Kendinden emniyetli (Ex i): ia, ib ve ic ile enerji sınırlama ilkesi

Kendinden emniyetli (Ex i), bir devredeki elektrik enerjisini, hem bir kıvılcımda açığa çıkan enerjiyi hem de herhangi bir yüzeyin ısınmasını, çevredeki patlayıcı ortamı tutuşturamayacak kadar düşük bir düzeyle sınırlayan bir koruma tipidir. Bu sınır normal çalışmada ve arıza durumunda korunmalıdır: ia seviyesi (EPL Ga, Bölge 0'a uygun) için iki sayılabilir arıza, ib (EPL Gb, Bölge 1) için bir arıza ve ic (EPL Gc, Bölge 2) için hiç arıza dikkate alınır. Güvenlik devrenin tamamına bağlı olduğundan Ex i bir sistem yöntemidir: saha cihazı, enerjiyi sınırlayan ilişkili cihaz ve aralarındaki kablo birlikte değerlendirilir.

Bu yazı enerji sınırlama ilkesini, tutuşma eğrilerinin nasıl elde edildiğini ve kullanıldığını, ia, ib ve ic'yi neyin ayırdığını ve kendinden emniyetli cihaz, ilişkili cihaz, basit cihaz ile kablonun rollerini açıklar.

Temel noktalar

• Kendinden emniyetli bir devre, normal çalışmada ve koruma seviyesi için tanımlanan arızalarda, açıldığında, kısa devre olduğunda veya toprağa temas ettiğinde oluşan bir kıvılcımla ya da sıcak bir yüzeyle gazı tutuşturamaz.
• Tutuşma sınırları, standart deney karışımlarında çalıştırılan kıvılcım deney cihazından elde edilir: IIC için %21 hidrojen, IIB için %7,8 etilen, IIA için %5,25 propan ve Grup I için %8,3 metan.
• ia ve ib seviyelerinde kıvılcım değerlendirmesinde akıma veya gerilime 1,5 emniyet katsayısı uygulanır (iki arızalı ia, 1,0 ile değerlendirilir); ic seviyesi normal çalışmada 1,0 katsayısıyla değerlendirilir.
• İlişkili cihazlar (bariyerler, izolatörler, kendinden emniyetli güç kaynakları) enerji sınırlayan devreyi içerir ve köşeli parantezle işaretlenir, örneğin [Ex ia Ga] IIC; başka bir koruma tipine sahip değilse tehlikeli olmayan bölgeye monte edilir.
• Anahtarlar, termokupllar, RTD'ler ve buatlar gibi basit cihazlar sertifika gerektirmez, ancak IEC 60079-11'deki tanımı karşılamalı ve sistem değerlendirmesine dahil edilmelidir.
• Kablo da enerji depolar: kablonun kapasitansı ve endüktansı, saha cihazınınkilerle birlikte, ilişkili cihazın izin verdiği Co ve Lo değerleri içinde kalmalıdır.

İlke: tutuşturmak için çok az enerji

Her yanıcı gaz veya buhar, tutuşmak için minimum bir enerjiye ihtiyaç duyar. Bir elektrik devresi enerjiyi iki yolla açığa çıkarabilir: bir iletken koptuğunda, kapandığında veya toprağa temas ettiğinde kıvılcım olarak ve bir bileşende veya telde ısı olarak. Kendinden emniyetli koruma her ikisini de sınırlar.

Bir kıvılcımı üç kaynak besler:

• açık devre gerilimi ve kısa devre akımıyla sınırlanan güç kaynağı;
• enerji depolayan ve bunu neredeyse anında bir kısa devreye boşaltan devredeki kapasitans;
• enerjiyi manyetik alanında depolayan ve akım kesildiğinde ark olarak açığa çıkaran endüktans.

Kendinden emniyetli bir tasarım, bu üçünü de bir pay bırakarak tutuşma sınırlarının altında tutar. Uygulamada kullanılabilir güç küçüktür: 28 V ve 93 mA'lik tipik bir kaynak, uyumlu bir yüke en fazla yaklaşık 0,65 W verebilir. Bu; transmiterler, sensörler, düşük güç için tasarlanmış solenoid valfler ve sinyalizasyon için yeterlidir, ancak motorlar veya ısıtıcılar için yeterli değildir.

Düşük enerji, başka hiçbir yöntemin aynı şekilde sunamadığı avantajlar getirir. Ağır bir muhafaza yoktur, ekipman Bölge 0'da kullanılabilir ve IEC 60079-17, kendinden emniyetli tesisatlarda enerjili bakım için hükümler içerir; böylece tesis kurallarının izin verdiği yerlerde cihazlar, alanı önce gazsız hale getirmeden kontrol edilebilir veya değiştirilebilir.

Tutuşma eğrileri: ne kadarı fazladır

Kıvılcım deney cihazı

IEC 60079-11'deki tutuşma sınırları standart bir kıvılcım deney cihazıyla yapılan deneylerden gelir: tanımlı bir patlayıcı karışımla doldurulmuş bir hazne içinde devreyi tekrar tekrar kapatıp açan, dönen bir kadmiyum disk ve tungsten teller. Karışımlar, her grup için kolay tutuşacak şekilde seçilir:

Deneyin bir dizi gerilim, akım, kapasitans ve endüktans için tekrarlanması, standarttaki referans tutuşma eğrilerini (ve tablolarını) verir:

• Dirençli devreler: seri akım sınırlayıcı dirençli bir kaynak için açık devre gerilimine karşı minimum tutuşturucu akım.
• Kapasitif devreler: kapasitansa karşı minimum tutuşturucu gerilim.
• Endüktif devreler: endüktansa karşı minimum tutuşturucu akım. Büyük endüktanslarda eğriler sabit bir kıvılcım enerjisine yaklaşır; standartta bu değer IIC için 40 µJ, IIB için 160 µJ, IIA için 320 µJ ve Grup I için 525 µJ olarak verilir.

Eğrilerin kullanımı

Tasarımcı önce en kötü durumu belirler (en yüksek gerilim, en düşük direnç, bileşen toleransları, seviye için gerekli arızalar), ardından emniyet katsayısını uygular, sonra sonucu eğriyle karşılaştırır. Şekildeki 28 V'luk kaynak için işlem şöyledir:

1. En kötü durumda açık devre gerilimi 28 V, minimum seri direnç 300 Ω; dolayısıyla kısa devre akımı 93 mA.
2. ia veya ib için akım 1,5 ile çarpılır: 140 mA.
3. IIC dirençli eğrisi 28 V'ta 180 mA'e izin verir. 140 mA bunun altındadır; bu nedenle kaynak, kendisinin kıvılcımla tutuşturması bakımından IIC için kabul edilebilir.

Aynı gerilim, bağlanabilecek kapasitansı da sınırlar. Aşağıdaki tablo IEC 60079-11'den, 1,5 emniyet katsayısı dahil edilmiş birkaç değeri gösterir; IIC devrelerinin IIB veya IIA devrelerine göre neden çok daha az kabloya izin verdiğini açıklar.

Eğriler yalnızca basit doğrusal devreleri tanımlar: bir direncin arkasındaki bir akü veya besleme, tek bir kondansatör, tek bir endüktör. Sabit akım kaynakları gibi doğrusal olmayan beslemeler, dirençli eğrinin gösterdiğinden çok daha düşük akımlarda tutuşturabilir; standart, bazı durumlarda eğri değerinin yalnızca yaklaşık beşte birinin güvenli olduğu konusunda uyarır. Bu tür devreler eğrilerden değerlendirilmek yerine kıvılcım deney cihazında deneyden geçirilir.

Isıl tutuşma

Tutuşmanın ikinci yolu sıcak bir yüzeydir. Gazın ulaşabildiği her bileşen ve tel, seviyenin arıza koşullarında 1,0 katsayısıyla sıcaklık sınıfı içinde kalmalıdır. IEC 60079-0 ve IEC 60079-11 küçük parçalar için basitleştirilmiş kurallar verir; uygulamada en çok kullanılanı şudur: yüzey alanı en az 20 mm² olan bir bileşen, harcayabileceği güç 40 °C maksimum ortam sıcaklığında 1,3 W'ı (60 °C'de 1,2 W, 80 °C'de 1,0 W) aşmıyorsa T4 sınıfında kabul edilebilir.

Koruma seviyeleri: ia, ib ve ic

IEC 60079-11 üç koruma seviyesi tanımlar. Bunlar, devrenin kaç arızaya dayanması gerektiği ve uygulanan emniyet katsayısı bakımından farklıdır.

Sayılabilir ve sayılamayan arızalar

Sayılabilir arıza, standardın yapım gerekliliklerine göre yapılmış bir parçadaki arızadır: anma değerinin üçte ikisi içinde kullanılan bir bileşen, yüzeysel kaçak mesafesi, hava aralığı ve yalıtım tablolarını karşılayan bir ayırma, kurallara uyan bir kapsülleme. Bu gereklilikleri karşılamayan parçalardaki arızalar sayılamayan arızalardır: en olumsuz sonucu verecek sıklıkta meydana geldikleri varsayılır ve arıza hakkından düşülmezler.

Bazı parçalar arızalanmaz (infallible) kabul edilir: doğru boyutlandırılmış ve monte edilmiş bir akım sınırlayıcı direnç, standarda göre yapılmış bir emniyet transformatörü, doğru yapılmış bir şönt diyot düzeneği veya arızalanmazlık gerekliliklerini karşılayan bir ayırma. Bunların tehlikeli yönde arızalanmadığı kabul edilir. Bir bariyer ia'ya bu şekilde ulaşır: direnci arızalanmazdır, gerilim sınırlayıcı diyotları en az iki paralel yol oluşturur ve böylece birinin arızalanması durumunda diğeri yerinde kalır; diyotlar ayrıca rutin deneyden geçirilir.

Eski enerjisi sınırlandırılmış "nL" koruma tipinin yerini alan ic seviyesi, sayılabilir arıza veya arızalanmaz bileşen kavramını kullanmaz. IEC 60079-11'in 2023 baskısı, kıvılcım değerlendirmesinde ve çıkış ile giriş parametrelerinin belirlenmesinde ic için yine de hangi arıza koşullarının dikkate alındığını netleştirmiştir; bu nedenle sertifikada adı geçen baskıyı kontrol edin.

Hangi seviye, hangi grup

Seviye ve grup birbirinden bağımsızdır. Bir devre ia IIB veya ib IIC olabilir. Grup gaza göre belirlenir (bkz. IIA, IIB ve IIC gaz grupları): IIC ekipman IIB ve IIA ortamlarında kullanılabilir, tersine izin verilmez. Seviye ise EPL aracılığıyla bölgeye göre belirlenir (bkz. EPL'ler ve bölgeler). Kendinden emniyetli bir devre, içindeki herhangi bir parçanın en düşük seviyesini alır: ib bariyere bağlı ia saha cihazı bir ib devresi oluşturur.

Kendinden emniyetli sistemin parçaları

Kendinden emniyetli cihaz

Tüm devreleri kendinden emniyetli olan saha cihazları: transmiterler, sensörler, valf pozisyonerleri, kendinden emniyetli gaz dedektörleri. Ex ia IIC T4 Ga gibi normal bir Ex işareti taşır ve giriş parametrelerini listelerler: güvenliği kaybetmeden terminallerine uygulanabilecek maksimum gerilim Ui, akım Ii ve güç Pi ile terminallerden görülen iç kapasitans Ci ve endüktans Li.

İlişkili cihaz

Hem kendinden emniyetli hem de kendinden emniyetli olmayan devreler içeren ve kendinden emniyetli olmayan tarafın kendinden emniyetli tarafı etkileyemeyeceği şekilde yapılan cihaz. Tipik örnekler zener bariyerler, galvanik izolatörler ve kendinden emniyetli güç kaynaklarıdır; kendinden emniyetli sensör çıkışlarına sahip bir gaz dedektörü kontrol ünitesi de ilişkili cihazdır. İşaretinde Ex i kısmı köşeli parantez içinde yer alır:

• [Ex ia Ga] IIC (ATEX kategorisi II (1) G olarak gösterilir): tehlikeli olmayan bölgeye monte edilir, ia devreleri sağlar.
• Ex db [ia Ga] IIC T4 Gb: Bölge 1'de, ia devrelerini besleyen ilişkili cihazı içeren alev sızdırmaz muhafaza.

İlişkili cihaz çıkış parametrelerini beyan eder: Uo, Io, Po, bağlanabileceği maksimum harici kapasitans Co ve endüktans Lo, çoğu zaman Lo/Ro ve korumayı geçersiz kılmadan kendinden emniyetli olmayan terminallerine uygulanabilecek en yüksek gerilim olan Um (genellikle 250 V). Bunların saha cihazı ve kabloyla karşılaştırılması çevrim doğrulaması yazısında açıklanmıştır. Bariyerler ve izolatörler arasındaki seçim zener bariyerler ile galvanik izolatörler yazısında ele alınmıştır.

Basit cihaz

Bazı saha cihazları o kadar basittir ki ne önemli miktarda enerji depolayabilir ne de üretebilir. IEC 60079-11 aşağıdakileri basit cihaz (simple apparatus) olarak kabul eder:

• anahtarlar, buatlar, dirençler (RTD'ler dahil) gibi pasif bileşenler ve LED'ler gibi basit yarı iletken elemanlar;
• değerleri sistem değerlendirmesine dahil edilen, kondansatör veya endüktör gibi değerleri iyi tanımlanmış tek enerji depolayan bileşenler;
• termokupllar ve fotoseller gibi 1,5 V, 100 mA ve 25 mW'tan fazlasını üretmeyen enerji üreten bileşenler.

Basit cihaz sertifika ve Ex işareti gerektirmez, ancak yine de ilgili gerekliliklere uymalıdır: güvenliği sağlamak için gerilim veya akım sınırlayıcı eleman bulunmamalı, gerilim çoğaltma olmamalı, muhafaza malzemeleri elektrostatik tehlikelerden kaçınmalı ve devre yalıtılmış olmaya dayanıyorsa yalıtım toprağa karşı 500 V'a dayanmalıdır. 40 °C'ye kadar ortam sıcaklığında anma değerleri içinde kullanılan anahtarlar, fişler, prizler ve klemensler T6 sınıfında kabul edilebilir; diğer basit cihazlar genellikle yukarıdaki 1,3 W kuralıyla T4 sınıfında kabul edilir. IEC 60079-14'ün 2024 baskısı basit cihazlar hakkında normatif bir ek eklemiş ve bunu önemli bir teknik değişiklik olarak listelemiştir; bu nedenle eski uygulamaya dayanmadan önce güncel montaj gerekliliklerini kontrol edin.

Kablo parametreleri

İlişkili cihaz ile saha cihazı arasındaki kablo devrenin bir parçasıdır. Her metre, damarlar arasında kapasitans ve çevrim boyunca endüktans ekler; her ikisi de eğrilerin hesaba katması gereken enerjiyi depolar. Temel koşullar şunlardır:

• toplam kapasitans: saha cihazlarının Ci değeri ile kablo kapasitansı Cc'nin toplamı Co'yu aşmamalıdır;
• toplam endüktans: Li ile kablo endüktansı Lc'nin toplamı Lo'yu aşmamalıdır ya da Li ihmal edilebilir düzeydeyse kablonun endüktans/direnç oranı Lc/Rc, Lo/Ro'yu aşmamalıdır.

Kablo verileri kablo üreticisinden veya ölçümden alınmalıdır. Bu veriler yoksa IEC 60079-25, sıradan iki veya üç damarlı kablo için 200 pF/m ve 1 µH/m ihtiyatlı değerlerine izin verir. 28 V'luk bir kaynak için IIC değeri olan 83 nF ve Ci'si ihmal edilebilir bir saha cihazıyla bu, yalnızca kapasitans bakımından kabaca 400 m kabloya izin verir. Bu nedenle IIC'deki uzun hatlar çoğu zaman cihazla değil kabloyla sınırlanır.

Kendinden emniyetli kabloların montaj kuralları da vardır: kendinden emniyetli olmayan kablolardan ayrı tutulur, açıkça tanımlanır (bunun için yaygın olarak açık mavi renk kullanılır) ve terminalleri kendinden emniyetli olmayan terminallerden en az 50 mm veya bir bölme ile ayrılır. Ayrı kendinden emniyetli devrelerin terminalleri arasında en az 6 mm bulunur. Her devre ya topraktan yalıtılmalı ya da yalnızca tek bir noktadan topraklanmalıdır.

Sık yapılan hatalar

• Sertifikalı bir saha cihazını kendi başına güvenli saymak. Bir Ex ia transmiter, ancak izin verilen parametreler içindeki bir kabloyla uygun bir ilişkili cihaza bağlandığında kendinden emniyetlidir.
• Sertifikasız bir güç kaynağını doğrudan bir IS cihaza bağlamak. İlişkili cihaz olmadan enerjiyi hiçbir şey sınırlamaz; normal gerilimi ne kadar düşük olursa olsun devre kendinden emniyetli değildir.
• Basit cihazın değerlendirme gerektirmediğini varsaymak. Sertifika gerektirmez, ancak sıcaklık sınıfı, toprağa karşı yalıtımı ve varsa kapasitans veya endüktansı sistem değerlendirmesinde belgelenmelidir.
• Seviyeleri karıştırmak. ib bariyere bağlı ia cihaz bir ib devresi oluşturur ve bu Bölge 0'da kabul edilemez.
• Kablo uzunluğu hesaplarında gaz grubunu göz ardı etmek. IIC için Co ve Lo, IIB'ye göre çok daha küçüktür; IIB tesiste kabul edilebilir olan bir kablo IIC tesiste kabul edilemeyebilir.
• IS kabloya veya terminallere başka devreler sokmak. Aynı çok damarlı kablodaki veya aynı klemens sırasındaki IS olmayan iletkenler enerji aktarabilir ve korumayı ortadan kaldırabilir.

Sık sorulan sorular

Ex ia, Ex ib ve Ex ic arasındaki fark nedir?

Üçü de enerjiyi sınırlar, ancak arıza toleransları farklıdır. Ex ia iki sayılabilir arızada güvenli kalır ve Bölge 0'a uygundur (EPL Ga); Ex ib bir arızada güvenli kalır ve Bölge 1'e uygundur (EPL Gb); Ex ic normal çalışmada güvenlidir ve Bölge 2 ile sınırlıdır (EPL Gc). ia ve ib seviyelerinde kıvılcım değerlendirmesinde ayrıca 1,5 emniyet katsayısı uygulanır.

Kendinden emniyetli korumaya Bölge 0'da neden izin verilir?

ia seviyesi iki bağımsız arızada bile ve bir emniyet payıyla güvenli kaldığından, patlayıcı bir ortamın bulunduğu anda bir tutuşturma kaynağı haline gelme olasılığı son derece düşüktür. Bu, Bölge 0 için gerekli koruma seviyesi olan EPL Ga ile örtüşür.

[Ex ia] içindeki köşeli parantez ne anlama gelir?

Köşeli parantezler ilişkili cihazı belirtir: tehlikeli bölgeye kendinden emniyetli bir devre sağlayan, ancak kendisi kendinden emniyetli olmayan ekipman. [Ex ia Ga] IIC ekipman, işaret parantezlerin dışında Ex db [ia Ga] IIC T4 Gb gibi başka bir koruma tipi göstermedikçe tehlikeli olmayan bölgeye monte edilmelidir.

Termokupl Ex sertifikası gerektirir mi?

Normalde hayır. Bir termokupl 1,5 V, 100 mA ve 25 mW'tan çok daha azını üretir, bu nedenle IEC 60079-11 kapsamında basit cihazdır. Yine de uygun bir ilişkili cihaz üzerinden bağlanmalı, bulunduğu yer için sıcaklık sınıfı belirlenmeli ve topraklı olup olmadığı dahil sistem değerlendirmesinde belgelenmelidir.

Kendinden emniyetli devrelerde enerjili çalışabilir miyim?

IEC 60079-17, kendinden emniyetli tesisatlarda enerjili bakım için hükümler içerir; bu, yöntemin pratik avantajlarından biridir. Tesisin iş izni sistemi yine geçerlidir, bu şekilde yalnızca kendinden emniyetli devreler üzerinde çalışılabilir ve test ekipmanının kendisi de devreye bağlanmaya uygun olmalıdır.

Kendinden emniyetli koruma Kuzey Amerika'da da aynı mı?

İlke aynıdır ve IEC 60079-11 birçok ulusal standardın temelidir, ancak NEC kapsamındaki Kuzey Amerika tesisatları kendi standartları ve işaretleri olan Class ve Division sistemlerini de kullanabilir. Tesiste geçerli olan sertifikasyonu ve montaj kurallarını kontrol edin. Bkz. Kuzey Amerika onayları.

excodex'te ilgili yazılar

• Bir bakışta Ex koruma yöntemleri
• Kendinden emniyetli çevrim doğrulaması: Uo, Io, Po, Co, Lo
• Zener bariyerler ile galvanik izolatörler
• MESG ve MIC: gaz gruplarının arkasındaki deney değerleri
• Ex işareti nasıl okunur
• Araçlar: Ex işaret kontrolü, gaz kütüphanesi, forum, standart alanları IEC 60079-11 ve IEC 60079-25

Standartlar ve ek kaynaklar

• IEC 60079-11, Patlayıcı ortamlar: kendinden emniyetli "i" ile ekipman koruması (yedinci baskı, 2023; Avrupa'da EN IEC 60079-11:2024 olarak yayımlandı).
• IEC 60079-25, Patlayıcı ortamlar: kendinden emniyetli elektrik sistemleri (üçüncü baskı, 2020, 2025 tarihli 1 numaralı tadil ile).
• IEC 60079-14, elektrik tesisatlarının tasarımı, seçimi ve montajı (altıncı baskı, 2024).
• IEC 60079-17, elektrik tesisatlarının muayenesi ve bakımı (altıncı baskı, 2023).
• IEC 60079-0, Ex ekipman için genel gereklilikler.
• IEC webstore, IEC 60079-11:2023 özeti: webstore.iec.ch
• 6. baskıya göre değişiklikler tablosuyla IEC 60079-11:2023 ön izlemesi: cdn.standards.iteh.ai
• IEC webstore, IEC 60079-25:2020 özeti: webstore.iec.ch

Bu yazı excodex editör ekibinin hazırladığı genel teknik bilgidir. Geçerli standartların, ekipman sertifikalarının ve talimatlarının, ulusal mevzuatın veya yetkin bir kişinin değerlendirmesinin yerini tutmaz.