OD 021/V2 Май 2006 г СХЕМА МЭК ПО СЕРТИФИКАЦИИ В СООТВЕТСТВИИ СО СТАНДАРТАМИ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ СРЕД (СХЕМА МЭКЕХ) Название: Руководство по оценке искробезопасных систем и оборудования Рабочий документ МЭК Ex Технический Комитет МЭК Ex, ExTAG,определил требования к руководству для ExИЛ и ExСО при проведении оценки электрооборудования и систем, использующих защиту вида «Искробезопасная электрическая цепь (i)». В течение 2005г. ExTAG при содействии Рабочей группы 8 ExTAG работал над составлением ряда руководств по оценке и представлению отчетов, представленных в виде Рабочего Документа OD/021/V1. При подготовке этого документа ExTAG консультировался с ПК31G – Подкомитетом и группой обслуживания стандарта МЭК 60079-11. Данный Рабочий Документ может использоваться всеми ExИЛ и ExСО, работающими в Схеме МЭКEx. Ожидается, что настоящий Рабочий Документ будет расширен для включения в него дополнительного руководства. Любые комментарии или предложения по использованию данного Рабочего документа направлять в Секретариат ExTAG: Секретариат ExTAG Копия: г-же Кристине Кейн E-mail:[email protected] История документа Дата 2006 01 2006 05 Краткая справка Первый выпуск (Версия 1) Версия 2 Исправленные разделы 4.2, 5.2 & 7.2 Адрес: Standards Australia Building IECEx Secretariat 286 Sussex Street Sydney NSW 2000 Australia Контактная информаци: Тел.: +61 2 8206 6940 Факс: +61 2 8206 6272 E-mail: [email protected] http://www.iecex.com Стр. 1 из 10 OD 021/V2 Май 2006 г Рабочая Группа 8 ExTAG – Руководство по оценке искробезопасных систем и оборудования 1. Цель и область применения Целью настоящего документа является обеспечение согласованного подхода к интерпретации, оценке и составлению протоколов по оборудованию и системам в соответствии с МЭК 600779-11: для испытательных организаций МЭКEx. Так как в стандарт по виду защиты «Искробезопасная электрическая цепь» вносятся некоторые значительные изменения, целью настоящего документа является рекомендация общих подходов для документирования всей соответствующей информации в ExПИ. 2 Применение настоящего документа Настоящий документ разделен на несколько разделов, относящихся к сферам, касающихся оценки искробезопасности, и каждый раздел содержит следующие подразделы: x.1 x.2 x.3 Обзор Возможные методы оценки Информация для записи в ExПИ 3 Источники питания с параметрами, ограниченными сопротивлением – оценка воспламенения 3.1 Обзор Воспламеняющая способность цепей источников питания в аварийных режимах должны соответствовать требованиям МЭК 60079.11. Нелинейные источники питания не могут оцениваться при помощи соответствующей характеристики искробезопасности (эталонных кривых). 3.2 Возможные методы оценки Расчеты, учитывающие самые неблагоприятные допуски для компонентов могут использоваться для определения максимальных напряжений, значений тока и мощности. В этом случае для источника питания с параметрами, ограниченными сопротивлением, можно использовать стандартные характеристики или таблицы искробезопасности для гарантии соответствующего коэффициента безопасности по напряжению и току. Для нелинейных источников питания необходимо проводить испытания с применением искрообразующего механизма для подтверждения того, что сочетание напряжения и тока имеет соответствующий коэффициент безопасности. Примечание: 1) Любой внутренний источник питания, такой как батарея или топливный элемент, который взаимодействует с источником в аварийных режимах должен быть принят в расчет. 3.3 Информация для внесения в ExПИ В ExПИ должно быть точно определено, какие элементы критичны для икробезопасности и использовались для определения максимальных значений напряжения, тока и мощности. Максимальное напряжения искрообразования, максимальное напряжения для тепловой оценки, максимальный ток короткого замыкания и максимальная выходная мощность должны быть так же указаны в ExПИ. Рекомендуется использовать таблицу или соответствующую электрическую схему, входящую в протокол. Стр. 2 из 10 OD 021/V1 Январь 2006 В качестве руководства для определения, какие элементы являются критическими, необходимо обращаться к Рабочему Документу МЭКEx № OD017. Оценка емкости 4.1 Обзор Воспламеняющая способность всех емкостных цепей в аварийных режимах должна определяться требованиями МЭК 60079.11. Для оценки конденсаторов группы II, защищенных резисторами, характеристики искробезопасности (эталонные кривые) не применяются. 4 Записи результатов оценки и испытаний в ExПИ должны точно определять, какая эквивалентная цепь оценивалась. 4.2 Возможные методы оценки Самым простым способом провести оценку емкости является сложение всех емкостей в электрооборудовании, включая максимальный допуск для конденсаторов. Использование данного подхода возможно на основании применения требований стандарта к зазорам и длине путей утечки, в соответствии с которыми зазоры меньше, чем 1/3 соответствующего значения, указанного в таблице, могут рассматриваться, как токопроводящие и являются неучитываемыми повреждениям. Если печатный проводник проходит под элементом, разделительные расстояния не могут быть гарантированы. Должно быть принято, что разделительное расстояние составляет менее 1/3 минимального значения, указанного в Стандарте и происходит короткое замыкание между элементом и печатным проводником. Преимущества данного метода состоит в том, что анализ разделительных расстояний и повреждений, используемый для печатных плат, может быть сокращен до минимума, что позволяет изменять плату без дорогостоящего процесса повторной оценки разделительных расстояний. Тем не менее, данный метод может быть очень ограниченным по значению допустимой емкости. Данный недостаток устраняется при использовании адекватно нагруженных и разделенных токоограничительных резисторов для защиты от разряда конденсаторов большой емкости. Затем данные емкостные цепи, защищенные резисторами, могут не учитываться при подсчете общей суммы незащищенных конденсаторов. Печатные платы должны отвечать требованиям данного стандарта к разделительным расстояниям в данных емкостных узлах, защищенных резисторами, и разделительные расстояния остальных электрических цепей могут не требовать проверки. Другое общее решение проблемы избыточной емкости – снижение напряжения, до которого могут заряжаться конденсаторы, при помощи ограничения напряжения. Необходимо обратить внимание на то, что все конденсаторы в электрической цепи могут заряжаться до более низкого напряжения. Также может использоваться комбинация токоограничительных резисторов, ограничивающих разряд конденсаторов, и неповреждаемых ограничителей напряжения. Для гарантии, что комбинации незащищенных конденсаторов, защищенных резисторами конденсаторов и конденсаторов с ограничителями напряжения будут иметь коэффициент безопасности не менее 1.5, электрическую цепь надо испытать с применением искрообразущего механизма. Этот коэффициент безопасности достигается, как указано в Разделе 10.4.2 МЭК 60079.11:1999 (или Разделе 10.1.4.2 FDIS 60079.11 5-е Издание) На Рисунке 1, приведенном ниже, изображена эквивалентная электрическая цепь, подготовленная для испытания с применением искрообразующего механизма. В этом случае V1 > V2. Диод D используют для предотвращения заряда конденсаторов C4, C5 и C6 до более высокого напряжения V1. (Падение напряжения на диоде D должно быть устранено с помощью стр. 3 из10 OD 021/V1 Январь 2006 увеличения напряжения V2, то есть V2 + прямое падение напряжения на последовательно подключенных диодах). Искрообразующий механизм Рисунок 1 Пьезоэлектрические устройства Напряжение, генерируемое воздействием на пьезоэлектрическом кристалле, должно рассматриваться в ExПИ и еще раз проверяется на допустимый уровень мощности для соответствующей группы. Чтобы вычислить это значение, максимальная емкость пьезоэлектрического устройства должна быть определена по спецификации производителя пьезоэлектрического устройства, или по результатам испытания ударом или измерением емкости. Выходное напряжение измеряется во время удара по оболочке, содержащей пьезоэлектрический кристалл. Расчет выполняют по формуле: E = 0.5.C.V2 Где E= энергия в Джоулях. CиV= максимальная внутренняя емкость кристалла и максимальное напряжение, генерируемое внутри кристалла и определенное при испытании ударом. 4.3 Информация для внесения в ExПИ В ExПИ должно быть точно определено, какие конденсаторы были приняты для параллельного соединения, какие конденсаторы защищены последовательно соединенными токоограничительными резисторами, какие конденсаторы снабжены устройствами ограничения напряжения. Рекомендуется использовать таблицу или соответствующую электрическую схему, входящую в протокол. Рассматривая напряжение на внешних контактах интегральной схемы, включающей преобразователи напряжения (повышающие или преобразующие напряжение), внутреннее напряжение не учитывают, если на внешних контактах не присутствует повышенное напряжение и никакие внешние компоненты, например, конденсаторы или дроссели, не используются для преобразования, например, программируемое ПЗУ (EEPROMS). Если на каком-либо внешнем контакте присутствует повышенное напряжение, то следует предполагать наличие повышенного напряжения на всех внешних контактах интегральной схемы. В ExПИ должны быть указаны максимальные значения энергии , генерируемое пьезо кристаллом, при условии, что энергия удара не меньше, чем определено в Стандарте. стр. 4 из10 OD 021/V1 Январь 2006 5 Оценка индуктивности 5.1 Обзор Воспламеняющая способность всех индуктивных электрических цепей в аварийных условиях должна соответствовать требованиям МЭК 600079.11. Записи результатов оценки и испытаний в ExПИ должны точно определять, какая эквивалентная цепь оценивалась. 5.2 Возможные методы оценки Самым простым способом провести оценку индуктивности является сложение всех значений индуктивности в электрооборудовании (последовательных подключениях), с учетом максимального допуска. Использование данного подхода возможно на основании применения требований стандарта к зазорам и длине путей утечки, в соответствии с которыми зазоры меньше, чем 1/3 соответствующего значения, указанного в таблице, могут рассматриваться, как токопроводящие и являются неучитываемыми повреждениям. Если печатный проводник проходит под элементом, разделительные расстояния не могут быть гарантированы. Следует считать, что разделительные расстояния составляют менее 1/3 минимального значения, указанного в Стандарте, и поэтому являются токопроводящими. Для разработчика электрической цепи преимущество данного метода состоит в том, что анализ разделительных расстояний и повреждений не используется для печатных плат, поэтому так возможны изменения платы без дорогостоящего процесса повторной оценки разделительных расстояний. Тем не менее, данный метод может вносить ограничения по значению допустимой индуктивности. Общим решением этой проблемы будет использование минимального внутреннего сопротивления катушки индуктивности и максимального напряжения на катушке индуктивности для ограничения тока через катушку индуктивности до искробезопасного значения. Минимальное сопротивление катушки индуктивности должно быть определено в документации заказчика и рассматриваться как неповреждаемое при подсчете повреждений. Минимальное сопротивление должно определяться при самой низкой температуре окружающей среды, при которой может находиться электрооборудование. Так же решением проблемы индуктивноси является использование правильно нагруженных и разделенных токоограничительных резисторов для ограничения тока, который может проходить по катушкам с большим значением индуктивности. Затем данные индуктивные цепи, защишенные резисторами, могут не учитываться при подсчете общей суммы значений индуктивности незащищенных элементов. Печатные платы должны отвечать требованиям данного стандарта к разделительным расстоянием в данных индуктивных узлах, защищенных резисторами, но разделительные расстояния остальных электрических цепей могут не требовать проверки. Еще одним решением является снижение тока, проходящего через катушку индуктивности, при снижении напряжения на катушке индуктивности с помощью неповреждаемого ограничителя напряжения. Неповреждаемый ограничитель напряжения для цепи "ia" состоит или из 3 ветвей параллельно соединенных адекватно нагруженных стабилитронов, или сдвоенных стабилитронов , установленных на медном соединительном печатном проводнике шириной 2 мм (минимум). Необходимо особенно тщательно убедиться в том, что в аварийных условиях данные неповреждаемые ограничители напряжения не могут быть обойдены из-за несоответствующего разделения. Комбинация токоограничительных резисторов и неповреждаемых ограничителей напряжения так же может использоваться для ограничения тока через катушки индуктивности. стр. 5 из10 OD 021/V1 Январь 2006 Еще одним методом ограничения разряда от катушки индуктивности является заливка двух параллельно соединенных диодов на катушке индуктивности. Данные элементы должны быть нагружены на 2/3 значения номинальных параметров, указанных изготовителем. Должно быть указано минимальное амлидудное значение обратного напряжения. Диоды, собранные по мостовой схеме, или стабилитроны допустимы как шунтирующие элементы. Толщина слоя заливки должна быть не менее 1 мм. Если используются шунтирующие стабилитроны, оценка электрической цепи должны учитывать дополнительное напряжение на стабилитронах. Если катушку индуктивности испытывают на искрообразующем механизме, необходимо учитывать возрастающий ток в катушке, вызванный снижением сопротивления при низкой температуре ( обычно при минус 20 oC). Если безопасность катушки индуктивности определена на основе испытаний с применением искрообразующего механизма, в чертежах заказчика должна быть приведена подробная информация о конструкции катушки индуктивности, включая при необходимости информацию о размере и материале сердечника. 5.3 Информация для внесения в ExПи ExПИ должен точно определять, какие катушки индуктивности допускаются для параллельного и последовательного соединения, какие катушки индуктивности защищены последовательно подключенными токоограничительными резисторами (включая минимальное сопротивление и максимальный ток, используемые при подсчетах) и какие катушки индуктивности считаются неповреждаемо защищенными шунтирующими диодами и герметизацией. Рекомендуется использовать таблицу или соответствующую электрическую схему, входящую в протокол. 6. Воспламеняющая индуктивностью способность цепей с сопротивлением, емкостью и 6.1 Обзор Энергия, запасенная в катушках индуктивности и конденсаторах, может складываться с энергией от источника питания. 6.2 Возможные методы оценки Зависимости воспламеняющей способности цепей, приведенные в стандартах, можно применять только при отсутствии больших значений индуктивности и емкости в комбинации (цепей). Расчеты основаны на энергии, запасенной в катушках индуктивности и конденсаторах. Результаты испытания на искрообразующем механизме с газом, имеющим коэффициент безопасности приблизительно 1.5. 6.3 Информация для внесения в ExПИ ExПИ должен показать, как проводились оценка и испытания. 7 Тепловая оценка 7.1 Обзор Температура поверхности элементов не должна превышать значения соответствующей температурной классификации, указанной в Стандартах. 7.2 Возможные методы оценки Монтажные устройства элементов значительно влияют на их температурные характеристики. Самый простой способ тепловой оценки - принять, что все элементы, используемые в электрооборудовании, могут быть повреждены до оптимальной нагрузки. Поэтому должна быть рассмотрена максимальная температура поверхности элемента с наиболее неблагоприятной температурной характеристикой. Затем можно оценить максимальную температуру поверхности элементов. стр. 6 из10 OD 021/V1 Январь 2006 Данный метод экономит время и деньги, так как испытателю не приходиться тратить время на анализ повреждений. Герметизация Герметизация в искробезопасных цепях обычно используется для исключения доступа газа к элементам. Требования по герметизации указаны в Разделе 6.6 FDIS 60079.11 5-е Издание. Повреждение герметизации из-за высоких температур в элементе, залитом компаундом при повреждении требует тщательного рассмотрения. Конденсаторы Электролитические или танталовые конденсаторы могут рассеивать тепло, если в аварийных условиях происходит переполюсовка конденсаторов. Это необходимо учитывать. Катушки индуктивности Для оценки повышения температуры предполагается, что сопротивление катушки может меняться от своего максимального сопротивления до короткого замыкания. Примечания: Если считается, что катушка может разомкнуться из-за рассеяния мощности, то испытания должны проводиться при уровне, который не вызовет размыкание катушки. Поэтому повышение температуры должно быть рассчитано по согласованной мощности (T P) или уровню входного тока (T I2). Температура обмотки, полученная при использовании метода изменения сопротивления, будет средней температурой обмотки и может не отражать действительную максимальную температуру поверхности обмотки. Так же любой последовательно подключенный элемент, (например, тепловая защита) будет влиять на правильность показания. (Простые плавкие устройства не должны вводить значимые ошибки, но полупроводниковые элементы и восстанавливающиеся тепловые устройства, имеющие свойства нагреваться, изменят сопротивление. Для данных устройств должен быть использован альтернативный метод. Некоторые устройства позволяют осуществлять прямой контакт с обмотками и тепловыми устройствами через ответвления на трансформаторе, таким образом, испытательный ток проходит через тепловое устройство и обмотку, но измерение сопротивления возможно только на обмотке). Проводка Температурная классификация внутренней проводки должна определяться в соответствии с МЭК 60079-11. Печатные проводники Температурная классификация печатных проводников на печатных платах должна быть определена в соответствии с МЭК 600079-11. 7.3 Информация для внесения в ExПИ В ExПИ должно быть точно определено, какие элементы не отвечают требованиям раздела к малым элементам и обоснования/результаты испытаний для подтверждения того, что элементы отвечают требованиям Стандарта. Рекомендуется использовать таблицу или соответствующую электрическую схему, входящую в протокол. В ExПИ должно быть приведено максимальное повышение температуры элемента (ов) и батарей в условиях продолжительного короткого замыкания и наблюдалась ли утечка электролита в соответствии с решением ExTAG/42/CD. В ExПИ должна быть приведена максимальную температуру поверхности любой катушки или дросселя при наиболее неблагоприятных условиях рассеивания мощности в устройстве, и должно быть указано, как мощность была определена. стр. 7 из10 OD 021/V1 Январь 2006 В ExПИ необходимо записать наиболее неблагоприятную мощность и ток, которые могут рассеиваться в проводке и как мощность была определена. 8 Оценка и испытания требований к разделению 8.1 Обзор Примечания: Если печатный проводник проходит под элементом, разделительные расстояния не могут быть гарантированы. Должно быть принято, что разделительное расстояние составляет менее 1/3 минимального значения, указанного в Стандарте и происходит короткое замыкание между элементом и печатным проводником. При измерении разделительных расстояний должны рассматриваться элементы, которые могут перемещаться, установленные на печатных платах. Для этого необходимо приложить небольшое усилие к элементам. Измерение разделения стало главным вопросом. В прошлом, для икробезопасных электрических цепей были приняты большие разделительные расстояния. Допустимым методом являлось измерение разделительных расстояний с помощью цифрового калибра . В настоящее время схемы более сложные и миниатюрные, и схемы печатных плат разрабатывают с помощью компьютера. Результат - меньшие разделительные расстояния, допуски и погрешности. Точность измерений испытательной лабораторией, использующей традиционные методы, должна быть внимательно изучена. Использование надежной системы автоматизированного проектирования существенно для производителей и испытательных лабораторий при оценке разделительных расстояний во внутренних слоях. Точность производственного процесса может быть оценена при сравнении полученных компьютером результатов с действительными результатами, полученными на фактическом образце на внешних слоях. 8.2 Возможные методы оценки Измерения на фактических образцах. 8.3 Информация для внесения в ExПИ В ExПИ необходимо включать наиболее неблагоприятные значения при соответствующем напряжении на рассматриваемых участках и информацию, где оценивалось разделение. 9 Элементы безопасности 9.1 Обзор Нагрузка элементов безопасности зависит от температуры. Это необходимо учитывать. 9.2 Возможные методы оценки Технические данные (таблицы) производителей элементов. Испытания повышения температуры для определения нагрузки элементов при рассеивании максимальной мощности. 9.3 Информация для внесения в ExПИ Трансформаторы Трансформаторы, используемые как неповреждаемые трансформаторы, должны отвечать требованиям Стандарта к разделению и соответствующим видам испытаний. ExПИ должен содержать: 1. Наиболее неблагоприятные значения измеренных разделительных расстояний между обмотками, обмотками и сердечником. 2. Максимальную температуру трансформатора во время испытания и соответствие изоляционного материала 3. Максимальный ток, проходящий через обмотку трансформатора и как ток был определен. стр. 8 из10 OD 021/V1 Январь 2006 Резисторы Нагрузка резисторов зависит от температуры элемента. Чтобы определить действительные минимальные значения номинальной нагрузки элемента, надо просмотреть технические данные (таблицы) производителя. Защитный резистор, который используют только для защиты от разряда конденсатора, может быть нагружен на W = CV2,, где V максимальное напряжение заряда конденсатора, а C – максимальная емкость, включающая допуск. ExПИ должен включать: 1. Определение элемента, его значение и нагрузку. Данной цели отвечает таблица в ExПИ 2. Записи результатов оценки должны содержать подробную информацию о том, как рассчитывалась нагрузка элементов безопасности. Полупроводники Примечание: Нагрузка полупроводников особенно чувствительна к тепловым условиям и условиям монтажа. Потребуется внимательное изучение технических характеристик (таблиц) производителей для определения действительной нагрузки. Если несколько полупроводников объединены в одну микросхему, такую диоды мостового выпрямителя, считается, что весь блок повреждается и это считается одним учитываемым повреждением, даже если все элементы используются в пределах 2/3-их нагрузки, указанной производителем. Если из технических данных производителя ясно, что комплект содержит отдельные элементы, то повреждение каждого элемента рассматривается, как отдельное повреждение, при условии, что нагрузка не выше 2/3 нагрузки, указанной производителем. Если рассчитывается мощность, рассеивающаяся в стабилитронах, надо рассматривать верхние и нижние пределы допусков, чтобы установить соответствующую нагрузку. ExПИ должен включать: 1. Определение элемента, его значение и нагрузку. Данной цели отвечает таблица в ExПИ 2. Подробную информацию, как рассчитывалась нагрузка элементов безопасности. Детальные испытания или оценка компонентов и групп компонентов для определения параметров, например, напряжения и тока, к которым применяют коэффициенты безопасности, не проводят, поскольку коэффициенты безопасности исключают необходимость в детальных испытаниях или оценке. Например, стабилитрон, для которого изготовитель указал параметры 10В +10%, должен рассматриваться, как устройство на 11 В без необходимости учитывать такие эффекты, как повышение напряжения вследствие увеличения температуры. При определении номинальной мощности или температуры перехода необходимо учитывать условия монтажа и температуру окружающей среды, как указано выше. Реле Реле, используемые как неповреждаемые элементы, должны соответствовать требованиям стандарта к разделению. Если контакты реле связанного электрооборудования используются для соединения искроопасных электрических цепей, максимальное напряжение может быть ограничено Um, но максимальный ток (<5A) и мощность (<100VA) могут быть неизвестны и зависят от установки. Тем не менее характеристики контактов реле может быть указаны в ExПИ, как условие для установки. ExПИ должен содержать: 1. Наиболее неблагоприятные измеренные разделительные расстояния между обмоткой катушки и контактами. 2. Максимальную температуру реле катушки во время испытания. стр. 9 из10 OD 021/V1 Январь 2006 3. 4. Максимальный ток, проходящий через обмотку реле и каким образом ток был определен. Максимальное напряжение и ток контактов, и их нагрузку, указанную производителем. Оптроны ExПИ должен содержать: 1. Наиболее неблагоприятные измеренные разделительные расстояния между передатчиком и приемником, если это применяется. 2. Максимальные значения параметров, которые могут действовать на передатчик и приемник , и каким образом данные значения были определены. ПРЕДОХРАНИТЕЛИ И НИТИ ЛАМП Предохранители связанного оборудования должны разрывать цепь при протекании по ней тока в 1500 A и иметь соответствующий подключенный последовательно резистор для ограничения возможного замыкания электрической цепи ниже разрывной способности предохранителя. Рабочее напряжение предохранителя не должно быть больше, чем определенное в технических данных производителя. Толщина слоя компаунда для предохранителей и нитей ламп должна быть не менее 1 мм во взрывоопасной зоне. Разрывная способность и рабочее напряжение предохранителя должны быть в пределах, указанных в документации производителя. Стандарт не устанавливает минимальную прерывающую способность в 1500A для всех предохранителей. Разрывная способность считается приемлемой для подключения к сети в соответствии с Разделом 7.3 МЭК 60079-11. Например, для цепей, работающих от батарей, не требуется разрывная способность в 1500A. В качестве альтернативы предохранители для взрывоопасной зоны могут быть не залиты при условии, что через них не проходит ток в опасной зоне в условиях неисправности (например, электрическая цепь зарядки батареи, защищенной последовательно подключенным диодом для применения только во взрывобезопасной зоне) В качестве альтернативы предохранитель приемлем, если подтверждено, что максимально допустимый ток, проходящий через предохранитель, в условиях повреждения и диаметр плавкой вставки соответствует требованиям температурной классификации проводки в соответствии со стандартом МЭК 60079-11. стр. 10 из10