Electric Equipment protection in dangerous areas

أكرم صادق الخزاعي – ماجستير تكنلوجيا التعليم الهندسي / الهندسة الكهربائية

مقدمة :

ابتدا التفكير في موضوع (حماية الاجهزة الكهربائية في المناطق الخطرة) بعد اكتشاف الكهرباء وبالتحديد عند دخول الكهرباء واستخداماتها في مناجم الفحم الحجري في اوروبا لاسيما مع وجود خطر تراكم غاز الميثان وغبار الفحم الحجري فيها . حيث حدث انفجارين في منجمين للفحم في بريطانيا اوائل القرن المنصرم بسبب جرس كهربائي داخل المنجم كانت اسلاكه بالية مما ادى الى حصول شرارة كهربائية وانفجار ومن ثم حريق .

تعريف المنطقة الخطرة

يمكن ان تعرف المنطقة الخطرة بانها المنطقة التي يمكن ان تحتوي على تراكيز او نسب من الغازات والابخرة والاتربة القابلة للاشتعال .

يتطلب من الاجهزة الكهربائية التي تنصب في هذه المناطق ان تكون مصممة ومفحوصة او مختبرة للعمل بشكل خاص في هذه المناطق بحيث لا تسمح بحدوث أي انفجار نتيجة للقوس الكهربائي او تماس هذه الغازات او الابخرة او الاتربة مع الاسطح الحارة لها .

ان الاجهزة الكهربائية او الالكترونية التي تنصب في المعامل الكيمياوية والبتروكيمياوية تصمم بحيث تقوم بأحتواء أي انفجار ضمن او داخل هذه الاجهزة او تصمم بحيث لا تنتج اية شرارة بطاقة كافية لاحداث انفجار .

ان ستراتيجيات كثيرة وجدت لحماية التنصيبات والاجهزة الكهربائية في هذه المناطق . ابسط هذه الستراتيجيات يتمثل في تقليل عدد الاجهزة المنصوبة في هذه المناطق او ابعادها عن المناطق الخطرة (وضعها في غرف محمية) او بتقليل الخطر الممكن حدوثه وذلك باجراء التحسينات المطلوبة في العملية الانتاجية او استخدام التهوية (بالهواء النظيف) .

المعدات المحيمة جوهريا او حقيقا (Intrinsically safe) وطرق التسليك المثالية هي ممارسات جيدة تتعلق بتصميم الاجهزة او المعدات بحيث يتم تقليل مستويات القدرة الكهربائية والطاقة المخزونة الى اقل حد .

حاويات هذه الاجهزة (enclosures) تصمم لتحتوي على هواء نقي او غاز خامل مضغوطان .

الاجزاء المسببة للقوس الكهربائي في الجهاز يمكن ان تعزل عن المحيط الجوي بالكبسلة او الغمر بالزيت او الرمل وغيرها من مواد .

الاجزاء المنتجة للحرارة مثل ملفات المحركات والمسحنات الكهربائية وتأسيسات الاضاءة تصمم عادة بحيث يتم تحديد الحرارة القصوى التي تنبعث من هذه الاجهزة الى الحدود الدنيا والى درجات اقل من درجة الاتقاد الذاتي (auto ignition) للمواد المحيطة .

لقد وضعت الكثير من الدول معاييرا وطرقا لفحص الاجهزة في المناطق الخطرة وبطرق متعددة الا ان هذه الطرق والمعايير لم توحد لحد الان .

تصنيف المناطق الخطرة Classification of Hazardous Areas :

ان عملية تصنيف المناطق الخطرة تتم عند بناء اي مجمع كيمياوي او بتروكيمياوي . حيث تشتمل على عدة عمليات واجراءات تشترك فيها جميع الاقسام ومنها المشغلون ومهندسو الصيانة وخبراء كل من السلامة والكهرباء والسيطرة والنظم . كما يتم وضع قائمة بالمواد الكيمياوية او الصناعية الخطرة التي سيتم التعامل معها وتراكيزها وانواعها او تصنيفاته ودرجات الحرارة الخاصة بها .

عند التخطيط لبناء مجمع كمياوي أو بتروكمياوي جديد يبرز السؤال على كيفية تحديد المناطق الخطرة في المجمع ومنذ المراحل الأولى للتخطيط والتصميم، يمكن الإطلاع على العديد من الأمثلة للمناطق الخطرة والمفصلة في كتيبات التعليمات الفنية للمناطق الخطرة ويعطى لهذه المناطق أهمية خاصة لدى شركات التأمين على المجمعات الكمياوية والبتروكمياوية مما يستوجب تحديدها بدقة ومراعات ضوابطها منذ مراحل التخطيط الأولى لأي مشروع ، وبذلك يتم تحديد وبكل دقة الأماكن العامة الصناعية في المجمع من المناطق الخطرة ويتم تثبيتها على الخرائط والمصادقة عليها من جهات متخصصة ومخولة وفي ذلك أهمية على سلامة الأفراد والمعدات أضافة الى أنعكاسها على كلفة المشروع.

وفي المعامل الصناعية الكبيرة مثل المصافي والعمليات الكيماوية فان التعامل مع كميات كبيرة من السوائل والغازات القابلة للانفجار يخلق خطر التسرب. وفي بعض الحالات فان الغاز والبخار القابل للانفجار والتراب يكون موجودا على طول الوقت او لفترة طويلة .مناطق اخرى ربما تحتوي كميات او تراكيز خطرة من المواد القابلة للاشتعال فقط في حالة وجود اضطراب العمليات او تدهور المعدات بين فترات الصيانة او خلال حادث معين .

لذا فان المصافي والمعامل الكيمياوية تصنف الى مناطق اعتمادا على خطر تسرب غاز او بخار او غبار قابل للاشتعال . وتعرف على انها تقسيمات (Divisions) او مناطق (Zones) .

اما عملية تحديد نوع الخطر في هذه المناطق فيدعى بالتصنيف (Class) والتصنيف الثانوي الاخر والذي يعبر عن مواصفات المادة كمياويا فهو المجموعة (Group) . بالاضافة الى ذلك تم تقسيم او تصنيف الاجهزة بحسب الحرارة الداخلية للجهاز وعلاقتها بدرجة اتقاد الغازات والابخرة المحيطة بالجهاز . وايضا يوجد تصنيف مهم اخر له علاقة بمقدار او طبيعة تحمل الجهاز للضروف الجوية المحيطة من رطوبة وامطار او فيضانات .

1– التقسيم حسب المناطق (Divisions and Zones)

بشكل عام قسمت المناطق الخطرة في الصناعة النفطية على أساس عاملين اساسين هما تواتر أو توقع وجود خليط للغازات قابلة للاشتعال أو للانفجار وأمد بقاء وجود خليط الغازات القابلة للاشتعال أو للانفجار في كل مرة .

حسـب المفهـوم أعـلاه قسمـت ألمانيا والدول الأوربية المناطق الخطرة الى ثلاث مناطق (Zone 0, Zone 1 & Zone 2) بينـما قسمت في الولايـات المتحدة الأمريكية الى قسمين هما (Division 1 & Division 2) .

المنطقة رقم (صفر) (Zone 0) : تعرف بأنها المنطقة التي يتواجد فيها خليط غازي قابل للاشتعال بصورة مستمرة أو بصورة طويلة نسبيا .(اكثر من 1000 ساعة/سنة) .
المنطقة رقم (1) (Zone 1) : تعرف بأنها المنطقة التي من المحتمل أن يوجد فيها خليط غازي قابل للاشتعال في حالات التشغيل الاعتيادية ولفترات طويلة (من 10-1000 ساعة/سنة) .
منطقة رقم (2) (Zone 2) : تعرف بأنها المنطقة التي من غير المحتمل أن يوجد فيها خليط غازي قابل للاشتعال في حالات التشغيل الاعتيادية، وان حدث ووجد مثل ذلك الخليط الغازي فسيكون ذلك لفترة قصيرة جدا .(10 ساعات/سنة).

2– التصنيف حسب نوع الخطر (Class) :

– مزيج الهواء مع غازات او ابخرة قابلة للاشتعال هو من الصنف Class I

– مزيج من الهواء مع غبار قابل للاشتعال هو من الصنف Class II

– مزيج من الهواء مع الياف وانسجة متطايرة هو من الصنف Class III

تعرف المواد الهيدروكاربونية التي تتعامل بها الصناعة النفطية بأنها تلك المشمولة بالفئة واحد (Class I) . وان هذه الفئة تتعامل فقط مع المخاطر الناتجة عن الغازات والأبخرة ورذاذ مواد الهيدروكاربونية القابلة للاشتعال التي تقع ضمن هذه الفئة ولا تتعامل مع الغبار Dusts او الغزول او الألياف والمواد المتطايرة Fibers & Flyings حيث أن لها تغطية خاصة بالمعايير والمواصفات العالمية كونها مشمولة بالفئة اثنين والفئة ثلاثة Class II & Class III حسب المواصفات NECالأمريكية، في حين أن موضوعنا يغطي الفئة واحد فقط Class I .

على كل حال مع قليل من الاختلاف بالتعريف فان القسم (1) (Division 1) المحدد في المعايير الأمريكية يشمل ويحوي المنطقتين رقم (صفر) ورقم (1) (Zone 0 & Zone 1) حسب المعايير الأوربية والألمانية .

3– التصنيف حسب المجاميع (Group) :

الاستيلين : المجموعة Group A

الهيدروجين : المجموعة Group B

الايثيلين : المجموعة Group C

البروبان : المجموعة Group D

الغبار المعدني : المجموعة Group E

غبار الكربون : المجموعة Group F

الدقيق او الطحين وغبار الشعير والحبوب الاخرى : المجموعة Group G

أن أهمية تصنيف المعدات حسب مجاميع الغازات التي تستخدم في مناطق تواجدها تكمن في تحديد الأبعاد المناسبة لأطوال مسارات اللهب (Flame Paths) والفجوات (Gaps) لكافة الفتحات الموجودة في المعدة، بحيث تسمح للغازات المتفجرة داخل المحتوى بالتبريد بشكل كافي من خلال تمددها وخروجها من تلك الفتحات بحيث لا تشكل خطرا او مصدرا لاتقاد الغازات والأبخرة المتواجدة في المحيط الخارجي .

4- التصنيف حسب الحرارة (Temperature Classifications)

يمكن أيقاد خليط للهواء مع غازات قابلة للاشتعال بواسطة الأسطح الساخنة للأجهزة وللمعدات عندمـا تصل درجة حرارة سطحها الى درجة اتقاد ذلك الخليط او بواسطة شرارة كهربائية بقدرة كافية.

لقد صنفت درجة الحرارة القصوى للسطوح الى ست فئات من T1 الى T6 بدرجات حرارة من 450 الى 85 درجة مئوية كما في المواصفات الأوربية والبريطانية و IEC في حين جزئت فئة الحرارة T2 الى أربع فئات أخرى هي A و B و C و D كما جزئت فئة الحرارة T3 الى ثلاث فئـات أخرى هي A و B و C وجزئت فئة الحرارة T4 الى فئة أخرى هي A حسب المواصفات الأمريكية وكما مبين بالجدول . إن التصنيف الحراري يؤشر درجة الحرارة القصوى لكل سطح غير محمي عند التشغيل الاعتيادي للأجهزة والمعدات مع الأخذ بزيادة الحمل المسموح بها بنظر الاعتبار. جرت العادة تحديد الزيادة بدرجة حرارة الأسطح 80% من درجة الحرارة القصوى كعامل آمان .

أن الدرجة القصوى للأسطح محسوبة على أساس درجة حرارة المحيط Ambient Temperature بـ 40 درجة مئوية فعند استعمال الأجهزة والمعدات بدرجة حرارة للمحيط أعلى من 40 درجة مئوية فيجب أن يؤخذ ذلك بنظر الاعتبار .

وحسب مواصفات أل VDE في ألمانيا استعملت خمس فئـات لدرجـة الاتقـاد رمـز لها بـ (G1 to G5) وهذا حتى الوقت الذي اعتمدت فيه المعايير والمواصفات الأوربية وهي معادلة لفئات الدرجات (T1 – T5) آنفة الذكر .

أدناه جدول بفئات الحرارة الست (T1 – T6) المعتمدة :

Maximum Surface Temperature in C	Temperature Class
450	T1
300	T1
200	T3
135	T4
100	T5
85	T6

5- التصنيف الحماية من الدخول او الانحشار (Ingress Protection Codes) :

حيث يتالف هذا الرمز من رقمين متبوعين بالمختصرين (IP) وكما في الجدول التالي

مثال عملي يوضح تصنيف
المناطق الخطرة

تبين الأمثلة التالية المصادر المحتملة للخطر في المواقع النفطية المختلفة وسمات تلك المواقع بالنسبة للظروف التي هي فيها والمحيطة بها وكذلك سمات المادة الهيدروكاربونية المتعامل معها.

الرسم لخزان بسقف ثابت يحوي غازات و أبخرة ثقيلة