Tư vấn kỹ thuật
Cẩm Nang Phòng Chống Cháy Nổ (Phần 3): Nguyên Lý Kỹ Thuật – Phân Vùng Zone, Cấp Bảo Vệ EPL, Nhóm Nhiệt Độ, Các Kiểu Bảo Vệ Ex & Ký Hiệu Nhãn Thiết Bị
Vì các khu vực nguy hiểm cháy nổ (Ex areas) không có mức độ nguy hiểm giống nhau, thiết bị sử dụng trong đó phải tuân theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Chương 3 cung cấp thông tin chi tiết về phân loại vùng nguy hiểm (Zone classification), danh mục thiết bị (Equipment categories), mức bảo vệ thiết bị (Equipment Protection Level – EPL), các nhóm thiết bị (Equipment groups), nhiệt độ bắt cháy và các cấp nhiệt độ (Temperature classes), nguyên lý của từng kiểu bảo vệ chống nổ (Protection types) cũng như quy tắc ghi nhãn thiết bị (Marking principles).
3.1 Phân loại vùng nguy hiểm (Zone classification)
Các khu vực nguy hiểm được phân loại thành các Vùng (Zones) nhằm tạo thuận lợi cho việc lựa chọn thiết bị điện phù hợp cũng như thiết kế hệ thống lắp đặt điện tương ứng. Việc phân loại vùng phản ánh xác suất xuất hiện của môi trường khí quyển nổ (xem Bảng 7).
Thông tin và các quy định về phân loại vùng có thể được tìm thấy trong tiêu chuẩn IEC 60079-10-1 đối với khu vực nguy hiểm nổ khí hoặc trong IEC 60079-10-2 đối với khu vực có bụi cháy. Ngoài ra còn có các quy chuẩn ngành và tiêu chuẩn quốc gia cung cấp hướng dẫn hoặc ví dụ cụ thể về phân loại khu vực (xem Phụ lục K của IEC 60079-10-1).
Tiềm năng rủi ro tối đa phải được tính đến khi phân loại khu vực nguy hiểm thành các vùng và xác định các biện pháp bảo vệ cần thiết. Nếu trong doanh nghiệp không có chuyên gia đủ năng lực để đánh giá rủi ro nổ và xác định các biện pháp cần thiết, cần tham vấn ý kiến của cơ quan có thẩm quyền chuyên môn.
Thiết bị được sử dụng trong vùng nguy hiểm đã xác định phải đáp ứng các yêu cầu của danh mục thiết bị (Equipment category) hoặc mức bảo vệ thiết bị (Equipment protection level – EPL) được chỉ định tương ứng. Tổng quan về phân loại vùng và phân bổ thiết bị theo danh mục hoặc mức bảo vệ EPL được trình bày trong Bảng 8.
| Loại môi trường | Vùng (Zone) | Định nghĩa kỹ thuật |
|---|---|---|
| Khí (Gas) | Zone 0 | Khu vực mà trong đó môi trường khí quyển nổ (hỗn hợp khí/hơi/sương mù dễ cháy với không khí) hiện diện liên tục, trong thời gian dài hoặc thường xuyên. |
| Zone 1 | Khu vực mà trong đó môi trường khí quyển nổ có khả năng xuất hiện định kỳ hoặc thỉnh thoảng trong quá trình vận hành bình thường. | |
| Zone 2 | Khu vực mà trong đó môi trường khí quyển nổ không có khả năng xuất hiện trong quá trình vận hành bình thường, nhưng nếu có xảy ra thì chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn. | |
| Bụi (Dust) | Zone 20 | Khu vực mà trong đó môi trường bụi nổ, dưới dạng đám mây bụi trong không khí, hiện diện liên tục, trong thời gian dài hoặc thường xuyên. |
| Zone 21 | Khu vực mà trong đó môi trường bụi nổ, dưới dạng đám mây bụi trong không khí, có khả năng thỉnh thoảng xuất hiện trong quá trình vận hành bình thường. | |
| Zone 22 | Khu vực mà trong đó môi trường bụi nổ, dưới dạng đám mây bụi cháy được trong không khí, không có khả năng xuất hiện trong quá trình vận hành bình thường, nhưng nếu có xảy ra thì chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn. |
| Loại chất cháy | Vùng (Zone) | Thời gian hiện diện của môi trường khí quyển nổ | Danh mục thiết bị (Equipment category – ATEX) | Mức bảo vệ thiết bị (EPL – IEC 60079-0) |
|---|---|---|---|---|
| Khí, hơi, sương mù (Gases, vapours, mist) | 0 | Liên tục, dài hạn, thường xuyên (Constant, long-term, persistent) | 1G | Ga |
| 1 | Thỉnh thoảng (Occasionally) | 2G | Gb | |
| 2 | Hiếm khi, ngắn hạn (Rarely) | 3G | Gc | |
| Bụi (Dust) | 20 | Liên tục, dài hạn, thường xuyên (Constant, long-term, persistent) | 1D | Da |
| 21 | Thỉnh thoảng (Occasionally) | 2D | Db | |
| 22 | Hiếm khi, ngắn hạn (Rarely) | 3D | Dc |
3.2 Danh mục thiết bị (Equipment categories) và Mức bảo vệ thiết bị (EPL)
Các yêu cầu an toàn khác nhau được đặt ra cho thiết bị sử dụng tùy thuộc vào xác suất xuất hiện của môi trường khí quyển nổ. Mức bảo vệ thiết bị được thiết kế tương xứng với tiềm năng nguy hiểm tại các vùng khác nhau.
Tại Châu Âu, thiết bị phòng chống cháy nổ được phân loại thành các Danh mục (Categories) theo Chỉ thị EU 2014/34/EU (ATEX). Ở cấp độ quốc tế, khái niệm Mức bảo vệ thiết bị (Equipment Protection Level – EPL) đã được đưa vào bộ tiêu chuẩn IEC 60079 từ năm 2007.
Thiết bị phải được thiết kế với các biện pháp bảo vệ chống nổ ở các cấp độ khác nhau tùy theo danh mục hoặc mức bảo vệ thiết bị của nó.
Danh mục thiết bị (Equipment categories – ATEX)
Ba danh mục được quy định cho thiết bị sử dụng trong các khu vực nguy hiểm – ngoại trừ các công trình hầm lò có nguy cơ khí mỏ (firedamp):
- Category 1 (Danh mục 1): Thiết bị thuộc danh mục này có mức độ an toàn rất cao (very high degree of safety). Ngay cả trong trường hợp hiếm hoi xảy ra sự cố thiết bị, chúng vẫn phải an toàn và đảm bảo bảo vệ chống nổ sao cho:
- Khi một biện pháp bảo vệ của thiết bị bị hỏng, ít nhất một biện pháp bảo vệ độc lập thứ hai sẽ đảm bảo mức độ an toàn cần thiết; hoặc
- Khi xảy ra đồng thời hai sự cố độc lập khác nhau, mức độ an toàn cần thiết vẫn được đảm bảo.
- Category 2 (Danh mục 2): Thiết bị và hệ thống mang lại mức độ an toàn cao (high degree of safety). Các biện pháp bảo vệ chống nổ của thiết bị trong danh mục này được đảm bảo ngay cả trong trường hợp xảy ra các sự cố thường gặp hoặc các điều kiện lỗi có thể dự kiến trước.
- Category 3 (Danh mục 3): Thiết bị thuộc danh mục này đảm bảo mức độ an toàn cần thiết trong quá trình vận hành bình thường (normal operation).
Chữ cái bổ sung G hoặc D cho biết thiết bị được sử dụng trong khu vực nguy hiểm nổ khí (G – Gas) hay khu vực có bụi cháy (D – Dust).
Hai danh mục được quy định cho thiết bị sử dụng trong các công trình khai thác mỏ có nguy cơ khí mỏ (firedamp-endangered mining works):
- Category M1: Thiết bị thuộc danh mục này có mức độ an toàn rất cao. Ngay cả trong trường hợp hiếm hoi xảy ra sự cố thiết bị, chúng vẫn phải có khả năng tiếp tục vận hành bên trong môi trường khí quyển nổ hiện hữu và có các biện pháp bảo vệ chống nổ sao cho:
- Khi một biện pháp bảo vệ của thiết bị bị hỏng, ít nhất một biện pháp bảo vệ độc lập thứ hai sẽ đảm bảo mức độ an toàn cần thiết; hoặc
- Khi xảy ra đồng thời hai sự cố độc lập khác nhau, mức độ an toàn cần thiết vẫn được đảm bảo.
- Category M2: Thiết bị và hệ thống thuộc danh mục M2 mang lại mức độ an toàn cao. Khi xuất hiện môi trường khí quyển nổ, thiết bị phải có khả năng được ngắt điện (switch off). Các biện pháp bảo vệ chống nổ của thiết bị trong danh mục này đảm bảo mức độ an toàn cần thiết trong vận hành bình thường – ngay cả trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt, đặc biệt là khi chịu va đập mạnh và các tác động môi trường biến đổi.
Mức bảo vệ thiết bị (Equipment protection level – EPL theo IEC 60079-0)
Theo tiêu chuẩn IEC 60079-0, thiết bị dùng cho khu vực nguy hiểm ngoài hầm lò được phân thành ba mức bảo vệ:
- EPL Ga hoặc Da: Thiết bị có mức bảo vệ rất cao (very high protection level) để sử dụng trong khu vực nguy hiểm. Trong vận hành bình thường, khi xảy ra các sự cố dự kiến được hoặc các sự cố/hỏng hóc hiếm gặp (rare faults), thiết bị không gây ra nguy cơ đánh lửa.
- EPL Gb hoặc Db: Thiết bị có mức bảo vệ cao (high protection level) để sử dụng trong khu vực nguy hiểm, không gây nguy cơ đánh lửa trong vận hành bình thường hoặc khi xảy ra các sự cố/hỏng hóc có thể dự kiến trước (predictable faults).
- EPL Gc hoặc Dc: Thiết bị có mức bảo vệ tăng cường (advanced protection level) để sử dụng trong khu vực nguy hiểm. Không có nguy cơ đánh lửa trong quá trình vận hành bình thường, đồng thời thiết bị có thêm các biện pháp bảo vệ bổ sung đảm bảo không gây nguy cơ đánh lửa đối với các sự cố thiết bị điển hình có thể dự kiến.
Chữ cái G và D biểu thị thiết bị và hệ thống phù hợp cho khu vực nguy hiểm nổ khí (G) hay khu vực có bụi cháy (D).
Hai mức bảo vệ được định nghĩa cho công trình khai thác mỏ có nguy cơ khí mỏ:
- EPL Ma: Thiết bị có mức bảo vệ rất cao, đảm bảo độ an toàn cần thiết; không gây nguy cơ đánh lửa trong vận hành bình thường hoặc khi xảy ra sự cố dự kiến hay sự cố hiếm gặp – ngay cả khi thiết bị vẫn đang tiếp tục vận hành trong lúc rò rỉ khí mỏ.
- EPL Mb: Thiết bị có mức bảo vệ cao, đảm bảo độ an toàn cần thiết; không gây nguy cơ đánh lửa trong vận hành bình thường trong khoảng thời gian tính từ khi xuất hiện rò rỉ khí cho đến khi ngắt điện thiết bị.
3.3 Nhóm thiết bị (Equipment groups)
Phân loại theo Chỉ thị Châu Âu 2014/34/EU (ATEX)
Thiết bị phòng chống cháy nổ được chia thành hai nhóm chính:
- Nhóm thiết bị I (Equipment group I): Thiết bị dùng cho các công trình khai thác mỏ hầm lò và các phần cấu trúc trên mặt đất của mỏ đó có nguy cơ bị đe dọa bởi khí mỏ (firedamp) và/hoặc bụi cháy.
- Nhóm thiết bị II (Equipment group II): Thiết bị dùng cho tất cả các khu vực khác có nguy cơ xuất hiện môi trường khí quyển nổ.
Thiết bị điện dùng cho công trình mỏ nơi mà ngoài khí mỏ (methane) còn có thể xuất hiện các loại khí khác thì phải tuân thủ không chỉ các quy định của Nhóm I mà còn cả các quy định liên quan của Nhóm II. Thiết bị Nhóm II theo ATEX tiếp tục được phân loại theo khu vực ứng dụng thành thiết bị cho môi trường khí/hơi/sương mù và thiết bị cho môi trường bụi.
Phân loại theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60079
Trước đây, hai nhóm được định nghĩa cho thiết bị phòng chống cháy nổ: Nhóm I (cho mỏ hầm lò có khí mỏ) và Nhóm II (cho các khu vực nguy hiểm ngoài ngành mỏ). Kể từ khi xuất bản tiêu chuẩn IEC 60079-0 vào năm 2007, Nhóm III (Group III) đã được giới thiệu dành riêng cho khu vực nguy hiểm nổ bụi, còn Nhóm II (Group II) được dành riêng cho khu vực nguy hiểm nổ khí:
- Group I: Thiết bị dùng cho công trình mỏ có nguy cơ khí mỏ (firedamp-endangered mining works).
- Group II: Thiết bị dùng cho khu vực nguy hiểm nổ khí – ngoài ngành mỏ (gas explosion hazardous areas – apart from mining).
- Group III: Thiết bị dùng cho khu vực nguy hiểm nổ bụi – ngoài ngành mỏ (dust explosion hazardous areas – apart from mining).
Thiết bị điện thuộc Nhóm II (khí) được chia nhỏ hơn theo đặc tính của môi trường khí quyển nổ thành các phân nhóm IIA, IIB và IIC (Bảng 9). Sự phân chia này đặc biệt quan trọng đối với kiểu bảo vệ vỏ bọc chịu lửa (flameproof enclosure “d”) và an toàn nội tại (intrinsic safety “i”):
- Đối với vỏ bọc chịu lửa (“d”), việc phân nhóm dựa trên Khe hở an toàn thực nghiệm tối đa (Maximum Experimental Safe Gap – MESG) – đại lượng đo lường khả năng truyền tia lửa nóng qua một khe hẹp.
- Đối với an toàn nội tại (“i”), đại lượng quyết định là Tỷ số dòng điện đánh lửa tối thiểu (Minimum Ignition Current ratio – MIC) – biến số phản ánh năng lượng đánh lửa tối thiểu của các chất khí và hơi thoát ra.
Thiết bị dùng trong khu vực nguy hiểm nổ bụi (Nhóm III) được phân loại theo bản chất của bụi thành:
- Group IIIA: Xơ/sợi dễ cháy (combustible lint / flyings).
- Group IIIB: Bụi không dẫn điện (non-conductive dust).
- Group IIIC: Bụi dẫn điện (conductive dust). Hai phân nhóm IIIB và IIIC khác nhau ở điện trở suất riêng (specific electrical resistance): đối với bụi thuộc Nhóm IIIC, giá trị điện trở suất nằm ở mức nhỏ hơn hoặc bằng 10³ Ωm ($\le 10^3\ \Omega\text{m}$).
Các chất cháy và khu vực nguy hiểm tương ứng được phân loại theo thứ tự yêu cầu kỹ thuật tăng dần từ IIA đến IIC và từ IIIA đến IIIC. Thiết bị đáp ứng tiêu chuẩn IIC có thể sử dụng được trong cả khu vực IIB và IIA. Thiết bị IIB có thể sử dụng trong khu vực IIA, còn thiết bị IIA chỉ được phép dùng trong khu vực IIA. Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho thiết bị thuộc Nhóm IIIA, IIIB và IIIC (thiết bị IIIC dùng được cho cả IIIB và IIIA).
| Phân nhóm (Group) | Khí đại diện điển hình (Typical gas) | Khe hở an toàn thực nghiệm tối đa – MESG (mm) | Tỷ số dòng điện đánh lửa tối thiểu – MIC ratio* |
|---|---|---|---|
| IIA | Propane | > 0.9 | > 0.8 |
| IIB | Ethylene | 0.5 … 0.9 | 0.45 … 0.8 |
| IIC | Hydrogen | < 0.5 | < 0.45 |
* Tỷ số dòng điện đánh lửa tối thiểu (MIC ratio) được tính tương đối so với khí Methane trong phòng thí nghiệm.
3.4 Nhiệt độ bắt cháy và Cấp nhiệt độ (Ignition temperature and temperature classes)
Nhiệt độ bắt cháy (Ignition temperature) của một môi trường khí quyển nổ hoặc đám mây bụi là nhiệt độ thấp nhất của một bề mặt bị đốt nóng mà tại đó hỗn hợp không khí và các chất cháy dưới dạng khí, hơi hoặc bụi có thể tự bốc cháy trong các điều kiện xác định.
Khí và hơi dễ cháy (Combustible gases)
Các chất khí và hơi dễ cháy được phân loại thành các cấp nhiệt độ (temperature classes) từ T1 đến T6 tùy theo tính dễ bắt cháy của chúng (Bảng 10). Nhiệt độ bề mặt tối đa của thiết bị điện phải luôn thấp hơn nhiệt độ bắt cháy của hỗn hợp khí hoặc hơi với không khí nơi thiết bị vận hành. Tất nhiên, thiết bị được xếp ở cấp nhiệt độ cao hơn (ví dụ T5 – giới hạn 100 °C) hoàn toàn được phép sử dụng cho các ứng dụng chỉ yêu cầu cấp nhiệt độ thấp hơn (ví dụ T2 hoặc T3). Khu vực Bắc Mỹ có hệ thống phân chia chi tiết hơn thành các phân cấp nhiệt độ phụ (temperature subclasses).
| Nhiệt độ bắt cháy của khí và hơi (°C) | Cấp nhiệt độ (Temperature class) | Nhiệt độ bề mặt tối đa cho phép của thiết bị (°C) |
|---|---|---|
| > 450 | T1 | 450 |
| > 300 đến 450 | T2 | 300 |
| > 200 đến 300 | T3 | 200 |
| > 135 đến 200 | T4 | 135 |
| > 100 đến 135 | T5 | 100 |
| > 85 đến 100 | T6 | 85 |
Bụi cháy được (Combustible dusts)
Bụi cháy không được phân thành các cấp T1–T6 mà phải ghi trực tiếp nhiệt độ bề mặt tối đa bằng °C. Nhiệt độ bắt cháy tối thiểu của đám mây bụi ($T_{\text{Cloud}}$) được so sánh với nhiệt độ bề mặt tối đa của thiết bị có tính đến hệ số an toàn:
- Đối với đám mây bụi (Dust cloud): Nhiệt độ bề mặt tối đa của thiết bị không được vượt quá hai phần ba (2/3) nhiệt độ bắt cháy của đám mây bụi ($T_{\max} \le \frac{2}{3} T_{\text{Cloud}}$).
- Đối với lớp bụi lắng đọng (Dust layer – 5 mm): Vì bụi có thể lắng đọng thành lớp trên vỏ thiết bị, nhiệt độ bắt cháy của lớp bụi (nhiệt độ âm ỉ – smouldering temperature) cũng phải được xem xét. Nhiệt độ âm ỉ là nhiệt độ thấp nhất của bề mặt nóng làm một lớp bụi dày 5 mm bắt cháy. Nhiệt độ bề mặt tối đa của thiết bị được hiệu chỉnh với biên độ an toàn trừ đi 75 K ($T_{\max} \le T_{5\text{mm}} – 75\text{ K}$).
- Đối với lớp bụi dày từ 5 mm đến 50 mm: Khi lớp bụi dày hơn, khả năng cách nhiệt tăng lên khiến nhiệt lượng tích tụ lớn hơn, do đó nhiệt độ bề mặt tối đa cho phép của thiết bị phải được giảm thêm tương ứng theo biểu đồ (Hình 4) trong tiêu chuẩn IEC 60079-14.
- Trường hợp phải thử nghiệm phòng thí nghiệm: Nếu lớp bụi dày hơn 50 mm, hoặc dày hơn 5 mm nhưng có nhiệt độ âm ỉ thấp hơn 250 °C, hoặc khi thiết bị bị phủ kín hoàn toàn bởi bụi cháy, nhiệt độ âm ỉ bắt buộc phải được xác định bằng các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Bề mặt tới hạn của thiết bị không được phép nóng hơn giá trị thấp hơn trong hai mức nhiệt độ bề mặt cho phép tính theo đám mây bụi và tính theo lớp bụi.
3.5 Các kiểu bảo vệ chống nổ (Protection types)
Thiết bị phòng chống cháy nổ cho khu vực nguy hiểm có thể được thiết kế theo các quy định chế tạo của bộ tiêu chuẩn IEC 60079 đối với thiết bị điện theo nhiều kiểu bảo vệ khác nhau. Các kiểu bảo vệ cho thiết bị phi điện (cơ khí) được quy định trong bộ tiêu chuẩn ISO 80079 (trước đây tại Châu Âu là EN 13463).
Kiểu bảo vệ mà nhà sản xuất lựa chọn phụ thuộc chủ yếu vào bản chất và chức năng của thiết bị. Một số kiểu bảo vệ được chia thành nhiều mức bảo vệ khác nhau tương ứng với Danh mục thiết bị trong Chỉ thị 2014/34/EU hoặc EPL trong IEC 60079-0. Ví dụ với kiểu bảo vệ an toàn nội tại (Intrinsic safety “i”):
- Phiên bản Ex ia tương ứng với Category 1 hoặc EPL Ga, được phép lắp đặt trong Zone 0 (và Zone 20).
- Phiên bản Ex ib tương ứng với Category 2 hoặc EPL Gb, phù hợp cho Zone 1 (và Zone 21).
- Phiên bản Ex ic tương ứng với Category 3 hoặc EPL Gc, dùng trong Zone 2 (và Zone 22).
Xét về mặt an toàn, tất cả các kiểu bảo vệ đã được tiêu chuẩn hóa trong cùng một danh mục hoặc cùng một mức bảo vệ EPL đều được coi là tương đương nhau. Bảng 11 và Bảng 12 cung cấp cái nhìn tổng quan về các kiểu bảo vệ cho thiết bị điện, nguyên lý cơ bản và ứng dụng chính. Các ký hiệu kiểu bảo vệ cho môi trường bụi trước đây thuộc bộ IEC 61241 đã được đơn giản hóa khi tích hợp vào bộ tiêu chuẩn IEC 60079 (Bảng 13), và các kiểu bảo vệ cho thiết bị phi điện được trình bày tại Bảng 14.
| Kiểu bảo vệ & Tiêu chuẩn (IEC / EN / UL) | Ký hiệu & Vùng áp dụng | Nguyên lý cơ bản (Basic principle) | Ứng dụng chính (Main application) |
|---|---|---|---|
| Yêu cầu chung (General requirements) IEC 60079-0 EN 60079-0 UL 60079-0 |
Ex | Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu chung cho thiết bị điện phòng chống cháy nổ và chi tiết quy tắc ghi nhãn thiết bị. | Áp dụng chung cho mọi thiết bị điện Ex |
| An toàn gia tăng (Increased safety “e”) IEC 60079-7 EN 60079-7 UL 60079-7 |
eb = dùng trong Zone 1, 2 ec = dùng trong Zone 2 |
Áp dụng các biện pháp bổ sung nhằm mang lại mức độ an toàn cao hơn, ngăn ngừa sự xuất hiện của nhiệt độ cao quá mức cho phép cũng như sự phát sinh tia lửa và phóng điện bề mặt bên trong hoặc trên các bộ phận bên ngoài của thiết bị điện (vốn không phát sinh tia lửa trong vận hành bình thường). | Hộp đấu nối (terminal & connection boxes), hộp điều khiển lắp các linh kiện Ex (có kiểu bảo vệ khác), động cơ lồng sóc, đèn chiếu sáng |
| Vỏ bọc chịu lửa / chống nổ (Flameproof enclosure “d”) IEC 60079-1 EN 60079-1 UL 60079-1 |
da = dùng trong Zone 0, 1, 2 db = dùng trong Zone 1, 2 dc = dùng trong Zone 2 |
Các bộ phận có thể làm bốc cháy môi trường khí quyển nổ được đặt bên trong một vỏ bọc có khả năng chịu được áp suất của hỗn hợp nổ phát nổ ngay bên trong vỏ bọc đó và ngăn chặn sự truyền lan của vụ nổ ra môi trường khí quyển xung quanh bên ngoài vỏ. | Thiết bị đóng cắt và điều khiển (switchgear & control gear), cụm điều khiển và hiển thị, hệ thống điều khiển, động cơ, máy biến áp, thiết bị gia nhiệt, đèn chiếu sáng |
| Vỏ bọc tạo áp suất dư (Pressurised enclosure “p”) IEC 60079-2 EN 60079-2 UL 60079-2 |
pxb = Zone 1, 2 & Zone 21, 22 pyb = Zone 1, 2 & Zone 21, 22 pzc = Zone 2 & Zone 22 |
Ngăn chặn sự hình thành môi trường khí quyển nổ bên trong vỏ bọc bằng cách duy trì một áp suất dương bên trong bằng khí trơ (hoặc không khí sạch) cao hơn áp suất khí quyển xung quanh và, khi cần thiết, cấp dòng khí trơ liên tục vào bên trong vỏ để pha loãng các hỗn hợp dễ cháy. | Tủ đóng cắt và tủ điều khiển lớn, thiết bị phân tích (analysers), động cơ công suất lớn |
| An toàn nội tại / tia lửa (Intrinsic safety “i”) IEC 60079-11 EN 60079-11 UL 60079-11 |
ia = Zone 0, 1, 2 & Zone 20, 21, 22 ib = Zone 1, 2 & Zone 21, 22 ic = Zone 2 & Zone 22 [Ex ib] = thiết bị kết hợp lắp đặt ở khu vực an toàn |
Thiết bị sử dụng trong khu vực nguy hiểm chỉ chứa các mạch điện an toàn nội tại. Một mạch điện được gọi là an toàn nội tại nếu không có tia lửa hoặc hiệu ứng nhiệt nào sinh ra trong các điều kiện thử nghiệm quy định (bao gồm cả vận hành bình thường và các điều kiện sự cố xác định) có thể gây đánh lửa cho môi trường khí quyển nổ cụ thể. | Kỹ thuật đo lường và điều khiển (I&C), công nghệ Fieldbus, cảm biến (sensors), cơ cấu chấp hành (actuators) |
| Hệ thống an toàn nội tại (Intrinsically safe systems) IEC 60079-25 EN 60079-25 UL 60079-25 |
Hệ thống Ex i | Đánh giá tính an toàn nội tại cho toàn bộ hệ thống đã xác định (bao gồm thiết bị hiện trường, cáp truyền dẫn và thiết bị kết hợp). | Các hệ thống mạch vòng an toàn nội tại hoàn chỉnh |
| Kiểu bảo vệ & Tiêu chuẩn (IEC / EN / UL) | Ký hiệu & Vùng áp dụng | Nguyên lý cơ bản (Basic principle) | Ứng dụng chính (Main application) |
|---|---|---|---|
| Ngâm trong chất lỏng (Liquid immersion “o”) IEC 60079-6 EN 60079-6 UL 60079-6 |
ob = dùng trong Zone 1, 2 oc = dùng trong Zone 2 |
Thiết bị điện hoặc các bộ phận của thiết bị được ngâm chìm trong chất lỏng bảo vệ (như dầu cách điện), sao cho môi trường khí quyển nổ phía trên mặt chất lỏng hoặc bên ngoài vỏ không thể bị bắt cháy. | Máy biến áp, điện trở khởi động |
| Nhồi đầy bột (Powder filling “q”) IEC 60079-5 EN 60079-5 UL 60079-5 |
q = dùng trong Zone 1, 2 | Điền đầy vỏ thiết bị điện bằng vật liệu hạt mịn (như cát thạch anh) giúp ngăn chặn tia lửa hồ quang bên trong trong quá trình vận hành làm bốc cháy môi trường khí quyển nổ xung quanh vỏ. Sự đánh lửa không thể xảy ra từ ngọn lửa hay từ sự gia tăng nhiệt độ trên bề mặt vỏ. | Cảm biến, chấn lưu điện tử (electronic ballast), bộ truyền tín hiệu (transmitters) |
| Đúc kín / Bọc hợp chất (Encapsulation “m”) IEC 60079-18 EN 60079-18 UL 60079-18 |
ma = Zone 0, 1, 2 & Zone 20, 21, 22 mb = Zone 1, 2 & Zone 21, 22 mc = Zone 2 & Zone 22 |
Các bộ phận có thể làm bốc cháy môi trường khí quyển nổ được đúc chìm hoàn toàn trong hợp chất làm kín (sealing compound / nhựa đúc) để ngăn chặn sự đánh lửa ra môi trường nổ. | Linh kiện điện tử, cuộn dây van điện từ, cảm biến, mạch điều khiển |
| Kiểu bảo vệ “n” (Protection type “n”) IEC 60079-15 EN 60079-15 UL 60079-15 |
nA = thiết bị không phát tia lửa nC = thiết bị và linh kiện kín/bảo vệ tia lửa nR = vỏ bọc hạn chế thông khí (restricted breathing) |
Thiết bị điện không có khả năng làm bốc cháy môi trường khí quyển nổ xung quanh (trong quá trình vận hành bình thường và trong một số điều kiện vận hành bất thường đã được định nghĩa). | Tất cả các thiết bị điện dùng cho Zone 2 |
| Bức xạ quang học (Optical radiation “op”) IEC 60079-28 EN 60079-28 UL 60079-28 |
Ex op is = bức xạ quang an toàn vốn có Ex op pr = bức xạ quang được bảo vệ Ex op sh = bức xạ quang có khóa liên động ngắt (interlock) |
Áp dụng các biện pháp thích hợp để ngăn chặn sự đánh lửa của môi trường khí quyển nổ gây ra bởi năng lượng bức xạ quang học (tia laser, cáp quang). | Hệ thống cáp quang (fibre optics) dùng trong khu vực nguy hiểm nổ khí |
| Bảo vệ bằng vỏ bọc kín bụi (Protection by enclosure “t”) IEC 60079-31 EN 60079-31 UL 60079-31 |
ta = dùng trong Zone 20, 21, 22 tb = dùng trong Zone 21, 22 tc = dùng trong Zone 22 |
Nhờ độ kín khít của vỏ bọc, bụi không thể xâm nhập vào bên trong hoặc chỉ lọt vào ở mức không đáng kể. Nhờ đó các thiết bị có thể phát tia lửa được phép lắp bên trong vỏ. Nhiệt độ bề mặt vỏ không được đủ cao để làm bốc cháy môi trường bụi xung quanh. | Thiết bị đóng cắt và điều khiển, hộp điều khiển, hộp nối và hộp đấu dây, động cơ, đèn chiếu sáng trong vùng bụi |
| Kiểu bảo vệ (Môi trường bụi) | Bộ tiêu chuẩn cũ IEC 61241 | Ký hiệu cũ (IEC 61241) | Bộ tiêu chuẩn mới IEC 60079 | Ký hiệu mới (IEC 60079) | Vùng áp dụng (Zone) |
|---|---|---|---|---|---|
| Bảo vệ bằng vỏ bọc (Protection via enclosure) | IEC 61241-1 | tDA20, tDB20 | IEC 60079-31 | ta | 20 |
| tDA21, tDB21 | tb | 21 | |||
| tDA22, tDB22 | tc | 22 | |||
| Vỏ bọc tạo áp suất dư (Pressurised enclosure) | IEC 61241-4 | pD21 | IEC 60079-2 | pxb | 21 |
| pD21 | pyb | 21 | |||
| pD22 | pzc | 22 | |||
| An toàn nội tại (Intrinsic safety) | IEC 61241-11 | iaD20 | IEC 60079-11 | ia | 20 |
| ibD21 | ib | 21 | |||
| — | ic | 22 | |||
| Đúc kín (Encapsulation) | IEC 61241-18 | maD20 | IEC 60079-18 | ma | 20 |
| mbD21 (maD21) | mb | 21 | |||
| — | mc | 22 |
| Kiểu bảo vệ theo ISO hoặc EN | Tiêu chuẩn áp dụng | Nguyên lý cơ bản (Basic principle) | Ứng dụng chính (Main application) |
|---|---|---|---|
| Yêu cầu chung (General requirements) | ISO 80079-36 (trước đây là EN 13463-1) |
Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu cơ bản cho thiết bị phi điện phòng chống cháy nổ và chi tiết quy tắc ghi nhãn thiết bị (ký hiệu chung là chữ “h”). | Mọi thiết bị cơ khí / phi điện Ex |
| An toàn kết cấu (Constructional safety “c”) | ISO 80079-37 (trước đây là EN 13463-5) |
Áp dụng các nguyên lý kỹ thuật đã được kiểm chứng cho các loại thiết bị vốn không có nguồn đánh lửa trong vận hành bình thường, sao cho rủi ro các hư hỏng cơ học gây ra nhiệt độ bắt cháy hoặc tia lửa cơ học được giảm xuống mức không đáng kể. | Khớp nối (couplings), máy bơm (pumps), hộp số (gear drives), truyền động xích (chain drives), băng tải (conveyor belts) |
| Kiểm soát nguồn đánh lửa (Control of ignition source “b”) | ISO 80079-37 (trước đây là EN 13463-6) |
Tích hợp các cảm biến bên trong thiết bị để phát hiện sớm các điều kiện nguy hiểm sắp xảy ra và thực hiện các biện pháp đối phó ở giai đoạn đầu trước khi nguồn đánh lửa tiềm tàng trở nên có hiệu lực (tự động ngắt qua hệ thống bảo vệ hoặc cảnh báo cho người vận hành). | Máy bơm, băng tải |
| Ngâm trong chất lỏng (Liquid immersion “k”) | ISO 80079-37 (trước đây là EN 13463-8) |
Các nguồn đánh lửa được làm mất khả năng gây cháy bằng cách ngâm chìm trong chất lỏng bảo vệ hoặc làm ướt liên tục bằng một màng chất lỏng. | Bơm chìm (submerged pumps), bánh răng / hộp số ngâm dầu |
| Vỏ bọc chịu lửa (Flameproof enclosure “d”) | IEC 60079-1 (trước đây là EN 13463-3) |
Các bộ phận có thể làm bốc cháy môi trường nổ được đặt trong vỏ bọc chịu được áp suất nổ bên trong và ngăn truyền lửa ra môi trường xung quanh. | Phanh (brakes), khớp nối |
| Vỏ bọc tạo áp suất dư (Pressurised enclosure “p”) | IEC 60079-2 (trước đây là EN 60079-2) |
Ngăn chặn sự hình thành môi trường nổ bên trong vỏ bọc bằng cách duy trì áp suất dương của khí bảo vệ cao hơn áp suất môi trường xung quanh. | Máy bơm |
| Bảo vệ bằng vỏ bọc kín bụi (Protection by enclosure “t”) | IEC 60079-31 | Nhờ độ kín của vỏ bọc, bụi không thể xâm nhập hoặc giảm xuống mức không đáng kể; nhiệt độ bề mặt vỏ được giới hạn không gây cháy đám mây/lớp bụi xung quanh. | Thiết bị dùng riêng cho khu vực nguy hiểm nổ bụi |
3.5.1 Ứng dụng kiểu bảo vệ An toàn nội tại (Intrinsic safety “i”)
Kiểu bảo vệ an toàn nội tại dựa trên nguyên lý giới hạn dòng điện và điện áp trong một mạch điện. Năng lượng của mạch điện (vốn có thể gây đánh lửa môi trường nổ) được giới hạn ở mức sao cho cả tia lửa điện lẫn hiện tượng phát nhiệt bề mặt quá mức của các linh kiện điện tử đều không thể làm bốc cháy môi trường khí quyển nổ xung quanh. Kiểu bảo vệ này đặc biệt phổ biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển (Instrumentation & Control) – nơi không đòi hỏi dòng điện, điện áp và công suất lớn.
- Mạch điện an toàn nội tại (Intrinsically safe electrical circuit): Là mạch điện mà trong đó không một tia lửa hay hiệu ứng nhiệt nào có thể làm bốc cháy một môi trường khí quyển nổ xác định.
- Thiết bị điện an toàn nội tại (Intrinsically safe electrical equipment): Là thiết bị điện mà tất cả các mạch điện bên trong nó đều là mạch an toàn nội tại.
- Thiết bị điện kết hợp (Associated electrical equipment): Là thiết bị điện chứa cả mạch điện an toàn nội tại và mạch điện không an toàn nội tại. Thiết bị được thiết kế sao cho các mạch không an toàn nội tại không thể làm ảnh hưởng xấu đến tính an toàn của các mạch an toàn nội tại (Bảng 15).
Một khía cạnh cốt lõi của kiểu bảo vệ “an toàn nội tại” là độ tin cậy trong việc duy trì các giá trị giới hạn điện áp và dòng điện ngay cả khi xảy ra các sự cố cụ thể. Thiết bị điện an toàn nội tại và các bộ phận của thiết bị kết hợp được phân loại theo độ tin cậy này thành các mức bảo vệ ia, ib và ic tương ứng với các vùng nguy hiểm: ia dùng cho Zone 0, ib dùng cho Zone 1 và ic dùng cho Zone 2. Tiêu chuẩn cũng phân biệt rõ giữa an toàn sự cố đơn và an toàn sự cố kép:
- An toàn sự cố đơn (Single fault safety – mức bảo vệ ib): Khi một linh kiện liên quan đến an toàn bị hỏng, linh kiện thứ hai phải đảm nhận nhiệm vụ của nó (có 1 linh kiện dự phòng – one redundant component).
- An toàn sự cố kép (Double fault safety – mức bảo vệ ia): Khi hai linh kiện liên quan đến an toàn bị hỏng, linh kiện thứ ba phải đảm nhận nhiệm vụ của chúng (có 2 linh kiện dự phòng – two redundant components).
Một biện pháp an toàn quan trọng đối với các mạch an toàn nội tại là cách ly an toàn (safe isolation) tất cả các mạch an toàn nội tại khỏi tất cả các mạch không an toàn nội tại. Ngoại trừ các bộ rào chắn Zener (safety barriers nối đất đẳng thế), việc cách ly điện an toàn luôn được yêu cầu. Cách ly galvanic (Galvanic separation) nhìn chung được khuyến nghị cho Zone 0. Các diode Zener dùng để giới hạn điện áp và các linh kiện bán dẫn khác được coi là linh kiện có thể hỏng (fallible) nên phải được bảo vệ bằng các linh kiện dự phòng (redundant). Ngược lại, các điện trở màng kim loại hoặc điện trở dây quấn dùng để giới hạn dòng điện được coi là không thể hỏng theo hướng nguy hiểm (infallible – chỉ tăng điện trở hoặc đứt mạch khi lỗi), nên chỉ cần một linh kiện đơn là đủ.
| Thiết bị an toàn nội tại (Intrinsically safe equipment) | Thiết bị điện kết hợp (Associated electrical equipment) | |
|---|---|---|
Ex ib IIC T6 Gb |
[Ex ib Gb] IIC |
Ex db eb [ib] IIC T6 Gb |
| Có đầy đủ mọi thông số cần thiết như mức bảo vệ/danh mục, nhóm nổ và cấp nhiệt độ. | Dấu ngoặc vuông [ ] cho biết thiết bị điện tương ứng có chứa mạch điện an toàn nội tại được phép dẫn vào Zone 1, thuộc các nhóm nổ IIA, IIB và IIC. |
|
| Thiết bị được phép lắp đặt trực tiếp trong Zone 1. | Thiết bị phải được lắp đặt bên ngoài khu vực nguy hiểm (trong phòng điều khiển/khu vực an toàn) vì bản thân vỏ thiết bị không có kiểu bảo vệ Ex và không có cấp nhiệt độ. | Nhờ được đặt trong vỏ bọc chịu lửa (db) kết hợp an toàn gia tăng (eb), bản thân thiết bị kết hợp này được phép lắp đặt trực tiếp trong Zone 1. |
Việc kết nối các thiết bị riêng lẻ thành một mạch điện an toàn nội tại hoàn chỉnh được phép thực hiện với điều kiện người thiết kế tuân thủ các yêu cầu cụ thể. Khi kết nối thiết bị kết hợp (Associated equipment) với thiết bị an toàn nội tại (Intrinsically safe equipment), phải đảm bảo các thông số đặc tính an toàn ($U_o \le U_i$, $I_o \le I_i$, $P_o \le P_i$, $C_o \ge C_i + C_{\text{cable}}$, $L_o \ge L_i + L_{\text{cable}}$) tương thích với nhau (xem chi tiết tại IEC 60079-14 và IEC 60079-25). Đơn vị vận hành bắt buộc phải lưu giữ Bằng chứng an toàn nội tại (Proof of intrinsic safety) cho mọi mạch điện an toàn nội tại. Nếu có chứng chỉ hệ thống (system certificate) thì chứng chỉ đó được coi là bằng chứng hợp lệ.
Hệ thống Fieldbus an toàn nội tại theo mô hình FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept)
Trong trường hợp các hệ thống bus cấp nguồn mã hóa Manchester được thiết kế theo tiêu chuẩn IEC 61158-2 (tiêu chuẩn lớp vật lý cho hệ thống Fieldbus), nhiều thiết bị hiện trường được kết nối song song trên cùng một đường cáp hai dây và được cấp nguồn thông qua một bộ cấp nguồn Fieldbus. Sự kết nối phức tạp của nhiều thiết bị như vậy sẽ dẫn đến những hạn chế rất lớn về số lượng thiết bị đầu cuối và chiều dài cáp nếu tính toán theo mô hình thực thể truyền thống (traditional entity concept), đồng thời việc lập bằng chứng an toàn nội tại sẽ vô cùng phức tạp.
Vì vậy, vào giữa những năm 1990, Viện Vật lý Kỹ thuật Liên bang Đức (PTB) đã phát triển một mô hình đơn giản hóa dựa trên các nghiên cứu và phân tích sâu rộng mang tên FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). Bằng cách áp dụng các tham số thực tế, mô hình FISCO cho phép kết nối nhiều thiết bị hơn và chiều dài cáp lớn hơn đáng kể, đồng thời đơn giản hóa tối đa việc chứng minh an toàn nội tại (không cần tính cộng dồn điện dung và điện cảm của từng đoạn cáp). Điều kiện tiên quyết để sử dụng mô hình FISCO là tất cả các phần tử tham gia trong hệ thống Fieldbus đều phải được chứng nhận phù hợp với FISCO.
FISCO ban đầu được tiêu chuẩn hóa trong EN 60079-27, nhưng sau đó đã được chuyển vào EN 60079-11 (năm 2008) và EN 60079-25 (năm 2011). Ngày nay, các hệ thống Fieldbus FISCO thuần túy từ đầu đến cuối ít còn được lắp đặt mới vì dù đã đơn giản hóa thì số lượng thiết bị trên một nhánh bus vẫn bị giới hạn bởi công suất nguồn Ex i. Thay vào đó, trong mô hình đường trục công suất cao (High Power Trunk concept) phổ biến hiện nay, số lượng thiết bị không còn bị hạn chế nhờ sử dụng các bộ ghép nối Fieldbus an toàn nội tại (Ex i fieldbus couplers – đóng vai trò như bộ cách ly Fieldbus đặt tại hiện trường). Tuy nhiên, việc kích hoạt các thiết bị Fieldbus nhánh (spurs) và chứng minh an toàn nội tại đơn giản hóa tại các bộ ghép nối Ex i này vẫn tiếp tục được thực hiện theo nguyên lý FISCO.
Zone 2 và Division 2: An toàn nội tại “ic” – Mạch giới hạn năng lượng “nL” – Mạch không gây cháy “NI”
Tại Hoa Kỳ, nguyên lý giới hạn năng lượng được áp dụng theo nhiều cách khác nhau tùy theo khu vực ứng dụng. Các yêu cầu thiết bị cho Class I, Zone 2 tương ứng sát nhất với yêu cầu của IEC: kiểu bảo vệ an toàn nội tại Ex ic đã thay thế hoàn toàn cho kiểu mạch giới hạn năng lượng Ex nL (thời hạn chuyển đổi đã kết thúc vào năm 2011). Đối với hệ thống Class I, Division 2 của Bắc Mỹ, nguyên lý giới hạn năng lượng được thực hiện dưới dạng mạch “Non-incendive field wiring (NI)”. Sự khác biệt giữa ba phương thức này được trình bày chi tiết trong Bảng 16 và Bảng 17.
| Tiêu chí | Ex ic | Ex nL (Đã hết hiệu lực chuyển đổi từ 2011) | NI (Bắc Mỹ) |
|---|---|---|---|
| Mô tả (Description) | An toàn nội tại (Intrinsic safety) | Mạch giới hạn năng lượng (Energy-limited circuits) | Đi dây hiện trường không gây cháy (“Non-incendive field wiring”) |
| Tiêu chuẩn thiết bị (Standard) | IEC 60079-11 | IEC 60079-15:2005 | FM 3611 / ANSI/ISA 12.12.01 |
| Hệ thống Fieldbus | IEC 60079-27 (FISCO) / IEC 60079-11 | IEC 60079-27 (FNICO:2005) | — |
| Tiêu chuẩn lắp đặt (Installation) | IEC 60079-14 | IEC 60079-14 | NEC 500 |
| Tiêu chuẩn bảo trì (Maintenance) | IEC 60079-17 | IEC 60079-17 | ANSI/ISA 12.12.01 |
| Hạng mục | Ex ic | Ex nL | NI |
|---|---|---|---|
| Phạm vi áp dụng (Khí) | Zone 2 | Zone 2 | Class I, Div. 2 |
| Phạm vi áp dụng (Bụi) | Zone 22 | Zone 22 | Class II + III, Div. 2 |
| Cáp và đường dây | IEC 60079-14 | IEC 60079-14 | Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (US standard) |
| Đánh dấu cáp (Marking) | Có. Nếu phân biệt bằng màu sắc thì dùng màu xanh dương (blue) | Không có yêu cầu đặc biệt | Không có yêu cầu đặc biệt |
| Khoảng cách tới mạch điện thường | 50 mm | Không yêu cầu (cách mạch Ex i 50 mm) | Cách ly (Isolation) |
| Bằng chứng giới hạn năng lượng | Có (Yes) | Có (Yes) | Có (Yes) |
| Khoảng cách tới các bộ phận dẫn điện không bọc cách điện | Tới mạch non-Ex i: 50 mm; Tới mạch Ex i khác: 6 mm; Tới đất (earth): 3 mm |
Không có yêu cầu đặc biệt | Cách ly (Isolation) |
| Bảo trì (Maintenance)* | Được phép (Yes) | Được phép (Yes) | Được phép (Yes) |
| Bảo dưỡng / Thay thế nóng (Upkeep)* | Được phép (Yes) | Được phép (Yes) | Không được phép (No) |
* Trong tiêu chuẩn NEC 500 có sự phân biệt giữa Maintenance (kiểm tra/hiệu chuẩn) và Upkeep (thay thế linh kiện): trong quá trình Upkeep, việc tháo lắp thay thế sống (live replacement) các linh kiện “non-incendive” bị hỏng khi đang mang điện là không được phép.
3.5.2 Ứng dụng và kết hợp hai kiểu bảo vệ Vỏ bọc chịu lửa “d” và An toàn gia tăng “e”
Kiểu bảo vệ quan trọng nhất đối với các thiết bị đóng cắt (switchgears) là vỏ bọc chịu lửa (flameproof enclosure “d”) – và trong thực tế thường được kết hợp chặt chẽ với kiểu bảo vệ an toàn gia tăng (increased safety “e”). Kiểu bảo vệ an toàn gia tăng “e” dựa trên các biện pháp nâng cao mức độ an toàn nhằm ngăn ngừa sự xuất hiện của nguồn đánh lửa. Tuy nhiên, bản thân các tiếp điểm đóng cắt luôn phát sinh hồ quang/tia lửa điện khi thao tác, nên riêng kiểu bảo vệ “e” là không đủ để đảm bảo chống nổ. Do đó, việc đặt riêng phần tiếp điểm đóng cắt trong một buồng chịu lửa “d” nhỏ gọn và đặt các cầu đấu dây trong khoang an toàn gia tăng “e” đóng vai trò cực kỳ quan trọng đối với thiết bị đóng cắt hiện đại.
Tương tự, các bộ đèn chiếu sáng phòng nổ hiện đại (explosion-protected luminaires) cũng kết hợp nhiều kiểu bảo vệ khác nhau (như Ex db eb ib mb q) trong cùng một sản phẩm để đạt hiệu quả tối ưu nhất về độ an toàn, công năng vận hành và tính kinh tế (Hình 6).
3.5.3 Ứng dụng kiểu bảo vệ An toàn kết cấu (Constructional safety “c”)
Thiết bị phi điện (cơ khí) thường xuyên được thiết kế theo kiểu bảo vệ an toàn kết cấu (“c”). Trong kiểu bảo vệ này, nguy cơ xảy ra các hư hỏng có thể tạo ra nguồn đánh lửa trên thiết bị được giảm thiểu tối đa nhờ các giải pháp kết cấu cơ khí. Ví dụ, các biện pháp kết cấu được áp dụng để tránh phát sinh bề mặt nóng hoặc tia lửa cơ học trên các chi tiết chuyển động quay/tịnh tiến.
Các biện pháp cụ thể phụ thuộc chủ yếu vào loại thiết bị và có thể rất khác nhau: việc lựa chọn cặp vật liệu tiếp xúc (material pairing), tính toán kích thước (dimensioning), dung sai lắp ghép (tolerances) và chất bôi trơn (lubricants) trên các bộ phận chuyển động đều đóng vai trò quan trọng. Ngay cả chu kỳ bảo trì và việc giám sát vòng đời linh kiện (như vòng bi, phớt làm kín) cũng có ý nghĩa sống còn. Nhà sản xuất sẽ quy định rõ mục đích sử dụng trong tài liệu hướng dẫn vận hành, đồng thời chỉ rõ điều kiện môi trường, điều kiện làm việc và các thông số vận hành cho phép; đơn vị vận hành bắt buộc phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định này.
3.6 Quy tắc ghi nhãn thiết bị (Marking)
Toàn cầu (Worldwide – IEC 60079-0)
Quy tắc ghi nhãn thiết bị điện được quy định trong tiêu chuẩn IEC 60079-0. Ngoài tên nhà sản xuất hoặc nhãn hiệu thương mại, mã kiểu (type designation), số sê-ri và tên tổ chức chứng nhận kèm số chứng chỉ, trên nhãn phải có một chuỗi mã đặc biệt mô tả phạm vi sử dụng của thiết bị:
- Ký hiệu Ex.
- Ký hiệu cho từng kiểu/mức bảo vệ được sử dụng (đối với thiết bị kết hợp lắp đặt trong khu vực an toàn hoặc có mạch Ex i đi vào vùng nguy hiểm, ký hiệu kiểu bảo vệ của mạch đó phải đặt trong dấu ngoặc vuông
[ ]). - Nhóm thiết bị IIA, IIB hoặc IIC đối với khu vực nguy hiểm nổ khí, hoặc IIIA, IIIB hoặc IIIC đối với khu vực nguy hiểm nổ bụi.
- Cấp nhiệt độ (T1…T6) đối với khu vực nguy hiểm nổ khí, hoặc nhiệt độ bề mặt tối đa tính bằng °C đối với khu vực nguy hiểm nổ bụi.
- Mức bảo vệ thiết bị (EPL: Ga/Gb/Gc hoặc Da/Db/Dc).
Ví dụ thiết bị điện dùng trong vùng khí và vùng bụi:
Ex db eb IIC T4 GbEx ta IIIC T120°C Da
Ví dụ thiết bị kết hợp chứa mạch an toàn nội tại:
Ex db [ia Ga] IIB T5 Gb
Việc ghi nhãn cho thiết bị phi điện theo bộ tiêu chuẩn ISO 80079-36/-37 về cơ bản giống hệt như thiết bị điện, tuy nhiên thay vì dùng các chữ cái khác nhau cho kiểu bảo vệ trên dòng nhãn chính, chữ cái “h” luôn được sử dụng (ví dụ: Ex h IIC T4 Gb).
Châu Âu (Europe – ATEX 2014/34/EU)
Tại Châu Âu, bên cạnh dòng mã theo tiêu chuẩn IEC nêu trên, các yêu cầu của Chỉ thị EU 2014/34/EU (ATEX) cũng phải được đáp ứng trên nhãn thiết bị:
- Địa chỉ của nhà sản xuất.
- Dấu hợp chuẩn CE (kèm theo mã số 4 chữ số của Tổ chức được chỉ định – Notified Body giám sát chất lượng sản xuất).
- Biểu tượng lục giác ⟨Ex⟩, tiếp theo là Nhóm thiết bị (ví dụ: II), Danh mục thiết bị (1, 2 hoặc 3) và chữ cái môi trường G (khí) hoặc D (bụi). Ví dụ:
⟨Ex⟩ II 2 G.
Lưu ý lịch sử: Theo các tiêu chuẩn Châu Âu cũ (EN 50014 trở đi), ký hiệu EEx từng được sử dụng thay cho Ex. Đối với thiết bị phi điện theo bộ tiêu chuẩn Châu Âu cũ EN 13463, chữ Ex và mức EPL không xuất hiện trong mã tiêu chuẩn (vì đã có biểu tượng lục giác ATEX); nhưng từ năm 2016 khi chuyển sang EN ISO 80079, nhãn thiết bị phi điện đã đồng nhất với thiết bị điện và sử dụng ký hiệu kiểu bảo vệ là chữ “h”. Bảng tổng hợp chi tiết cách đọc nhãn thiết bị điện và phi điện được trình bày tại Phụ lục 5.4 và 5.5 (Phần 5 của Cẩm nang).
Bắc Mỹ (North America – NEC / CEC)
Ngoài các thông tin thông thường (nhà sản xuất, model, số sê-ri, thông số điện), dữ liệu phòng chống cháy nổ phải được ghi trên nhãn theo quy định của NEC (Mỹ), CEC (Canada) và các quy chuẩn chế tạo của tổ chức kiểm định (UL, FM, CSA):
- Thiết bị được phê duyệt theo hệ thống Class / Division (NEC 500–504 tại Mỹ hoặc Phụ lục J18 của CEC tại Canada) bao gồm:
- Class(es), Division(s) (Division 1 có thể tùy chọn ẩn trong một số trường hợp mặc định).
- Nhóm khí/bụi: Group A, B, C, D (khí) hoặc E, F, G (bụi).
- Nhiệt độ làm việc hoặc Cấp nhiệt độ T1–T6 (tùy chọn đối với T5 và T6).
- Ví dụ:
Class I Division 1 Groups C D T4
- Thiết bị được phê duyệt theo hệ thống Zone tại Bắc Mỹ (NEC Điều 505 hoặc 506 tại Mỹ, hoặc CEC Mục 18 tại Canada) bao gồm:
Class I(được lược bỏ đối với môi trường bụi tại Mỹ và lược bỏ hoàn toàn tại Canada).Zone(được lược bỏ trong dòng mã Ex tại Canada).- Ký hiệu AEx (tại Mỹ) hoặc Ex (tại Canada).
- Ký hiệu viết tắt của (các) kiểu bảo vệ được sử dụng.
- Nhóm thiết bị điện II hoặc nhóm khí IIA, IIB, IIC.
- Cấp nhiệt độ hoặc nhiệt độ bề mặt tối đa đối với môi trường bụi.
- Mức bảo vệ thiết bị (EPL).
- Ví dụ:
Class I, Zone 0, AEx ia IIC T6
Thiết bị được chứng nhận theo Division có thể được sử dụng trong khu vực phân vùng theo Zone và ngược lại, tuy nhiên bắt buộc phải tuân thủ các quy tắc chuyển đổi quy định trong bộ luật NEC và CEC.
Trọn bộ Chuyên đề Phòng Chống Cháy Nổ (R. STAHL – Tư vấn kỹ thuật NKE)
Chuỗi 6 bài viết bao gồm 1 bài tổng quan từ R. STAHL Blog và 5 phần chi tiết theo từng chương của cẩm nang Essential Explosion Protection:
- 01Nguyên Lý Cơ Bản Về Phòng Chống Cháy Nổ – Ngăn Chặn Vụ Nổ Trước Khi Bắt Đầu
- 02Cẩm Nang Phòng Chống Cháy Nổ (Phần 1): Nguyên Lý Vật Lý Và Các Định Nghĩa Cơ Bản
- 03Cẩm Nang Phòng Chống Cháy Nổ (Phần 2): Cơ Sở Pháp Lý Quốc Tế (IECEx), Châu Âu (ATEX) Và Bắc Mỹ (NEC/CEC)
- 04Cẩm Nang Phòng Chống Cháy Nổ (Phần 3): Nguyên Lý Kỹ Thuật – Phân Vùng Zone, Cấp Bảo Vệ EPL, Nhóm Nhiệt Độ, Các Kiểu Bảo Vệ Ex & Ký Hiệu Nhãn Thiết Bị
- 05Cẩm Nang Phòng Chống Cháy Nổ (Phần 4): Lắp Đặt, Vận Hành, Kiểm Tra Và Bảo Trì Thiết Bị Điện Trong Khu Vực Nguy Hiểm
- 06Cẩm Nang Phòng Chống Cháy Nổ (Phần 5 – Phụ Lục): Bảng Tra Cứu Đặc Tính Khí Cháy, Cấp Bảo Vệ Vỏ IP/NEMA & Sơ Đồ Giải Mã Nhãn Thiết Bị Ex
As Ex areas are not equally hazardous, equipment is subject to different requirements. Chapter 3 provides more information about zone classification, equipment categories, the equipment protection level (EPL), different equipment groups, ignition temperature and temperature classes. You can find out about the various protection types and familiarise yourself with marking principles.
3.1 Zone classification
Hazardous areas are classified into zones to facilitate the selection of appropriate electrical apparatus as well as the design of suitable electrical installations. Zone classification reflects the likelihood of the occurrence of an explosive atmosphere (see Table 7).
Information and stipulations on zone classification can be found in IEC 60079-10-1 for gas explosion hazardous areas or in IEC 60079-10-2 for areas with combustible dust. There are also industry codes and national standards providing guidance or examples for area classification (see Annex K of IEC 60079-10-1).
The maximum risk potential has to be taken into account when classifying the hazardous areas into zones and determining the necessary protective measures. If there is no expert available in the company to assess the risk of explosion and determine the necessary measures, the advice of a competent authority should be sought.
The equipment used in the defined hazardous zone must meet the requirements of the respectively assigned equipment category or equipment protection level. An overview of the zone classification and assignment of equipment according to their category is illustrated in Table 8.
| Atmosphere | Zone | Definition |
|---|---|---|
| Gas | Zone 0 | an area in which an explosive gas atmosphere is present continuously or for long periods or frequently. |
| Zone 1 | an area in which an explosive gas atmosphere is likely to occur periodically or occasionally in normal operation. | |
| Zone 2 | an area in which an explosive gas atmosphere is not likely to occur in normal operation but, if it does occur, it will exist for a short period only. | |
| Dust | Zone 20 | an area in which an explosive dust atmosphere, in the form of a cloud of dust in air, is present continuously, or for long periods or frequently. |
| Zone 21 | an area in which an explosive dust atmosphere, in the form of a cloud of dust in air, is likely to occur in normal operation occasionally. | |
| Zone 22 | an area in which an explosive dust atmosphere, in the form of a cloud of combustible dust in air, is not likely to occur in normal operation but, if it does occur, will persist for a short period only. |
| Atmosphere | Zone | Duration of the presence of an explosive atmosphere | Equipment category | Equipment protection level (EPL) |
|---|---|---|---|---|
| Gases, vapours, mist | 0 | Constant, long-term, persistent | 1G | Ga |
| 1 | Occasionally | 2G | Gb | |
| 2 | Rarely | 3G | Gc | |
| Dust | 20 | Constant, long-term, persistent | 1D | Da |
| 21 | Occasionally | 2D | Db | |
| 22 | Rarely | 3D | Dc |
3.2 Equipment categories and equipment protection level (EPL)
Different safety requirements are demanded of the equipment used depending on the likelihood of the occurrence of an explosive atmosphere. The equipment protection level is matched to the hazard potential in the different zones.
In Europe explosion-protected equipment is classified into categories by EU Directive 2014/34 (ATEX). At international level the equipment protection level (EPL) was introduced by IEC 60079 in 2007.
Equipment should be designed with explosion protection measures of varying degrees according to its category or equipment protection level.
Equipment categories
Three categories are envisaged for equipment in hazardous areas – with the exception of firedamp-endangered mining works:
- Category 1: Equipment in this category is characterised by a very high degree of safety. Even in the rare event of equipment faults they must be safe and thus afford explosion protection so that:
- upon the failure of one device protective measure, at least a second separate protective measure will guarantee the necessary safety.
- upon the occurrence of two different faults the necessary safety is afforded.
- Category 2: Equipment and systems offer a high degree of safety. The device explosion protection measures in this category are ensured in the case of frequent equipment faults or fault conditions (which can be typically expected).
- Category 3: Equipment in this category affords the necessary degree of safety in normal operation.
The additional letter G or D indicates the use of the equipment in gas explosion hazardous areas (G) or areas with combustible dust (D).
Two categories are envisaged for equipment used in firedamp-endangered mining works:
- Category M1: Equipment in this category is characterised by a very high degree of safety. Even in the rare case of equipment faults they must be able to continue operating in the existing explosive atmosphere and thus display explosion protection measures so that:
- upon the failure of one device protective measure, at least a second separate protective measure will guarantee the necessary safety.
- upon the occurrence of two different faults the necessary safety is afforded.
- Category M2: Category M2 equipment and systems offer a high degree of safety. Upon the occurrence of an explosive atmosphere it must be possible to switch off the equipment. The device explosion protection measures in this category afford the necessary degree of safety in normal operation – even in adverse operating conditions and in particular when exposed to rough handling and fluctuating environmental influences.
Equipment protection level (EPL)
Pursuant to IEC 60079-0 equipment for hazardous areas is classified into three protection levels.
- EPL Ga or Da: Equipment with a very high protection level for use in hazardous areas. In normal operation this equipment represents no risk of ignition in the event of predictable or rare faults/malfunctions.
- EPL Gb or Db: Equipment with a high protection level for use in hazardous areas which represents no risk of ignition in normal operation or in the event of predictable faults/malfunctions.
- EPL Gc or Dc: Equipment with an advanced protection level for use in hazardous areas. There is no risk of ignition during normal operation. The equipment has additional protective measures that ensure no risk of ignition in the event of typically predictable equipment faults.
The letters G and D denote whether the equipment and systems are suitable for gas explosion hazardous areas (G) or areas with combustible dust (D).
Two protection levels are defined for firedamp-endangered mining works.
- EPL Ma: Equipment with a very high protection level that affords the necessary degree of safety. The equipment represents no risk of ignition in normal operation or in the event of predictable or rare faults/malfunctions – even if it is still in operation during a gas leak.
- EPL Mb: Equipment with a high protection level that affords the necessary degree of safety. The equipment represents no risk of ignition in normal operation in the period between the occurrence of the gas leak and switching off the equipment.
Table 8 illustrates the application range for equipment in a specific category or with a specific protection level in the respective danger zones.
3.3 Equipment groups
Classification pursuant to European Directive 2014/34/EU (ATEX)
The explosion-protected equipment is classified into two groups.
- Equipment group I: Equipment intended for use in underground mining works and surface mining works that may be exposed to the hazard of firedamp and/or combustible dust.
- Equipment group II: Equipment intended for use in other areas that may be exposed to an explosive atmosphere.
Electrical equipment for mining works in which in addition to firedamp, gases other than methane may occur, must adhere not only to Group I provisions, but also to the relevant provisions of Group II. Group II equipment is further classified according to application area into equipment for areas exposed to gases, vapours and mist and equipment exposed to dust.
Classification pursuant to IEC 60079
Two groups were formerly defined for explosion-protected equipment:
- Group I: Equipment for firedamp-endangered mining works.
- Group II: Equipment for hazardous areas – apart from mining.
Upon publication of IEC 60079-0 in 2007 Group III was introduced for dust explosion hazardous areas. Group II is reserved for equipment in gas explosion hazardous areas.
- Group II: Equipment for gas explosion hazardous areas – apart from mining.
- Group III: Equipment for dust explosion hazardous areas – apart from mining.
Electrical equipment in Group II (gas) is classified according to the characteristics of the explosive atmosphere (for which it is intended) into Groups IIA, IIB and IIC (Table 9). This assignment concerns the flameproof enclosure and intrinsic safety protection types. In the case of flameproof enclosures, it is based on the maximum experimental safe gap (MESG), which is a measure for the discharge behaviour of a hot flame through a narrow gap. The minimum ignition current (MIC) – a variable for the minimum ignition energy of emergent gases and vapours – is definitive for intrinsic safety. Equipment in dust explosion hazardous areas (Group III) is classified according to dust type into Group IIIA (combustible lint), IIIB (non-conductive dust) and IIIC (conductive dust). The latter two groups differ by specific electrical resistance, which for dusts in Group IIIC lies at a value less than or equal to 10³ Ωm.
The substances and thus the hazardous areas in which they occur are therefore classified into groups. The equipment deployed must be designed for the requirements of the groups, which range in ascending order from IIA to IIC and IIIA to IIIC. Equipment that complies with IIC criteria may also be used in IIB and IIA areas. Group IIB equipment may also be used in IIA areas. IIA equipment may only be used in IIA areas. This applies likewise for Group IIIA, IIIB and IIIC equipment.
| Group | Typical gas | Maximum experimental safe gap (MESG) in mm | Minimum ignition current ratio* |
|---|---|---|---|
| IIA | Propane | > 0.9 | > 0.8 |
| IIB | Ethylene | 0.5 … 0.9 | 0.45 … 0.8 |
| IIC | Hydrogen | < 0.5 | < 0.45 |
* Minimum ignition current ratio in relation to methane
3.4 Ignition temperature and temperature classes
The ignition temperature of an explosive gas atmosphere or dust cloud is the lowest temperature of a heated surface at which a mixture of air and combustible substances in the form of gas, vapour or dust may ignite in the specified conditions.
Combustible gases
Combustible gases and vapours are classified into temperature classes according to their flammability. The maximum surface temperature of electrical equipment must always be lower than the ignition temperature of the gas or vapour and air mixture in which it is used. Of course, equipment classified in a higher temperature class (e.g. T5) may also be used for applications in which a lower temperature class is required (e.g. T2 or T3). North America has a system with further classification into temperature subclasses.
| Ignition temperature of gases and vapours in °C | Temperature class | Maximum surface temperature of the equipment in °C |
|---|---|---|
| > 450 | T1 | 450 |
| > 300 to 450 | T2 | 300 |
| > 200 to 300 | T3 | 200 |
| > 135 to 200 | T4 | 135 |
| > 100 to 135 | T5 | 100 |
| > 85 to 100 | T6 | 85 |
Combustible dusts
Combustible dusts are not classified into temperature classes. The minimum ignition temperature of the dust cloud is compared with the maximum surface temperature of the equipment, taking a safety factor into account. The maximum equipment surface temperature must not exceed two thirds of the dust cloud ignition temperature. Since dust can also settle on equipment, the ignition temperature of the dust layer (smouldering temperature) must also be considered. The smouldering temperature is the lowest temperature of a hot surface on which a dust layer of 5 mm can ignite.
Adjustment based on the maximum equipment surface temperature is performed with a safety factor of 75 K. As heat insulation increases with thicker layers the maximum permissible equipment surface temperature should be reduced accordingly. This is established according to the diagram (Fig. 4) in IEC 60079-14. If the layer is thicker than 50 mm, the smouldering temperature must be determined by laboratory tests. This also applies to layers thicker than 5 mm when the smouldering temperature is lower than 250 °C. Laboratory tests are also required when equipment is completely covered with combustible dust. Critical equipment surfaces may not be hotter than the lower of the two permissible surface temperatures with reference to the dust cloud and layer.
3.5 Protection types
Explosion-protected equipment is predominantly used in locations with a threat of explosion. Explosion-protected electrical equipment for hazardous areas may be designed as per standard series IEC 60079 building provisions in various protection types. Protection types for non-electrical equipment are specified in the ISO 80079 standard series and formerly in EN 13463 in Europe.
The protection type used by a manufacturer for equipment mainly depends on its nature and function. Some protection types are available in different protection levels. They correspond to the equipment categories in Directive 2014/34/EU or the equipment protection level (EPL) in IEC 60079-0. In terms of intrinsic safety, an Ex ia version is available, although it is classified as Category 1 or EPL Ga. It may be installed in Zone 0. The Ex ib version corresponds to Category 2 or EPL Gb. It is suitable for Zone 1. Ex ic can be used as Category 2 (or 3) or EPL Gc in Zone 2. In safety terms, all standardised protection types in a category or equipment protection level may be deemed equivalent. Tables 11 and 12 provide an overview of the standardised protection types and describe the basic principle and customary use cases. The protection type symbols are simplified (Table 13) by integrating the protection types for dust explosion hazardous areas into the standard series 60079.
| Protection type according to IEC, EN, ISA and UL | Symbols & Zones | Basic principle | Main application |
|---|---|---|---|
| General requirements IEC 60079-0 EN 60079-0 UL 60079-0 |
Ex | This standard specifies the general requirements for explosion-protected electrical equipment and also details equipment marking. | General application |
| Increased safety “e” IEC 60079-7 EN 60079-7 UL 60079-7 |
eb = use in Zone 1, 2 ec = use in Zone 2 |
Additional measures are adopted in this case to afford a higher degree of safety for preventing impermissible high temperatures and the occurrence of sparks and flashovers inside or on outer parts of electrical equipment that do not occur in normal operation. | Terminal and connection boxes, control boxes for installing ex components (with a different protection type), squirrel cage motors, lights |
| Flameproof enclosure “d” IEC 60079-1 EN 60079-1 UL 60079-1 |
da = use in Zone 0, 1, 2 db = use in Zone 1, 2 dc = use in Zone 2 |
Parts which can ignite an explosive atmosphere are housed in an enclosure which withstands the pressure of an explosive mixture exploding inside the enclosure and prevents transmission of the explosion to the atmosphere around the enclosure. | Switchgear and control gear, control and display units, control systems, motors, transformers, heaters, lights |
| Pressurised enclosure “p” IEC 60079-2 EN 60079-2 UL 60079-2 |
pxb = use in Zone 1, 2 and Zone 21, 22 pyb = use in Zone 1, 2 and Zone 21, 22 pzc = use in Zone 2 and Zone 22 |
The formation of an explosive atmosphere inside an enclosure is prevented by maintaining a positive internal pressure of inert gas in relation to the surrounding atmosphere and, where necessary, by supplying the inside of the enclosure with a constant flow of inert gas to dilute combustible mixtures. | Switchgear and control cabinets, analysers, large motors |
| Intrinsic safety “i” IEC 60079-11 EN 60079-11 UL 60079-11 |
ia = use in Zone 0, 1, 2 and Zone 20, 21, 22 ib = use in Zone 1, 2 and Zone 21, 22 ic = use in Zone 2 and Zone 22 [Ex ib] = associated electrical equipment – installation in safe area |
Equipment that is used in a hazardous area only contains intrinsically safe electric circuits. An electric circuit is intrinsically safe if no sparks or thermal effects are produced under specified test conditions (which include normal operation and specific fault conditions) which might result in the ignition of a specific explosive atmosphere. | Measurement and control technology, fieldbus technology, sensors, actuators |
| Intrinsically safe systems IEC 60079-25 EN 60079-25 UL 60079-25 |
System evaluation | Intrinsic safety evaluation for defined systems (equipment and cables). | Intrinsically safe systems |
| Protection type according to IEC, EN, ISA and UL | Symbols & Zones | Basic principle | Main application |
|---|---|---|---|
| Liquid immersion “o” IEC 60079-6 EN 60079-6 UL 60079-6 |
ob = use in Zone 1, 2 oc = use in Zone 2 |
Electrical equipment or parts thereof are immersed in a protective fluid (such as oil), so that an explosive atmosphere cannot be ignited above or inside. | Transformers, starting resistors |
| Powder filling “q” IEC 60079-5 EN 60079-5 UL 60079-5 |
q = use in Zone 1, 2 | Filling the enclosure of electrical equipment with a fine granular packing material stops flashovers inside during intended operation igniting the explosive atmosphere around the enclosure. Ignition cannot result either from flames or due to increased temperatures on the enclosure surface. | Sensors, electronic ballast, transmitters |
| Encapsulation “m” IEC 60079-18 EN 60079-18 UL 60079-18 |
ma = use in Zone 0, 1, 2 and Zone 20, 21, 22 mb = use in Zone 1, 2 and Zone 21, 22 mc = use in Zone 2 and Zone 22 |
Parts that may ignite an explosive atmosphere are embedded in sealing compound to stop ignition of the explosive atmosphere. | Sensors, electronic components |
| Protection type “n” IEC 60079-15 EN 60079-15 UL 60079-15 |
nA = non-sparking device nC = devices and components nR = restricted breathing enclosure |
Electrical equipment cannot ignite a surrounding explosive atmosphere (during normal operation and under defined abnormal operating conditions). | All electrical equipment for Zone 2 |
| Optical radiation “op” IEC 60079-28 EN 60079-28 UL 60079-28 |
There are three different methods: Ex op is = inherently safe optical radiation Ex op pr = protected optical radiation Ex op sh = optical radiation with interlock |
Appropriate measures prevent ignition of an explosive atmosphere by optical radiation. | Fibre optics / use in gas explosion hazardous areas |
| Protection by enclosure “t” IEC 60079-31 EN 60079-31 UL 60079-31 |
ta = use in Zone 20, 21, 22 tb = use in Zone 21, 22 tc = use in Zone 22 |
Thanks to its tightness, dust cannot penetrate the enclosure or reduces it to a negligible degree. Ignitable apparatus can now be mounted in the enclosure. The enclosure temperature must not be sufficient to ignite the surrounding atmosphere. | Switchgear and control gear, control, connection, and terminal boxes, motors, luminaires |
| Protection type | Standard series 61241: Standard | Standard series 61241: Symbol | Standard series 60079: Standard | Standard series 60079: Symbol | Application range: Zone |
|---|---|---|---|---|---|
| Protection via enclosure | IEC 61241-1 | tDA20, tDB20 | IEC 60079-31 | ta | 20 |
| tDA21, tDB21 | tb | 21 | |||
| tDA22, tDB22 | tc | 22 | |||
| Pressurised enclosure | IEC 61241-4 | pD21 | IEC 60079-2 | pxb | 21 |
| pD21 | pyb | 21 | |||
| pD22 | pzc | 22 | |||
| Intrinsic safety | IEC 61241-11 | iaD20 | IEC 60079-11 | ia | 20 |
| ibD21 | ib | 21 | |||
| — | ic | 22 | |||
| Encapsulation | IEC 61241-18 | maD20 | IEC 60079-18 | ma | 20 |
| maD21 | mb | 21 | |||
| — | mc | 22 |
| Protective type pursuant to ISO or EN | Standard | Basic principle | Main application |
|---|---|---|---|
| General requirements | ISO 80079-36 (formerly EN 13463-1) |
This standard specifies the general requirements for explosion-protected non-electrical equipment and also details equipment marking. | General non-electrical equipment |
| Constructional safety “c” | ISO 80079-37 (formerly EN 13463-5) |
Proven technical principles are applied to equipment types which do not have any ignition source in normal operation, so that the risk of mechanical faults causing incendive temperatures and sparks is reduced to a negligible degree. | Couplings, pumps, gear drives, chain drives, conveyor belts |
| Control of ignition source “b” | ISO 80079-37 (formerly EN 13463-6) |
Sensors are integrated into the equipment to detect imminent hazardous conditions and adopt countermeasures at an early stage before potential ignition sources become effective. The measures can be initiated automatically by means of a direct connection between the sensors and the ignition protection system or manually by issuing a warning to the operator of the equipment. | Pumps, conveyor belts |
| Liquid immersion “k” | ISO 80079-37 (formerly EN 13463-8) |
Ignition sources are rendered ineffective by immersion in a protective liquid or by constant moistening with a liquid film. | Submerged pumps, gears |
| Flameproof enclosure “d” | IEC 60079-1 (formerly EN 13463-3) |
Parts that can ignite an explosive atmosphere are housed in an enclosure which withstands the pressure of an explosive mixture exploding inside the enclosure and prevents transmission of the explosion to the atmosphere around the enclosure. | Brakes, couplings |
| Pressurised enclosure “p” | IEC 60079-2 (formerly EN 60079-2) |
The formation of an explosive atmosphere inside an enclosure is prevented by maintaining a positive internal pressure of inert gas in relation to the surrounding atmosphere and, where necessary, by supplying the inside of the enclosure with a constant flow of inert gas to dilute combustible mixtures. | Pumps |
| Protection by enclosure “t” | IEC 60079-31 | Thanks to its tightness, dust cannot penetrate the enclosure or reduces it to a negligible degree. Ignitable apparatus can now be mounted in the enclosure. The enclosure temperature must not be sufficient to ignite the surrounding atmosphere. | Equipment exclusively for dust explosion hazardous areas |
3.5.1 Application of protection type intrinsic safety “i”
The intrinsic safety protection type is based on the principle of current and voltage limiting in an electric circuit. The electric circuit energy (which may be capable of causing an explosive atmosphere) is limited to the extent that neither sparks nor impermissible surface heating of electrical components can take place in the surrounding explosive atmosphere. This protection type is particularly common in measurement and control technology in which no high currents, voltage and capacities are required.
- Intrinsically safe electrical circuit: An electric circuit in which neither a spark nor the effect of heat can cause a certain explosive atmosphere to ignite.
- Intrinsically safe electrical equipment: Electrical equipment in which all circuits are intrinsically safe.
- Associated electrical equipment: Electrical equipment that contains both intrinsically safe and non-intrinsically safe electric circuits. It is designed such that the non-intrinsically safe electric circuits cannot compromise the intrinsically safe ones (Table 15).
An essential aspect of the protection type “intrinsic safety” is the matter of reliability in respect of observance of voltage and current limit values, even in the event of specific faults. Intrinsically safe electrical equipment and parts of associated equipment are classified according to this reliability into the different protection levels ia, ib and ic. These protection levels are matched to the various zones. Intrinsic safety ia is thus suitable for use in Zone 0, ib for use in Zone 1 and ic for Zone 2. A distinction is also drawn between single fault safety and double fault safety:
- Single fault safety: Upon the failure of one safety-relevant component a second component must assume its task (protection level ib: one redundant component).
- Double fault safety: Upon the failure of two safety-relevant components a third component must assume their tasks (protection level ia: two redundant components).
An important safety measure for intrinsically safe circuits is the safe isolation of all intrinsically safe from all non-intrinsically safe electric circuits. Excepting safety barriers, safe electric isolation is always required. Galvanic separation is generally recommended for Zone 0. Zener diodes for limiting voltage and other semiconductor components are regarded as fallible and must be safeguarded by redundant components. Sheet or wire-wound resistors for current limiting are regarded as infallible (displaying high resistivity in the event of a fault). A single-component version is sufficient in this case.
| Intrinsically safe equipment | Associated electrical equipment | |
|---|---|---|
Ex ib IIC T6 Gb |
[Ex ib Gb] IIC |
Ex db eb [ib] IIC T6 Gb |
| All necessary details such as category, explosion group and temperature class are available. | The square brackets indicate that the respective electrical equipment contains an intrinsically safe electric circuit which is listed in Zone 1, explosion groups IIA, IIB and IIC. | |
| The equipment may be used in Zone 1. | The equipment must be installed outside the hazardous area. | Due to installation in a flameproof enclosure (“db”) the equipment may be used in Zone 1. |
Interconnecting individual pieces of equipment in an intrinsically safe circuit is permissible subject to the planner observing specific requirements. If associated equipment is interconnected to intrinsically safe equipment, when installing the circuit it should be ensured that the safety characteristic values of the associated and intrinsically safe equipment are matched. (See IEC 60079-14 and IEC 60079-25 for more details on interconnection.) The operator must hold proof of intrinsic safety for all intrinsically safe circuits. If available, a system certificate is deemed as proof.
Intrinsically safe fieldbus to FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept)
In the case of Manchester-coded bus-fed systems designed in accordance with IEC 61158-2 (“physical layer standard” for fieldbus installations) several field devices are interconnected on a two-wire line and powered via a fieldbus feed unit. This complex interconnection of several devices would result in considerable restrictions in respect of the number of users and line lengths based on a traditional entity concept. The necessary proof of intrinsic safety would be substantial and highly complex. In the mid-1990s PTB therefore developed a simplified concept based on extensive studies and analyses. By applying real parameters more users and more sizeable line lengths are possible, thus greatly simplifying the proving of intrinsic safety. Prerequisite to using this model called FISCO is appropriate certification according to FISCO for all members in a FISCO fieldbus system.
FISCO was initially standardised in EN 60079-27, however was transferred into EN 60079-11 in 2008 and EN 60079-25 in 2011. Nowadays end-to-end FISCO fieldbuses are no longer generally installed, as despite simplification only a limited number of users can be connected to a bus. In the more common high power trunk concept the number of users is no longer limited by the use of ex i fieldbus couplers (a sort of fieldbus isolator). However activation of the fieldbus devices and simplified proof of intrinsic safety on these Ex i couplers continues to be performed as per FISCO.
Zone 2 and Division 2: Intrinsic safety ic – energy-limited circuits nL – non-incendive NI
In the USA the principle of energy limiting is addressed variously depending on the application area. Equipment requirements for Class I, Zone 2 correspond most closely to IEC requirements. Intrinsic safety type ic has replaced the energy-limited circuit type nL – as also envisaged in the IEC standards. For Class I, Division 2 energy limiting is implemented in the shape of “non-incendive field wiring (NI)” circuits. The difference between the various methods is illustrated in tables 16 and 17.
| Criterion | Ex ic | Ex nL | NI |
|---|---|---|---|
| Description | Intrinsic safety | Energy-limited circuits | “Non incendive field wiring” |
| Standard | IEC 60079-11 | IEC 60079-15:2005 | FM 3611 |
| Fieldbus | IEC 60079-27-FISCO | IEC 60079-27-FNICO:2005 | — |
| Installation | IEC 60079-14 | IEC 60079-14 | NEC 500 |
| Maintenance | IEC 60079-17 | IEC 60079-17 | ANSI/ISA 12.12.01 |
N.B. Ex nL is replaced by Ex ic. The transition period expired in 2011.
| Criterion | Ex ic | Ex nL | NI |
|---|---|---|---|
| Application range (gas) | Zone 2 | Zone 2 | Class I, Div. 2 |
| Application range (dust) | Zone 22 | Zone 22 | Class II + III, Div. 2 |
| Cables and lines | IEC 60079-14 | IEC 60079-14 | US standard |
| Marking | Yes. If coloured, then blue | No special requirements | No special requirements |
| Distance to normal circuits | 50 mm | No (50 mm to Ex i) | Isolation |
| Proof of energy limiting | Yes | Yes | Yes |
| Distance to uncoated conductive parts | to non-ex i 50 mm; to other ex i 6 mm; to earth: 3 mm |
No special requirements | Isolation |
| Maintenance* | Yes | Yes | Yes |
| Upkeep* | Yes | Yes | No |
* In NEC 500 a distinction is made between maintenance and upkeep. For instance, during upkeep the live replacement of defective “non-incendive” components is not allowed.
3.5.2 Application and combination of protection types flameproof enclosure “d” and increased safety “e”
The most important protection type for switchgears is the flameproof enclosure – usually combined with increased safety. The protection type increased safety is based on measures that afford a higher degree of safety to avoid the occurrence of ignition sources. However, switchgears produce sources of ignition, and this protection type alone is not sufficient to ensure explosion protection. In conjunction with increased safety, flameproof enclosure as protection type also plays an important role for switchgears. Modern, explosion-protected luminaires also use a combination of several types of protection to achieve the best results with regard to safety, function and economy (Fig. 6).
3.5.3 Application of the protection type constructional safety “c”
Non-electrical equipment is frequently designed in the constructional safety protection type. The risk of faults that may cause ignition sources on equipment is minimised by constructional measures in this type of protection. Constructional measures can be used for instance to avoid hot surfaces or mechanically generated sparks on moving parts. The measures depend mainly on the equipment type and may vary significantly. In this case, potential material pairing, dimensioning, tolerances and lubricants on moving parts play a role. Even maintenance intervals and life cycle monitoring may be of vital importance. The manufacturer defines the designated use in the operating instructions, also specifying the ambient and operating conditions and permissible operating parameters. The operator must adhere to the specifications in the operating instructions.
3.6 Marking
Worldwide (IEC)
Marking of electrical equipment is defined in IEC 60079-0. In addition to the name of the manufacturer or its trademark, the type designation, serial number and inspection authority with certificate number, a special code is required that describes the use of the equipment:
- The Ex symbol.
- The symbol for each level of protection used. (In the case of associated equipment for installation in dangerous areas, the symbols for the level of protection must be specified in square brackets.)
- Group IIA, IIB or IIC for gas explosion hazardous areas or Group IIIA, IIIB or IIIC for dust explosion hazardous areas.
- Temperature class for gas explosion hazardous areas or maximum surface temperature in °C for dust explosion hazardous areas.
- Explosion protection level (EPL).
Examples:
Ex db eb IIC T4 GbEx ta IIIC T120°C Da
On associated equipment that may be installed in non-explosive areas, the symbols for the level of protection must be specified in square brackets. Example:
Ex db [ia Ga] IIB T5 Gb
The marking of non-electrical equipment is largely identical to that of electrical equipment. However, instead of various symbols for the level of protection, the letter “h” is always used.
Europe (ATEX)
In Europe, in addition to marking pursuant to the standard (see IEC), the requirements of EU Directive 2014/34/EU (ATEX) must also be satisfied. The following data must be specified:
- Manufacturer’s address.
- CE mark (possibly with code of the named authority).
- The symbol ⟨Ex⟩ and group (e.g.: II) and Category 1, 2 or 3 and letter G (gases) or D (dust). Example:
⟨Ex⟩ II 2 G
According to the old European Standards EN 50014 ff. “EEx” was used instead of “Ex”.
Standards for non-electrical equipment were originally issued by CEN in Europe under standard series EN 13463. Marking is similar to that of electrical equipment – with the following exceptions:
- “Ex” is not specified, as the ⟨Ex⟩ already refers to explosion protection through ATEX.
- The equipment protection level is not specified.
These standards were revised at international level and published in 2016. In Europe they were adopted as standard series EN ISO 80079, so marking is now more similar to that of electrical equipment. Exception: “h” is always specified as the symbol for the protection type.
The marking for electrical and non-electrical equipment is summarised in the appendix on p. 52 onwards.
North America
In addition to usual data (manufacturer, type, serial no., electrical data), explosion protection data should also be included in the equipment marking. Specifications are provided in NEC, CEC and the relevant construction regulations of the inspection authorities.
Electrical equipment approved for Class I, Class II and Class III, Division 1 and Division 2 acc. to NEC 500 – 504 (USA) or for Canada acc. to CEC Appendix J18 should be marked so that the following details are included:
- Class(es), Division(s) (optional for Division 1).
- Gas/dust group(s).
- Service temperature or temperature class (optional for T5 and T6).
Example: Class I Division 1 Groups C D T4
Equipment specified in the USA for zones pursuant to NEC article 505 or 506, or CEC Section 18, should bear the following marking:
- Class (dispensed with in the USA for dust atmospheres and entirely in Canada).
- Zone (dispensed with in Canada).
- Symbol AEx (USA) or Ex (Canada).
- Abbreviation of the protection type(s) used.
- Group of electrical equipment II or gas group(s) IIA, IIB or IIC.
- Temperature class or max. surface temperature of equipment for dust atmospheres.
- Equipment protection level (EPL).
Example: Class I, Zone 0, AEx ia IIC T6
Division equipment may be used in zones and vice-versa. However the rules set out in NEC and CEC must be observed.
Complete Explosion Protection Technical Series (R. STAHL Reference Guide)
All 6 articles covering the R. STAHL Blog overview and Chapters 1–5 of the Essential Explosion Protection brochure:
- 01Basic Principles of Explosion Protection – Stop a Big Bang Before It Starts
- 02Essential Explosion Protection (Part 1): Physical Principles and Definitions
- 03Essential Explosion Protection (Part 2): Legal Bases – Worldwide (IECEx), European Union (ATEX) & North America
- 04Essential Explosion Protection (Part 3): Technical Principles – Zone Classification, EPL, Equipment Groups, Temperature Classes, Protection Types & Marking
- 05Essential Explosion Protection (Part 4): Installation and Operation of Electrical Equipment in Hazardous Areas
- 06Essential Explosion Protection (Part 5 – Appendix): Safety Characteristics of Flammable Gases, IP / NEMA Enclosure Ratings & Ex Marking Tables
