31.07.2023

Барьеры искробезопасности: назначение, типы, особенности применения

Бесперебойная и безаварийная работа производственных и технологических процессов на промышленных объектах является первоочередной задачей для обеспечения высокой эффективности, экономической целесообразности и, главное, безопасности труда персонала.

Особо остро эти вопросы стоят для взрывоопасных производств — нефтегазовой и химической промышленности, металлургии, объектов энергетики, горнодобывающей отрасли и других сфер, связанных с обращением легковоспламеняющихся веществ и материалов. Даже небольшая искра может привести к трагическим последствиям на таких опасных объектах.

В связи с этим, обеспечение надлежащего уровня взрывобезопасности на всех этапах — от проектирования до эксплуатации — является первостепенной задачей для инженеров и технических специалистов. Одним из ключевых компонентов систем защиты от взрывоопасности являются барьеры искробезопасности. Их основное назначение — надёжно предотвращать возможность возникновения искр и недопустимых температур в электрических цепях, работающих во взрывоопасных зонах.

Барьеры искробезопасности MTL 45 и 55 серии.

В данной статье мы подробно рассмотрим устройство и принцип действия барьеров искробезопасности, типы и области их применения, особенности выбора и проектирования систем искрозащиты с использованием барьеров для конкретных производственных условий. Это позволит специалистам глубже изучить данную тему и обрести уверенность в вопросах обеспечения взрывобезопасности на опасных промышленных объектах.

Содержание

1 Принцип действия барьеров искробезопасности
2 Основные типы барьеров искробезопасности
3 Основные параметры и характеристики барьеров искробезопасности
4 Выбор и применение барьеров искробезопасности
5 Обслуживание и диагностика барьеров искробезопасности
6 Перспективы развития барьеров искробезопасности
7 Заключение

Принцип действия барьеров искробезопасности

Барьеры искробезопасности работают по принципу ограничения электрической энергии в цепях до безопасных значений, не способных вызвать воспламенение окружающей взрывоопасной среды.

Для этого они разделяют электрическую цепь на искроопасную и искробезопасную зоны. К искроопасной зоне относится часть цепи, расположенная во взрывоопасной среде — датчики, исполнительные механизмы, кабельные линии. К искробезопасной зоне относится часть цепи, находящаяся вне взрывоопасной среды — блоки управления (контроллеры), регистрации, интерфейсные устройства и т.д.

В нормальном режиме работы барьер пропускает электрические сигналы между этими зонами без изменений. Но в аварийной ситуации барьер ограничивает ток, напряжение и мощность в цепи до предельных значений, не способных вызвать искрение.

Барьеры искробезопасности TURCK.

Для этого в конструкции барьеров используются ограничительные элементы — стабилитроны, диоды Зенера, резисторы, предохранители. При превышении допустимых уровней напряжения или тока они шунтируют или блокируют цепь, сбрасывая энергию на землю или внутри барьера.

Ключевыми параметрами искробезопасности являются:

Максимальное выходное напряжение Uo, В;
Максимальный выходной ток Io, мА;
Максимальная выходная мощность Po, Вт;
Максимальная внешняя ёмкость Co, мкФ;
Максимальная внешняя индуктивность Lo, мГн.

Эти параметры приводятся в технической документации на барьер и не должны превышать максимально допустимые значения для конкретного уровня взрывозащиты по газу и пыли.

Некоторые барьеры также обеспечивают гальваническую развязку между искроопасной и искробезопасными цепями. Это повышает уровень защиты от перенапряжений и токов утечки.

Пример схемы подключения барьера.

Конструкция и схемотехника барьеров искробезопасности надёжно ограничивает энергию в цепях до безопасного уровня, что гарантирует взрывобезопасность применения электрооборудования во взрывоопасных зонах.

Основные типы барьеров искробезопасности

Существует несколько основных типов барьеров искробезопасности, классифицируемых по различным признакам. Они отличаются принципом ограничения электрической энергии в цепи, схемотехническими решениями, областями оптимального применения.

Правильный выбор типа барьера является важной инженерной задачей, поскольку от этого зависит надежность искрозащиты для конкретных условий эксплуатации. Необходимо учитывать параметры подключаемых цепей, требования взрывобезопасности, функциональные особенности разных барьеров.

Далее мы подробно рассмотрим наиболее распространенные типы барьеров искробезопасности, их принцип действия, основные характеристики и особенности применения. Это поможет разобраться в многообразии предлагаемых на рынке решений и облегчит выбор оптимального барьера для конкретных задач искрозащиты. Кроме того, мы коснемся последних инновационных разработок в этой области.

Классификация барьеров искробезопасности

Барьеры искробезопасности классифицируются по следующим основным признакам:

По принципу ограничения энергии в цепи:

на стабилитронах или диодах Зенера;
оптронные (оптической развязкой);
трансформаторные;
комбинированные.

По способу передачи сигнала:

активные (усиливают сигнал);
пассивные (ослабляют сигнал).

По количеству каналов:

одноканальные;
многоканальные (в основном двухканальные).

По наличию дополнительных функций:

со встроенным блоком питания;
с функцией самодиагностики;
с регистратором параметров;
с HART-модемом.

По уровню взрывозащиты (маркировка Ex):

Ex ia (для газов);
Ex ib (для газов);
Ex nA (для газов);
Ex tD (для пыли).

Внешний вид барьера искробезопасности Pepperl-Fuchs. Такая классификация позволяет выделить ключевые отличительные признаки барьеров для облегчения выбора необходимого типа.

Барьеры на стабилитронах и диодах Зенера

Барьеры на стабилитронах и диодах Зенера относятся к наиболее распространенным типам барьеров искробезопасности.

Принцип их работы основан на использовании стабилитронов или специально подобранных диодов Зенера, которые шунтируют избыточную энергию на землю, ограничивая выходное напряжение до безопасных значений.

Ключевыми параметрами таких барьеров являются:

напряжение стабилизации (для диодов Зенера);
максимально допустимое выходное напряжение;
время срабатывания защиты;
входное сопротивление.

Основные преимущества — относительная простота схем, надежность, невысокая стоимость.

Области применения: искрозащита различных датчиков, исполнительных механизмов, измерительных цепей. При необходимости точной стабилизации напряжения предпочтительны барьеры на диодах Зенера.

Данные типы барьеров оптимальны для решения многих базовых задач искрозащиты благодаря оптимальному сочетанию цена/качество.

По способу передачи сигнала

По способу передачи сигнала барьеры искробезопасности делятся на:

Активные — усиливают сигнал, передавая энергию от внутреннего или внешнего источника в искробезопасную цепь. Позволяют согласовать параметры различных датчиков.
Пассивные — не передают энергию во внешнюю цепь. Используются с активными датчиками, отличаются предельной простотой и надежностью.

Достоинства активных барьеров:

возможность передачи сигнала на большие расстояния;
согласование с разными типами датчиков.

Достоинства пассивных барьеров:

максимальная простота и надёжность;
не требуют внешнего питания.

Выбор активных или пассивных барьеров зависит от типа датчиков, длины линии, требований к надёжности и стоимости решения.

По количеству каналов

По количеству каналов барьеры искробезопасности делятся на:

Одноканальные — содержат один вход и один выход, предназначены для подключения одной искробезопасной цепи. Отличаются компактностью и доступной ценой.
Многоканальные — имеют несколько гальванически развязанных каналов в одном корпусе. Это позволяет подключать одновременно несколько датчиков к одному барьеру.

Барьеры искрозащиты Ленпромавтоматика.

Преимущества многоканальных барьеров:

компактность, экономия места при монтаже;
более высокая эффективность при большом количестве цепей.

Многоканальные барьеры выпускаются с количеством каналов от 2.

Выбор одно- или многоканального исполнения зависит от количества подключаемых цепей и требований к компактности решения при проектировании системы искрозащиты.

По наличию дополнительных функций

По наличию дополнительных функций барьеры искробезопасности делятся на:

Стандартные — выполняют только основную функцию искрозащиты.
С встроенным блоком питания — имеют встроенный преобразователь напряжения для питания датчиков.
С функцией самодиагностики — производят автоматический контроль работоспособности и индикацию неисправностей. Повышают надёжность.
С регистратором параметров — записывают во внутреннюю память рабочие параметры цепи. Полезно для мониторинга.
С HART-модемом — обеспечивают цифровую связь по протоколу HART с интеллектуальными датчиками.

Наличие дополнительных функций повышает удобство использования и расширяет возможности барьеров искробезопасности. Необходимость тех или иных опций определяется при проектировании системы искрозащиты.

Основные параметры и характеристики барьеров искробезопасности

Барьеры искробезопасности характеризуются рядом важных параметров и характеристик, которые необходимо учитывать при выборе и эксплуатации:

Входные/выходные параметры — определяют максимально допустимые значения напряжения, тока, мощности на входе и выходе барьера.
Параметры искробезопасных цепей — Uo, Io, Po, Co, Lo — ограничивают ток, напряжение, мощность, емкость и индуктивность внешней цепи до искробезопасных значений.
Гальваническая развязка — разделяет электрические цепи барьера для предотвращения перенапряжений и токов утечки.
Количество каналов — определяет возможность подключения нескольких цепей к одному барьеру.
Сопротивление линии — влияет на точность измерений, должно учитываться при монтаже.
Дополнительные функции — поддержка HART, контроль обрыва линии, регистрация параметров, диагностика.
Уровень взрывозащиты — зона, категория, группа взрывоопасных смесей.
Климатическое исполнение — диапазон рабочих температур, защищенность от внешних воздействий.
Конструктивное исполнение — габариты, масса, вид корпуса, способ монтажа.

Искрозащитный барьер КонтрАвт.

Учет всех параметров и характеристик при выборе барьеров крайне важен для обеспечения надежной искробезопасности электрических цепей во взрывоопасных зонах.

Выбор и применение барьеров искробезопасности

Правильный выбор и применение барьеров искробезопасности является важной задачей при проектировании систем защиты для взрывоопасных производств. Рассмотрим основные рекомендации:

Анализ требований к взрывозащите — определение зоны, категории и группы взрывоопасной смеси. Выбор соответствующего уровня взрывозащиты.
Анализ параметров подключаемых устройств — диапазоны сигналов, питающие напряжения, индуктивности и емкости цепей.
Выбор типа барьера — в зависимости от особенностей цепей и требований к надежности и функциональности.
Проверка параметров искробезопасности — Uo, Io, Po, Co, Lo барьера должны соответствовать подключаемой цепи.
Учет сопротивления линии — выбор сечения кабелей и длины линии, расчет падений напряжения.
Обеспечение надежного заземления — подключение через эквипотенциальную систему заземления.
Соблюдение требований монтажа — отделение от искроопасных цепей, предотвращение доступа, маркировка.
Проверка работоспособности — контроль прохождения сигналов, измерение параметров на входе и выходе.
Организация технического обслуживания — периодические проверки, профилактика, испытания заземления.

Соблюдение всех требований и рекомендаций по применению барьеров искрозащиты гарантирует надежную защиту от взрывоопасности.

Выбор типа барьера искробезопасности — ответственный этап проектирования системы искрозащиты. От правильного решения зависит надежность всей системы. Рассмотрим ключевые рекомендации на примере выбора барьера для датчика уровня во взрывоопасной зоне химического производства.

Анализируем условия взрывоопасной зоны — категория II, группа газов ВС. Выбираем соответствующий уровень взрывозащиты Ex ib.
Изучаем технические характеристики датчика — аналоговый выходной сигнал 4-20 мА, питание 24 В.
Выбираем барьер искробезопасности с маркировкой Ex ib, совместимый по электрическим параметрам с датчиком. Например, MTL4541.
Учитываем длину и сечение соединительных проводов, рассчитываем падение напряжения в линии.
Проверяем сопротивление заземления, оно должно быть не более 4 Ом.

Аналоговый одноканальный входной барьер MTL4541.

Типичные ошибки при выборе барьеров:

Неправильный выбор уровня взрывозащиты
Превышение параметров искробезопасности
Несоответствие электрических характеристик барьера и датчика
Неверный расчет сопротивления линии и заземления

Грамотный подбор всех элементов системы искрозащиты — залог ее надежной и безопасной работы на опасном производстве.

Обслуживание и диагностика барьеров искробезопасности

Для поддержания работоспособности и искробезопасности системы необходимо проводить периодическое техническое обслуживание барьеров. Рекомендуется следующая периодичность:

Визуальный осмотр — 1 раз в 6 месяцев. Проверка целостности корпуса, индикаторов, клемм, отсутствие повреждений.
Проверка заземления — 1 раз в 12 месяцев. Измерение полного сопротивления контура заземления. Должно быть не более 4 Ом.
Функциональные испытания — 1 раз в 12 месяцев. Проверка основных параметров (сопротивление изоляции, погрешность передачи сигнала, реакция на короткое замыкание в нагрузке).
Измерение параметров искробезопасности — 1 раз в 36 месяцев.

При возникновении неисправностей проверяется целостность линий связи, качество контактов в клеммах, исправность предохранителей (если есть). Проводится замена вышедших из строя компонентов.

Регулярное обслуживание и диагностика критически важны для поддержания функциональности и взрывобезопасности системы искрозащиты.

Перспективы развития барьеров искробезопасности

Несмотря на достаточно зрелую технологию, барьеры искробезопасности продолжают совершенствоваться и развиваться. Основные тенденции:

Повышение технических характеристик — снижение времени срабатывания, увеличение количества каналов, расширение функциональных возможностей.
Совершенствование элементной базы — применение более точных и быстрых оптоэлектронных и электронных компонентов.
Миниатюризация — создание барьеров в миниатюрных корпусах, уменьшение габаритов и веса.
Интеграция дополнительных функций — встроенные источники питания, гальваническая развязка, контроль линии связи.
Расширение областей применения — использование во взрывозащищенных компьютерах, системах удаленного мониторинга и управления.
Повышение удобства и простоты монтажа и эксплуатации — улучшение конструкции, диагностические функции.
Создание конфигурируемых программируемых барьеров с возможностью гибкой настройки параметров.
Применение барьеров в комплексных системах Ex-защиты, интегрированных с другими средствами взрывозащиты.

Барьеры искрозащиты будут и дальше совершенствоваться, чтобы обеспечивать максимальную гибкость и надежность систем защиты от взрывоопасности.

Заключение

Барьеры искробезопасности являются важнейшим компонентом комплексных систем обеспечения взрывобезопасности на опасных производственных объектах. Их основная задача — надежная защита от возникновения искр и недопустимого нагрева, которые могут привести к воспламенению взрыvoопасной среды.

Существует несколько основных типов барьеров, использующих разные принципы ограничения энергии в электрической цепи. Наиболее распространены барьеры на стабилитронах, диодах Зенера и барьеры с оптической или трансформаторной развязкой.

Выбор конкретного типа барьера зависит от условий взрывоопасной среды, параметров подключаемых цепей, требований надёжности и функциональности. Очень важно учитывать все тонкости при проектировании системы искрозащиты.

Регулярное обслуживание и диагностика барьеров также критически важны для поддержания их работоспособности и безопасности производства.

Применение современных барьеров искробезопасности позволяет минимизировать риск возникновения пожаров и взрывов даже в самых опасных технологических процессах. Это делает производство более безопасным для персонала и более экологичным для окружающей среды.