Tư vấn kỹ thuật
Cẩm Nang Phòng Chống Cháy Nổ (Phần 4): Lắp Đặt, Vận Hành, Kiểm Tra Và Bảo Trì Thiết Bị Điện Trong Khu Vực Nguy Hiểm
Chương 4 cung cấp những thông tin nền tảng quan trọng về việc lắp đặt, vận hành, kiểm tra và bảo trì các hệ thống điện trong khu vực nguy hiểm cháy nổ (Ex areas), bao gồm trách nhiệm pháp lý – kỹ thuật của đơn vị vận hành (Operator), nhà thầu lắp đặt (Installer) và nhà sản xuất (Manufacturer), cũng như sự khác biệt giữa ba kỹ thuật đấu nối cáp phổ biến trên thế giới.
4.1 Nghĩa vụ của Đơn vị vận hành, Nhà thầu lắp đặt và Nhà sản xuất
An toàn trong các khu vực nguy hiểm chỉ có thể được đảm bảo thông qua mối quan hệ hợp tác chặt chẽ và hiệu quả giữa tất cả các bên liên quan (Hình 7). Ngoài đơn vị vận hành (operators), nhà thầu lắp đặt (installers) và nhà sản xuất (manufacturers), hệ sinh thái an toàn này còn bao gồm các tổ chức kiểm định/chứng nhận (inspection authorities), các cơ quan tiêu chuẩn hóa (standardisation authorities) và các cơ quan quản lý nhà nước (public authorities).
Đơn vị vận hành (The operator) chịu trách nhiệm cao nhất đối với sự an toàn của hệ thống thiết bị tại nhà máy của mình. Nhiệm vụ của đơn vị vận hành là đánh giá nơi nào có nguy cơ xảy ra nổ và từ đó phân loại các vùng nguy hiểm (zones) tương ứng. Đơn vị vận hành phải đảm bảo rằng hệ thống được lắp đặt đúng kỹ thuật và được kiểm tra nghiệm thu trước khi đưa vào vận hành lần đầu (first-time commissioning). Trong suốt vòng đời dự án, hệ thống phải được duy trì ở trạng thái làm việc hoàn hảo thông qua việc kiểm tra và bảo trì định kỳ.
Các yêu cầu đối với việc vận hành hệ thống trong khu vực nguy hiểm được quy định trong luật pháp quốc gia của từng nước. Tại Châu Âu, các yêu cầu tối thiểu được quy định trong Chỉ thị EC 1999/92/EC (ATEX 137), và quy định quốc gia của từng nước thành viên sẽ cụ thể hóa các yêu cầu này. Nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng đã được ban hành ở cấp độ quốc tế (IEC) và Châu Âu (EN) như tổng hợp tại Bảng 18.
Nhà thầu lắp đặt (The installer) phải tuân thủ các yêu cầu lắp đặt, lựa chọn và lắp đặt thiết bị điện một cách chính xác theo đúng mục đích sử dụng đã được quy định.
Nhà sản xuất (Manufacturers) thiết bị phòng chống cháy nổ phải đảm bảo thực hiện các biện pháp quản lý chất lượng đặc biệt trong suốt quá trình sản xuất, đảm bảo mọi thiết bị xuất xưởng đều tuân thủ tuyệt đối nguyên mẫu thiết kế (construction type) đã được phê duyệt.
| Nội dung tiêu chuẩn | Tiêu chuẩn Quốc tế (IEC) | Tiêu chuẩn Châu Âu (EN) |
|---|---|---|
| Phân loại vùng nguy hiểm – Môi trường khí nổ (Classification of areas – Explosive gas atmospheres) | IEC 60079-10-1 | EN 60079-10-1 |
| Phân loại vùng nguy hiểm – Môi trường bụi nổ (Classification of areas – Explosive dust atmospheres) | IEC 60079-10-2 | EN 60079-10-2 |
| Thiết kế, lựa chọn và lắp đặt hệ thống điện (Electrical installations design, selection and erection) | IEC 60079-14 | EN 60079-14 |
| Kiểm tra và bảo trì hệ thống lắp đặt điện (Electrical installations inspection and maintenance) | IEC 60079-17 | EN 60079-17 |
| Sửa chữa, đại tu và phục hồi thiết bị (Equipment repair, overhaul and reclamation) | IEC 60079-19 | EN 60079-19 |
4.2 Phân loại khu vực và lựa chọn thiết bị (Area classification and selection of equipment)
Các mối nguy hiểm nổ tiềm ẩn phải được giải quyết ngay từ giai đoạn đầu khi quy hoạch và thiết kế các hệ thống mới. Khi phân loại các khu vực nguy hiểm, cần phải tính đến cả cường độ của các nguồn phát thải chất dễ cháy tiềm tàng lẫn ảnh hưởng của hệ thống thông gió tự nhiên hoặc nhân tạo. Các đặc tính an toàn cháy nổ của những chất dễ cháy được sử dụng trong quy trình phải được xác định rõ (xem Phụ lục 5.1 ở Phần 5). Chỉ khi đó mới có thể đưa ra quyết định chính xác về việc phân chia khu vực nguy hiểm thành các Vùng (Zones) và lựa chọn thiết bị phù hợp.
Thiết bị chỉ được phép sử dụng trong dải nhiệt độ môi trường (ambient temperature range) được ghi trên nhãn của nó. Nếu trên nhãn thiết bị không ghi thông tin nhiệt độ môi trường đặc biệt ($T_a$ hoặc $T_{\text{amb}}$), thì dải nhiệt độ tiêu chuẩn từ -20 °C đến +40 °C sẽ được áp dụng. Thiết bị điện phải phù hợp với phân nhóm khí IIA, IIB hoặc IIC (hoặc nhóm bụi IIIA, IIIB, IIIC) tại vị trí lắp đặt, đồng thời phải được lựa chọn và lắp đặt sao cho được bảo vệ trước các tác động bên ngoài (cơ học, hóa chất, ẩm ướt, ăn mòn) có thể làm suy giảm khả năng bảo vệ chống nổ.
4.3 Kỹ thuật lắp đặt (Installation techniques)
Trên thế giới hiện nay có ba hệ thống lắp đặt chính được sử dụng cho các hệ thống điện trong khu vực nguy hiểm:
- Hệ thống cáp đấu nối gián tiếp (Cable system with indirect entry).
- Hệ thống cáp đấu nối trực tiếp (Cable system with direct entry).
- Hệ thống ống luồn dây kim loại (Conduit system).
Thiết kế kỹ thuật của thiết bị điện được sử dụng trong từng kiểu lắp đặt cũng khác nhau tương ứng.
Tại Hoa Kỳ, đối với tất cả các ứng dụng Class I, Division 1 theo tiêu chuẩn NEC 501-4, chỉ được phép sử dụng hệ thống ống luồn dây kim loại (conduit system) hoặc cáp cách điện bằng khoáng chất (mineral insulated cables – MI), trong đó cáp cách điện khoáng chất chủ yếu được dùng làm dây gia nhiệt và dây tín hiệu/điều khiển chống cháy. Các loại cáp Type MC-HL hoặc ITC-HL cũng có thể được sử dụng trong những điều kiện cụ thể. Một số loại cáp và đường dây nhất định được phép sử dụng trong khu vực Division 2.
Hệ thống cáp (Cable systems)
Tại Châu Âu và các quốc gia áp dụng tiêu chuẩn IEC, hệ thống cáp là phổ biến nhất, trong đó các loại cáp và dây dẫn chất lượng cao được đi nổi (uncovered) trên thang máng cáp. Chỉ tại những khu vực có nguy cơ cao xảy ra hư hỏng cơ học thì cáp mới được luồn trong các ống bảo vệ (conduits) để hở ở cả hai đầu.
- Đấu nối gián tiếp (Indirect entry – Hình 8 bên trái): Cáp và dây dẫn được đưa qua ốc siết cáp (cable entries) đi vào một khoang đấu dây có kiểu bảo vệ “an toàn gia tăng” (increased safety “e”), tại đó chúng được đấu nối vào các cầu đấu (terminals) cũng được thiết kế theo kiểu bảo vệ an toàn gia tăng. Từ đây, các sợi dây dẫn bên trong được xuyên qua các sứ xuyên chịu lửa (flameproof line bushings) để đi vào bên trong vỏ bọc chịu lửa (flameproof enclosure “d”). Khác với đấu nối trực tiếp, các sứ xuyên dây đã được nhà sản xuất lắp đặt sẵn và toàn bộ buồng chịu lửa “d” đã được thử nghiệm hoàn chỉnh tại nhà máy. Khi thi công tại công trường, người lắp đặt chỉ cần mở nắp khoang đấu dây Ex e mà không cần mở buồng chịu lửa Ex d.
- Đấu nối trực tiếp (Direct entry – Hình 8 ở giữa): Đường cáp kết nối được dẫn trực tiếp vào bên trong vỏ bọc chịu lửa (flameproof enclosure “d”). Trong trường hợp này, chỉ những ốc siết cáp (cable glands) được thiết kế đặc biệt và được chứng nhận cho kiểu đấu nối chịu lửa Ex d mới được phép sử dụng. Gioăng cao su đàn hồi (flexible gasket) và lớp vỏ ngoài của cáp phải tạo thành một mối ghép chịu lửa (flameproof joint). Do đó, cần đặc biệt lưu ý lựa chọn đúng loại ốc siết cáp phù hợp với chủng loại, cấu trúc cáp và vị trí sử dụng. Khi xảy ra nổ bên trong vỏ bọc chịu lửa, cáp và gioăng phải chịu được áp suất nổ nên các yêu cầu kỹ thuật đối với gioăng làm kín là rất khắt khe.
Cho đến ấn bản năm 2007 của tiêu chuẩn IEC 60079-14, một ma trận lựa chọn được áp dụng để xác định khi nào bắt buộc phải dùng ốc siết cáp có đổ keo làm kín (sealing compound / barrier gland) tùy thuộc vào nhóm khí, vùng nguy hiểm và thể tích vỏ thiết bị. Ma trận này đã được thay thế trong ấn bản IEC 60079-14 năm 2013: các phụ kiện ốc siết cáp có hợp chất đổ keo (barrier glands) vẫn tiếp tục được khuyến nghị sử dụng; tuy nhiên, việc đổ keo không bắt buộc nếu sử dụng cáp tròn đặc khít (round tight cable*) có chiều dài tối thiểu 3 m kết hợp với ốc siết cáp đã được chứng nhận cho vỏ bọc chịu lửa Ex d. Khi sử dụng phương án này, độ an toàn của vỏ bọc chịu lửa phụ thuộc rất lớn vào sự cẩn trọng của người lắp đặt trong quá trình thi công cáp.
* Định nghĩa cáp tròn đặc khít (Round tight cable): Là cáp và dây dẫn làm bằng vật liệu nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic), nhựa nhiệt rắn (duroplastic) hoặc vật liệu đàn hồi (elastomeric). Cáp phải có tiết diện tròn đều và kết cấu đặc khít (compact). Tất cả các lớp đệm lót hoặc vỏ bọc đều phải được đùn ép (extruded). Nếu có sử dụng vật liệu điền đầy (filling material) thì vật liệu đó không được có tính hút ẩm (non-hygroscopic).
Hệ thống ống luồn dây kim loại (Conduit system – Hình 8 bên phải)
Trong hệ thống lắp đặt bằng ống luồn dây (Conduit system – phổ biến tại Bắc Mỹ), các dây dẫn điện được kéo dưới dạng từng sợi dây đơn (single wires) đi bên trong các ống kim loại kín. Các ống kim loại này được kết nối với vỏ thiết bị bằng khớp nối ren và phải được đổ keo chèn kín chống cháy lan (sealed / stopping box) tại mỗi đầu vào vỏ thiết bị. Toàn bộ hệ thống ống luồn dây đều có kết cấu chịu lửa (flameproof).
Mục đích của cục chèn kín (seal) là ngăn chặn các vụ nổ có thể xảy ra bên trong vỏ thiết bị truyền lan vào hệ thống đường ống. Nếu không có cục chèn kín, áp suất nổ cực cao sẽ hình thành do hiệu ứng nén trước (pre-compression / pressure piling) bên trong các đường ống hình trụ dài. Vì lý do này, tiêu chuẩn khuyến nghị lắp đặt các cục chèn kín không chỉ tại các đầu vào vỏ thiết bị mà còn tại những khoảng cách định kỳ dọc theo tuyến ống, đồng thời phải lắp đặt các van xả nước ngưng (drains) tại những điểm trũng thấp nơi hơi nước ngưng tụ có thể tích tụ.
4.4 Kiểm tra và bảo trì (Inspection and maintenance)
Việc bảo trì định kỳ là bắt buộc để duy trì tính an toàn của các hệ thống điện trong khu vực nguy hiểm. Nhân sự thực hiện công việc bảo trì này phải được giám sát bởi một chuyên gia có thẩm quyền về phòng chống cháy nổ (explosion protection expert / qualified person) và phải được huấn luyện rõ về các mối nguy hiểm đặc thù.
Trước khi tiến hành các công việc cải tạo, sửa đổi hoặc bảo trì, phải đảm bảo rằng không có nguy cơ nổ trong suốt quá trình làm việc. Thông thường, phải xin Giấy phép làm việc bằng văn bản chính thức (official written permission / Hot Work Permit) từ ban quản lý nhà máy.
Sau khi hoàn thành công việc, phải lập biên bản/báo cáo ghi nhận chi tiết các hạng mục đã thực hiện, đồng thời xác nhận rằng mọi quy định và tiêu chuẩn liên quan (như IEC/EN 60079-17 và IEC/EN 60079-19) đã được tuân thủ. Khi thay thế các linh kiện hoặc toàn bộ thiết bị, bắt buộc phải kiểm tra và tuân thủ đúng các thông số kỹ thuật chống nổ ghi trên thiết bị.
Ấn phẩm này mang đến cái nhìn tổng quan nền tảng về lĩnh vực phòng chống cháy nổ rộng lớn. Quý độc giả có thể tìm thấy các tài liệu chuyên sâu khác trên website r-stahl.com hoặc liên hệ trực tiếp đội ngũ kỹ sư NKE Việt Nam để được tư vấn phân vùng nguy hiểm, lựa chọn thiết bị Ex chính hãng và giải pháp lắp đặt đạt chuẩn ATEX / IECEx.
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
The final chapter provides basic information on the installation and operation of electrical systems in Ex areas. Detailed information on the responsibilities of operators, installers and manufacturers can be found in our “Obligations and Duties” brochure.
4.1 Operator, installer and manufacturer obligations
Safety in hazardous areas can only be ensured by a close and effective working relationship among all parties involved (Fig. 7). Besides operators, installers and manufacturers, this also includes inspection authorities, standardisation authorities and public authorities.
The operator is responsible for the safety of its equipment. It is their duty to judge where there is a risk of explosion and then classify zones accordingly. The operator must ensure that the system is installed correctly and tested before first-time commissioning. The system must be kept in proper working order by regular inspection and maintenance.
The requirements for system operation in hazardous areas are defined in the national regulations. In Europe minimum requirements are stipulated in EC Directive 1999/92/EC. National regulations supply the specific requirements in the respective countries.
Various standards have been issued at international and European level (Table 18).
The installer must observe the installation requirements and select and install the electrical equipment correctly according to its intended use.
Manufacturers of explosion-protected equipment must ensure special quality assurance measures during production and that every piece of manufactured equipment complies with the approved construction type.
| Subject | IEC | EN |
|---|---|---|
| Classification of areas – Explosive gas atmospheres | IEC 60079-10-1 | EN 60079-10-1 |
| Classification of areas – Explosive dust atmospheres | IEC 60079-10-2 | EN 60079-10-2 |
| Electrical installations design, selection and erection | IEC 60079-14 | EN 60079-14 |
| Electrical installations inspection and maintenance | IEC 60079-17 | EN 60079-17 |
| Equipment repair, overhaul and reclamation | IEC 60079-19 | EN 60079-19 |
4.2 Area classification and selection of equipment
Potential explosion hazards are addressed at an early stage in the planning of new systems. When classifying hazardous areas both the strength of potential sources of ignition for combustible substances and the influence of natural or artificial ventilation must be taken into account. The explosion safety characteristics of the combustible substances used must be determined (Appendix 5.1). Only then can a decision be reached on the classification of explosive areas into zones and the selection of suitable equipment.
Equipment may only be used in the ambient temperature range specified in its marking. If the marking does not contain any information, the standard range of -20 °C to +40 °C applies. Electrical equipment must comply with the subgroup IIA, IIB or IIC. It must be selected and installed so that it is protected from external influences that may compromise explosion protection.
4.3 Installation techniques
In the main, three installation systems are used for electrical systems in hazardous areas:
- Cable system with indirect entry.
- Cable system with direct entry.
- Conduit system.
The technical design of the electrical equipment implemented in the individual types of installation varies accordingly.
In the USA only the conduit system or mineral insulated cables (MI) are permitted for all Class 1, Division 1 applications to NEC 501-4, whereby mineral-insulated cables are mainly used as heating lines and fire-resistant signal and control lines. Type MC-HL or ITC-HL cables may also be used in specific conditions. Certain types of cable and line are also permitted in Division 2.
Cable systems
In Europe cable systems are most common, with high-quality cables and lines laid uncovered. It is only in areas in which mechanical damage is likely that they are laid in conduits, which are open at both ends.
In the case of indirect entry the cables and lines are run via cable entries into an “increased safety” protection type wiring area, where they are connected to terminals also designed for the increased safety protection type. The individual wires are then run via flameproof line bushings into the flameproof enclosure. In contrast to direct entry, the cable bushings are installed by the manufacturer so that the entire flameproof enclosure can be tested at the factory. The installer needs to only open the wiring area, but not the flameproof enclosure, for connection purposes.
In the case of direct entry the connecting lines are directly led into the flameproof enclosure. Only cable glands that have been specially designed and approved for this type of entry may be used. The flexible gasket and the cable sheath must form a flameproof joint. Care should therefore be taken to ensure that the right cable gland is selected for the type and structure of the cable and where it is used. In the event of an explosion in the flameproof enclosure the cable must withstand the explosion, so special requirements are placed on the gaskets.
Until Edition 2007 of IEC 60079-14, a selection matrix was applied to define when additional sealing compound was required in the screw fitting according to gas group, zone and enclosure volume. The matrix was superseded by IEC 60079-14 in 2013. Screw fittings with sealing compound should continue to be used. However, this is not required if a round tight cable* with a minimum length of 3 m is used in conjunction with a screw fitting approved for flameproof enclosures. At this point, the flameproof enclosure depends on the care taken by the installer on laying the cables and lines.
* Cables and lines in a thermoplastic, duroplastic or elastomeric material. They must be circular and compact. All embedding or sheaths must be extruded. If filling material is used, it must not be hygroscopic.
Conduit system
In the case of conduit system installations, the electrical lines are run as single wires into enclosed metal conduits. The conduits are connected to the enclosures by means of screw fittings and sealed at every entry. The entire conduit system is flameproof. The aim of the seal is to prevent explosions which may occur inside the enclosure from penetrating the pipes. Otherwise, extremely high explosive pressures would be created as a result of pre-compression in long cylindrical tubes. For this reason, it is recommended that seals be installed not just at the entries, but also at specific intervals. Drains must be installed at low points where condensate can accumulate.
4.4 Inspection and maintenance
Regular maintenance is required to maintain the safety of electrical systems in hazardous areas. The personnel performing such maintenance work must be supervised by an explosion protection expert and be informed of the special hazards. Before modification and maintenance jobs, it must be ensured that there is no risk of explosion during this work. Usually, official written permission must be obtained from the management.
A report documenting the work performed should be drafted on completion. In addition it must be confirmed that all relevant regulations were observed.
When replacing components or entire pieces of equipment, the explosion and equipment specifications should be noted.
This publication affords an initial insight into the extensive field of explosion protection. You can find other brochures and information on the subject on our website, r-stahl.com. We also offer a comprehensive range of courses to keep you abreast of changes in explosion protection. From foundation and advanced courses to current developments, you are sure to find the seminar that suits your needs among the many courses on offer. We will be pleased to answer any questions you may have.
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
