Trong các nhà máy hóa dầu và các môi trường dễ nổ khác, ngay cả một tia lửa điện nhỏ cũng có thể gây ra những hậu quả thảm khốc. Các rào cản an toàn đặc biệt là điều cần thiết để đảm bảo rằng các thiết bị được kết nối với các khu vực nguy hiểm này vẫn hoàn toàn an toàn trong các điều kiện lỗi tiềm ẩn. Hai giải pháp chính tồn tại: Rào cản Zener (Rào cản an toàn nội tại) và Bộ cách ly Galvanic. Bài viết này xem xét các nguyên tắc hoạt động, ứng dụng và các lợi thế so sánh của chúng.

Rào cản Zener, còn được gọi là Rào cản ATEX hoặc Rào cản I.S., hoạt động bằng cách hạn chế dòng năng lượng vào các khu vực nguy hiểm. Thiết kế của chúng đảm bảo rằng ngay cả trong các lỗi, năng lượng mạch vẫn ở dưới ngưỡng tối thiểu cần thiết để đốt cháy các hỗn hợp dễ nổ.

Trong khi các diode tiêu chuẩn chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều, các diode Zener được thiết kế để dẫn điện khi đạt đến các ngưỡng điện áp ngược cụ thể. Trong các rào cản an toàn, các thành phần này nhanh chóng dẫn dòng điện dư thừa xuống đất khi điện áp vượt quá giới hạn an toàn, ngăn chặn hiệu quả năng lượng nguy hiểm.

• Điện trở: Giới hạn dòng điện đi vào các khu vực nguy hiểm
• Diode Zener: Ngăn chặn điện áp trong các lỗi bằng cách chuyển hướng dòng điện dư thừa xuống đất
• Cầu chì: Bảo vệ diode Zener trong điều kiện quá tải

Trong quá trình hoạt động bình thường, điện trở hạn chế dòng điện. Khi điện áp vượt quá ngưỡng an toàn, diode Zener kích hoạt để chuyển dòng điện dư thừa, trong khi cầu chì đóng vai trò bảo vệ cuối cùng khỏi hư hỏng thiết bị.

Chức năng thích hợp yêu cầu nối đất I.S. chuyên dụng được lắp đặt theo tiêu chuẩn IEC 60079-14. Biện pháp an toàn quan trọng này ảnh hưởng trực tiếp đến tính toàn vẹn của hệ thống.

Mặc dù đơn giản và tiết kiệm chi phí, rào cản Zener có một số hạn chế:

• Nối đất I.S. chuyên dụng bắt buộc làm tăng thêm sự phức tạp khi lắp đặt
• Tải vòng lặp bổ sung có thể làm giảm hiệu suất của thiết bị
• Thiếu khả năng chuyển đổi hoặc khuếch đại tín hiệu

Những hạn chế này đã dẫn đến việc thay thế rộng rãi bằng các bộ cách ly galvanic trong các cài đặt hiện đại.

Bộ cách ly Galvanic như dòng PR 9000 sử dụng các thiết kế khác biệt về cơ bản. Mặc dù cả hai công nghệ đều giới hạn năng lượng khu vực nguy hiểm, các bộ cách ly thực hiện cách ly điện ba cổng giữa mạch đầu vào, đầu ra và nguồn bằng cách sử dụng máy biến áp và bộ ghép quang.

Sự tách biệt điện hoàn toàn này ngăn chặn các vòng lặp nối đất và nhiễu, làm tăng đáng kể độ tin cậy và an toàn của hệ thống.

Cách ly điện vốn có của bộ cách ly loại bỏ các yêu cầu nối đất đặc biệt, đơn giản hóa đáng kể việc lắp đặt và bảo trì.

• Loại bỏ nối đất I.S. chuyên dụng
• Giảm tải vòng lặp để cải thiện hiệu suất thiết bị
• Khả năng chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu
• Tăng cường khả năng chống ồn và đột biến

• Đo nhiệt độ (cặp nhiệt điện/RTD)
• Truyền tín hiệu đầu dò áp suất
• Điều hòa tín hiệu đồng hồ đo lưu lượng
• Điều khiển van chống cháy nổ

Thiết bị được thiết kế cho môi trường dễ nổ yêu cầu chứng nhận để xác minh sự tuân thủ các phương pháp bảo vệ hiện hành. Trong EU, chứng nhận ATEX là bắt buộc, trong khi IECEx đóng vai trò là tiêu chuẩn quốc tế.

• Nhận dạng cơ quan chứng nhận
• Các tiêu chuẩn hiện hành
• Thông số điện
• Thông số kỹ thuật lắp đặt
• Điều kiện vận hành đặc biệt

Thiết kế vòng lặp I.S. thích hợp yêu cầu phân tích ba thành phần:

• Thiết bị hiện trường được chứng nhận (khu vực nguy hiểm)
• Thiết bị liên quan (giao diện khu vực an toàn)
• Cáp kết nối tương thích

• Uo (Voc): Điện áp mạch hở
• Io (Isc): Dòng ngắn mạch
• Po: Công suất đầu ra
• Ca: Điện dung cho phép
• La: Độ tự cảm cho phép

Các phép tính đơn giản xác định các kết hợp thiết bị tương thích và chiều dài cáp tối đa bằng cách so sánh các thông số thiết bị liên quan với thông số kỹ thuật của thiết bị hiện trường. Hệ thống phải đáp ứng:

• Uo ≤ Ui (giới hạn điện áp)
• Io ≤ Ii (giới hạn dòng điện)
• Po ≤ Pi (giới hạn công suất)
• Ca ≥ Ctotal (giới hạn điện dung)
• La ≥ Ltotal (giới hạn độ tự cảm)

Việc tuân thủ các nguyên tắc này đảm bảo hoạt động an toàn nội tại, giảm thiểu rủi ro nổ ở những vị trí nguy hiểm.