Взрывозащищенная контрольно-измерительная и аппаратура автоматики - Конструктивные элементы искробезопасной аппаратуры

Искробезопасная аппаратура может быть условно разделена на такие основные части:
источник питания аппаратуры;
электрическая схема прибора, считая от источника питания до ограничительных элементов, в основном состоящая из искроопасных цепей;
электрическая схема, целиком состоящая из искробезопасных цепей, т. е. цепи аппаратуры, идущие после ограничительных элементов.
Рассмотрим источник питания искробезопасной аппаратуры.
Для питания можно применять сухие гальванические элементы, аккумуляторы, индукторы, трансформаторы, подключаемые к силовой, сигнальной или осветительной сети, т. е. те же источники, которые употребляются в общепромышленной аппаратуре.
Под цепью понимается целая система элементов (конденсаторов, резисторов и т. д.), включенных определенным образом. Как правило, лишь у очень небольшого количества аппаратуры искробезопасная цепь состоит только из источника тока. Обычно источник тока служит для питания не только искробезопасных, но и искроопасных цепей этой же аппаратуры. Причем часто бывает так, что между источником тока и собственно искробезопасной цепью включена целая электрическая схема прибора или аппарата. В этом случае допустимый ток в искробезопасной цепи определяется непосредственно после ограничительных или разделительных элементов.
Наиболее широкое распространение в качестве источников питания получили трансформаторы, основные требования к которым следующие.
Между искроопасными и искробезопасными обмотками, а также между различными искробезопасными обмотками, электрически не связанными между собой, должны быть расположены заземленные металлические экраны, выполненные в виде одного слоя сплошной намотки изолированным проводом диаметром не менее 0,3 мм, либо в виде слоя фольги толщиной 0,05—0,1 мм. Применение экрана не обязательно при условии секционирования обмоток с помощью запрессованных или вклеенных промежуточных фланцев на каркасе .катушки, или при расположении обмоток на отдельных каркасах.
Выводы искроопасных и искробезопасных обмоток должны быть расположены на противоположных сторонах каркаса катушки и подведены к разным клеммным колодкам (разъемам).
Изоляция между обмотками и экраном должна быть рассчитана на трехкратное номинальное напряжение обмоток наиболее высокого напряжения, но не менее чем 500 в и должна быть стойкой против воздействия среды, в которой трансформатор будет работать. Обмотки трансформатора пропитывают изоляционным лаком или компаундом.
Трансформатор должен быть снабжен табличкой с указанием напряжения, сопротивления обмоток, числа витков и марки провода.

Рис. 24. Конструктивное оформление искробезопасного трансформатора броневого типа.
а — трансформатор в сборе; б — катушка; в — этикетка.

В табличке указывается также марка стали, тип сердечника, толщина пластин и средняя длина магнитопровода. Примеры конструктивного исполнения искробезопасных трансформаторов показаны на рис. 24 — 26. Исключение составляют трансформаторы, выполненные в виде неразборного блока (рис. 27).
При определении тока короткого замыкания таких источников необходимо учитывать возможные колебания сетевого напряжения.

Рис. 25. Конструктивное оформление тороидального трансформатора,

Рис. 26. Пример заливки части обмотки трансформатора совместно с шунтирующим элементом.
1—4 — выводы     обмоток;
5 — вариконд; 6 — эпоксидный компаунд; 7 — шунтируемая обмотка; Э—экран; размер А не менее 5 мм.

1— 4 — выводы обмоток; 5 — первичная обмотка; 6 — экран; 7 — вторичная обмотка; 8 — магнитопровод; 9 — изоляционная прокладка; Э — кран.

Искробезопасные токи определяются при повышении сетевого напряжения не менее чем на 10%. В конструкции прибора, кроме того, обязательно предусматривают защиту сетевой обмотки с помощью плавких предохранителей.
Химические источники тока, в частности гальванические элементы, получили наибольшее распространение в переносной аппаратуре, а также в электронных мостах и потенциометрах. Применение этих источников также регламентировано рядом требований.

Рис. 27. Выполнение искробезопасного трансформатора в виде неразборной конструкции совместно с ограничительными и шунтирующими элементами. 1 — сетевая обмотка (I); 2 — вторичная неискробезопасная обмотка (Л); 3 — экранная обмотка (ГУ); 4—искробезопасная обмотка (III); 5—термореактивный компаунд; 6— сетевые зажимы; 7 — неискробезопасные зажимы; 8— искробезопасные зажимы.

Ограничительные резисторы, если они требуются по условиям искробезопасности, должны быть расположены в оболочке таким образом, чтобы была исключена возможность подсоединения источника к схеме, минуя их. При этом сам источник должен находиться в запломбированной камере.
Взрывозащищенная оболочка для химических источников тока должна быть снабжена предупредительной надписью: «Открывать во взрывоопасном помещении запрещается!».
Ток короткого замыкания химических источников также определяется при максимально возможном на них напряжении: для аккумуляторов — при напряжении, которое получается сразу же после зарядки, для гальванических элементов — не позже, чем через 15 дней после их изготовления. Пример искробезопасной конструкции химического источника тока приведен на рис. 28.

Рис. 28. Пример конструктивного исполнения искробезопасного химического источника тока во взрывонепроницаемой оболочке.
Всe источники тока должны быть проверены на заводе-изготовителе и пригодность их заверена штампом ОТК.
1 — штепсельный разъем;
2 — ограничительный резистор; 3 — эпоксидный компаунд; 4 — колодка с проходными зажимами; 5—гальванический элемент; 6 — шильдики со знаками взрывозащищенности; 7— корпус.

Особо необходимо оговориться о недопустимости гальванической связи между электрической схемой аппарата и питающей сетью через резисторы или конденсаторы. Искробезопасная электрическая система должна связываться с сетью только через трансформатор, удовлетворяющий указанным выше требованиям.
Для ограничения тока или напряжения в цепях аппаратуры до искробезопасных значений применяют специальные ограничительные и шунтирующие элементы, в качестве которых можно использовать как специально устанавливаемые элементы, служащие только для ограничения тока, так и собственно элементы схемы, обеспечивающие, кроме того, нормальное функционирование схемы аппарата. Но в обоих случаях эти элементы должны удовлетворять перечисленным ниже требованиям.
Шунты и ограничители должны составлять единое целое с источниками питания или реактивными элементами, для которых они предназначаются, или быть расположены в корпусе электрооборудования, имеющего соответствующий вид взрывозащиты, и конструктивно быть выполнены таким образом, чтобы возможность их повреждения полностью исключалась (например, они могут быть залиты затвердевающим термореактивным компаундом, расположены в запаянной оболочке и т. п.). Основное назначение шунтов — снятие перенапряжений с реактивных элементов при коммутации искробезопасной цепи. В практике искробезопасности эти шунты называются искрогасящими.

В качестве ограничителей тока в искробезопасных цепях можно использовать конденсаторы любых типов, кроме электролитических и негерметизированных, резисторы, плоскостные диоды, а также различные комбинации соединений из этих элементов. Резисторы употребляются для ограничения тока в цепях постоянного и переменного тока и имеют преимущественное распространение, конденсаторы — в основном в цепях переменного тока. Причем в отдельных случаях, если для защиты от повреждений используется заливка термореактивным компаундом, можно применять и негерметизированные конденсаторы.
В качестве искрогасящих шунтов в искробезопасных цепях обычно используют: конденсаторы и вариконды; линейные и нелинейные резисторы (варисторы); полупроводниковые управляемые и неуправляемые выпрямители (плоскостные диоды); короткозамкнутые обмотки или витки; различные комбинации соединений из указанных выше элементов.
В зависимости от рода тока применение перечисленных шунтов может быть условно распределено в соответствии с табл. 24.

Таблица 24
Применение шунтов в зависимости от рода тока

Высокочастотные цепи характеризуются, как правило, токами очень небольшой силы, поэтому установка искрогасящих шунтов в них не требуется. В табл. 24 шунтирующие элементы расположены в порядке убывания на них потерь мощности (эффекта шунтирования).
В установившихся режимах работы электрической системы (нормальных и аварийных) искрогасящие шунты и ограничительные элементы необходимо выбирать, исходя из следующих соображений.

1. Резисторы и варисторы, используемые только в качестве шунтов, должны иметь запас по рассеиваемой мощности не менее трехкратного. Как видно из табл. 24, резисторы в качестве шунтов во всех случаях потребляют значительный ток. поэтому, чтобы не произошло случайное перегорание шунта, выбирают такой значительный запас.
2. Рабочее напряжение конденсаторов должно не менее чем в три раза превышать максимально возможное на них значение. Если это ограничительный конденсатор, то под максимально возможным напряжением понимается напряжение на конденсаторе при закороченной цепи тока. Обычно в этих случаях это напряжение определяется величиной максимального напряжения, действующего в цепях искробезопасной системы. В случае шунтирующего конденсатора под максимально возможным напряжением понимается напряжение на реактивном элементе, обусловленное максимальным током через этот элемент. Вариконды могут быть использованы в электрических системах, где напряжение не превышает 100 в.
3. Шунтирующие диоды должны иметь пятикратный запас по номинальному напряжению в цепи. Допускается последовательное включение не более двух диодов, причем каждый диод должен иметь не менее чем трехкратный запас по напряжению. Сила допустимого тока, протекающего через диод, в этом случае не оговаривается, так как диод практически работает только при кратковременных импульсах тока, возникающих в момент коммутации цепи с реактивным элементом. А в таких режимах, как показали исследования, диоды работают очень надежно.
4. Диоды выпрямительных устройств, служащие для питания электрической системы выпрямленным током, с целью предотвращения появления в цепях переменного тока должны, кроме требований, перечисленных в предыдущем пункте, иметь еще не менее чем трехкратный запас по протекающему через них максимальному току. Если, например, после трансформатора установлен выпрямительный мост, предназначенный выполнять функции защитного средства, диоды должны быть рассчитаны на возможный ток короткого замыкания через них. Чтобы не включать очень мощных диодов, можно ограничить ток короткого замыкания специальным добавочным резистором.
5. Опорные диоды (полупроводниковые стабилитроны), используемые в качестве шунтов, должны иметь трехкратный запас по максимальному току. Может быть применено последовательное включение опорных диодов. Особенно часто этим пользуются в тех случаях, когда напряжение стабилизации одного диода недостаточно. Можно применять и параллельное соединение диодов. При этом каждая параллельная ветвь должна иметь не менее чем двухкратный запас по току. Аналогичные требования распространяются на управляемые Диоды.

Шунтирующие и ограничительные элементы конструктивно должны быть выполнены таким образом, чтобы практически исключалась возможность их механического повреждения, а также, чтобы нельзя было исключить их при ремонтах, наладке и т. п.
Особое внимание необходимо уделять месту расположения ограничителен тока. Чаще всего их располагают непосредственно на штепсельных разъемах, служащих для подключения искробезопасных цепей (рис. 29, а). После монтажа и подключения соединительных проводов ограничительные элементы вместе с клеммами штепсельного разъема заливают термореактивным компаундом.
В отдельных конструктивных решениях ограничительные элементы заключают в металлические неразборные корпуса, внутри которых производят их жесткий монтаж. Это особенно важно для высокочастотных цепей, где заливочные массы могут существенно сказываться на работе прибора или аппарата. Интересным является также решение о размещении ограничительного элемента в теле присоединительного зажима искробезопасной цепи (рис. 29, б). Во всех случаях ограничительный элемент должен быть недоступным с тем, чтобы исключалась возможность его случайного закорачивания или повреждения. Аналогичным требованиям отвечают элементы схемы аппарата, используемые в качестве ограничительных.
Искрогасящие шунты в конструктивном отношении должны удовлетворять двум основным требованиям: должно быть исключено случайное отключение их от шунтируемого элемента, а также предотвращено их повреждение. С этой целью искрогасящие шунты подключают к шунтируемым элементам специальным образом и вместе с ними, как правило, их заливают термореактивным компаундом в единый неразборный блок.
У шунтирующих элементов должны быть по два вывода с каждой стороны для возможности подключения к шунтируемому элементу таким образом, чтобы при обрыве любой цепи шунта обрывалась основная цепь тока, т. е. тока, идущего через реактивный элемент. Такой способ подключения называется «подключение шунта по четырехточечной схеме» (рис. 30). Если в качестве шунтов использованы элементы, у которых имеются только по два вывода (основная масса радиоэлементов общепромышленного применения), допускается использование их в качестве шунтов при условии раздельного подключения к разным участкам цепи. При этом точки подключения жестко спаяны монтажным проводником. Выполнение каждого шунта по четырехточечной схеме в этом случае не требуется, но тогда один шунтирующий элемент должен обеспечивать искробезопасность, независимо от наличия второго элемента.
Искрогасящие шунты конструктивно могут быть расположены и отдельно от шунтируемых элементов, если последние находятся в оболочке соответствующего вида взрывозащиты. В этом случае шунты устанавливают непосредственно на выходных зажимах оболочки прибора, к которым подключены искробезопасные цепи, и заливают вместе с ними термореактивным компаундом таким образом, что обойти шунты невозможно.

Рис. 29. Примеры конструктивного выполнения ограничителей токов и напряжения в искробезопасных цепях.
а — заделка ограничительных резисторов на штепсельном разъеме: 1 — узел с ограничительным и шунтирующим резисторами, залитый эпоксидным компаундом, 2—разъем для искробезопасных цепей, 3 — разъем для искроопасных цепей;
б — установка ограничительного элемента в соединительной клемме: 1 — ограничительный конденсатор, 2 — изолятор.

Рис. 30. Примеры конструкций шунтов с четырьмя выводами:
а — конденсаторы; б — кремниевый диод; в — резисторы.

Одним из сложных конструктивных узлов по обеспечению искробезопасности той или иной схемы является реле, которое в схему может быть включено двояко:
обмотка реле включена в искробезопасную цепь, а контакты коммутируют неискробезопасные цепи, причем может оказаться, что только одна группа контактов осуществляет такую коммутацию, другая группа может коммутировать искробезопасные цепи;
обмотка реле включена в искробезопасную цепь, а контакты могут коммутировать либо полностью искробезопасные цепи, либо для этой цели может быть использована только часть контактов.
Реле, работающие в указанных случаях, должны удовлетворять следующим требованиям.
Если реле с зашунтированной обмоткой устанавливается в искробезопасной цепи и во взрывоопасном помещении, обмотка и шунт к ней должны представлять единый неразборный блок (например, залитый термореактивным компаундом), т. е. все соединительные провода между обмоткой и шунтом должны быть полностью залиты. При этом необходимо особо отметить случай использования герметизированных реле (рис. 31). В рассмотренном случае достаточно заливки совместно с шунтом только выводных контактов реле.

Рис. 31. Разделение цепей па контактах реле:
1 — разъем с искробезопасным выходом; 2 — ограничительный резистор; 3 — реле герметизированное; 4 — табличка.

Если же реле устанавливается во взрывозащищенной оболочке, заливка шунта совместно с обмоткой реле не требуется, однако и в этом случае конструкция его должна быть выполнена таким образом, чтобы обмотка реле при аварийных режимах не могла включаться в цепь, минуя шунт. Чаще всего это достигается заделкой шунта непосредственно на выходных зажимах искробезопасной цепи. При этом стараются в заливку ввести одновременно и ограничительные элементы. Конструкция узла в этом случае получается наиболее технологически удачной.
Что касается контактных групп реле, то при разработке схемы необходимо, как правило, чтобы контакты одной и той же контактной группы не коммутировали искробезопасные и искроопасные цепи или искробезопасные цепи, электрически не связанные между собой. Если же для этой цели будут использованы герметизированные реле или реле, у которых имеется защитный кожух причем несъемной конструкции (например, реле РЭС-9, РЭС-22 и т. и.), тогда для коммутации могут быть использованы контакты одной контактной группы. Выводы контактов у этих реле должны быть залиты термореактивным компаундом. В крайнем случае, могут быть одеты и хорошо приклеены изоляционные трубки.
В случае применения реле без защитных кожухов, открытого типа (например, РКН, РКМ и т. п.) между контактными группами, коммутирующими искробезопасные п искроопасные цепи или искробезопасные цепи, не связанные между собой, а также между выводами контактов и обмотки реле устанавливается разделительная перегородка. Разделительная перегородка между выводами контактов и обмоток не требуется, если на эти выводы надеты на клею изоляционные трубки. Все это делается для того, чтобы при обслуживании реле в условиях эксплуатации случайно не произошло закорачивание контактов (известно, что открытое реле является наиболее часто обслуживаемым элементом конструкции).
Остается только добавить, что изоляция реле должна выдерживать не менее трехкратного номинального напряжения цепи, но не ниже 500 в, т. е. практически к ней предъявляются те же требования, что и к общепромышленным реле.
Искробезопасная аппаратура по конструкции вводных устройств отличается некоторыми специфическими особенностями. Зажимы для присоединения внешних искроопасных и искробезопасных цепей, как правило, должны быть расположены в разных вводных устройствах. Можно их располагать также и в одном вводном устройстве при условии, что электрические расстояния между зажимами, а также между неизолированными частями присоединительных проводов составляют не менее 50 мм. Для образования такого расстояния, а главное для исключения возможности замыкания проводов между собой, например, при размочаливании многопроволочных проводников, между зажимами можно устанавливать разделительную перегородку таким образом, что расстояние между неизолированными частями присоединительных проводов с учетом высоты перегородки составляет также не менее 50 мм. В отдельных случаях искробезопасные зажимы могут быть отделены от искроопасных металлической перегородкой с крышкой, снабженной предупредительной надписью, которая определенным образом настораживает эксплуатирующий персонал, например, «Внимание! Искробезопасная цепь!» (рис. 32).
Широкое распространение в искробезопасной аппаратуре получили штепсельные разъемы, используемые как для сочленения отдельных блоков внутри аппаратуры, так и в качестве присоединительных устройств внешних соединительных линий. В зависимости от места установки штепсельного разъема к нему предъявляют различные требования. Так, если штепсельный разъем (в любом конструктивном исполнении) служит для подсоединения блоков внутри аппаратуры, к его клеммам могут быть подведены провода искробезопасных и искроопасных цепей при условии, что расстояния утечки и электрические зазоры соответствуют значениям, приведенным в табл. 6. Обычно только некоторые типы штепсельных разъемов удовлетворяют требованиям этой таблицы, поэтому в таких случаях для увеличения расстояния между необходимыми клеммами можно оставить неподключенные контакты. Целесообразно для большей безопасности замкнуть эти свободные клеммы между собой и заземлить.
Эти мероприятия можно и не проводить, если места подсоединения проводов к клеммам штепсельных разъемов заливают термореактивными компаундами пли изолируют с помощью изоляционных трубок, закрепляемых клеем или бандажом. Это должно полностью исключить сползание трубок как при эксплуатации, так и при транспортировке аппаратуры. На это необходимо обращать особое внимание.
Если штепсельные разъемы служат для подключения внешних цепей (искробезопасных и искроопасных), расстояние между этими клеммами также должны составлять не менее 50 мм. Этому требованию лучше всего удовлетворяют плоские разъемы, в которых подсоединение проводов можно разнести на соответствующие клеммы.

Рис. 32. Конструкция вводного устройства во взрывонепроницаемой оболочке.
1 — выход искробезопасных цепей; 2 — отсек искробезопасных цепей; 3 — ограничительный резистор; 4 — эпоксидный компаунд; 5 — проходные зажимы силовых (искроопасных) цепей; 6 — выход силовых цепей; 7 — крышка с предупредительной надписью.

При конструировании аппаратуры необходимо также решать вопрос о подключении соединительного кабеля к той или иной конструкции штепсельного разъема, о способе и возможности разделки его. Монтажно-эксплуатационную инструкцию необходимо снабжать рисунками с изображением способа разделки и подсоединения кабеля к клеммам, указывать также дополнительные мероприятия по закреплению кабеля после его монтажа.
Монтаж внутри контрольно-измерительной аппаратуры является одним из наиболее ответственных элементов, от качества выполнения которого в ряде случаев может серьезно зависеть искробезопасность прибора в целом. Монтаж внутри аппаратуры может быть как навесным, так и печатным. Общим требованием является то, что смонтированная схема не должна повреждаться в результате тряски, ударов и вибрации аппаратуры. Соединения в искробезопасных цепях можно производить как посредством пайки, так и с помощью зажимов, конструкция которых описана в гл. 6.
Но каких-либо специальных требований к местам подсоединений не предъявляется. Монтаж искробезопасной аппаратуры ведут по правилам и методам, принятым в общепромышленном приборостроении. Однако есть и определенные отличия. При увязке в жгуты монтажных проводов с искробезопасными и искроопасными цепями необходимо помнить, что если используют неэкранированные провода, искробезопасные выделяют в отдельный жгут и прокладывают отдельно на расстоянии не ближе 8 мм от искроопасных цепей.
В качестве соединительных проводов используют одно- и многопроволочные изолированные провода сечением не менее 0,5 мм². Если же элементы схемы искробезопасного прибора или аппарата заключены во взрывозащищенную оболочку или расположены вне взрывоопасного помещения, для монтажа можно использовать любой изолированный провод. После пайки все места обязательно должны быть покрыты цветным лаком. В искробезопасной аппаратуре изоляция монтажных проводов должна быть синего цвета. В отдельных случаях вместо всего провода могут быть использованы специальные оконцеватели или надеты полихлорвиниловые трубки синего цвета. Могут быть также помещены в полихлорвиниловые трубки синего цвета целиком все искробезопасные жгуты.
К печатному монтажу также предъявляется ряд особых требований. При расположении на печатной плате искроопасных и искробезопасных цепей пли искробезопасных цепей, электрически не связанных между собой, они должны быть разделены заземленным печатным экраном шириной не менее 1,5 мм. Толщину проводников определяют по общепринятым нормам.
Между экраном и искроопасными цепями во взрывозащищенной аппаратуре расстояние утечки и электрические зазоры выдерживают в соответствии с табл. 6. Материал печатной платы, как правило, не регламентируется, однако он должен быть таким, чтобы в принятых условиях эксплуатации изоляция между печатными проводниками выдерживала не менее чем трехкратное напряжение, действующее в электрической системе, но не менее чем 500 в. Печатную плату после монтажа и распайки на ней всех деталей покрывают изоляционным лаком.
Это уменьшает гигроскопичность плат, повышает надежность работы. Но наиболее надежным мероприятием является заливка целиком всей печатной платы термореактивным компаундом толщиной не менее 5 мм над выступающими деталями, находящимися под напряжением. В этом случае расстояния утечек могут удовлетворять общепромышленным нормам, и печатные экраны не требуются. Конструкция платы существенно упрощается. Кроме того, некоторые схемные элементы могут быть использованы в качестве ограничительных и шунтирующих.
При использовании печатных плат в качестве отдельных блоков особое внимание при конструировании аппаратуры должно быть обращено на штепсельные разъемы, для включения их в схему. Все требования, относящиеся к расстояниям утечек, электрическим зазорам и т. п. должны выполняться в соответствии с ПИВЭ. Это относится также и к ответственным частям штепсельных разъемов.
Внутри оболочки каждого отдельно устанавливаемого аппарата должна быть укреплена табличка (обычно, выполненная фотохимическим способом) со схемой этого аппарата или прибора, в которой указаны элементы, обеспечивающие искробезопасность цепей. Если аппаратура при эксплуатации не вскрывается, то таблички может и не быть.