Przyszłościowe wymagania dotyczące projektowania urządzeń

dr inż. ANDRZEJ FIGIEL
Instytut Techniki Górniczej KOMAG
Przyszłościowe wymagania dotyczące projektowania
urządzeń budowy przeciwwybuchowej
W artykule przedstawiono wymagania techniczne, jakie będą musiały spełniać urządzenia elektryczne budowy przeciwwybuchowej, w związku z ustanowieniem nowego
wydania normy EN 60079-0, oraz urządzenia zabezpieczające, w związku z koniecznością realizowania przez nie funkcji z wymaganym poziomem niezawodności, określonym według normy PN-EN 50495:2013.
1. WPROWADZENIE
Z uwagi na postęp techniczny, wymagania techniczne stawiane nowo projektowanym i wytwarzanym wyrobom, zgodnie z tzw. „dobrą praktyką inżynierską”, ulegają ciągłym zmianom. Aktualny stan
wiedzy znajduje odzwierciedlenie w najnowszych
wydaniach norm opracowywanych przez europejskie
(CEN, CENELEC, ETSI) i międzynarodowe (ISO,
IEC) komitety normalizacyjne.
Normy są, co prawda, dokumentami do dobrowolnego stosowania, jednak powszechnym sposobem
wykazania zgodności dostarczanych na rynek wyrobów, z wymaganiami odzwierciedlającymi aktualny
stan wiedzy technicznej, jest ich zaprojektowanie,
poddanie badaniom i wytworzenie z uwzględnieniem
najnowszych wydań norm.
W artykule zaprezentowano przewidywane zmiany, wynikające z ustanowienia dwóch norm zharmonizowanych z dyrektywą 94/9/WE (ATEX),
w podejściu do konstrukcji urządzeń budowy przeciwwybuchowej. Pierwsza z nich, norma PN-EN
50495:2013 [1], określa wymagania dotyczące elektrycznych urządzeń zabezpieczających, używanych
do eliminowania potencjalnych źródeł zapłonów
w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, oraz
urządzeń zabezpieczających, pracujących poza strefami, w których występują przestrzenie zagrożone
wybuchem, zapewniających funkcje bezpieczeństwa
urządzeń w odniesieniu do zagrożeń wybuchem.
Druga norma, EN 60079-0:2012 [2], stanowiąca
europejski odpowiednik normy IEC 60079-0 edycja
6.0, i zawiera podstawowe wymagania dla wszystkich urządzeń elektrycznych budowy przeciwwybuchowej.
2. POZIOM BEZPIECZEŃSTWA URZĄDZEŃ
ZABEZPIECZAJĄCYCH
Urządzenia przeznaczone do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem mogą bezpiecznie
funkcjonować dzięki zastosowaniu odpowiednich
zabezpieczeń, utrzymujących, w dopuszczalnych
granicach, pewne parametry pracy urządzeń. Urządzenia zabezpieczające, sterujące i regulacyjne, używane w celu zabezpieczenia urządzeń w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, powinny działać niezawodnie dla osiągnięcia zamierzonego celu.
Urządzenia sterujące lub kontrolujące określony
parametr pracy, od których zależy wykluczenie występowania źródeł zapłonu, są urządzeniami zabezpieczającymi realizującymi funkcje bezpieczeństwa,
które należy zaprojektować z odpowiednim poziomem niezawodności. Urządzenia te powinny np.
spowodować odpowiednie działania w określonym
czasie, np. inicjując alarm lub automatyczne wyłączenie, w sposób pewny, w całym okresie użytkowania. Poziom pewności funkcji realizowanej przez
urządzenie zabezpieczające jest wyrażony odpowied-
18
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
nim poziomem nienaruszalności bezpieczeństwa SIL.
Urządzenie zabezpieczające powinno utrzymywać
niezbędny poziom zabezpieczenia przez cały przewidywany czas jego użytkowania.
Przykładami urządzeń zabezpieczających, które należy zaprojektować i ocenić z uwzględnieniem normy
PN-EN 50495:2013, są:
 zewnętrzne urządzenia zabezpieczające lub elementy związane z bezpieczeństwem systemu sterowania dla rodzaju zabezpieczenia za pomocą
osłon gazowych z nadciśnieniem „p” – zanik nadciśnienia wewnątrz osłony oznacza brak zabezpieczenia,
 urządzenie zabezpieczające przed przeciążeniem
silników elektrycznych dla rodzaju zabezpieczenia
„e” (budowa wzmocniona) – nieprawidłowe działanie zabezpieczenia przeciążeniowego może doprowadzić do wzrostu temperatury powyżej wartości dopuszczalnej,
 urządzenia zabezpieczające proces ładowania baterii (zabezpieczenie przed przeładowaniem lub głębokim rozładowaniem) – przeładowanie baterii
może doprowadzić do reakcji egzotermicznej i wybuchu,
 czujniki poziomu do zabezpieczania pomp zanurzalnych przed pracą „na sucho” – niewypełnienie
funkcji przez czujnik i układ sterowania, w przypadku obniżenia poziomu pompowanej cieczy,
skutkuje niedozwoloną pracą pompy, która może
doprowadzić do wzrostu temperatury powyżej
temperatury dopuszczalnej.
Urządzenia zabezpieczające, których funkcja bezpieczeństwa jest uwzględniona w istniejących normach serii EN 60079, nie muszą dodatkowo być
projektowane zgodnie z wymaganiami normy PN-EN
50495:2013.
w gazowych atmosferach wybuchowych (grupa II)
i zagrożonych wybuchem pyłów (grupa III).
Poziom zabezpieczenia urządzenia jest ustalany
na podstawie prawdopodobieństwa powstania źródła
zapłonu w atmosferze zagrożonej wybuchem gazu,
atmosferze zagrożonej wybuchem pyłu i atmosferze
w kopalniach, w której występuje metan.
Wymagane poziomy EPLs urządzeń przeznaczonych do pracy w gazowych atmosferach wybuchowych oraz atmosferach zawierających pył palny
przedstawiono w tabeli 1.
3. PODSTAWOWE WYMAGANIA DOTYCZĄCE URZĄDZEŃ BUDOWY PRZECIWWYBUCHOWEJ
Norma PN-EN 60079-0:2009 [3] (IEC 600790:2007) nie wprowadziła zmian dotyczących wymagań technicznych. Zasadniczą zmianą było ujęcie
w jednej normie wymagań dotyczących urządzeń
przeznaczonych do stosowania w atmosferach zagrożonych wybuchem gazów (PN-EN 60079-0:2009
[4]) i pyłów (PN-EN 61241-0:2007 [5]), wprowadzenie dla wszystkich, nowo certyfikowanych urządzeń oznaczenia poziomów zabezpieczeń EPLs
(Equipment Protection Levels) oraz rozdzielenie
wymagań dla urządzeń przeznaczonych do pracy
Tabela 1.
Poziomy zabezpieczeń urządzeń [3]
EN 60079-0
EPL
Ma
Mb
94/9/WE
Grupa
Grupa
I
I
Ga
Gb
II
Gc
II
Da
Db
Dc
III
EN 60079-10
Kategoria
M1
M2
Strefa
nie dotyczy
1G
0
2G
1
3G
2
1D
20
2D
21
3D
22
Urządzenia elektryczne grupy III są przeznaczone
do stosowania w strefach zagrożonych wybuchem
pyłu, innych od tych, które występują w kopalniach.
Urządzenia elektryczne tej grupy, w zależności od
natury zagrożenia spowodowanego obecnością danego pyłu, dzielą się na podgrupy:
IIIA – aglomeraty lotne włókien palnych,
IIIB – pyły nieprzewodzące,
IIIC – pyły przewodzące.
Poszczególne rodzaje zabezpieczenia przeciwwybuchowego charakteryzują się odpowiednim
poziomem zabezpieczenia urządzeń EPLs. W tabeli 2. przedstawiono EPLs wybranych rodzajów
zabezpieczeń.
W normie EN 60079-0:2012 wprowadzono znaczące zmiany wymagań technicznych. Najważniejsze
z nich dotyczą:
 rozszerzenia specyfikacji materiałowych o dane
dotyczące tworzyw sztucznych i elastomerów,
w tym ich odporności na promieniowanie UV,
 wprowadzenia alternatywnej kwalifikacji uszczelnień typu O-ring wykonanych z elastomeru, która
umożliwia łatwiejszą zamienność uszczelnień pochodzących od różnych producentów,
Nr 5(507) MAJ 2013
19
Tabela 2.
Poziomy zabezpieczeń urządzeń w zależności od rodzaju zabezpieczenia [4]
Rodzaj zabezpieczenia
EPL
Zabezpieczenie urządzeń za pomocą iskrobezpieczeństwa „i”
Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłon ognioszczelnych „d”
Zabezpieczenie urządzeń za pomocą budowy wzmocnionej „e”
Zabezpieczenie urządzeń za pomocą hermetyzacji „m”
Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłony piaskowej „q”
Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłony olejowej „o”
 uznania materiałów wyszczególnionych w ANSI/UL746C [5] za odpowiednie ze względu na odporność na promieniowanie UV, bez konieczności
wykonywania specjalnych badań przewidzianych
w normie; jeżeli nie zastosowano ochrony przed
narażeniem na światło, próbę odporności obudowy
lub jej części na światło należy przeprowadzić, jeżeli obudowa lub jej część jest wykonana z materiałów innych niż metal,
 rezystancji powierzchniowej zastosowanych materiałów, która nie może przekroczyć następujących
wartości:
 109  zmierzonej przy wilgotności względnej
50 ± 5% (kryterium dotychczas stosowane),
 1011  zmierzonej przy wilgotności względnej
30 ± 5% (nowe kryterium).
 grubości warstwy z materiałów niemetalowych
pokrywających powierzchnie przewodzące; grubość takiej warstwy nie może przekroczyć wartości
podanych w tabeli 3. lub musi charakteryzować się
napięciem przebicia ≤ 4 kV,
Tabela 3.
Maksymalna grubość warstwy z materiałów
niemetalowych pokrywających
powierzchnie przewodowe[2]
Maksymalna grubość – mm
Urządzenia
grupy I
2
EPL
EPL Ga
EPL Gb
EPL Gc
Urządzenia grupy II
Grupa
Grupa
IIA
IIB
2
2
2
2
2
2
Grupa
IIC
0,2
0,2
0,2
 oznakowania znakiem „X” urządzeń z materiałów
niemetalowych w celu zwrócenia uwagi użytkowników na konieczność wykonania połączeń wyrównawczych, pokryć przewodzących lub innych
działań zmniejszających ryzyko powstawania ładunków elektrostatycznych,
 uwzględnienia w rozważaniach dotyczących elektrostatyki wymagań dla obudów urządzeń grupy III, wykonanych z materiałów niemetalowych, jak również
obudów metalowych malowanych lub powlekanych,
ia
ib
ic
d
e
ma
mb
q
o
Norma
Ma, Ga, Da
Mb, Gb, Db
Gc, Dc
Mb, Gb
Mb, Gb
Ma, Ga, Da
Mb, Gb, Db
Mb, Gb
Mb, Gb
PN-EN 60079-11:2012
PN-EN 60079-1:2010
PN-EN 60079-7:2010
PN-EN 60079-18:2011
PN-EN 60079-5:2010
PN-EN 60079-6:2010
 konieczności sprawdzenia pojemności dostępnych
izolowanych pojedynczych części przewodzących
obudów wykonanych z materiałów nieprzewodzących w przypadku, gdy rezystancja w stosunku do
„ziemi” jest większa lub równa 109 ; pojemność
nieuziemionych metalowych części nie może przekraczać wartości podanych w tabeli 4.
Tabela 4.
Maksymalna pojemność części przewodzących
obudów z tworzyw sztucznych [2]
Maksymalna pojemność – pF
Urządzenia
grupy I
lub
grupy III
Urządzenia grupy II
10
EPL
Grupa
IIA
Grupa
IIB
Grupa
IIC
EPL Ga
EPL Gb
EPL Gc
3
10
10
3
10
10
3
3
3
 wartości granicznych zawartości cyrkonu w obudowach urządzeń grupy III oraz grupy II (tylko Gb); dla
obudów urządzeń grupy III, w których udział wagowy magnezu, tytanu i cyrkonu przekracza dopuszczalne wartości oraz wymagających szczególnych
warunków stosowania wprowadzono oznakowanie
„X”. Materiał, z którego są wykonane metalowe obudowy urządzeń elektrycznych, może zawierać ww.
pierwiastki w granicach przedstawionych w tabeli 5,
Tabela 5.
Dopuszczalna zawartość aluminium, magnezu,
tytanu i cyrkonu w metalowych obudowach [4]
Maksymalna zawartość – %
Grupa
I
II
III
EPL
EPL Ma
EPL Mb
EPL Ga
EPL Gb
EPL Gc
EPL Da
EPL Db
EPL Dc
aluminium, magnez,
tytan, cyrkon
15
15
10
-
magnez, tytan,
cyrkon
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
-
20
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
 połączeń specjalnych; śruby z łbem walcowym wypukłym z gniazdem sześciokątnym wg ISO 14583
mogą być stosowane do połączeń specjalnych,
 konstrukcji zacisków do podłączenia przewodu
ochronnego PE, które powinny być zgodne z normą
PN-EN 60034-1:2011 [6] dotyczącą maszyn elektrycznych wirujących,
 wentylatorów o mocy do 5 kW, których wał jest
montowany bezpośrednio z silnikiem (silnik wchodzi w skład wentylatora) i które nie stanowią części
układu chłodzenia silnika; wentylatory z EPL Ma,
EPL Ga, EPL Da nie są dozwolone,
 wentylatorów, które wymagają minimalnego ciśnienia powrotnego, aby nie przekroczyć zakresu
pracy silnika; muszą posiadać oznakowanie „X”,
 rezygnacji z bezwzględnego wymogu blokady
pomiędzy rozłącznikiem a pokrywą lub drzwiami
rozłącznika; jeżeli brak jest blokady zapewniającej
otwarcie pokrywy lub drzwi tylko po otwarciu styków rozłącznika, na urządzeniu należy umieścić
stosowane ostrzeżenie,
 likwidacji ograniczeń (prąd, napięcie) dla wtyczek
i gniazd; wszystkie tego typu elementy, niezależnie
od parametrów technicznych, muszą spełniać wymagania określone w normie,
 uwzględnienia nowych rodzajów ogniw; w związku z pojawieniem się norm IEC zawierających specyfikacje techniczne wprowadzono m.in. możliwość stosowania ogniw litowych,
 zmniejszenia liczby próbek szyby poddawanych
badaniu odporności na uderzenia z trzech do
dwóch, przy czym bijak podczas próby nie może
być usunięty, zanim nie osiągnie położenia spoczynkowego,
 sposobu przeprowadzenia próby mającej na celu
ustalenie maksymalnej temperatury powierzchni
zewnętrznej. Próba powinna być przeprowadzona
w najmniej korzystnych warunkach, tj. przy zasilaniu urządzenia napięciem w zakresie 0,9-1,1 napięcia znamionowego; dla maszyn elektrycznych
ustalenie maksymalnej temperatury zewnętrznej
może być przeprowadzone w najmniej korzystnych warunkach, przy zasilaniu napięciem w zakresie „strefy A” (0,95-1,05 napięcia znamionowego) według IEC 60034-1. W takim przypadku
jest wymagane oznakowanie urządzenia znakiem
„X” oraz określenie szczególnych warunków stosowania, które zapewniają brak przekroczenia
ustalonej temperatury powierzchni zewnętrznej;
dla maszyn elektrycznych pracujących z przemiennikiem, próbę należy przeprowadzić dla
kompletnego układu napędowego (silnik – przemiennik), zapewniając napięcie wejściowe przemiennika, a nie silnika; kiedy napięcie zasilania
nie wpływa bezpośrednio na wzrost temperatury,
jak to ma miejsce w przypadku zacisków przyłączowych lub łączników, należy wykonać próbę
prądem o wartości 1,1 prądu znamionowego. Próba
mająca na celu ustalenie maksymalnej temperatury
powierzchni zewnętrznej powinna być przeprowadzona bez uwzględniania uszkodzeń, chyba że są
wymagane dla danego rodzaju zabezpieczenia,
 wprowadzenia alternatywnej metody badania wytrzymałości termicznej; próba w środowisku „wilgotne gorąco” w temperaturze 95°C i przy wilgotności względnej 90% może zostać zastąpiona próbą
o dłuższym okresie narażenia w temperaturze 90°C
i przy wilgotności względnej 90%. Jest to warunek,
który łatwiej osiągnąć w komorach dostępnych na
rynku, co powinno prowadzić do uzyskiwania
przez różne laboratoria porównywalnych wyników
badań (im wyższa temperatura, tym trudniej zapewnić wysoką, 90-procentową wilgotność),
 usunięcia próby ładowania „charging tests” obudów
wykonanych z materiałów niemetalowych. Wynika
to z faktu, że próba nie zapewniała powtarzalności
uzyskiwanych wyników. Należy pamiętać, że taki
sposób wykonania próby pozostaje w PN-EN
13463-1:2010 [7] dla urządzeń nieelektrycznych. Ta
i inne pokrewne próby są przedmiotem pracy grupy
roboczej IEC TC31 i IEC TC 101; wersja zmodyfikowanego testu zostanie opublikowana w przygotowywanej normie IEC 60079-32-2 [8],
 oznakowania klas temperaturowych urządzeń grupy II, posiadających wiele klas temperaturowych
(np. z powodu różnych zakresów temperatury otoczenia). W takim przypadku zalecaną metodą jest
podanie najniższej i najwyższej klasy temperaturowej np. T6 ... T4. Wprowadzono dodatkowe
oznakowania dotyczące maszyn (silników) z przemiennikami. Usunięto oznaczenie IP dla urządzeń
grupy III ze względu na to, że stopień ochrony
można wywnioskować z oznakowania podgrupy,
 oznakowania dotyczącego maszyn (silników)
z przemiennikami; oznakowanie powinno zawierać:
 uwagę „For Converter Supply” („Do zasilania
z przemiennika”),
 zakres prędkości lub zakres częstotliwości, powyżej której maszyna może pracować,
 minimalną częstotliwość przełączania,
 rodzaj obciążenia, np. zmiennym momentem,
stałym momentem, stałą mocą lub alternatywnie
eksploatacyjne ograniczenia momentu,
 rodzaj identyfikacji specyficznego przeznaczenia przemiennika, jeżeli ma zastosowanie,
 klasyfikację przemienników, np. przemiennik
częstotliwości z modulacją szerokości impulsu
(PWM), jeżeli ma zastosowanie,
Nr 5(507) MAJ 2013
 instrukcji maszyn elektrycznych; wprowadzono
wymóg poszerzenia takich instrukcji o dodatkowe
informacje:
 wykres prędkości/momentu dla maszyn przeznaczonych do zasilania z przemiennika,
 poradnik dotyczący wyboru i instalacji zabezpieczenia przed przeciążeniem lub nadmiernym
wzrostem temperatury (ochrona ta może być
dodatkowo zapewniona przez przemiennik),
 wymagania dotyczące smarowania podczas
uruchomienia i konserwowania,
 instrukcji wentylatorów; wprowadzono wymóg
poszerzenia takich instrukcji o dodatkowe informacje:
 minimalne i maksymalne natężenie przepływu
powietrza (z uwzględnieniem temperatury powierzchni i temperatury otoczenia podczas pracy),
 ciśnienie powrotne, jeżeli jest wymagane (do
eksploatacji wentylatora w warunkach znamionowych),
 jakiekolwiek ograniczenia, np. uwzględniające
wymagania zagranicznego klienta (wymagania
dotyczące stopnia ochrony IP, wlotu kanałowego),
 jakiekolwiek specjalne uziemienia mające zastosowanie w celu uniknięcia tworzących się
elektrostatycznych wyładowań.
21
nie zezwala na zamknięcie zestyków odłącznika przy
otwartej pokrywie lub drzwiach.
Wprowadzenie możliwości zastąpienia blokady
ostrzeżeniem o konieczności odłączenia zasilania
przed otwarciem pokrywy lub drzwi urządzenia,
zdaniem autora artykułu, jest rozwiązaniem, które
wiąże się z większym ryzykiem wystąpienia sytuacji
niebezpiecznej.
Konstrukcje urządzeń, w pierwszej kolejności, muszą być bezpieczne same w sobie, a tylko w przypadku braku możliwości technicznych dopuszczalna jest
redukcja ryzyka do akceptowalnego poziomu poprzez
zastosowanie dodatkowych środków ochronnych lub
poinformowanie użytkowników o istniejącym ryzyku
resztkowym.
Należy pamiętać, że normy zharmonizowane z dyrektywą 94/9/WE, które zostały zastąpione, w okresie
przejściowym, określonym w komunikacie Komisji
Europejskiej [9], mogą być wykorzystywane do potwierdzania zgodności z wymaganiami zasadniczymi
dyrektywy.
W związku z tym projektanci, producenci, jednostki notyfikowane w swoich działaniach mogą posługiwać się normą PN-EN 60079-0:2009 do daty, która
zostanie podana w komunikacie zawierającym informacje o wszystkich normach zharmonizowanych
z dyrektywą 94/9/WE.
4. PODSUMOWANIE
Literatura
1.
W niniejszym artykule przedstawiono wymagania,
jakie będą musiały spełnić urządzenia budowy przeciwwybuchowej po wprowadzeniu kolejnego wydania normy EN 60079-0. Pozwolą one projektantom
i producentom urządzeń elektrycznych przeznaczonych do stosowania w atmosferach wybuchowych na
odpowiednio wcześniejszą weryfikację konstrukcji
obecnie produkowanych wyrobów.
Zapoznanie się z nowymi wymaganiami umożliwi
również poprawne zaprojektowanie wyrobów, które będą
w przyszłości wprowadzone do obrotu handlowego.
W odniesieniu do urządzeń elektrycznych przeznaczonych do stosowania w podziemnych zakładach
górniczych, w wyrobiskach zagrożonych wybuchem
metanu i pyłu węglowego, istotne znaczenie ma złagodzenie wymagania dotyczącego dostępu do wnętrza komór ognioszczelnych aparatury łączeniowej
wyposażonej w odłączniki. Praktycznie wszystkie
dotychczas produkowane urządzenia zasilające są
wyposażone w odłącznik z blokadą, która nie zezwala na otwarcie pokrywy lub drzwi komory, zanim nie
zostaną skutecznie rozwarte zestyki odłącznika, oraz
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
PN-EN 50495:2013. Urządzenia zabezpieczające niezbędne do bezpiecznego działania urządzeń ze względu na zagrożenia wybuchem.
EN 60079-0:2012. Explosive atmospheres. Part 0: Equipment –
General requirements.
PN-EN 60079-0:2009. Atmosfery wybuchowe. Część 0: Sprzęt –
podstawowe wymagania.
PN-EN 61241-0:2007. Urządzenia elektryczne do stosowania
w obecności pyłu palnego. Część 0: Wymagania ogólne.
UL 746C:2004. Polymeric Materials – Use in Electrical Equipment.
Evaluations.
PN-EN 60034-1:2011. Maszyny elektryczne wirujące. Część 1:
Dane znamionowe i parametry.
PN-EN 13463-1:2010. Urządzenia nieelektryczne w przestrzeniach
zagrożonych wybuchem. Część 1: Podstawowe założenia i wymagania.
IEC 60079-32-2/Ed1. Explosive atmospheres – Part 32-2: Electrostatics hazards – Tests.
http://ec.europa.eu/enterprise/policies/europeanstandards/harmonise
d-standards/equipment-explosive-atmosphere/index_en.htm.
Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów.