Przyszłościowe wymagania dotyczące projektowania urządzeń budowy przeciwwybuchowej

Transkrypt

1 dr inż. ANDRZEJ FGEL nstytut 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 , oraz urządzenia zabezpieczające, w związku z koniecznością realizowania przez nie funkcji z wymaganym poziomem niezawodności, określonym według normy PN-EN 50495: WPROWADZENE 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, ETS) i międzynarodowe (SO, EC) 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 :2012 [2], stanowiąca europejski odpowiednik normy EC edycja 6.0, i zawiera podstawowe wymagania dla wszystkich urządzeń elektrycznych budowy przeciwwybuchowej. 2. POZOM BEZPECZEŃSTWA URZĄDZEŃ ZABEZPECZAJĄCYCH 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-

2 18 MECHANZACJA AUTOMATYZACJA GÓRNCTWA nim poziomem nienaruszalności bezpieczeństwa SL. 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: PODSTAWOWE WYMAGANA DOTYCZĄ- CE URZĄDZEŃ BUDOWY PRZECWWY- BUCHOWEJ Norma PN-EN :2009 [3] (EC :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 :2009 [4]) i pyłów (PN-EN :2007 [5]), wprowadzenie dla wszystkich, nowo certyfikowanych urządzeń oznaczenia poziomów zabezpieczeń s (Equipment Protection Levels) oraz rozdzielenie wymagań dla urządzeń przeznaczonych do pracy w gazowych atmosferach wybuchowych (grupa ) i zagrożonych wybuchem pyłów (grupa ). 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 s urządzeń przeznaczonych do pracy w gazowych atmosferach wybuchowych oraz atmosferach zawierających pył palny przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Poziomy zabezpieczeń urządzeń [3] EN /9/WE EN Kategoria Strefa Ma Mb Ga M1 M2 nie dotyczy 1G 0 Gb 2G 1 Gc 3G 2 Da 1D 20 Db 2D 21 Dc 3D 22 Urządzenia elektryczne grupy 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: A aglomeraty lotne włókien palnych, B pyły nieprzewodzące, C pyły przewodzące. Poszczególne rodzaje zabezpieczenia przeciwwybuchowego charakteryzują się odpowiednim poziomem zabezpieczenia urządzeń s. W tabeli 2. przedstawiono s wybranych rodzajów zabezpieczeń. W normie EN :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,

3 Nr 5(507) MAJ Poziomy zabezpieczeń urządzeń w zależności od rodzaju zabezpieczenia [4] Tabela 2. Rodzaj zabezpieczenia Norma ia Ma, Ga, Da Zabezpieczenie urządzeń za pomocą iskrobezpieczeństwa i ib Mb, Gb, Db PN-EN :2012 ic Gc, Dc Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłon ognioszczelnych d d Mb, Gb PN-EN :2010 Zabezpieczenie urządzeń za pomocą budowy wzmocnionej e e Mb, Gb PN-EN :2010 Zabezpieczenie urządzeń za pomocą hermetyzacji m ma Ma, Ga, Da mb Mb, Gb, Db PN-EN :2011 Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłony piaskowej q q Mb, Gb PN-EN :2010 Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłony olejowej o o Mb, Gb PN-EN :2010 uznania materiałów wyszczególnionych w AN- S/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: 10 9 zmierzonej przy wilgotności względnej 50 ± 5% (kryterium dotychczas stosowane), 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] Urządzenia grupy 2 Maksymalna grubość mm Urządzenia grupy A B C Ga 2 2 0,2 Gb 2 2 0,2 Gc 2 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, wykonanych z materiałów niemetalowych, jak również obudów metalowych malowanych lub powlekanych, 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 10 9 ; pojemność nieuziemionych metalowych części nie może przekraczać wartości podanych w tabeli 4. Tabela 4. Maksymalna pojemność części przewodzących obudów z tworzyw sztucznych [2] Urządzenia grupy lub grupy 10 Maksymalna pojemność pf Urządzenia grupy A B C Ga Gb Gc wartości granicznych zawartości cyrkonu w obudowach urządzeń grupy oraz grupy (tylko Gb); dla obudów urządzeń grupy, 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 % aluminium, magnez, tytan, cyrkon magnez, tytan, cyrkon Ma 15 7,5 Mb 15 7,5 Ga 10 7,5 Gb - 7,5 Gc - - Da - 7,5 Db - 7,5 Dc - -

4 20 MECHANZACJA AUTOMATYZACJA GÓRNCTWA połączeń specjalnych; śruby z łbem walcowym wypukłym z gniazdem sześciokątnym wg SO mogą być stosowane do połączeń specjalnych, konstrukcji zacisków do podłączenia przewodu ochronnego PE, które powinny być zgodne z normą PN-EN :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 Ma, Ga, 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 EC 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 EC 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 :2010 [7] dla urządzeń nieelektrycznych. Ta i inne pokrewne próby są przedmiotem pracy grupy roboczej EC TC31 i EC TC 101; wersja zmodyfikowanego testu zostanie opublikowana w przygotowywanej normie EC [8], oznakowania klas temperaturowych urządzeń grupy, 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 P dla urządzeń grupy 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,

5 Nr 5(507) MAJ 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 P, wlotu kanałowego), jakiekolwiek specjalne uziemienia mające zastosowanie w celu uniknięcia tworzących się elektrostatycznych wyładowań. 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 :2009 do daty, która zostanie podana w komunikacie zawierającym informacje o wszystkich normach zharmonizowanych z dyrektywą 94/9/WE. 4. PODSUMOWANE W niniejszym artykule przedstawiono wymagania, jakie będą musiały spełnić urządzenia budowy przeciwwybuchowej po wprowadzeniu kolejnego wydania normy EN 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 Literatura 1. PN-EN 50495:2013. Urządzenia zabezpieczające niezbędne do bezpiecznego działania urządzeń ze względu na zagrożenia wybuchem. 2. EN :2012. Explosive atmospheres. Part 0: Equipment General requirements. 3. PN-EN :2009. Atmosfery wybuchowe. Część 0: Sprzęt podstawowe wymagania. 4. PN-EN :2007. Urządzenia elektryczne do stosowania w obecności pyłu palnego. Część 0: Wymagania ogólne. 5. UL 746C:2004. Polymeric Materials Use in Electrical Equipment. Evaluations. 6. PN-EN :2011. Maszyny elektryczne wirujące. Część 1: Dane znamionowe i parametry. 7. PN-EN :2010. Urządzenia nieelektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Część 1: Podstawowe założenia i wymagania. 8. EC /Ed1. Explosive atmospheres Part 32-2: Electrostatics hazards Tests d-standards/equipment-explosive-atmosphere/index_en.htm. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów.