انفجار ، واکنش شیمیایی ناگهانی یک ماده قابل اشتعال با اکسیژن می­باشد که همراه با آزادسازی انرژی زیادی است. مواد قابل اشتعال می­توانند به شکل گاز، مه، بخار یا گرد و غبار باشند. انفجار تنها زمانی می­تواند رخ دهد که سه فاکتور زیر فراهم باشند:

• ماده قابل اشتعال (با توزیع و غلظت (مقدار) مناسب)
• اکسیژن (در هوا)
• منبع احتراق (برای مثال جرقه الکتریکی).

انفجارها نیازمند شرایط خاصی می­باشند. اگر این شرایط موجود نباشند، ممکن است احتراق آرامی صورت بگیرد یا اینکه به طور کلی هیچ احتراقی صورت نپذیرد. محیط های انفجاری ممکن است حاصل از حضور یک گاز قابل اشتعال یا بخار قابل اشتعال حاصل از یک مایع اشتعال­ پذیر باشند.

شرایط برای وقوع انفجار متغیر است که بستگی به ماده انفجاری موجود و عواملی دارد که تحت آن انفجار حاصل می­شود. برای مواد گازی، غلظت (مقدار) ماده در هوا به طور معمول به عنوان یک معیار در نظر گرفته می­شود. معمولا یک حد بالایی و یک حد پایینی برای غلظت ماده در نظر گرفته می شود. زیر (کمتر از) حد پایینی، انفجار رخ نخواهند داد و بالاتر از حد بالایی احتراق می تواند رخ دهد اما انفجاری حاصل نمی­شود. جدول۱ این حدود را برای چندین گاز رایج نشان می دهد که در شرایط صنعتی و معدنی وجود دارند.

 

جدول۱: حدود انفجاری برای گازهای رایج که معمولا با آنها روبرو می­شویم (زیمنس [۱]).

نوع ماده	حد انفجاری پایین	حد انفجاری بالا
استیلن	۲,۳ vol. %	۷۸,۰ (خودتجزیه)  vol. %
اتیلن	۲,۳ vol. %	۳۲,۴ vol. %
حلال نفتی	~۰,۶ vol. %	~۸ vol. %
بنزن	۱,۲ vol. %	۸ vol. %
گاز طبیعی	۴,۰ (۷,۰) vol .%	۱۳,۰ (۱۷,۰) vol. %
نفت/دیزل گرم شده	~۰,۶ vol. %	~۶,۵ vol. %
متان	۴,۴ vol. %	۱۶, vol. %
پروپان	۱,۷ vol. %	۱۰,۹ vol. %
کربن دی­سولفید	۰,۶ vol. %	۶۰,۰ vol. %
گاز شهری	۴,۰ (۶,۰) vol. %	۳۰,۰ (۴۰,۰) vol. %
هیدروژن	۴,۰ vol. %	۷۷,۰ vol. %

 

ارقام در جدول بالا ریسک بالای انفجار در بسیاری از شرایط را نشان می­دهند. برای مثال، هیدروژن وقتی که دارای غلظت تنها ۴ درصد در هوا می­باشد، قابلیت انفجار به دست می ­آورد و تا غلظت ۷۷ درصد به صورت انفجاری باقی می­ ماند. کسانی که با باتریهای اسیدی کار کرده­ اند، فراریت و قدرت انفجاری این گاز (هیدروژن) را تائید خواهند کرد. گازهای دیگر نیز دارای حدود انفجار پایینی به همان اندازه کم (پایین) (مشابه با هیدروژن) می­باشند ولی دارای حدود انفجار بالایی پایین­تر (در مقایسه با هیدروژن) هستند.

تجهیزات برقی ضد انفجار

استاندارد IEC/EN برای تجهیزات برقی ضد انفجار سری EN 60079 و استاندارد آفریقای جنوبی سری SANS 60079 می­باشد.

نوع تجهیزات ضد انفجاری نصب شده در یک محیط کارگاهی خاص بستگی به چندین فاکتور خواهد داشت:

• میزان یا غلظت ماده قابل اشتعال موجود و مدت زمان یا فراوانی آن (نواحی پرخطر).
• نوع ماده قابل اشتعال موجود (ترکیب شیمیایی، دمای احتراق و غیره).
• اثرات انفجار و میزان محافظت موردنیاز.

میزان ماده قابل اشتعال موجود ، ریسک (خطر) انفجار را تعیین می­کند. مناطق ناحیه پرخطر برای توصیف میزان ریسک استفاده شدند.

مناطق ناحیه پرخطر (Hazardous area zones)

مکانهای پرخطر به صورت ناحیه­ هایی برمبنای فراوانی و طول مدتی که محیط انفجاری وجود دارد، طبقه­ بندی شدند.

برای گازها، بخارات و مه، طبقه­ بندی این ناحیه­ ها عبارت است از:

• ناحیه (Zone) صفر: مکانی که در آن یک محیط انفجاری متشکل از مخلوطی از هوا و مواد پرخطر به شکل گاز، بخار یا مه به طور مستمر (پیوسته) یا برای مدت زمان­ طولانی یا به طور مکرر وجود دارد.
• ناحیه یک: مکانی که در بعضی مواقع احتمال دارد یک محیط انفجاری متشکل از مخلوطی از هوا و مواد پرخطر به شکل گاز، بخار یا مه در حالت فعالیت عادی وجود داشته باشد.
• ناحیه (Zone) دو: مکانی که در آن احتمال وجود محیط انفجاری متشکل از مخلوطی از هوا و مواد پرخطر به شکل گاز، بخار یا مه در حالت فعالیت عادی وجود ندارد ، اما در صورتی که این محیط وجود داشته باشد، تنها تا مدت زمان اندکی خواهد بود.

برای گرد و غبار، طبقه­ بندی این نواحی عبارت است از:

• منطقه (Zone 20): مکانی که در آن یک محیط انفجاری به شکل ابری از ذرات گرد و غبار قابل احتراق در هوا به طور مستمر یا برای مدت زمان­ طولانی وجود دارد.
• منطقه (Zone 21): مکانی که در آن یک محیط انفجاری به شکل ابری از ذرات گرد و غبار قابل احتراق در هوا در حالت فعالیت عادی وجود داشته باشد .
• منطقه (Zone 22): مکانی که در آن وجود محیط انفجاری به شکل ابری از ذرات گرد و غبار قابل احتراق در حالت فعالیت عادی وجود نداشته ­باشد اما اگر بوجود آید، تنها تا مدت زمان کوتاهی طول بکشد.

لایه­ ها، رسوبات و توده­ هایی از گرد و غبار قابل احتراق باید به عنوان منابع دیگری در نظر گرفته شوند که می­توانند محیط انفجاری را تشکیل دهند.

تعیین و تشریح مناطق ناحیه پرخطر باید توسط متخصصان آشنا به آن محل و آشنا به مقررات محیط پرخطر انجام شود و به طور معمول مسئولیت مهندس برق یا نصاب تجهیزات نمی­باشد.

نوع محیط انفجاری

نوع گاز موجود پتانسیل انفجار را تحت تاثیر قرار خواهد داد و تجهیزات برقی ضدانفجار (ExEE) برطبق ماهیت بالقوه محیط انفجاری موردنظر تعیین می شوند. تقسیم ­بندی فرعی براساس حداکثر درز ایمن تجربی (MESG) (معیاری استاندارد برای تعیین میزان سهولت عبور یک گاز از خلال یک شکاف نازک در مرز یک فلز جاذب حرارت می­باشد) برای محوطه ­های ضد انفجار یا در صورت نیاز (minimum ignition current (MIC (حداقل جریان جرقه مورد نیاز برای احتراق یک مخلوط با قابلیت احتراق بسیار آسان) برای تجهیزات برقی ذاتا ایمن می­باشد.

جدول۲ برخی از گازها و طبقه­ بندی موردنیاز ExEE را فهرست می­کند.

 

جدول۲: طبقه­ بندی گازهای انفجاری

گروه	ماده قابل اشتعال
IIA	پروپان، استون، بنزن, بوتان, متان, پترول, هگزان, حلال های رنگ.
IIB	اتیلن, پروپیلن اکسید, اتیلن اکسید, بوتادین, سیکلوپروپان, اتیل اتر.
IIC	هیدروژن, استیلن, کربن دی­سولفید.

 

دسته ­بندی ­های دمایی

دماهای بالا می­توانند سبب ایجاد محیط انفجاری برای احتراق شوند و طبقه­ بندی بیشتر ExEE با طیف­ های دمایی مجاز سر و کار دارد. جدول ۳ دسته ­بندی­ های دمایی برای ExEE را نشان می­دهد.

استانداردها برای تجهیزات ضد انفجار معمولا انتخاب تجهیزات را براساس منطقه (Zone)، نوع محیط انفجاری و طیف دمایی موردنیاز تعیین می­کنند البته با پیدایش پیشرفت های جدید  فاکتورهای دیگری نیز مد نظر قرار می­گیرند.

میزان (سطح) محافظت تجهیزات (EPL)

EPL فاکتور جدید معرفی شده برای استفاده از تجهیزات ضد انفجار می­باشد. همه تکنیک­ ها میزان حفاظت یکسان فراهم نمی­کنند و در برخی شرایط به میزان­ محافظت بالاتری نسبت به بقیه موارد نیاز می­باشد. این مسئله قبلا برای مفهوم ناحیه عنوان شده است جایی که فرض شده است که ناحیه با بالاترین خطر (ناحیه صفر) نیازمند بالاترین میزان محافظت می­باشد و تکنولوژی ححافظت براساس این نواحی تعیین گردیده است.

 

جدول۳: کلاسهای دمایی

کلاس دمایی	حداکثر دمای سطح تجهیزات	دمای احتراق مواد قابل احتراق
T1	۴۵۰°C	>450°C
T2	۳۰۰°C	>300°C
T3	۲۰۰°C	>200°C
T4	۱۳۵°C	>135°C
T5	۱۰۰°C	>100°C
T6	۸۵°C	>85°C

 

در رویکرد EPL، فاکتورهای دیگری در نظر گرفته شده اند همانند پیامد یا تاثیر انفجار و انتخاب میزان حفاظت موردنیاز به طراح سیستم واگذار شده است. برای مثال، انفجار در ناحیه ۲ ممکن است محتمل نباشد اما این احتمال وجود دارد که دارای پیامد گسترده باشد ، بنابراین ممکن است نیازمند میزان محافظت بالا باشد . البته وقتی که منطقه (Zone) خاصی مدنظر باشد، این میزان محافظت اختصاص داده نمی­شود . سیستم EPL اجازه استفاده از سطوح محافظت بالاتر و نه پایین تری را نسبت به میزان پیش ­فرض (براساس سیستم ناحیه (Zone)) می­دهد. به عبارت دیگر، میزان محافظت بالاتر، نه پایین­تر، نسبت به میزان محافظتی که ضروری می­باشد، ممکن است استفاده شود.

برای صنایع روزمینی، EPLها به شکل زیر می­باشند:

• EPL Ga: تجهیزاتِ محیط های انفجاری گازی که دارای میزان محافظت «بسیار بالا» می باشند، این تجهیزات در حالت فعالیت عادی منبع احتراق نمی­باشند ، به استثناء وقتی که دچار اشکال شده یا وقتی که خطاهای جزئی در فعالیت آنها رخ داده باشند.
• EPL Gb: تجهیزاتِ محیط های انفجاری گازی با میزان محافظت «بالا» که منبع احتراق در حالت فعالیت عادی یا وقتی که خطایی در فعالیت آنها رخ داده باشد، به عنوان منبع احتراق عمل نمی­کنند، اگرچه اساسا دارای یک مبنای منظم نمی­باشند.

اکثریت روشهای استاندارد حفاظت قبلی در این میزان محافظت از تجهیزات قرار دارند.

• EPL Gc: تجهیزاتِ محیط های انفجاری گازی که دارای میزان محافظت «زیاد» می­باشند و منبع احتراق در حالت فعالیت نرمال نمی­باشند که ممکن است دارای مقداری محافظت اضافی جهت تضمین این باشند که به عنوان یک منبع احتراق در صورت وجود محیط انفجاری به صورت غیرفعال باقی بمانند (برای مثال شکستن یک لامپ).
• EPL Da: تجهیزاتِ محیط های انفجاری گرد و غبار قابل احتراق که دارای میزان محافظت «بسیار بالا» می ­باشند، این تجهیزات در حالت فعالیت نرمال یا در هنگامی که تحت خطاهای جزئی قرار می­گیرند، به عنوان منبع احتراق عمل نمی­کنند.
• EPL Db: تجهیزاتِ محیط های انفجاری گرد و غبار قابل احتراق با میزان محافظت «بالا» که در شرایط فعالیت عادی یا وقتی که خطاهایی در فعالیت آنها رخ داده باشند که وقوع این نوع خطاها مورد انتظار است، به عنوان منبع احتراق عمل نمی­ کنند اگرچه دارای یک مبنای منظم نیستند.
• EPL Dc: تجهیزاتِ محیطهای انفجاری گرد و غبار قابل احتراق که دارای میزان محافظت «زیاد» می­ باشند که به عنوان منبع احتراق در حالت فعالیت نرمال نبوده و ممکن است دارای مقداری محافظت اضافی جهت تضمین این باشند که به عنوان یک منبع احتراق در مواردی که رخداد انفجار مورد انتظار می­ باشد، به صورت غیرفعال باقی بمانند.

روشهای جلوگیری از انفجار در تجهیزات برقی

روشهای مختلف ، میزان متفاوتی از محافظت را برای تجهیزات برقی فراهم می­کنند. برخی از این تکنیک­ها که به طور معمول مورد استفاده قرار می گیرند، در زیر همراه با طراحی و رده­بندی EPL آنها ارائه شده اند.

محوطه ضد انفجار (EEx d) (EPL: Gb, Gc)

نوعی از حفاظت در برابر انفجار می­باشند که در آن مولفه ­هایی که می ­توانند سبب احتراق یک محیط انفجاری بالقوه شوند، در یک محوطه محصور شده­ اند که می­تواند فشار انفجار را در خود جای دهد و از احتراق گازهای قابل اشتعال در خارج از خود جلوگیری کند. به لحاظ فنی، شکاف هایی در این محوطه­ ها وجود دارند که استفاده از آنها غیرقابل اجتناب می­باشد (این شکاف­ها باید وجود داشته باشند)، اندازه این شکاف ها بسیار کوچک بوده و طول این آنها به گونه­ای تنظیم (محدود) شده است که گازهایی که از خلال آنها آزاد می­شوند، توانایی ایجاد احتراق را از دست می­دهند.

محوطه ­های تحت فشار (EEx p) (EPL: Gb, Gc)

این محوطه ­ها با گاز تحت فشار (هوا، گاز ساکن یا دیگر گازهای مناسب) پرشده ­اند تا از ورود هوای اطراف محوطه به داخل جلوگیری کنند. فشار در داخل محوطه با فلاشینگ ثابت (تخلیه با فشار بالا) یا بدون فلاشینگ ثابت گاز محافظ حفظ شده است. همچنین باید قادر به تحمل فشاری برابر با ۱/۵ برابر فشار گاز داخل خود باشد.

محوطه­ های پرشده با پودر (EEx q) (EPL: Gb, Gc)

این نوع محوطه با پودر ریز پر می­ شوند تا از ایجاد قوس الکتریکی ناشی از احتراق (جرقه) محیط انفجاری بالقوه در بیرون از خود جلوگیری شود. هیچ خطر احتراقی نباید به وسیله شعله یا حرارت سطحی نزدیک محوطه وجود داشته باشد. ماده پرکننده که ممکن است ماسه، دانه­ های شیشه­ ای یا مواد مشابه باشند، تحت ملاحظات مخصوص مثل طراحی محوطه می­باشند. پرکننده نباید از محوطه به بیرون نشت (نفوذ) کند، چه در حالیکه فعالیت عادی تجهیزات انجام می­شود و چه به عنوان نتیجه ­ای از ایجاد قوس الکتریکی یا دیگر اتفاقات در داخل محوطه، نشت نباید صورت بگیرد.

محوطه­ های پرشده با روغن (EEx o) (EPL: Gb, Gc)

در این نوع محوطه ­ها، بخش­هایی که می­توانند سبب احتراق یک محیط انفجاری بالقوه شوند، در روغن یا دیگر مایعات عایق کننده غیرقابل احتراق غوطه­ ور می­شوند تا حدی که گاز یا بخار در بالای مایع (یا همان روغن پرکننده) یا خارج از محوطه نتواند به وسیله قوس الکتریکی، جرقه، اجزاء سازنده داغ (همانند رزیستورها) یا گازهای داغ به جا مانده از عملیات های سوئیچینگ در زیر سطح مایع دچار احتراق شود.

محوطه­ های با ایمنی فزآینده (EEx e) (EPL: Gb, Gc)

اندازه­ گیری های اضافی برای دستیابی به میزان ایمنی بالاتر انجام گرفتند. این اندازه گیری ها سبب تضمین جلوگیری از وجود دماهای بالای غیرقابل قبول، جرقه­ ها یا قوسهای الکتریکی در هردو بخش داخلی و خارجی تجهیزات برقی می­شوند،  تجهیزاتی که در فعالیت نرمال آنها دماهای بالا، جرقه­ ها یا قوس الکتریکی وجود ندارد.

تجهیزات دارای ایمنی ذاتی (EEx i) (EPL: Ga, Gb, Gc)

ایمنی ذاتی یک مدار به وسیله محدودسازی جریان و ولتاژ آن مدار حاصل می­شود. این مشخصه نوع «ایمنی ذاتی» محافظ برای مدارهای دارای توان نسبتا پایین را محدود می­کند. کاربردها شامل تکنولوژی ، اندازه­ گیری و کنترل می­باشد. تجهیزات دارای ایمنی ذاتی به گونه ­ای طراحی شدند که قادر به تولید حرارت یا جرقه کافی برای احتراق یک محیط انفجاری نباشند. تجهیزات برقی دارای ایمنی ذاتی به چند دسته تقسیم شده اند (میزان ایمنی). میزان­ ایمنی بستگی به ملاحظات ایمنی در هنگام طراحی تجهیزات طراحی دارند.

جدول۴ میزان ایمنی موردنیاز برای تجهیزات دارای ایمنی ذاتی برای محیط گازی را نشان می دهد.

کپسولی ­سازی (EEx m) (EPL: Ga, Gb, Gc)

بخش­ هایی که می­توانند سبب احتراق یک محیط انفجاری به وسیله جرقه یا حرارت شوند، برای جلوگیری از اشتعال پوشیده می شوند. این عمل به وسیله کپسولی ­سازی (محصورسازی) این بخش­ ها (مولفه­ ها) در یک محوطه انجام می­ شود که در برابر تاثیرات فیزیکی، به خصوص اثرات الکتریکی، حرارتی و مکانیکی و شیمیایی مقاوم می­ باشد.

جدول۴: میزان ایمنی مورد نیاز برای تجهیزات دارای ایمنی ذاتی.

سطح ایمنی تجهیزات دارای ایمنی ذاتی	توصیف	سطح محافظت تجهیزات (EPL)
ia	تجهیزات برقی دارای ایمنی ذاتی که نباید سبب احتراق شوند: در طول فعالیت عادی وقتی که خطایی رخ می­دهد وقتی که ترکیبی از خطاها رخ می­دهند	Ga
ib	تجهیزات برقی دارای ایمنی ذاتی که نباید سبب احتراق شوند: در طول فعالیت نرمال وقتی که خطایی رخ می­دهد	Gb
ic	تجهیزات برقی دارای ایمنی ذاتی که نباید در طول فعالیت نرمال سبب احتراق شوند	Gc

 

 

انسداد مجاری و کابلها

استانداردهای نصب تجهیزات برقی ملزم می­کنند که مجاری ورودی ، به محوطه­ای که تجهیزات برقی را در خود جای داده است و ممکن است که این مجاری سبب ایجاد قوس الکتریکی، جرقه یا بروز دماهای بالا شوند ، مسدود گردند. این مسدودسازی باید در فاصله ۴۶ سانتیمتری از محوطه واقع شده باشد. این عمل مانع پیشروی شعله و فشارهای انفجار از داخل محوطه به سمت سیستم مجاری می­ شود.

طبقه بندی و نشانه­ گذاری تجهیزات ضد انفجار

تمام تجهیزات برقی ضد انفجار باید نشانه­گذاری شوند تا نوع و کاربرد آنها مشخص شود، همانطور که در اینجا گفته شده است. سیستم ­های نشانه­گذاری و الزامات نشانه­گذاری برای استانداردهای کشورهای مختلف متفاوت می­باشند.