Kennisblog: Ex i circuits

Waarom Ex i circuits?

Het gebeurt vaker dan eens dat wij ontwerppakketten voor besturingskasten ontvangen, die niet voldoen aan de huidige wet- en regelgeving. Volgens de richtlijn ATEX 153, moet je explosiegevaar voorkomen door bepaalde maatregelen te treffen. Daarom wil ik een aantal punten behandelen die belangrijk zijn bij het ontwerpen van intrinsiekveilige circuits zoals: de opbouw, de afstand tussen Ex i en ‘vuile’ circuits, de aarding en de documentatie van Ex i circuits.

Wat is intrinsieke veiligheid?

Intrinsieke veiligheid wordt verkregen doordat een stroomketen zo weinig energie bevat, dat het geen ontsteking kan veroorzaken. Een circuit kan intrinsiekveilig worden gemaakt door vier onderdelen te beperken: de stroomsterkte, de elektrische spanning, het vermogen en de temperatuur. Dit betekent dat deze vorm van bescherming alleen kan worden toegepast bij circuits die met een relatief laag vermogen werken.

Het bouwen van een intrinsiekveilige stroomketen

Bij een intrinsiekveilig circuit gaat het niet om een enkel apparaat, maar om het gehele circuit. Een circuit waarbij (ook bij beschadigingen, kortsluitingen of andere specifieke condities) geen vonken of thermische effecten kunnen optreden die een explosieve atmosfeer kunnen ontsteken. Ook bij het optreden van een storing in een van de componenten in de kring, moet deze functie behouden blijven.

Opbouw van een intrinsiekveilig circuit

Foto 1: markering bijbehorend apparaat

Een intrinsiekveilig circuit bevat minimaal de volgende drie onderdelen:

• Een intrinsiekveilig apparaat (veldinstrument) in het explosiegevaarlijke gebied;
• Een bijbehorend apparaat (Zenerbarrière of isolator) in een veilig gebied (of zone 2);
• Een verbindingskabel tussen bovengenoemde componenten.

Het bijbehorende apparaat begrenst de hoeveelheid energie die naar de stroomkring gaat in het explosiegevaarlijke gebied. Je vindt de markering van het bijbehorende apparaat op het apparaat zelf tussen de ronde haken. De beschermingswijze vind je op het apparaat tussen de rechte haken. De markering op het bijbehorende apparaat (Zenerbarrière of isolator) is niet bedoeld voor het apparaat zelf, maar voor het veldinstrument (instrinsiekveilig apparaat) dat je erop aansluit.

Wat zegt de norm over intrinsieke veiligheid?

In hoofdstuk 16 van de norm NEN-EN-IEC 60079-14 voor explosieve atmosferen (deel 14: ontwerp, keuze en opstelling van elektrische installaties), worden een heel aantal zaken genoemd die je mee moet nemen in je ontwerp. Denk dan onder andere aan de afstanden tussen de blauwe en grijze draadkokers en aansluitklemmen binnen besturingskasten.

Afstand tussen blauwe en grijze draadkokers

Bij aansluitkasten met niet-intrinsiekveilige en intrinsiekveilige stroomketens, zien we vaak dat de afstand van 50mm tussen de blauwe (schone) en grijze (vuile) draadkokers en aansluitklemmen niet wordt gehanteerd. In de praktijk is er dan ook regelmatig discussie of dit wel of niet verplicht, dan wel toegestaan is. Laten we daarom kijken wat deel 14 uit de norm hierover zegt.

Installaties met intrinsiekveilige stroomketens moeten zo worden geplaatst, dat hun intrinsieke veiligheid niet nadelig wordt beïnvloed door uitwendige elektrische of magnetische velden. Denk dan aan die van nabijgelegen elektrische leidingen of eenaderige sterkstroomleidingen. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door afschermingen en/of getwiste aders te gebruiken, of door een passende afstand tot de bron van het elektrische of magnetische veld aan te houden. Ook wordt er gezegd dat de luchtweg tussen geïsoleerde, geleidende delen van intrinsiekveilige stroomketens en niet-intrinsiekveilige stroomketens ten minste 50mm moet bedragen.

Dus samengevat: blauwe een grijze draadkokers mogen niet zonder tussenafstand, tegen of naast elkaar worden gemonteerd op de montageplaat, tenzij je een metalen scheidingsplaat plaatst waarbij de luchtweg tussen het vuile en schone gedeelte minimaal 50mm is. Het metalen schot tussen de draadkokers moet dus 25mm boven de draadkokers uit steken.

Afstand tussen blauwe en grijze aansluitklemmen

Alle aders moet je zo installeren, dat je kunt waarborgen dat ze in intrinsiekveilige stroomketens niet onbedoeld kunnen worden aangesloten op aders in stroomketens die niet intrinsiekveilig zijn. Als er een draad losschiet kan deze niet onbedoeld tegen een niet-intrinsiekveilige aansluitklem aankomen. Daarom geldt ook hier de minimale afstand van 50mm tussen de blauwe (schone) en de andere (vuile) aansluitklemmen. Je mag ook kiezen voor andere scheidingsmiddelen, conform de NEN-EN-IEC 60079-11 (deel 11: bescherming van materieel door intrinsieke veiligheid). De intrinsiekveilige aansluitklemmen moeten ten minste 3mm gescheiden zijn van geaarde delen, zoals de metalen zijkant van een omhulsel, etc.

Foto 2: geïsoleerd opgestelde aardrail voor Ex i signalen

Aarding Zenerbarrières

In intrinsiekveilige stroomketens moeten de aardklemmen van veiligheidsbarrières, zonder galvanische scheiding (bijvoorbeeld Zenerbarrières), langs de kortst mogelijke route zijn verbonden met de potentiaalvereffeningsleiding. Alternatief is dat deze aardklemmen zodanig betrouwbaar zijn verbonden met een systeemaarde, dat de impedantie (van aansluitpunt naar systeemaarde van het centrale stroomstelsel) minder bedraagt dan 1 Ω. Dit mag je doen door aansluiting op de aardingsrail of door gebruik te maken van afzonderlijke aardpunten. De gebruikte geleider moet geïsoleerd zijn om foutstromen naar aarde te voorkomen. Er moet ook worden opgelet of mechanische bescherming aanwezig is, daar waar de kans op beschadiging groot is. De kerndoorsnede van de aardaansluiting moet worden gevormd door ten minste twee afzonderlijke geleiders, elk met een toegekende waarde om de hoogst mogelijke stroom te voeren die ononderbroken kan vloeien, elk met een minimum van 1,5mm2 (koper) of minimaal één geleider van ten minste 4mm2 (koper).

Documenteren Ex i loop

Er moet een document worden gemaakt waarin je alle intrinsiekveilige systemen beschrijft. In dit document moet een analyse van het veiligheidsniveau worden omschreven. Dat houdt in dat je een loopberekening moet maken waarbij je de capaciteit, weerstand en stroom van alle componenten in de loop controleert. Dit om te achterhalen of de aanwezige energie in de loop, onder de grens blijft waarbij een explosie kan ontstaan. Tevens moet in een schets de hele loop worden uitgetekend, waarbij alle componenten en parameters worden benoemd. Zie hieronder een voorbeeld van ons document.

Eisen Ex i kabels

Bij Ex i circuits mag je niet zomaar iedere willekeurige blauwe kabel gebruiken. Alleen kabels met een nominale isolatiewaarde van ten minste 500V wisselspanning of 700V gelijkspanning, tussen geleider en aarde, geleider en afscherming en tussen afscherming en aarde zijn toegestaan. De diameter van afzonderlijke geleiders, of strengen van geleiders met meerdere strengen, binnen het gevaarlijke gebied mag niet kleiner zijn dan 0,1mm. Voor meeraderige kabels geldt het volgende: 500VAC of 700VDC tussen met elkaar verbonden individuele aders en de afscherming of 1000VAC of 1400VDC tussen een bundel, bestaande uit een helft van alle met elkaar verbonden individuele aders ten opzichte van de andere helft. De isolatiewaarde moet worden beproefd en aangetoond met een document vanuit de kabelleverancier, de fabrikant of de installateur.

Let op!
Binnen een intrinsiekveilige kabel mogen uitsluitend intrinsieke stroomkringen worden ondergebracht! Intrinsiekveilige kabels en niet-intrinsiekveilige kabels mogen alleen in dezelfde kabelgoot of buis worden aangebracht als alle bekabeling is voorzien van een metalen afscherming!

Ongebruikte aders

Ongebruikte aders in meeraderige kabels, moeten aan de veldzijde goed zijn geïsoleerd van aarde en van elkaar, door ze aan de uiteinden af te sluiten. Aan de schone zijde in de kast moeten deze aders worden verbonden met de geïsoleerd opgestelde schone aarde van het bijbehorende apparaat. Deze heeft bij voorkeur een andere kleur: vaak worden ze geel/zwart gemarkeerd. De aders moeten in het veld goed zijn geïsoleerd van de vuile aarde en van elkaar door middel van geschikte geïsoleerde klemmen aan het andere uiteinde. Het gebruik van krimpkousen of het afsluiten van de ongebruikte ader in geschikte klemmen is toegestaan. Dus de reserve-aders mogen nergens in contact komen met de ‘vuile aarde’, maar uitsluitend met de schone aarde waar het bijbehorende apparaat (bijv. de Zenerbarrière) op aangesloten zit.

Markeren van kabels

Kabels die intrinsiekveilige stroomketens bevatten, moeten zijn gemarkeerd om aan te geven dat ze daar deel van uitmaken. De toegepaste kleur voor de markering op mantels of bekledingen van kabels moet lichtblauw zijn. Waar intrinsiekveilige stroomketens zijn gemarkeerd door middel van een lichtblauwe kabel, mag deze kleur kabel niet voor andere doeleinden worden gebruikt. Doe je dit wel, dan kan er verwarring of afbreuk aan de effectiviteit van de markering van intrinsiekveilige stroomketens ontstaan.

Gearmeerde kabel

Indien alle kabels van intrinsiekveilige stroomketens, of alle kabels van stroomketens die niet intrinsiekveilig zijn, zijn gearmeerd of voorzien van een metalen mantel of een afscherming, hoeven intrinsiekveilige kabels niet te zijn gemarkeerd.

Eisen aan diameter bedrading

De diameter van de afzonderlijke draden, of strengen van samengeslagen aders binnen het gevaarlijke gebied, moet ten minste 0,1mm zijn. Als er meer dan een Ex i circuit door dezelfde kabel gaat, moet de aderdiameter minimaal 0,2mm zijn. Ex i kabels dienen gemarkeerd te zijn, zodat duidelijk is dat ze deel uitmaken van een Ex i circuit.

Hieronder een aantal praktijkvoorbeelden (foto 3) waarbij geen 50mm2 luchtweg is aangehouden, door afstand tussen de draadkokers te creëren of een metalen scheidingsplaat ertussen te zetten. De norm zegt dat je ook rekening moet houden met invloeden van magnetische velden, zoals die van nabijgelegen elektrische leidingen of eenaderige sterkstroomleidingen.

De foto’s zijn een goed voorbeeld waarbij je ziet dat de sterkstroomleidingen van de hoofschakelaar in de grijze goot vlak langs de blauwe intrinsiekveilige goot lopen, zonder scheiding of tussenafstand van 50mm. Dit is dus niet toegestaan.

Foto 3: praktijkvoorbeelden

Vragen of opmerkingen?

Heb je naar aanleiding van dit blog nog vragen of opmerkingen? Of heb je suggesties voor een onderwerp voor het volgende blog? Aarzel dan niet om contact met ons op te nemen, laat hieronder gerust een bericht achter!

Bron : Voormalig engineering manager John Meijer