Qu’est-ce que la sécurité intrinsèque ? Définition, limites et conception des zones dangereuses

Un technicien fixe un détecteur de fuite sur un refroidisseur chargé de propane R290. L'outil fonctionne avec une pile de 9 V, se trouve à environ 20 mm d'un joint qui vient de commencer à suinter, et personne ne regarde à deux fois l'électronique à l'intérieur. La sécurité intrinsèque existe parce que ce second regard est ce qui empêche une explosion. Le terme décrit une technique de protection qui maintient l'énergie électrique et thermique à l'intérieur d'un circuit en dessous du niveau susceptible d'enflammer l'atmosphère inflammable environnante, en fonctionnement normal et dans un nombre défini de conditions de défaut.

La définition paraît modeste, mais elle remodèle tout en aval. Parce que la protection vient de la limitation de l'énergie plutôt que du confinement d'une explosion, elle couvre toute la boucle, y compris les fils qui retournent à l'armoire de commande. Cela signifie également que la conception peut être calculée et certifiée avant que quoi que ce soit n'atteigne le site.

La définition formelle et les trois limites

La formulation formelle provient de la norme CEI 60079-11, la norme derrière le marquage Ex i, et elle est répétée dans la directive européenne ATEX 2014/34/UE et dans le schéma IECEx. Un appareil est considéré comme intrinsèquement sûr lorsque l'énergie qu'il peut libérer est limitée de sorte que l'inflammation ne puisse pas se produire en fonctionnement normal ou dans des conditions de défaut définies.

Trois quantités sont contrôlées ensemble, et chacune d'entre elles peut déclencher un incendie :

• Tension, car une étincelle a besoin d’un potentiel suffisant pour combler l’écart entre les conducteurs.
• Courant, car l'énergie dans une étincelle de rupture augmente avec le courant et avec l'inductance du circuit.
• Puissance et température de surface, car une surface chaude peut enflammer un gaz sans aucune étincelle.

Les limites ne sont pas choisies par le concepteur. Chaque appareil de terrain certifié est publié avec les paramètres d'entité : tension d'entrée maximale Ui, courant d'entrée Ii, puissance d'entrée Pi, ainsi que capacité et inductance internes Ci et Li. La barrière ou l'isolateur à l'autre extrémité du câble publie des valeurs de sortie correspondantes Uo, Io et Po, tandis que le câble ajoute une capacité et une inductance pour chaque mètre de sa longueur. Une boucle n'est conforme que lorsque chaque paire s'aligne avec une marge disponible.

Les règles sont délibérément conservatrices. Les courbes d'allumage par étincelle sont appliquées avec un facteur de sécurité, généralement de 1,5, de sorte que la limite certifiée se situe déjà en dessous de l'énergie qui a enflammé le gaz lors des tests en laboratoire. Pour les gaz du groupe IIC tels que l'hydrogène et l'acétylène, un circuit typique reste inférieur à 30 V, près de 100 mA et une fraction de watt, tandis qu'une conception comparable pour le méthane peut en supporter sensiblement plus. Le T6 plafonne la température de surface à 85 degrés Celsius et le T4 à 135 degrés Celsius, bien en dessous de la température d'auto-inflammation des gaz qu'ils recouvrent.

Ce que contient réellement un circuit intrinsèquement sûr

Trois parties constituent une installation fonctionnelle, et toutes les trois doivent correspondre sur papier avant que l'une d'entre elles ne soit commandée.

L'appareil de terrain dans la zone classée

Il s'agit de l'instrument, interrupteur, bobine ou capteur exposé à l'atmosphère, et son marquage montre la tolérance aux pannes qu'il porte. Ex ia reste sûr avec deux défauts et est autorisé dans la zone 0, où une atmosphère inflammable est présente en permanence ou pendant de longues périodes. Ex ib couvre la zone 1 avec une faille, et Ex ic couvre la zone 2, où une atmosphère est improbable et de courte durée.

La barrière ou l'isolateur dans la zone sûre

L'appareil associé limite l'énergie qui atteint le champ. Une barrière Zener utilise des diodes shunt, un fusible et une résistance, et nécessite une terre de sécurité dédiée mesurée à moins de 1 ohm. Un isolateur galvanique fonctionne via des transformateurs ou un couplage optique et ne nécessite aucune terre de sécurité, c'est pourquoi il est souvent choisi là où la mise à la terre est difficile à prouver et à maintenir.

Appareil simple et contacts passifs

Tous les composants n’ont pas besoin d’un certificat qui leur est propre. La CEI 60079-11 autorise les appareils simples, définis comme un appareil qui ne génère ni ne stocke plus de 1,2 V, 0,1 A, 20 microjoules ou 25 mW. Les interrupteurs passifs, les thermocouples, les boîtes à bornes et les simples contacts de pressostats sont admissibles à condition que la boucle environnante soit déjà limitée en énergie. C'est là qu'un contrôleur de pression de réfrigération gagne sa place dans une conception : ses contacts partagent un boîtier avec un raccord de processus qui peut se trouver dans une zone classée, et comme ces contacts ne transportent qu'un courant de boucle limité, le boîtier n'a pas besoin de devenir un boîtier antidéflagrant.

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Le câble entre eux

Le câble est un composant et non un accessoire. Le câblage à sécurité intrinsèque est normalement gainé de bleu et séparé des circuits non IS de 50 mm ou par une cloison métallique mise à la terre, et sa capacité et son inductance par mètre sont saisies dans le calcul de la boucle.

Sécurité intrinsèque par rapport à d'autres méthodes de protection

La protection des zones dangereuses est une famille de techniques plutôt qu’une réponse unique. Le tableau ci-dessous place la sécurité intrinsèque aux côtés des méthodes avec lesquelles elle est le plus souvent mise en balance.

Là où la sécurité intrinsèque apparaît dans la réfrigération et la climatisation

Des réfrigérants inflammables ont déplacé le sujet de l'usine chimique vers la chambre froide. Le R290 et le R600a appartiennent au groupe A3, tandis que le R32 et le R454B appartiennent au groupe A2L, ce qui signifie que l'espace autour d'un appareil peut être classé là où une fuite est crédible. Une fois qu'une zone existe, les pièces électriques reliées à ce circuit doivent être protégées en conséquence.

Composants électriques à l'intérieur d'une enveloppe réfrigérante inflammable

Une bobine solénoïde qui s'ouvre sous charge produit exactement l'étincelle de coupure inductive pour laquelle les paramètres d'entité pour l'inductance ont été écrits, et un pressostat s'ouvrant sur un défaut fait de même. Les bobines, les interrupteurs et les capteurs sont donc choisis en tenant compte de la zone, et le calibre de la bobine est vérifié séparément du corps de la vanne. Une électrovanne de réfrigération telle que la série EVR est un exemple familier de corps sélectionné pour la pression, la compatibilité avec les réfrigérants et l'étanchéité, qui ne devient adapté à une zone classée que lorsqu'il est associé à un serpentin et un circuit correctement évalués.

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Le site conserve une brève note technique sur la façon dont Électrovannes de type EVR dans les circuits frigorifiques se comporter en service, ce qui constitue un point de départ utile pour ce contrôle.

Energie thermique et travail à chaud à proximité d'un circuit ouvert

La sécurité intrinsèque couvre l’énergie thermique ainsi que l’énergie électrique, et c’est dans les travaux d’entretien que cette distinction se fait sentir. Braser un joint sur un circuit qui vient d'être ouvert signifie une flamme, un tube chaud et du réfrigérant qui peuvent encore être présents dans la conduite. Les contrôles pratiques sont une purge à l'azote, un contrôle du gaz avant l'allumage du chalumeau et un chalumeau dont la flamme peut être maintenue à la taille dont le joint a réellement besoin plutôt qu'au réglage le plus grand disponible.

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De quelle quantité d’énergie parlons-nous réellement

Énergie d'inflammation des substances inflammables courantes

La figure 1 représente l'énergie d'inflammation de cinq substances présentes dans les usines de réfrigération et de transformation. L’hydrogène n’a besoin que d’environ 0,017 mJ, soit environ un seizième de l’énergie requise par le méthane. C'est pourquoi le même émetteur peut transporter une marge de courant confortable dans une usine de gaz naturel et échouer quand même au contrôle d'entité sur un skid à hydrogène, car le groupe gazier modifie la courbe sur laquelle le calcul s'effectue. Les chiffres expliquent également pourquoi la norme fonctionne en milliwatts, puisqu'un corps humain bien chargé peut libérer bien plus de 0,017 mJ. La conception pratique vise donc un fonctionnement en milliwatts, et c'est l'arithmétique derrière le facteur de sécurité de 1,5.

Énergie stockée dans le câble de connexion

La figure 2 convertit la capacité du câble en énergie stockée avec la relation familière demi-CV au carré à une tension de boucle de 24 V. Le câble d'instrument à environ 60 pF par mètre atteint environ 8,6 microjoules sur 500 m, tandis que le câble à usage général à 200 pF par mètre laisse passer 28,8 microjoules sur la même distance. La ligne pointillée marque l'énergie d'inflammation de l'hydrogène de 0,017 mJ, que le câble à usage général traverse à environ 300 m et que le câble d'instrument n'atteint jamais dans la plage indiquée. Ce croisement est la raison pour laquelle le type de câble, la longueur du câble et la tension de boucle appartiennent au schéma de contrôle au lieu d'être laissés à l'installateur. Cela explique également pourquoi l'échange d'un câble sur site contre un équivalent de capacité plus élevée est une modification de conception plutôt qu'une décision de maintenance.

Deux comparaisons qui décident d'un design

Quelle quantité de barrière consomme une boucle

La figure 3 prend un agencement courant, un émetteur 24 V consommant 20 mA d'une barrière évaluée à 28 V, 93 mA et 0,65 W, et montre la quantité de chaque limite consommée par la boucle. La tension est la contrainte la plus stricte à environ 86 pour cent, la puissance suit à environ 74 pour cent et le courant est à peine touché à environ 22 pour cent. Ce déséquilibre est normal, car les boucles en zone dangereuse sont presque toujours limitées en tension alors que la marge de courant semble généreuse. Cela est important lorsque quelqu'un souhaite ajouter un deuxième appareil à la même barrière ou allonger le trajet, car le budget de tension disparaît bien avant le budget actuel. Vérifier les trois paires, plutôt que celle qui semble confortable, est ce qui maintient une boucle certifiée.

Méthodes de protection selon cinq critères pratiques

La figure 4 note la sécurité intrinsèque, la protection antidéflagrante et la protection non incendiaire de un à cinq sur les critères qui déterminent habituellement un projet : adéquation à la zone 0, tolérance de maintenance sous tension, coût d'installation, simplicité de câblage et poids du matériel. La sécurité intrinsèque remplit la forme vers la zone 0 et la maintenance en direct, c'est pourquoi elle constitue la valeur par défaut pour les instruments qui doivent être calibrés pendant le fonctionnement de l'usine. La protection antidéflagrante s'étend vers la simplicité du câblage, car le boîtier fait le travail et aucun calcul de boucle n'est nécessaire, mais il obtient de faibles résultats en termes de maintenance en direct et de poids du matériel. La protection non incendiaire atteint les limites du coût et du câblage, car elle est uniquement destinée à la zone 2, où une atmosphère inflammable est peu probable et de courte durée. La lecture conjointe des trois formes donne la règle pratique : faites d'abord correspondre la méthode à la zone, puis laissez le coût et la maintenance choisir entre les méthodes admissibles.

La vérification est ce qui différencie une installation conforme d’une installation qui semble simplement convaincante. Avant qu'une boucle ne soit mise en service, vérifiez le numéro de certificat et le marquage sur l'appareil, confirmez que Uo est égal ou inférieur à Ui, que Io est égal ou inférieur à Ii et que Po est égal ou inférieur à Pi, puis ajoutez la capacité et l'inductance du câble par rapport à Co et Lo. Lisez également les conditions particulières imprimées après le numéro de certificat, car elles portent souvent un X et une restriction sur la manière dont l'appareil peut être utilisé. Enfin, confirmez la classe de température par rapport au gaz ou à la vapeur réellement présents, car un appareil classé T4 n'est pas automatiquement acceptable lorsqu'une limite T6 a été fixée.

La sélection des composants détermine généralement la facilité avec laquelle cet exercice devient. Un pressostat avec les paramètres d'entité publiés, une bobine solénoïde conçue pour la zone et un câble dont la capacité est indiquée sur la fiche technique transforment un calcul difficile en une courte liste de contrôle. Lorsqu'un projet mélange des circuits de réfrigérants inflammables avec des zones classées, il vaut la peine de revoir la liste des composants par rapport au calcul de la boucle dès le début, avant que les dessins ne soient fixés.

Si vous spécifiez des pièces pour un système comme celui-ci, parlez à notre équipe d’ingénieurs sur le réfrigérant, la zone et la tension de contrôle avant de passer la commande.