Перейти к содержимому 
Проектирование и подбор электрических систем для взрывоопасных зон — это поиск баланса между соблюдением требований безопасности, условиями окружающей среды и тепловым режимом. При защите электрооборудования в Зоне 1, Зоне 2 или в зонах с опасностью взрыва горючей пыли (Зоны 21 и 22) инженеры по электрике и КИПиА обычно полагаются на три различные концепции защиты оболочек: взрывонепроницаемая оболочка (Ex d), повышенная безопасность (Ex e) и продувка под избыточным давлением (Ex p).
Ни один из этих методов не является универсально превосходящим; каждый из трех типов оболочек представляет собой определенный инженерный подход к снижению рисков. Выбор правильного метода защиты полностью зависит от электрических характеристик внутренних компонентов, теплового профиля системы и физического масштаба установки. В данном руководстве приводится подробное техническое сравнение оболочек Ex d, Ex e и Ex p, которое поможет системным интеграторам и специалистам по закупкам принимать обоснованные проектные решения, соответствующие требованиям безопасности.
Оболочки Ex d: Взрывонепроницаемые оболочки (Концепция локализации взрыва)
Инженерная концепция, лежащая в основе взрывонепроницаемой оболочки (Ex d), предельно ясна: она допускает возможность внутреннего воспламенения, но гарантирует, что возникший взрыв будет безопасно локализован внутри корпуса.
С механической точки зрения оболочки Ex d сконструированы так, чтобы выдерживать высокое давление внутреннего взрыва без разрушения корпуса. Важнейшим элементом безопасности корпуса Ex d является взрывонепроницаемый стык (фланец или резьба) — точно обработанные поверхности сопряжения в местах соединения крышки с корпусом. При внутреннем взрыве расширяющиеся горячие газы вынуждены выходить наружу через эти стыки. Проходя через узкий и длинный зазор взрывонепроницаемого стыка, газ охлаждается до температуры ниже порога самовоспламенения окружающей взрывоопасной атмосферы еще до того, как покинет корпус.
Ключевые технические аспекты Ex d:
- Внутренние компоненты: Оболочки Ex d могут безопасно вмещать стандартные искрящие промышленные компоненты, такие как автоматические выключатели, контакторы, мощные распределительные устройства и сильно нагревающаяся силовая электроника.
- Конструкционный материал: Обычно изготавливаются из толстого литого бескислородного алюминия, чугуна или толстолистовой нержавеющей стали, чтобы выдерживать механические нагрузки и внутреннее давление взрыва.
- Ограничения: При увеличении требуемого объема оболочки толщина стенок и количество болтов растут в геометрической прогрессии, что делает крупные панели Ex d чрезвычайно тяжелыми и сложными в обслуживании. Кроме того, из-за толстых стенок и герметичной конструкции оболочки Ex d обладают плохой теплоотдачей, что часто требует тщательных тепловых расчетов во избежание выхода компонентов из строя.
Оболочки Ex e: Повышенная безопасность (Концепция предотвращения взрыва)
В то время как метод Ex d опирается на механическую локализацию взрыва, повышенная безопасность (Ex e) фокусируется на предотвращении. Концепция Ex e основана на строгом предположении, что при нормальных условиях эксплуатации (включая регламентированные условия перегрузки) ни один компонент внутри оболочки не будет создавать дугу, искру или горячую поверхность, способную воспламенить взрывоопасную атмосферу.
Ранее мы подробно рассматривали фундаментальные различия между этими двумя подходами в нашей статье о различиях между защитой Ex e и Ex d. Что касается самой оболочки, корпус Ex e проектируется в первую очередь для обеспечения высокой степени пылевлагозащиты (обычно IP66 или выше), устойчивости к механическим ударам и надежных электрических соединений, исключающих ослабление контактов при вибрации.
Ключевые технические аспекты Ex e:
- Внутренние компоненты: Оболочки Ex e не могут вмещать стандартные искрящие элементы. Все внутренние компоненты должны быть индивидуально сертифицированы как неискрящие (например, клеммы Ex e, клеммные колодки Ex e или сертифицированные выключатели Ex d, размещенные внутри более крупного корпуса Ex e).
- Гибкость выбора материалов: Поскольку оболочкам Ex e не нужно выдерживать давление внутреннего взрыва, они могут изготавливаться из более легких материалов. Для шельфовых и морских проектов выбор оболочек из стеклопластика (GRP) с защитой Ex e позволяет значительно снизить проблемы с коррозией и общий вес установки.
- Ограничения: Ограниченная гибкость выбора компонентов. Если ваша схема управления требует стандартных контроллеров (ПЛК), преобразователей частоты (ПЧ) или стандартных реле, использование только Ex e недопустимо, если эти компоненты не герметизированы или не размещены внутри вторичных взрывонепроницаемых модулей.
Оболочки Ex p: Продувка под избыточным давлением (Концепция исключения контакта)
Защита продувкой под избыточным давлением (Ex p) переносит акцент на активный контроль среды. Вместо локализации взрыва или попыток спроектировать неискрящие цепи, оболочки Ex p активно предотвращают само проникновение взрывоопасных газов или пыли внутрь шкафа.
Система работает за счет поддержания непрерывного избыточного давления защитного газа (такого как чистый сухой инструментальный воздух или инертный газ, например азот) внутри оболочки по отношению к внешней атмосфере. Перед подачей питания на систему проводится «фаза продувки». Во время этой фазы определенный объем защитного газа прокачивается через шкаф для разбавления и вытеснения любых ранее находившихся там взрывоопасных смесей. После завершения цикла продувки контроллер поддерживает небольшое избыточное давление (обычно не менее 50 Па), чтобы исключить попадание горючих смесей извне.
Ключевые технические аспекты Ex p:
- Внутренние компоненты: В этом заключается главное преимущество Ex p. Поскольку внутренняя среда становится безопасной благодаря избыточному давлению, инженеры могут свободно устанавливать стандартную электронику общего назначения: стандартные частотные преобразователи, мощные ПЛК, мониторы и стандартные компьютерные серверы.
- Тепловой режим: Превосходный. Постоянный поток продувочного газа (или интеграция стандартных общепромышленных кондиционеров, разработанных для работы с системами под давлением) делает Ex p оптимальным выбором для мощного оборудования с высоким тепловыделением.
- Ограничения: Высокая сложность системы. Системы Ex p требуют надежной непрерывной подачи сжатого газа, сертифицированного блока управления продувкой и защитных блокировок. Если внутреннее давление падает ниже минимального безопасного порога, система управления должна автоматически обесточить панель, что может привести к незапланированным простоям в работе оборудования при износе уплотнений шкафа.
Матрица технического сравнения
В таблице ниже приведено краткое сравнение механических, тепловых и экономических характеристик оболочек Ex d, Ex e и Ex p:
| Параметр | Ex d (Взрывонепроницаемая оболочка) | Ex e (Повышенная безопасность) | Ex p (Под давлением) |
|---|---|---|---|
| Основной принцип | Локализация (Выдерживает давление внутреннего взрыва) | Предотвращение (Исключает источники воспламенения) | Исключение (Не допускает проникновения взрывоопасных газов/пыли) |
| Искрящие компоненты | Разрешены (Реле, контакторы, выключатели) | Запрещены (Необходимо использовать сертифицированные неискрящие части) | Разрешены (Стандартные промышленные ПЛК, ПЧ) |
| Распространенные материалы | Литой алюминий, чугун, нержавеющая сталь | Стеклопластик (GRP), нержавеющая сталь, листовая сталь | Нержавеющая сталь, углеродистая сталь, листовой металл |
| Теплоотдача | Плохая (Толстые стенки задерживают внутреннее тепло) | Умеренная (Более тонкие стенки, зависит от материала) | Превосходная (Допускается активное охлаждение и поток газа) |
| Механический вес | Очень тяжелый (Ограничивает размеры панелей) | От легкого до умеренного | Умеренный (Конструкция шкафа может быть тонкой) |
| Сложность подбора | Низкая (Стандартный механический выбор) | Умеренная (Требуется сертифицированная схема внутренних клемм) | Высокая (Требуются контроллеры продувки, газовые линии, блокировки) |
Инженерное дерево решений: Как сделать выбор
Приступая к проектированию панели для взрывоопасных зон, выбор спецификации оболочки можно упростить, ответив на три ключевых инженерных вопроса:
1. Искрят ли внутренние компоненты при нормальной работе?
- Нет: Рассмотрите возможность использования оболочки Ex e. Это снизит общий вес шкафа, упростит техническое обслуживание на месте и обеспечит более низкие первоначальные затраты на закупку.
- Да: Переходите к вопросу 2.
2. Выделяет ли внутреннее оборудование большое количество тепла?
- Нет: Ex d часто является наиболее прагматичным и надежным вариантом. Он не требует внешних вспомогательных газовых систем и обладает высокой прочностью в суровых механических условиях.
- Да (например, частотные преобразователи, мощные трансформаторы): Переходите к вопросу 3.
3. Каков физический масштаб системы?
- Малый или средний объем: Может быть достаточно оболочки Ex d с конструктивными решениями для теплоотвода (такими как внешние радиаторы или пассивное охлаждение). Кроме того, можно использовать гибридное решение Ex de, в котором искрящие компоненты размещаются в небольших корпусах Ex d внутри более крупной соединительной коробки Ex e.
- Большой объем / сложная автоматизация: Шкаф Ex p, как правило, является наиболее технически проработанным, надежным и экономически эффективным решением в долгосрочной перспективе. Он позволяет стандартному общепромышленному оборудованию управления безопасно работать в Зоне 1 или Зоне 2 с активным регулированием температуры.
Заключение: Ценность интегрированного проектирования систем
Понимание четких границ между оболочками Ex d, Ex e и Ex p позволяет инженерам составлять спецификации, которые максимизируют безопасность без необоснованного увеличения затрат на закупку и эксплуатацию. Избыточное проектирование системы в виде тяжелой панели Ex d, когда достаточно клеммной коробки Ex e, приводит к излишним весовым нагрузкам на несущие конструкции, в то время как недооценка тепловых нагрузок в компактном шкафу Ex d ведет к преждевременному выходу компонентов из строя.
В компании Hexlon мы понимаем, что сложные промышленные проекты часто требуют гибридного подхода. Мы производим высокопрочные оболочки Ex d и Ex e, а также спроектированные конфигурации клемм, предназначенные для совместной работы. Для индивидуальной системной интеграции наши инженерные группы создают соответствующие стандартам взрывозащищенные шкафы управления, разработанные в строгом соответствии с требованиями ATEX и IECEx.
Оценивая тепловые ограничения, механический вес и характеристики компонентов на ранних этапах цикла проектирования, группы закупок и инженеров могут выработать надежное долгосрочное решение, обеспечивающее абсолютную безопасность на объекте.
FAQ: Часто задаваемые вопросы об оболочках во взрывозащищенном исполнении
В1: Можно ли комбинировать методы защиты Ex d и Ex e в одной системе управления?
О: Да, это очень распространенный подход к промышленному проектированию, известный как система Ex de. Как правило, искрящие компоненты (такие как выключатели или автоматы) размещаются в небольшой оболочке Ex d, в то время как входящие подключения и неискрящие клеммы монтируются в соседнем корпусе Ex e. Это объединяет возможности локализации взрыва Ex d с простотой монтажа Ex e.
В2: Что произойдет, если в шкафу под давлением Ex p упадет давление во время работы?
О: Правила безопасности требуют, чтобы системы Ex p были оснащены автоматическими блокировками. Если внутреннее избыточное давление падает ниже безопасного предела (обычно 50 Па), контроллер продувки либо активирует звуковую/визуальную сигнализацию, либо автоматически отключит питание несертифицированных компонентов внутри шкафа, предотвращая любой риск воспламенения во взрывоопасной зоне.
В3: Можно ли использовать стеклопластик (GRP) для изготовления оболочек Ex d?
О: Нет. Стеклопластик (GRP) отлично подходит для оболочек Ex e (Повышенная безопасность) или Ex p (Под давлением) благодаря своему легкому весу и коррозионной стойкости. Однако для взрывонепроницаемых оболочек Ex d (Flameproof) требуются исключительно прочные металлы, такие как литой алюминий, чугун или нержавеющая сталь, способные выдержать и удержать высокое давление, возникающее при внутреннем взрыве.
Оптимизируйте защиту взрывоопасных зон уже сегодня
Выбор идеальной стратегии защиты оболочки требует глубокого анализа ваших электрических нагрузок, условий окружающей среды и бюджета. Наша группа технических инженеров готова помочь вам в проектировании, подборе размеров и сертификации нестандартных систем оболочек, адаптированных к конкретным потребностям вашего проекта.
Свяжитесь с технической командой Hexlon сегодня, чтобы обсудить требования к вашей системе, запросить коммерческое предложение или проконсультироваться с нашими экспертами по взрывозащищенному проектированию.
