Приложение С (обязательное). Соединение линейных и нелинейных искробезопасных цепей

Приложение С
(обязательное)

Соединение линейных и нелинейных искробезопасных цепей

Эта проблема длительное время остается предметом исследования. Настоящее приложение, отражающее мнение одной ведущей испытательной лаборатории, подверглось глубокому пересмотру. Оно отражает современное состояние знаний в данной области и его применение позволит расширить имеющийся практический опыт.

Проектирование и применение нелинейных источников питания требует специальных знаний и доступа к соответствующим испытательным установкам. Если аккредитованная испытательная лаборатория установила, что данный источник питания является достаточно безопасным, то допускается проектировать систему в соответствии с настоящим стандартом. Все особые условия, касающиеся такой системы, должны быть четко определены в сопроводительной документации.

Если проводится оценка безопасности комбинации источников питания, использующих нелинейные выходы, необходимо учитывать, что взаимодействие двух цепей может вызывать значительное увеличение рассеяния в компонентах схемы регулирования. Рекомендуется использовать только один источник питания, содержащий стабилизирующие полупроводники и источники с линейными и/или трапециевидными выходными характеристиками.

С.1 Введение

Правила выполнения электроустановок, определенные в МЭК 60079-14, позволяют оператору, который контролирует опасную зону, комбинировать несколько искробезопасных цепей с помощью их соединения. Это также относится к использованию нескольких "связанных электротехнических устройств" (активных в нормальном режиме работы или только в условиях неисправности) (см. 12.2.5.2 МЭК 60079-14). Если проверка искробезопасности соединения выполнена расчетом или испытанием, нет необходимости обращаться в испытательную лабораторию или к уполномоченному специалисту.

Практическую проверку испытанием следует выполнять с применением стандартного искрообразующего механизма в соответствии с МЭК 60079-11 с учетом коэффициента безопасности комбинированного электрооборудования. В этом случае необходимо учитывать некоторые условия неисправности, которые создают наиболее неблагоприятные условия воспламенения, - метод "наиболее неблагоприятного варианта" часто трудноосуществим на практике и обычно применяется испытательными лабораториями.

Можно легко выполнить оценку соединения расчетом, по меньшей мере, для резистивных цепей, если рассматриваемые электрические источники имеют внутреннее линейное сопротивление, как показано на рисунке С.1 а. В этом случае применяются кривые предела воспламенения, определенные в МЭК 60079-11, и допускается применение метода, описанного в приложении А МЭК 60079-14 или представленного на рисунках С.7 и С.8 настоящего приложения.

Первый этап включает оценку новых максимальных значений напряжения и тока в результате комбинирования связанного оборудования. Если связанное оборудование комбинируется, как показано на рисунке С.2 а, это последовательное соединение. Максимальные значения напряжения холостого хода отдельных подузлов складывают и учитывают максимальное значение тока короткого замыкания . В устройстве, показанном на рисунке С.2 с, соединение параллельное. Токи короткого замыкания складывают и учитывают самое высокое значение напряжения холостого хода.

Если в устройстве электрооборудования полярность определена не четко (как на рисунке С.2 е), возможно последовательное или параллельное подключение в зависимости от рассматриваемого условия неисправности. В этом случае следует предполагать сложение значений напряжения и тока для двух типов соединения в отдельности. За основу следует принимать наиболее неблагоприятные значения.

После определения новых максимальных значений тока и напряжения необходимо проверить искробезопасность комбинированной цепи с помощью кривых пределов воспламеняемости, приведенных в МЭК 60079-11 с учетом коэффициента безопасности для резистивной цепи и определить новые максимально допустимые значения внешней индуктивности и емкости . Однако здесь обнаруживается слабое место методики, при введенной в МЭК 60079-14, приложение А, по следующим причинам:

- значения максимально допустимой индуктивности действительны только для максимального напряжения 24 В;

- существование индуктивности и емкости не учитывается.

Если исходить только из напряжений холостого хода и токов короткого замыкания, полученный коэффициент безопасности снижается с желаемого значения 1,5 до примерно 1,0 в диапазоне напряжений выше 20 В. Это представляется приемлемым, поскольку соединение в соответствии с МЭК 60079-14 может быть отнесено только к уровню "ib", даже если все оборудование по отдельности отвечает требованиям уровня "ia". Однако для низких напряжений возможно снижение коэффициента безопасности значительно ниже 1,0. Таким образом, данный метод не эффективен с точки зрения безопасности.

Если один или несколько активных источников в одной цепи имеют нелинейные характеристики, оценки, выполняемые только на основе напряжений холостого хода и токов короткого замыкания, не позволяют достигнуть первоначальной цели.

На практике применяются источники трапециевидной формы (см. рисунок С.1 b), а прямоугольные выходные характеристики (см. рисунок С.1 с) часто встречаются, когда используются электронные токоограничительные устройства. Для таких цепей нельзя использовать кривые предела воспламеняемости из МЭК 60079-11. Таким образом, настоящий стандарт описывает метод, который позволяет оценивать безопасность комбинации сетей, включающих нелинейные источники, с помощью диаграмм. Новая компьютерная модель искрового воспламенения позволяет достигать желаемого коэффициента безопасности как для нелинейных источников, так и для совпадения индуктивности и емкости в цепи.

Представленная здесь методика может применяться для зоны класса 1 и для подгрупп IIС и IIВ. Необходимо подчеркнуть, что данная методика предлагает механизм соединения; его применение для определения параметров искробезопасности отдельных цепей или оборудования имеет смысл только в случае простых прямоугольных или линейных цепей.

С.2 Основные типы нелинейных цепей

С.2.1 Параметры

Для оценки искробезопасности активных цепей необходимо знать внутреннее сопротивление и напряжение источника. В самом простом случае источник может характеризоваться двумя (постоянными) электрическими величинами - напряжением и внутренним сопротивлением или напряжением и током короткого замыкания (см. рисунок С.1а). часто определяется зенеровскими диодами. и - максимальные значения, которые могут быть получены в условиях неисправности, определенных в МЭК 60079-11. В случае, приведенном на рисунке С.1а, характеристика линейная. К сожалению, на практике только некоторые цепи могут быть представлены таким простым способом.

Например, аккумулятор, оборудованный внешним токоограничительным резистором, не имеет внутреннего постоянного сопротивления и напряжение источника изменяется в зависимости от степени зарядки. Чтобы изучить поведение этих существующих в действительности цепей, они представлены более простыми эквивалентными цепями, которые должны быть в такой же степени способны вызывать воспламенение, как реальные цепи. Для вышеупомянутого случая с аккумулятором максимальное значение для разомкнутой цепи равно и внешнее сопротивление равно , как показано на рисунке С.1а. Эта эквивалентная цепь имеет линейную характеристику.

Нелинейные цепи также могут быть сведены к двум основным типам, показанным на рисунках С.1b и С.1с. Источник с трапециевидной характеристикой (рисунок С.1b, состоит из источника напряжения, сопротивления и дополнительных ограничивающих напряжение элементов (например, стабилитронов) на выходных зажимах. Ток источника с прямоугольной характеристикой, представленного на рисунке С.1с, ограничен электронным регулятором тока.

Если рассмотреть выходную мощность различных сетей, становится очевидным, что следует применять разные предельные значения воспламенения, поскольку воспламеняющая искра является одновременно "зарядом" и необходимо учитывать ее соответствие источнику, который ее питает. Максимальная мощность от источника, представленного на рисунке С.1а, следующая:

и для источника с трапециевидной характеристикой (рисунок С.1b):

(для ), или

(для ).

Трапециевидная характеристика на рисунке С.1b становится прямоугольной характеристикой на рисунке С.1с, поскольку стремится к бесконечности.

В этом случае:

.

Для полного описания источника необходимы два параметра, относящиеся к линейным и прямоугольным характеристикам, и три параметра, относящиеся к трапециевидной характеристике (таблица С.1).

Таблица С.1 - Параметры, необходимые для описания выходной характеристики

Характеристика	Необходимые параметры
Линейная,рисунок С.1а	U , I , или U , R о о о
Трапециевидная, рисунок С.1b	U , U , R или U , R, I , или U , о Q о о о U , I Q о
Прямоугольная, рисунок С.1с	U , I о о

С.2.2 Информация, содержащаяся в сертификатах

В связи с тем, что в соответствии с 12.2.1 или 12.3 МЭК 60079-14 оборудование с активными искробезопасными цепями подлежит сертификации, можно предположить, что для отдельного оборудования, которое должно комбинироваться с искробезопасными цепями, всегда имеется свидетельство об испытании, содержащее соответствующие электрические параметры.

Первый этап любой оценки безопасности должен включать определение типа характеристики и соответствующие электрические параметры отдельных цепей. Поскольку пользователь или оператор обычно не знаком с устройством цепей и внутренним строением оборудования, ему придется доверять электрическим данным, приведенным в свидетельстве об испытании.

Обычно в свидетельстве об испытании содержатся следующие значения: напряжение холостого хода (), ток короткого замыкания () и максимально достижимая мощность . Часто на основе этих значений можно сделать вывод о типе характеристики.

Пример (максимальные значения):

 В,

 А,

 мВт.

Поскольку значение равно одной четвертой произведения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания, можно сделать вывод, что это пример линейной характеристики (рисунок С.1а).

Пример (максимальные значения):

 В,

 А,

 мВт,

где - произведение напряжения холостого хода и тока короткого замыкания, то есть пример прямоугольной характеристики (рисунок С.1с).

В некоторых случаях значения мощности, тока и напряжения не соответствуют указанным выше, потому что значение мощности указано для установившихся условий (действие нагрева компонентов, подключенных последовательно), а значения тока и напряжения даны для динамических условий (искровое воспламенение). Когда есть сомнения, необходимо проверить, какую характеристику следует принять за основу соединения с точки зрения искрового воспламенения.

В случае трапециевидной характеристики информации в свидетельстве об испытании бывает недостаточно для определения характеристики. Отсутствует третий параметр (см. таблицу С.1) - или R.

Указание значения R в качестве дополнительного параметра помогает правильно выполнить соединения искробезопасных цепей. Поэтому значение R обычно приводится в свидетельстве об испытании. Тогда параметр (рисунок С.1.b) можно вывести по формуле

.

В большинстве случаев в свидетельстве об испытании также указывается форма характеристики любой нелинейной цепи.

Пример может выглядеть следующим образом.

Максимальные значения (трапециевидная характеристика):

,

 мА,

 Ом,

мВт.

Эта характеристика представлена на рисунке С.3а; на рисунке С.3b показана безопасная, эквивалентная цепь.

Выполняют следующий расчет:

 В и

 мВт.

Таким образом, данные, необходимые для соединения, могут быть получены на основе информации, приведенной в свидетельстве об испытании. Если таких данных нет в ранее выданных свидетельствах, они должны быть предоставлены изготовителем оборудования или испытательной лабораторией.

При разработке искробезопасных цепей необходимо стремиться к тому, чтобы число соединений и комбинированных подузлов было небольшим. Эта цель не всегда достижима на практике, поскольку необходимо учитывать условия неисправности. Это означает, что некоторое оборудование, которое не является источником напряжения в нормальных условиях работы, должно рассматриваться как источник в случае неисправности.

Пассивные входы устройств, например измерительных датчиков, плоттеров и т.д., могут, с точки зрения безопасности, действовать как активные источники. Поэтому необходимо обращаться к максимальным значениям, указанным в свидетельствах. В результате рабочие характеристики цепи могут значительно отклоняться от безопасной характеристики. Указанные в свидетельствах значения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания для данной цепи в некоторых случаях применимы только для условий переходного процесса. С другой стороны, значение мощности применяется к установившимся условиям, которые должны учитываться с точки зрения нагрева подключенных компонентов.

С.3 Соединение искробезопасных цепей не менее чем с двумя источниками

С.3.1 Определение результирующей выходной характеристики

Предполагается, что выходные характеристики цепей в составе комбинации цепей, которые должны рассматриваться как источники напряжения, известны (см. С.2). Теперь, исходя из типа соединения, следует определить, необходимо ли учитывать суммарное напряжение, суммарный ток или одновременно суммарное напряжение и ток в условиях нормальной работы и в условиях неисправности.

Если комбинированные источники напряжения подключены последовательно и не соединены, например, с землей (рисунок С.2а), тогда независимо от полярности источников возможно только сложение напряжения. Результирующую выходную характеристику легко найти графическим суммированием. Напряжения отдельных источников для каждого значения тока складываются. Пунктирная кривая на рисунке С.2 показывает результирующие характеристики в разных случаях.

В последовательной цепи, приведенной на рисунке С.2b, с соединением двух источников напряжения на уровне нагрузки, сложение тока можно исключить, только если полярность двух источников в указанном направлении фиксирована для безопасности (например, для некоторых барьеров безопасности). Для источников напряжения, которые могут изменить полярность во время работы или в условиях неисправности, необходимо рассматривать сложение тока и напряжения (см. рисунок С.2е).

При параллельном подключении, показанном на рисунке С.2с, сложение тока возможно только в случае применения двухполюсного источника с подключением двух полюсов. Сложение напряжения в данном случае невозможно, и результирующая характеристика создается графическим суммированием отдельных значений тока.

Если только один полюс каждого источника подключен к полюсу другого источника (рисунок C.2d), сложение напряжения можно исключить, если полярность источников, как показано, фиксирована во всех случаях (например, с помощью барьеров безопасности). Иначе следует рассматривать сложение тока и напряжения (см. рисунок С.2е).

Если несколько цепей подключены к контуру, в котором следует предполагать произвольные соединения (рисунок С.2е), тогда в зависимости от рассматриваемых условий неисправности может быть задано последовательное или параллельное соединение, то есть необходимо рассматривать сложение тока и сложение напряжения. Поскольку эти два варианта не могут существовать одновременно, результирующие характеристики сложения тока и сложения напряжения следует строить раздельно. Эту процедуру также применяют во всех случаях сомнений в отношении цепей, представленных на рисунках С.2b и C.2d, а также для цепей с более чем двумя проводниками. Полученный результат всегда будет обеспечивать безопасность.

С.3.2 Оценка безопасности соединения и определение максимально допустимых емкости и индуктивности

Если результирующая характеристика комбинированной цепи определена в соответствии с С.3.1, следующий этап - оценка искробезопасности. Для этой цели используют диаграммы, приведенные на рисунках С.7 и С.8. Они показывают кривую допустимого предела для линейных характеристик источников (штриховая предельная кривая) и для прямоугольных характеристик (сплошная предельная кривая) при данной индуктивности и новых максимальных значениях тока и напряжения в комбинированной цепи. Кроме того, приведены кривые для определения самой высокой допустимой внешней емкости в обоих случаях. Распределение диаграмм по группам оборудования и индуктивности приведено в таблице С.2.

Таблица С.2 - Распределение диаграмм по группам оборудования и индуктивности

Рисунок	Группа	Допустимая индуктивность L_о, мГн
С.7а		0,15
С.7b		0,5
С.7с	IIС	1
C.7d		2
С.7е		5
С.8а		0,15
С.8b		0,5
С.8с	IIВ	1
C.8d		2
С.8е		5

Чтобы оценить искробезопасность, сначала следует выбрать группу оборудования, а затем общую индуктивность, необходимую для комбинации. Если рассматриваются небольшие значения индуктивности (никакой сосредоточенной индуктивности, только короткие отрезки кабеля), тогда следует выбирать диаграмму с самой низкой индуктивностью (рисунок С.7а для группы IIС и рисунок С.8а для группы IIВ)).

Результирующая выходная характеристика находится на рассматриваемой диаграмме. Если в соответствии с С.3.1 рассматривается сложение тока и напряжения, тогда должны быть вычерчены обе результирующие характеристики.

Теперь можно непосредственно определить, является ли искробезопасной комбинация источников с индуктивностью для данной диаграммы и выбранной группы оборудования. Полученная суммарная характеристика не должна пересекать предельную кривую для источника с прямоугольной характеристикой ни в одной точке на диаграмме. Кроме того, точка на диаграмме, определенная как максимальное напряжение или максимальный ток суммарной характеристики, должна лежать ниже кривой для линейного источника.

Максимально допустимую емкость получаемой цепи определяют как самое низкое значение для двух серий предельных кривых , которое является самым высоким значением , которое не пересекается результирующей выходной характеристикой для линейного предела и для прямоугольного предела. Если для данного применения необходима более высокая допустимая емкость , ее можно получить, используя, прежде всего, диаграмму для более низкой индуктивности. Этот же метод можно применять, когда результирующая выходная характеристика пересекает кривую предельной индуктивности для источника с линейной и прямоугольной характеристикой. Если даже при самом низком значении индуктивности на диаграммах (0,15 мГн) кривые соответствующих пределов на диаграмме IIС превышены, рекомендуется применять диаграммы IIВ. Если эти пределы также превышены, тогда комбинация не является искробезопасной также и для группы IIВ.

С.3.3 Дополнительные комментарии относительно методики применения выходной характеристики

Методика оценки безопасности соединений искробезопасных цепей, описанная в С.3.1 и С.3.2, создана на основе фундаментальных исследований и расчета моделей. Метод расчета дает результаты, отличающиеся от приведенных в предыдущем отчете.

Более высокие значения емкости допустимы в диапазоне низкого напряжения. Для более высоких напряжений разница может достигать коэффициента 3. В отличие от диаграмм в предыдущем пункте, предельная кривая для чисто резистивной цепи не показана на рисунках С.7 и С.8, но она по сути определяется по индуктивным пределам. Кроме того, здесь находятся преде