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Explosion Protection

Explosion Protection. Basic Theory. 최 정 삼. LATECH. Co., Ltd. Ignition source ( 발화원 ) sparks hot surfaces hot gases. Explosion Protection. Triangle . Explosion protection triangle ( 본질안전 방폭 의 3요소 ). Oxygen ( 산 소 ) air H 2 O 2. Flammable material ( 발 화 제 ) gas

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Presentation Transcript

  1. Explosion Protection • Basic Theory

  2. 최 정 삼 • LATECH. Co., Ltd

  3. Ignition source ( 발화원 ) sparks hot surfaces hot gases Explosion Protection Triangle Explosion protection triangle ( 본질안전 방폭 의 3요소 ) Oxygen ( 산 소 ) • air • H2O2 Flammable material ( 발 화 제 ) • gas • dust • vapor

  4. Explosion Protection Primary / Secondary Primary explosion protection - Preventing the existence of hazardous area - 위험지역의 존재 예방 Secondary explosion protection - Preventing an explosion in a hazardous area - 위험지역에서의 폭발예방

  5. Explosion Protection Primary / Secondary Primary explosion protection Secondary explosion protection Avoiding the ignition of a dangerous explosive atmosphere. (폭발 가능한 지역에서 발화를 피한다. ) Avoiding a dangerous explosive atmosphere altogether. (폭발 가능한 공기를 제거한다. ) • Should only be taken when the implementation of primary explosion protection methods is insufficient • ( 상기 방폭을 구성하지 못할경우에는 반드시 실행해야 한다.) • Various ignition protection methods are possible • (여러가지 폭발 방지 기법이 가능하다.) • Replacing flammable materials • (발화제를 교체한다.) • Restricting the amount of the material • (발화제의 양을 제한 한다. ) • Suitable equipment constructions • (알맞은 공사를 설계한다.) • Reduction of material concentration • ( 발화제의 밀도를 줄인다.)

  6. AREA CLASSIFICATION 지역별 등급 • GAS GROUP / CLASS • Define presence of hazardous material (위험물의 규정) • ZONE / DIVISION • Define presence of explosive concentration & Probability (폭발성 물질의 농도와 폭발 가능성을 규정) • TEMPERATURE CATAGORY • Maximum surface temperature (최대표면 온도를 규정)

  7. AREA CLASSIFICATION GAS GROUP / CLASS 휘발성 가스 또는 증발 기체 가연성 분진 섬유 또는 부유중의 먼지들 IEC : 국제 규정 NEC : 북미 규정

  8. AREA CLASSIFICATION ZONE / DIVISION ZONE 0 : 폭발가스가 존재 하거나 장시간 정체되는 지역 (1년에 1000시간 이상) ZONE 1 : 정상 작동시 폭발가스가 존재하는 지역 (1년에 10~1000시간) ZONE 2 : 정상적인 사용시 폭발 가능성이 없으나, 단지 이상 상태하에서 극히 짧은시간 동안 폭발가스가 존재하는 지역 (1년에 10시간 이내)

  9. AREA CLASSIFICATION ZONE / DIVISION • EXAMPLE Zone 1 Zone 0 Zone 2 Flammable liquid

  10. AREA CLASSIFICATION Temperature Classes (표면 최대 온도) (국제 규정) (북미 규정)

  11. AREA CLASSIFICATION Temperature Classes The ignition temperature of the present substance must always be higher than the temperature type of the field device.(방폭지역의 발화 온도는 항상 field 계기의 온도등급보다 커야 한다.) Surface temperature of group II electrical apparatus: Class Temperature T1 450 °CT2 300 °CT3 200 °CT4 135 °CT5 100 °C T6 85 °C

  12. Explosion Protection EXPLOSION LIMITS • Concentration (농도) • Energy (에너지)

  13. Explosion Protection FLAMMABLE RANGE ( 인화성 범위 ) Material Lower explosive limit Upper explosive limit Minimum ignition Energy Propane (프로판) 2% 9.5% 180 μJ Ethylene (에틸렌) 2.7% 34% 60 μJ Hydrogen (수소) 4 % 75% 20 μJ

  14. Propane-air,1 atoms (프로판) Ignition Energy ( mJ ) 1 0.1 ( 수소 ) . . . … . . . . . . . . . . . MIE 0.01 0 20 40 60 80 100 Volume Connection (%) Explosion Protection Effect of Concentration

  15. Ignition Protection Explosion Prevention Methodology • Permit Ignition ( 발화 허용 ) • Suitable equipment construction • ( 적당한 장비의 구조물로 보호한다 예 : Ex “d” ) • Control Atmosphere ( 주위의 환경 제어 ) • Keep flammable material away from ignition source • ( 점화원으로 부터 가연성 물질을 제거한다 예 : Ex “p” ) • Eliminate Ignition Source ( 점화원을 제거 ) • Limiting of electric energy and thermal effect • ( 전기적 에너지와 열의 영향을 제거한다 예 : Ex “i” )

  16. P2 Pressure switch (over and under pressure) P1 Main switch P1>P2 Ignition Protection EEx ‘p’ Concept : Removes any hazardous atmosphere from inside an enclosure and then maintains the interior as a "Safety area" Non-certified apparatus may be used inside with few restrictions Design stds: CENELEC : EN50016 BS5501 : Part 3 IEC 79-2 UK Code of Practice B55345 : Part 5 점화의 원인이 될 우려가 있는 부분을 용기내에 넣고 보호기체를 용기 내부에 주입하여 내부의 압력을 유지하여 폭발성가스가 침입하지 않도록한 구조. • P1>P2 이면 외부의 폭발성 가스가 침입할 수 없다.

  17. p Ignition Protection EEx ‘p’ Suitable for Zone 1 and 2 (Zone1 과 Zone2에 사용된다) 장점 : • Sometimes the only solution (다른 방법이 없는 경우) • Can protect large volumes,panels and control rooms (대형 시스템, 판넬, 제어실 보호용) • Can have large margin of error before danger results ( 위험한 결과 이전에 여유가 있다) • Useful for VDUs (영상 화면 장치에 유용하다) 단점 : • Clean air is not free,has to be filtered, pumped etc. (공기 정화용 필터와 펌프 등을 사용해야 한다) • Can be expensive (높은 비용) • Live working is not permissible (보수중 작동불가)

  18. Ignition Protection EEx ‘o’ Minimum depth: 25 mm between top of the device and surface of the oil Concept : - Prevents access of flammable atmosphere to ossible ignition sources by immersion in mineral insulating oil (Heavy current switchgear and transformers) Design Stds : CENELEC : EN50015 BS5501: Part 2 IEC 79-6 UK code of Practice BS 5345: Part 9 *스위치 기어나 트랜스포머에 사용되는 기술로 위험의 원인이 될수있는 장비를 무기질의 oil에 잠기게 함으로서 폭발 가능한 환경을 제거하도록 한 구조

  19. Ignition Protection EEx ‘q’ Concept : Code letter "q" stands for quartz but filling medium is commonly small glass or silica beads (Telephone and Luminaires) Design stds: CENELEC: EN50017 BS5501: Part 4 IEC 79-5 UK code of pratice BS 5345 : Part 9 *점화원이 될 우려가 있는 부분을 모래나 기타 물질로 채워서 아아크나 점화에너지 이상의 잘못이 발생하더라도 자체에서 폭발이 일어나지 않도록한 구조. 그러나 오늘날에는 방폭용 전화기 외에 거의 쓰이지 않는다.

  20. Ignition Protection EEx ‘m’ Concept : A relatively new method of protection : Encapsulated apparatus was previously certified Ex"s" Design stds: CENELEC: EN 50028:1988 BS5501: Part 8 IEC: None *전기기기나 부품을 주의환경의 영향에 충분히 견디는 수지로 몰딩시켜 그수지 내부에서 발생하는 스파크나 열에 의해 점화가 일어나지 않도록 만든 구조

  21. no ignition source Ignition Protection EEx ‘e’ Concept: A construction technique relying on good quality materials, design and assembly to eliminate any spark or hot spots Installation: Zone 1 and 2 (Zone 1, Zone 2에 설치한다) *정상적인 운전중 불꽃 또는 과열이 생겨선 안될 부분에 이러한 것들의 발생을 방지하기 위해 구조와 온도상승에 대해 특히 안전도를 증가시킨 구조

  22. s s Ignition Protection EEx ‘d’ Concept : Permits gas - air mixture access to the inside of the enclosure but prevents ignition transfer to the outside Design Stds : CENELEC : EN50018 IEC : 79-1 BS5501 : Part 5 UK code of practice BS 5345 : Parts * 점화원이 될 우려가 있는 부분 즉 불꽃, 아아크 또는 과열이 생길 우려가 있는 부분을 밀폐구조인 용기에 넣어 만일 외부의 폭발성 가스가 내부로 침입해서 폭발을 하였을때 용기가 그압력에 견디어 파손되지 않고 폭발한 고열가스가 용기의 접합부 틈으로 부터 외부로 유출되는 일이 있어도 그동안에 냉각되어 외부의 폭발성 가스에 점화가 파급될 우려가 없도록하는 구조

  23. s s Ignition Protection EEx ‘d’ • 단점 : • No Live Maintence (보수시 Main power를 반드시 OFF 시켜야한다) • Need More Space (많은 공간이 필요하다) • More Weight (무게가 많이 실린다) • Expensive (비싸다) • High Maintence Cost (보수시 많은 유지비가 든다)

  24. Methods not covered by the other standards Ignition Protection EEx ‘s’ Design stds CENELEC : None IEC : None BS : None BASEEFASFA 3009 UK code of practice BS 5345 : Part 8 *특수 방폭 기기는 그 구조, 재료, 사용장소, 사용방법 등을 고려하여, 시험 기타에 의해 해당 전기 기기에 대한 폭발성 분위기로 점화를 분명히 방지할 수 있음을 검정 기관으로부터 증명 받은 구조를 말한다

  25. Ignition Protection Summary on Zone of use

  26. Intrinsic Safety The origin of I.S.(본질안전의기원 ) COAL MINING INDUSTRY (광산업) Major mine disaster in 1913 (1913년 큰 광산 사고) • Led to study of energy limitation in hazardous areas, • especially devices that release energy in an electrical • discharge

  27. Intrinsic Safety Definition What is intrinsic safety ? Limitation of electrical energy or thermal effect under normal or abnormal conditions to cause ignition of a potentially explosive atmosphere -잠재적인 폭발 환경에서의 점화를 야기시키는 정상 또는 비정상 상태하에서 전기적 에너지나 열적효과를 제한하도록한 구조.

  28. Intrinsic Safety Method of Protection Ex ’i’ Hazardous Area (위험지역) Safe Area (안전지역) Standard industrial process control equipment Energylimitingnetwork Certified hazardous area equipment (승인된 위험지역용 장비) 에너지를 제한하는 영역 표준 산업용 공정 제어 장치

  29. Intrinsic Safety Spark test apparatus

  30. Intrinsic Safety RESISTIVE CIRCUITS (저항 회로) Short Circuit Current (단락전류) Voltage = 30,8 V / 1.1 = 28 v Current = 139,5 / 1,5 = 93 mA 139,5mA IA = Methane (메탄) IIA = Propane (프로판) IIB = Ethylene (에틸렌) IIC = Hydrogen (수소) 30,8V Open Circuit Voltage (무 부하시 전압)

  31. All llC (Hydrogen) • Capacitance • 10000uF • 3000uF • 1000uF • 300uF • C+15ohm(Cd) • 100uF • C+5.6ohm(Cd) • 30uF • (Sn) • 10uF • (Cd) • 3uF • 1.0uF • 0.13uF • 0.3uF • 0.1uF • 0.03uF • 42V / 1.5 = 28V • 0.01uF • 1V • 3V • 10V • 30V • 100V • 300V • 1000V • Open Circuit Voltage Intrinsic Safety Capacitive Circuits (용량성 회로)

  32. Inductance • 1H • 500mH • l (Methane) • 200mH • llA (Propane) • 100mH • llB (Ethylene) • 50mH • llC (Hydrogen) • 20mH • 10mH • 4.2mH • 5mH • 2mH • 1mH • 500uH • 200uH • 139.5mA / 1.5 = 93 mA • 100uH • 5mA • 10mA • 20mA • 50mA • 100mA • 200mA • 500mA • 1A • Short circuit current Intrinsic Safety Inductive Circuits (유도성 회로)

  33. + Resistor Fuse Positive Zener Diode Fault Path - Intrinsic Safety Principal • HOW IT WORKS ? • Series resistor limits the current (저항은 전류를 제한) • Zener diode limits fault voltage (제너 다이오드는 에러 전압을 제한) • Diversion of fault path (에러를 밖으로 내보냄)

  34. Intrinsic Safety ADVANTAGES • Least Expensive(최소비용) • No special enclosures, No fused isolators, No armoured cable and No special glands • (특수보호장치, 전열퓨우즈, 아머 케이블과 특수 그랜드를 사용할 필요없다) • Allow use of Non-certify devices if they are simple Apparatus (LowCost) (단순 부품이면 인증이 필요없이 사용가능하다 - 적은 비용) • Fault Tolerant (에러에 강함) - Remains safe even with cable faults or component failure. (케이블 혹은 부품에 문제가 생겨도 장비에는 영향을 미치지 않는다)

  35. Intrinsic Safety ADVANTAGES • Live Maintenance (전원 “ON” 상태에도 보수가 가능 하다) • Ability to work on equipment while it is live (power ON) • Personnel Safety (작업자도 안전하다) • Extra low voltages and currents (대단히 낮은 전압과 전류값) (No electrocution from IS wiring) (본질안전 배선으로부터 감전될 염려가 없다) Only method suitable for zone 0 (Zone 0에서의 가장 적합한 사용 방법이다)

  36. Intrinsic Safety COMPARISON Cost Comparison typical Ex”d”limit switch loop, (가격비교 : 내압 방폭 (Ex “d”)용 리미트 스위치 루프) Zone 1 or 2 * (Zone1 이나 2만 사용) Gas groups IIA or IIB Temperature Classification T6 Flameproof cable grand (내압 방폭용 특수 케이블 그랜드) Lockable Fused Isolater (절연퓨우즈 설치) 100m of 2 core Armoured cable (250V 5A) (특수 아머 케이블 사용) Flameproof Limit Switch (내압 방폭용 스위치 사용)

  37. Zone 0, 1 or 2 *(Zone 0, 1, 2에도 사용) Gas groups IIA or IIB or IIC Temperature Classification T6 I.S Barrier (본질안전 베리어 설치) Weather proof cable gland (일반 방수 케이블 그랜드) Standard Industrial Limit Switch (일반 리미트 스위치 사용) 100m of 2 core PVC / flexible cable (250V 5A) (일반 케이블 사용) Intrinsic Safety COMPARISON Cost Comparison Equivalent Ex “i” limit switch loop, (가격비교 : 본질안전 (Ex “i”)용 리미트 스위치 루프)

  38. Intrinsic Safety COMPARISON SwitchFlameproof limit Switch 250V 5A 1. 내압방폭 전용 특수 스위치 SwitchStandard Industrial micro switch 250V 5A 1.일반 스위치 400% GlandWeatherproof Cable gland 2.일반 방수 케이블 그랜드 GlandFlameproof Barrier gland 2. 내압방폭 전용 특수 그랜드 300% Cable100m PVC/PVC flexible 2 core cableRating 250V 5A 3.일반 PVC 케이블 200% Cable100m of armoured 2 core cable rating 250V 5A 3. 특수 아머 케이블 100% InterfaceI.S. Barrier 4. 본질안전 베리어 InterfaceLockable Fused Isolator 4. 절연퓨우즈 0%

  39. Intrinsic Safety Categories (본질안전의분류) Ex ib Intrinsically safe with one faults Zone 1 and 2 Ex ia Intrinsically safe with two faults Zone 0, 1 and 2 "Faults" are those in components upon which safety of the installation depends. Intrinsic safety is the only protection concept which considers failure of the field wiring *위험지역에서 폭발가스가 존재하는 시간에 따라 Zone 0,1,2로 구분되는데 본안기기의 적용가능 여부에 따라서 Ex ia (Zone 0, 1, 2 사용)와 Ex ib ( Zone 1, 2 사용)로 구분된다.

  40. Safe Area Hazardous Area Certified hazardous area apparatus Uncertified safe area apparatus Certified Interface Intrinsic Safety Electrical Appararus • (Associate Electrical Apparatus- 전기장치의 조합) Associate Electrical Apparatus

  41. P Audible Alarms 4-20mATransmitter Solenoid I/P Converters Intrinsic Safety Energy Storage Apparatus Energy storage apparatus are electrical devices which have their own source or are powered from an external power source and where the electrical datas * 아래사항 이상의 에너지를 가질 수 있는 장치들은 방폭 인증을 필히 받아야 한다 예) 알람, 솔레노이드, I/P컨버터, 4~20mA트랜스미터등 exceed higher values than: - 1.2 V e.g.: - 100mA - 20uJ - 25mW

  42. Safe Area Hazardous Area Non-certified safe area apparatus Non-certified hazardous area Apparatus Simple Apparatus Non-certified safe area apparatus Certified interface Intrinsic Safety Simple Appararus

  43. Devices located in hazardous areas under normal or fault conditions which do not generate or store energy in excess of : • 1,2 Voltse.g: • 100 milliAmps • 20 uJoules • 25 mWatt Need not be certified *위험지역 내에서도 위의 값 만큼 전기적 에너지를 발생 하거나 저장하지 않는 간단한 장치는 인증이 필요없다. 예) RTD, 써머커플, 포텐셔미터, LED, 푸시버튼, 정션박스 Intrinsic Safety Simple Appararus

  44. Identification Certification Authorities • Certification of Safety is a Legal or Quasi-legal Requirement • UK ( BASEEFA ) - 영국 • Germany ( PTB ) - 독일 • USA ( UL & FM ) - 미국 • Australia ( SAA ) - 호주 • Japan ( RIIS ) - 일본 • China (NEPSI) - 중국 • Korea (KISCO) - 한국

  45. Identification Certification Authorities WHY CERTIFICATION IS NECESSARY ?(인증이 필요한 이유) • Reduces liability due to negligence (과실의 책임성을 줄일 수 있다.) • Whether system is safe ? Who is responsible ? (시스템의 안전성? 책임소재 여부?)

  46. Intrinsically safe electrical apparatus EExmeIICT6 Temperature class Explosion group Protection type Equipment conforms to standard EN 50... Associated apparatus The square brackets show that this has to be mounted in safe area [EExia] IIC Explosion group Protection type Equipment conforms to standard EN 50... Identification Electrical Equipment

  47. Identification Installation I.S. • Must Satisfy 2 requirements : • Separation of intrinsically safe and non-intrinsically safe circuits • Potential difference of power system and ground is incapable of causing ignition (Potential Equalising Conductors) • 2가지 요구를 만족 시켜야 한다. • - 본질안전 회로와 비 본질안전 회로를 분리시킨다. • - 전원 시스템의 접지간 전위차가 점화를 야기 시킬 수 없어야 한다. • (모든 접지의 전위는 동등하게 유지한다)

  48. Safe Area (안전지역) Hazardous Area (위험지역) TransformerIsolated Barrier 4-20mATransmitter (트랜스미터) Vmax Imax Ci + Cc Li + Lc Voc Isc Ca La Fault Voltage (Voc.) Fault Current (Isc.) Allowable Capacitance (Ca) Allowable Inductance (La) • 에러전압 • 에러전류 • 허용 캐피시턴스 • 허용 인덕턴스 Tolerable Fault Voltage (Vmax.) Tolerable Fault Current (Imax.) Internal Unprotected Capacitance (Ci) Internal Unprotected Inductance (Li) • 에러전압 수용력 • 에러전류 수용력 • 내부 캐피시턴스 • 내부 인덕턴스 Identification Entity concept Cc = Cable Capacitance Lc = Cable Inductance

  49. Identification Grounding • Must be grounded at only ONE point • Impedance of conductor from barrier ground bus to ground connection should be less than ONE ohm • Ground cables should be insulated & protected of any risk of mechanical damage • -접지를 한곳에 해야된다 • -베리어의 접지 단자와 접지 바 사이의 저항은1Ω 이내로 한다 • -접지선은 인위적인 위험으로 부터 보호되어야 한다

  50. creepage 6mm 6mm 4 mm Creepage Safety Barrier Identification Junction Box Requirement Used for marshalling of separate cables to Multicores 본질안전 배선과 비 본질안전 배선은 서로 분리하여 정렬한다 1) Need to avoid inadvertant grouding or shorting or cores - 잘못된 접지, 쇼트, 선의 공통사용은 피한다. 2) Terminations should be reliable ( at least IP 20) - 종결 부분은 IP가 20이상이어야 한다. - maintain creepage and clearance distance 6mm - 크리프와 크리프 사이의 거리는 6mm를 유지한다. - 4 mm clearance to grounded metal- 접지금속과의 거리는 4mm 이상의 여유를 둔다.

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