Explosieveiligheid BTO's (beschermingswijzen tegen ontsteking)

Er zijn vele beschermingswijzen tegen ontsteking mogelijk. De meest toegepaste beschermingswijzen voor gasexplosieveiligheid worden hier nader toegelicht. De fabrikant van het materieel bepaalt zelf met welke beschermingswijze de gewenste veiligheidscategorie te bereiken is. De gebruiker baseert de keuze van het materieel met de categorie indeling van het materieel in relatie tot de zone waarin het materieel toegepast wordt. Deze relatie ziet u hieronder aangeduid.
Met betrekking tot de relatie wanneer welke beschermingswijze toepasbaar is in welke zone is een overzicht in installatienorm EN-IEC 60079-14: 2003 paragraaf 5, maar uiteraard is in Europa de ATEX richtlijn 94/9/EG bepalend. Het materieel dient dus overeenkomstig de relatie tussen categorie (ATEX 95) en zone (ATEX 137) juist gemarkeerd te zijn.

Zone 0: categorie 1G
Zone 1: categorie 2G of 1G
Zone 2: categorie 3G, 2G of 1G

Zone 20: categorie 1D
Zone 21: categorie 2D of 1D
Zone 22: categorie 3D, 2D of 1D

De normontwikkelingen staan niet stil; door steeds meer internationalisering zullen we soms ook enige concessies moeten doen. Eén daarvan is een vertaalslag maken van de Europees verplichte ATEX categorisering naar de in de internationale normen genoemde Equipment Protection Levels (EPL).

De vergelijkingstabel ziet er als volgt uit:

EN 60079 serie EN 61241 serie Zone	ATEX 95 Categorie	EN 60079 serie (laatste edities) EPL
0	1G	Ga
1	2G	Gb
2	3G	Gc
20	1D	Da
21	2D	Db
22	3D	Dc

In de nieuwste editie, de EN-IEC 60079-14: 2008, is hiertoe een bijlage “Annex ZB” die deze vertaalslag weergeeft. De verwachting is dat deze norm in 2009 bindend wordt in de Nederlandse Wet door een bekendmaking onder het Arbo Besluit.

De beschermingswijzen voor stof worden in het hoofdstuk ‘stofexplosieveiligheid’ apart behandeld.

Beschermingswijze Ex d - drukvast omhulsel (volgens EN-IEC 60079-1)

Een drukvast omhulsel kan onderdelen bevatten, welke onder normaal gebruik vonken, lichtbogen of hoge temperaturen kunnen veroorzaken, welke op hun beurt een explosie zouden kunnen inleiden.
Het explosieve gasmengsel wordt geacht ook in het drukvaste omhulsel aanwezig te kunnen zijn, maar een eventuele explosie binnen het omhulsel kan zich niet voortplanten naar de buitenliggende atmosfeer. Een drukvast omhulsel is dus niet drukdicht. De drukvaste constructie is voldoende sterk om de dynamische (kortstondig optredende) explosiedruk op te vangen. De opgebouwde explosiedruk wordt afgevoerd via tolerantie pasvlakken (vlamdoofwegen). De vlam koelt af tot onder de ontstekings-temperatuur van het omringende gas.

Ex d materiaal moet worden voorzien van een markering voor de gasgroepen IIA, IIB of IIC. Deze verschillende gasgroepen stellen verschillende eisen aan de constructie (lees: vlamdoofweg) van het omhulsel. Gasgroep IIC stelt de zwaarste eisen. Voorts moet Ex d materiaal worden voorzien van een markering met één van de temperatuurklassen T1 t/m T6 of de hoogste oppervlaktetemperatuur. De temperatuurklasse of de hoogste oppervlaktetemperatuur wordt bepaald door de temperatuur welke onder normaal gebruik kan optreden aan de buitenzijde van het omhulsel.

Voorbeelden van Ex d producten zijn schakelkasten, elektromotoren, wandcontactdozen, etc.

Beschermingswijze Ex p - pressurization - inwendige overdruk (vlgs EN-IEC 60079-2)

Een omhulsel met inwendige overdruk mag theoretisch onderdelen bevatten welke bij normaal gebruik vonken, lichtbogen of hoge temperaturen kunnen veroorzaken welke op hun beurt een explosie zouden kunnen inleiden. In de praktijk geldt dit alléén voor Ex px en Ex pz geclassificeerde uitvoeringen. De definities van de verschillende varianten luiden als volgt:
- Ex px reduceert het EPL (equipment protection level) in de overdruk behuizing van Gb naar niet geclassificeerd
(non-hazardous);
- Ex py reduceert het EPL (equipment protection level) in de overdruk behuizing van Gb naar Gc;
- Ex pz reduceert het EPL (equipment protection level) in de overdruk behuizing van Gc naar niet geclassificeerd
(non hazardous).

De eventueel omringende explosieve gasatmosfeer kan bij Ex p niet in het omhulsel binnendringen omdat dit onder overdruk staat t.o.v. de omringende atmosfeer, al dan niet met continue doorstroming van het beschermgas. Dit kan zijn een inert gas of schone droge instrumentlucht.

Ex p producten moeten zijn voorzien van een markering welke de betreffende bescherminsgwijze weergeeft (px, py of pz), verder de materieelgroep II; waarna een verdere onderverdeling in IIA, IIB of IIC niet wordt gemaakt. De beschermingswijze is nl. gasgroep onafhankelijk. Verder moet een markering zijn aangebracht met de temperatuurklasse T1 t/m T6. Deze temperatuurklasse wordt bepaald door de hoogste temperatuur welke de buitenzijde van het omhulsel onder normale omstandigheden kan aannemen of door de hoogste temperatuur van het elektrisch materiaal dat zich binnen het omhulsel bevindt en dat bedoeld is om in gebruik te blijven, zelfs wanneer de overdruk wegvalt.

Voorbeelden van Ex p producten zijn besturingspanelen, monitoren, instrumentbehuizingen, etc.

Beschermingswijze Ex e - erhöhte - verhoogde veiligheid (volgens EN-IEC 60079-7)

Elektrisch materiaal dat is geconstrueerd volgens de beschermingswijze Ex e, mag geen onderdelen bevatten, die onder normaal gebruik vonken of lichtbogen kunnen veroorzaken, welke zouden kunnen leiden tot ontsteking van een zich in of nabij het materiaal bevindend explosief gasmengsel.
Het explosieve gasmengsel wordt dus geacht in het elektrisch materiaal te kunnen binnendringen. Ex e is dus een beschermingswijze die alleen mogelijk is bij normaal niet-vonkend materieel.

Ex e materiaal moet voorzien zijn van een markering voor materieelgroep II. Ook hier wordt een verdere onderverdeling in gasgroep IIA, IIB, IIC niet gemaakt. Voorts moet Ex e materiaal worden gemerkt met een van de temperatuurklassen T1 t/m T6 of met de hoogste oppervlaktetemperatuur. Deze temperatuur classificering wordt bepaald door de hoogste temperatuur welke onder normaal gebruik aan buitenzijde van het materiaal wordt bereikt.

Voorbeelden van Ex e producten zijn klemmenkasten, koolborstelloze kooianker motoren, etc.

Beschermingswijze Ex i - intrinsieke veiligheid (volgens EN-IEC 60079-11)

Om een stroomkring intrinsiek veilig te mogen noemen, moet de energie-inhoud van de stroomkring zodanig begrensd worden dat vonken of enig ander thermisch effect niet kunnen leiden tot ontsteking van een explosief gasmengsel. De energiebegrenzing van intrinsiek veilige circuits wordt gerealiseerd door begrenzing van zowel spanning (U) als stroom (I). De energiebegrenzing werkt dan quadratisch omdat W = ½LI² = ½CU² [J].

De constructie eisen voor de begrenzing van de energie gelden zowel voor de intrinsiek veilige stroomkring zelf, als voor de kabels en bijbehorende componenten die buiten het gevaarlijke gebied zijn geplaatst omdat hier parasitaire capaciteiten (C) en zelfinducties (L) van bijvoorbeeld lange leidingen een rol kunnen gaan spelen.
De energiebegrenzing hangt ook sterk af van de installatie van de intrinsiek veilige stroomkring t.o.v. ander elektrisch materiaal en van de installatie achteraf van ander elektrisch materiaal. Hierbij moet worden voorkomen dat een intrinsiek veilige stroomkring wordt blootgesteld aan storingen welke de intrinsieke veiligheid teniet kunnen doen.

Ex i materiaal moet vanwege gasgroepafhankelijke minimum ontstekingsenergie curven worden voorzien van een markering voor de gasgroep IIA, IIB of IIC. Ex i materiaal, dat in het gevaarlijk gebied wordt geplaatst moet verder worden voorzien van een markering voor één van de temperatuurklassen T1 t/m T6. Intrinsiek veilig materiaal wordt onderverdeeld in 3 niveau’s, t.w. Ex ia, Ex ib of Ex ic.

Ex ia materiaal mag geen ontsteking geven onder normaal gebruik, bij het optreden van één fout, of bij een combinatie van welke twee fouten dan ook.

Ex ib materiaal mag geen ontsteking geven onder normaal gebruik bij het optreden van één fout.
Ex ic materiaal mag geen ontsteking geven onder normaal gebruik.
Ex ic heette vroeger Ex nL en behoorde lange tijd toe aan de Ex n norm EN-IEC 60079-15 (de norm voor zone 2 materiaal).

Ex ia materiaal kan geschikt zijn voor de zwaarste categorie 1G (doordat het bij 2 fouten nog steeds veilig is) maar wees u er van bewust dat dit niet per definitie het geval is. Voor categorie 1 gelden namelijk aanvullende bepalingen welke in EN-IEC 60079-26 zijn vastgelegd.
Let u er ook op dat een intrinsiek veilige stroomkring gecertificeerd voor categorie 1G in z'n geheel moet voldoen aan de Ex ia uitvoering, dus ook die delen die in zone 1 en zone 2 liggen of in het veilige gebied (de zg. ‘associated apparatus’) of wel bijbehorende apparatuur.
Wees er ook op bedacht dat het begrip ‘simple apparatus’ niet toepasbaar is in zone 0!

Ex ib materiaal is alleen toepasbaar voor categorie 2G of 3G.
Ex ic materiaal is alleen toepasbaar voor categorie 3G.

Voorbeelden van Ex i producten zijn meetopnemers, transmitters, toetsenborden (Ex PC’s), (NAMUR) naderingschakelaars, etc.
Voorbeelden van ‘associated apparatus’ zijn zenerbarrières, transmittervoedingen, etc.
Voorbeelden van ‘simple apparatus’ zijn weerstand meetopnemers (PT100) en elektromechanische schakelcontacten (opgenomen in een intrinsiek veilige stroomkring).

Beschermingswijze Ex o - olievulling (volgens EN-IEC 60079-6)

Elektrische onderdelen welke in aanraking met explosiegevaarlijke atmosferen een ontstekingsbron kunnen vormen worden zover in olie of een andere niet brandbare isolerende vloeistof gedompeld, zodat optredende vonken of lichtbogen, hete restgassen van hoogspanning schakel acties of hete onderdelen zoals aanloopweerstanden de boven de vloeistofspiegel en buiten de behuizing bevindende gassen of dampen niet kunnen ontsteken.

Belangrijke parameters bij deze constructie zijn:
- vastgelegde, isolerende vloeistoffen, bijvoorbeeld olie
- bewaken van vloeistofconditie, zoals vervuiling en (condens)vocht
- het garanderen van het juiste vloeistofpeil zoals optreedt bij verwarming en koeling of lekkage
- beperking in de toepassing voor alleen vaste installatie

Toepassingsgebied: grote transformatoren, hoogspanning schakelmateriaal en aanloopweerstanden.

Beschermingswijze Ex q - quartz zandvulling (volgens EN-IEC 60079-5)

Door een behuizing te vullen met een fijnkorrelig vulmiddel wordt bereikt dat de in de behuizing mogelijk optredende vonken of lichtbogen, de omringende explosiegevaarlijke atmosfeer niet kan ontsteken. Uiteraard gelden hier ook grenzen aan de maximaal toegelaten oppervlaktetemperatuur.

Zowel het vulmiddel, zoals zand, glaskorrels, etc. als de opbouw van de behuizing, dient wel aan de in de norm vastgelegde eisen te voldoen. Het vulmiddel mag onder geen voorwaarde, dus zowel onder normaalbedrijf als na een opgetreden vonk of lichtboog binnen de zandkapseling, uit de behuizing naar buiten treden.

Voorbeelden van zandgekapselde producten zijn condensatoren en elektronica die vonken of hete onderdelen kunnen bevatten, maar waarbij de functie door het fijnkorrelige vulmiddel niet beinvloed wordt. Bij BARTEC treft u mede deze techniek aan in ‘POLARIS’ (open) HMI systemen en MC 9090ex, de mobiele computers (PDA).

Beschermingswijze Ex m - moulded - ingieten met gietmassa (vlgs EN-IEC 60079-18)

Elektrische onderdelen die door vonken of opwarming een omringende atmosfeer zouden kunnen ontsteken kunnen explosieveilig gemaakt worden door ze volledig in te bedden in een gietmassa. De gietmassa dient wel elektrisch, thermisch, mechanisch èn chemisch bestand te zijn.

Belangrijke aspecten bij deze methode zijn ook:
- vlam doorslagvastheid
- hygroscopische effecten
- de omhulling moet aan alle zijden de minimale (genormeerde) wanddikte bezitten
- holle ruimten zijn slechts beperkt toelaatbaar
- over het algemeen treden alleen elektrische verbindingen door de gietmassa naar buiten

Ingegoten materiaal wordt onderverdeeld in 3 niveau’s, t.w. Ex ma, Ex mb of Ex mc.

Ex ma materiaal mag geen ontsteking geven onder normaal gebruik, bij het optreden van één fout, of bij een combinatie van welke twee fouten dan ook en kan daarmee toepasbaar zijn voor categorie 1G, 2G of 3G.
Ex mb materiaal mag geen ontsteking geven onder normaal gebruik bij het optreden van één fout en is daarmee geschikt voor categorie 2G of 3G.
Ex mc materiaal mag geen ontsteking geven onder normaal gebruik en is daarom alleen toepasbaar voor categorie 3G. Ex mc behoorde vroeger tot de Ex nC variant in de Ex n norm EN-IEC 60079-15 (de norm voor zone 2 materiaal).

Voorbeelden van ingegoten materieel zijn smoorspoelen van voorschakelapparatuur, magneetventielen of complete elektronische schakelingen op printplaat.

Beschermingswijze Ex n - niet-ontstekend (volgens EN-IEC 60079-15)

Deze beschermingswijze is een verzameling van beschermingswijzen welke in vereenvoudigde vorm afgeleid van de reeds genoemde beschermingswijzen alleen voor categorie 3G van toepassing is.

De verzameling beschermingswijzen laat zich als volgt kenmerken:
Ex nA:
non arcing, niet vonkend: alleen geschikt voor normaal niet vonkend materieel.
Ex nC:
closed construction: constructief voorkomen dat een contact in een spanning- en stroomvoerende stroomkring een potentiële ontstekingsbron kan vormen. Ook vereenvoudigde drukvaste omkapseling valt hieronder.
Ex nR:
restrictive breathing, beperkt ademende behuizing waardoor een gevaarlijke atmosfeer niet naar binnen kan dringen.
Ex nL:
limited energy (reeds verplaatst naar ‘intrinsieke veiligheid’ Ex ic).

Ex nC kan een gasgroepafhankelijke beschermingswijze zijn waardoor er een gasgroep IIA, IIB of IIC genoteerd kan zijn. Vanzelfsprekend bevatten alle Ex n varianten ook een temperatuurklasse.