Egensikre løsninger – Ex i (IS)

Egensikre løsninger er en teknikk hvor energien i de elektriske kretsene begrenses slik at systemet ikke selv kan antenne gasser på grunn av gnister eller høy overflatetemperatur. Den tillatte energimengden er liten, men som regel mer enn stor nok for instrumenter og mange kommunikasjonssystemer. Egensikre løsninger har store fordeler i forhold til sikkert vedlikehold av anlegget og derfor en ofte foretrukket beskyttelsesmetode der energiomsetningen er lav.

Her følger en kort introduksjon til egensikre løsninger – Ex i.

Egensikre løsninger skilter med en rekke fordeler som enkel dokumentasjon, vedlikehold på ”live” systemer og bruk av ”normale” kabler

På engelsk heter det ”Intrinsic Safety”, som forkortet blir IS. Vi ser ofte denne betegnelsen benyttet; IS-kretser eller IS-systemer.

Fordeler

Det er flere forhold som gjør at egensikre løsninger er den mest foretrukne for instrumenteringssystemer:

  • Løsningen er akseptert i hele verden.
  • Det kan utføres vedlikehold på aktive systemer.
  • Det finnes et stort utvalg av instrumenter
  • Det er enkelt å dokumentere sikkerheten.
  • Det kan benyttes ”normal” kabel.
  • Det kan benyttes i sone0 (som eneste løsning)
  • Det er enkelt å oppnå T4 klassifisering (som er mest vanlig krav).

Begrenser effekten med Ex-barriere

For å oppnå et egensikkert system, må instrumentet kobles til en Ex-barriere som begrenser strømmen og spenningen som tilføres. Dette kan være en Ex-isolator eller en Zenerbarriere (se skisse). Disse plasseres mellom PLSen/kontrolleren og instrumentene i felt. Isolatorer skiller seg fra zenerbarrierer ved at de er galvanisk skilt fra kontrollsystemet med en liten skilletrafo. Målekretsen er isolert, lite utsatt får støy og enkel å beskytte. Zenerbarrieren er imidlertid ikke galvanisk skilt fra kontrollsystemet, og man må være nøye med koblingen til jord for å ivareta sikkerheten og støyimmunitet. Et anlegg bygget med zenerbarrierer skal ha egen IS-jord som holdes så ”ren” som mulig.

Både instrumentet og isolatoren skal være ATEX sertifisert (for Europa). I tillegg må man sjekke at komponentene er tilpasset hverandre. Dette gjøres på følgende måte:

Sjekk først at begge komponenter har samme klassifisering; et ”ia” system kan benyttes for sone 0, ”ib” kan benyttes for sone 1 og ”ic” kan benyttes for sone 2. Dersom det er forskjellig klassifisering, er det den dårligste som gjelder for systemet som helhet.

Sjekk deretter gassgruppen. Gruppe IIC aksepterer lavere energi enn gassgruppe IIB. I Nordsjøen er det gruppe IIB som oftest er gjeldende. Hver gassgruppe har som regel hvert sitt sett med sikkerhetsparametre (se skisse).

Temperaturklassen sjekkes i forhold til kravene for feltinstrumentet. Sjekk også kravene som er satt til omgivelsestemperaturen.

Sjekk deretter at instrumentets sikkerhetsparametre, Ui Ii og Pi, er lavere enn maksimalverdiene til ex-barrieren Uo, Io og Po. (Ui kan leses som den maksimale spenningen instrumentet aksepterer for fremdeles å være egensikkert. Uo er tilsvarende den maksimale spenningen som isolatoren påtrykker kretsen selv ved feil i isolatoren.)

Avslutningsvis må vi gjøre en sjekk av kabelparametrene til systemet. En elektrisk krets lagrer energi på grunn av kapasitanser og induktanser. Dette skjer i instrumentet så vel som i kabelen. Den totale induktansen og kapasitansen må være enn verdien som ex-barrieren er sertifisert for.

Denne sjekken kaller vi IS-beregning og den kan oppsummeres slik:

Sikkerhetsparametre:                          Kabelparametre

Ui => Uo                                                 Ci + Cc <= Co
Ii => Io                                                    Li + Lc <= Lo
Pi => Po

 

  • Ui: Maksimal spenning instrumentet kan påtrykkes
  • Ii: Maksimal strøm instrumentet kan påtrykkes
  • Pi: Maksimal effekt instrumentet kan påtrykkes
  • Ci: Instrumentets kapasitans
  • Li: Instrumentets induktans
  • Uo: Maksimal spenning ex-barrieren gir ut
  • Io: Maksimal strøm ex-barrieren gir ut
  • Po: Maksimal effekt ex-barrieren gir ut
  • Co: Maksimal kapasitans som kan kobles til ex-barrieren
  • Lo: Maksimal induktans som kan kobles til ex-barrieren
  • Cc: Kabelens kapasitans
  • Lc: Kabelens induktans

Bruk av ex-barriere mellom feltutstyr og kontrollsystem begrenser energimengden

Eksempel på IS (Intrinsic Safety) beregning for et enkelt system bestående av 2 komponenter. Beregningen blir mer kompleks når flere komponenter er med i kretsen, men den bygger på de samme prinsippene.

”Simple apparatus”

Man kan koble et enkelt element, som for eksempel en bryter, inn i en IS-krets uten videre tiltak.

Bryteren er betegnet som ”simple apparatus”. Dette er komponenter som er passive, eller det kan være aktive komponenter som har veldefinerte og små verdier på spenning, strøm og effekt. Produsenten av komponenten må kunne dokumentere at produktet holder kravene for “simple apparatus”. For eksempel må en leverandør av en mikrofon kunne dokumentere at denne ikke produserer mer elektrisk energi enn 25mW.

Andre IS-systemer

Det er ikke bare instrumenter som kan være egensikre. Det finnes også egensikre fotoapparater, indikatorer, operatørpaneler, WiFi aksesspunkter og så videre. Man kan også finne egensikre løsninger i kombinasjon med andre beskyttelsesmetoder, slik som for Ex-terminaler eller Ex-PCer. Her kan for eksempel poweret ha en kombinert Exe/Exm-beskyttelse, mens displayet og kommunikasjonen er Exi-beskyttet.

Utviklingen innen elektronikken og produksjonsteknikk gjør at jeg regner med at vi får enda flere egensikre produkter fremover. Det handler om å finne løsninger for å begrense energiomsetningen i utstyret slik at dette aldri kan bli en tennkilde.

Her kan du lese mer om egensikre løsninger:

A Users Guide to Intrinsic Safety: https://www.mtl-inst.com/images/uploads/Eaton_MTL_AN9003_010916.pdf

MTL IS Solutions brochure (12 MB): https://www.mtl-inst.com/mtl_group/about_mtl_group/fsm

Flammable Facts poster: https://www.mtl-inst.com/images/uploads/Eaton_MTL_FlamFacts_Poster_010916.pdf

ATEX poster: https://www.mtl-inst.com/images/uploads/Eaton_MTL_ATEX_Poster_010916.pdf