Защита от перенапряжений для нефтяных, газовых и нефтехимических предприятий: выбор оборудования для взрывоопасных зон и агрессивных сред

Нефтяные, газовые и нефтехимические предприятия сталкиваются с двумя проблемами, которые редко встречаются вместе в других отраслях: взрывоопасными средами, строго ограничивающими выбор оборудования и методы его монтажа, и протяжёнными наружными кабельными трассами, через которые удары молнии и коммутационные перенапряжения проникают глубоко в систему управления. Поэтому защита от перенапряжений в нефтехимической отрасли — это не только электротехническое, но и вопрос соответствия нормативным требованиям: установка неправильного устройства в неподходящем корпусе или с неверным сертификатом попросту недопустима.

В данной статье объясняется, как в подобных предприятиях обычно осуществляется выбор устройств защиты от перенапряжений (УЗП): в чём заключаются различия в подходе к взрывоопасным и невзрывоопасным зонам, почему модуль УЗП не является автоматически оборудованием с взрывозащитой Ex‑сертификации, а также как коррозионно‑агрессивные среды, наружные шкафы, длинные цепи сигнальных линий 4–20 мА и система заземления предприятия влияют на формирование окончательного решения.

Ключевые выводы

• Классификация зон (зоны 0/1/2, 20/21/22) определяет правила монтажа; она не изменяет физические характеристики перенапряжения, но устанавливает ограничения на места и способы установки устройств защиты от перенапряжений.
• Модуль SPD по умолчанию не обладает Ex‑сертификацией — именно комплектное исполнение, включающее корпус, вводы, проводку и систему заземления, получает маркировку Ex.
• Длинные цепи тока 4–20 мА и заземляющая сеть предприятия обычно оказывают большее влияние на защиту со стороны сигнала, чем любые другие факторы.
• Область действия сертификата устанавливается на основе документации по модели и проектной спецификации, а не предполагается исходя из названия семейства продуктов.

Содержание

1. Опасные и неопасные зоны: два разных свода правил
2. СДПГ — это не свидетельство об исключении
3. Распределение электроэнергии: от подстанции до полевых шкафов
4. Сигналы приборов, 4–20 мА‑петли и заземляющая сеть
5. Коррозионно-агрессивные атмосферы и наружные шкафы
6. Распределение рисков по всему заводу
7. Контрольный список отбора
8. Часто задаваемые вопросы

Опасные и неопасные зоны: два разных свода правил

Каждое предприятие начинается с разработки планов классификации зон. Места, где возможно присутствие горючих газов или паров, классифицируются как зоны 0, 1 или 2, а места с горючей пылью — как зоны 20, 21 или 22 в соответствии с серией стандартов IEC 60079, регламентирующих взрывоопасные среды. Подстанции, центры управления электродвигателями и административные здания, как правило, располагаются за пределами этих зон, в так называемой «безопасной» или «небезопасной» зоне.

В отношении защиты от перенапряжений это разделение имеет практическое следствие: большинство устройств защиты от перенапряжений размещается в небезопасной зоне. Главные распределительные щиты, мотор‑коммутационные аппараты и распределительные шкафы являются типовыми промышленными установками, и применяется обычный поэтапный подход: устройства типа 1 — у вводов в здание, где ожидается частичный ток молнии; устройства типа 2 — ниже по цепи. Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем переменного тока регулируются… МЭК 61643-11 , а выбор осуществляется по той же логике напряжения и координации, что и на любом промышленном объекте.

Внутри взрывоопасной зоны правила меняются. Ничего не устанавливается, если его конструкция, сертификация и метод монтажа не допускаются для данной зоны. Поэтому устройство защиты от перенапряжений для взрывоопасных зон — это не просто позиция в каталоге, а конкретное решение: модуль УЗИП, размещённый внутри сертифицированного взрывозащищённого корпуса или распределительной коробки, с использованием сертифицированных кабельных вводов, надлежащей системой экранирования и документацией, соответствующей зоне, группе газов и классу температуры, указанным на карте классификации зоны.

Зонирование обычно проводится параллельно оценке риска молнии на объекте. Если сооружения входят в зону действия внешней системы молниезащиты, соответствующей стандарту IEC 62305, уровень молниезащиты и образующиеся зоны молниезащиты определяют допустимую величину частичного тока молнии, которую может пропускать каждая граница; это, в свою очередь, позволяет решить, какие устройства — типа 1, типа 2 или комбинированные — целесообразно применять на каждом вводе. На объектах, не имеющих официальной оценки риска, как правило, заказывают такую оценку до окончательного утверждения концепции УЗИ, поскольку последующая корректировка и согласование значительно более затруднительны, чем её учёт на стадии проектирования.

СДПГ — это не свидетельство об исключении

Этот момент заслуживает особого внимания, поскольку именно он является наиболее распространённым заблуждением в сфере закупок. Модуль УЗИП, прошедший испытания в соответствии со стандартом IEC 61643, продемонстрировал надёжность при перенапряжениях; однако это не означает, что он по умолчанию пригоден для эксплуатации во взрывоопасных средах. Если только конкретная модель не снабжена собственным сертификатом и маркировкой Ex, сам модуль относится к обычному промышленному оборудованию.

На практике соответствие требованиям Ex‑сертификации достигается на уровне сборки. Сертификацию несёт корпус или распределительная коробка; сальники и заглушки сохраняют концепцию защиты; монтаж проводки и заземления осуществляется в соответствии с правилами установки; а вся установка выполняется и проверяется в рамках проектной Ex‑системы — например, в соответствии с международным стандартом IEC 60079 либо с Директивой ATEX 2014/34/EU в пределах ЕС. Внутренний УЗИП является одним из компонентов такого сертифицированного решения, а не обладателем сертификата.

Это также означает, что «взрывозащищённость» не рассматривается как обязательный стандартный параметр любого устройства защиты от перенапряжений. Приемлемость конкретного решения УЗИП для взрывоопасной зоны определяется областью действия сертификата на корпус и компоненты, зоной и группой газов, указанными в проектной документации, а также собственными техническими требованиями проекта. Если проект предусматривает использование сертифицированного оборудования, соответствующий сертификат и условия его эксплуатации проверяются по документации модели перед размещением заказа — наш… Страница сертификатов перечисляет доступную документацию по каждой продуктовой линейке.

Распределение электроэнергии: от подстанции до полевых шкафов

Распределение электроэнергии на объекте обычно осуществляется от ввода среднего напряжения через блочные подстанции к распределительным устройствам низкого напряжения, а оттуда — к полевым распределительным щитам, аналитическим зданиям и наружным шкафам. Каждый этап перехода является потенциальным местом установки устройства защиты от перенапряжений (УЗП), а согласованность между этими ступенями позволяет поддерживать остаточные уровни напряжения на потребителях в пределах допустимых значений.

На главных распределительных щитах низкого напряжения обычно устанавливаются устройства типа 1 или комбинированные устройства типов 1 и 2, если на объекте предусмотрена внешняя молниезащита либо имеются воздушные линии электропередачи. На последующих уровнях — в распределительных щитах и полевых шкафах — применяются устройства типа 2, соответствующие местному значению питающего напряжения и схеме заземления. Такие продуктовые линейки, как… Устройства защиты от перенапряжений для переменного тока Охватываются эти позиции; окончательные оценки формируются на основе однолинейных схем проекта, а не на основе общих допущений.

Два локальных проверочных мероприятия заслуживают особого внимания. Во‑первых, на объектах с когенерацией или крупными приводами наблюдаются частые внутренние переключательные перенапряжения; поэтому необходимо проверять координацию УЗИП по энергетическим параметрам с защитой выше по цепи и с учётом реальных предполагаемых уровней токов короткого замыкания, а не исходить из догадок. Во‑вторых, удалённые полевые щиты, питаемые по длинным кабельным трассам, по своим электрическим характеристикам ведут себя как отдельные сооружения: повышение местного потенциала заземления при молнии может оказывать негативное воздействие на оборудование даже при исправной работе защиты подстанции; именно поэтому на уровне объекта так широко применяется защита типа 2 в проектах по защите от перенапряжений в нефтехимической отрасли.

Сигналы приборов, 4–20 мА‑петли и заземляющая сеть

Инструментирование — это та область, где повреждения от перенапряжений в технологических установках проявляются наиболее часто. На предприятии может насчитываться тысячи цепей 4–20 мА, протянутых от полевых преобразователей по многожильным кабелям к системе управления; при этом отдельные участки длиной в несколько сотен метров прокладываются по трубопроводным эстакадам и на открытых площадках. Такие кабели служат эффективными антеннами для перенапряжений, индуцированных молнией, а входно‑выходные карты, к которым они подключены, относятся к числу наиболее чувствительной электроники на объекте.

Сигнальные УЗИ для этих контуров выбираются из семейств, адресуемых посредством МЭК 61643-21 , который охватывает устройства защиты от перенапряжений для телекоммуникационных и сигнальных сетей. Для цепей 4–20 мА практическими проверками являются номинальное напряжение УЗИ относительно питающего напряжения контура, его последовательное сопротивление и ток утечки (чтобы точность контура не нарушалась), а также номинальный ток импульса, соответствующий уровню воздействия на участке трассы. Такие серии, как Сигнальные и информационные УЗИП Соответствия каждому интерфейсу указаны в техническом паспорте, включая цифровые входы/выходы, полевые шины и коммуникационные линии, где они предусмотрены.

Размещение осуществляется в соответствии с трассой кабеля. Стандартной практикой является установка сигнального УЗИП у входа в шкаф управления; при протяжённых прокладках по открытой территории завода нередко дополнительно устанавливается второй УЗИП на полевом конце — как правило, внутри распределительной коробки, поскольку именно разности потенциалов заземления между двумя концами создают наибольшую нагрузку на контур. Внутри взрывоопасных зон указанный УЗИП на полевом конце размещается в сертифицированном корпусе, описанном выше.

Заземляющая сеть объединяет всё это в единое целое. На предприятиях конструкционная сталь, кабельные лотки, заземление измерительных приборов и защитное заземление соединяются в общую сеть, и каждый ограничитель перенапряжений отводит свой ток перенапряжения именно в эту сеть. Философия заземления экранов, разделение шин измерительного и защитного заземления, а также трассировка соединительных проводников — всё это определяется проектным решением: ограничитель перенапряжений, подключённый к длинному индуктивному заземляющему проводу, не обеспечит уровень остаточного напряжения, указанный в его паспортных данных, независимо от его номинальных характеристик.

Помимо аналоговых петель, в полевых условиях оборудование всё чаще опирается на цифровую инфраструктуру: сегменты полевой шины, последовательные соединения с системами анализа, видеонаблюдение по оптоволоконным и медным линиям, а также промышленный Ethernet для удалённых вводов‑выводов. Каждый из этих интерфейсов обладает своими собственными уровнями напряжения и ограничениями по пропускной способности; поэтому при выборе УЗИП акцент смещается на коэффициент затухания, коэффициент отражения и тип разъёма, а не на сопротивление петли. Тем не менее логика размещения остаётся прежней — защищать места пересечения линий зонных границ и концы длинных участков, находящихся под открытым небом.

Коррозионно-агрессивные атмосферы и наружные шкафы

Помимо вопроса о взрывоопасности, химические предприятия и прибрежные объекты подвергают аппаратуру постоянному воздействию агрессивных сред. Сероводород, хлор, аммиак и воздух, насыщенный солью, вызывают коррозию клемм, корпусов и систем покрытий, причём многие зоны установок защиты от перенапряжений — резервуарные парки, погрузочные эстакады, причальные сооружения — находятся полностью на открытом воздухе. Категория коррозии для каждой такой зоны определяется проектной спецификацией, нередко с привязкой к классификациям стандарта ISO 12944.

В случае защиты от перенапряжений это переключает внимание с модуля на его корпус: материал оболочки (оцинкованная сталь, нержавеющая сталь или стеклопластик — в зависимости от требований), степень защиты от проникновения пыли и влаги, материал вводных вводов и конструкция клемм. Внутренний модуль УЗИП, как правило, является стандартным; изменяются лишь система корпуса и детали монтажа, обеспечивающие герметичность и предотвращение попадания внешней среды на протяжении эксплуатационного ресурса 15–25 лет.

Наружные шкафы также подвергаются одновременному воздействию нескольких факторов — температурным циклам, конденсации, вибрации вблизи вращающегося оборудования и длинным кабельным трассам, о которых уже говорилось. Поэтому при выборе обычно уточняют рабочий температурный диапазон, тип корпуса и покрытия с учётом категории коррозионной стойкости, а также удобство обслуживания: разъёмные модули УЗИП с индикацией состояния позволяют производить их замену во время плановых проверок без переподключения проводов, что особенно важно, если шкаф установлен в зоне с режимом секретности, где на любое вмешательство требуется соответствующее разрешение.

Режимы инспекции дополняют общую картину. Индикаторы состояния модулей и контакты дистанционной сигнализации обычно включаются в плановые проверки технического обслуживания установки и в списки тревог системы управления технологическим процессом (СУП), благодаря чему ухудшение работы модуля выявляется во время рутинных проверок, а не после очередного сезона штормов. В зонах с классификацией это особенно важно, поскольку каждое физическое вмешательство требует проведения газоаналитических замеров, получения соответствующих разрешений и иногда — изоляции соседнего оборудования; удалённый мониторинг состояния позволяет значительно сократить число случаев вскрытия защитного корпуса.

Распределение рисков по всему заводу

Приведённая ниже таблица отражает типичное распределение риска всплеска и направленности мер защиты по основным зонам предприятия. Данная таблица служит вспомогательным инструментом планирования; окончательную юридическую силу сохраняют схемы классификации зон и проектная документация.

Примечание: уровни риска и стадии защиты носят ориентировочный характер. Фактическое зонирование, оценка воздействия и выбор устройства защиты от перенапряжений определяются на основе результатов оценки риска молнии и документации по классификации зон объекта.

Контрольный список отбора

Приведённый ниже контрольный список структурирует вопросы, на которые обычно отвечают перед тем, как определить решение СПД для объекта нефтегазовой или нефтехимической отрасли. Значения зависят от конкретного проекта и уточняются на основе технических паспортов и сертификатов.

Примечание: данный контрольный список предназначен для поддержки инженерной экспертизы и обсуждения вопросов закупок. Он не заменяет проектную спецификацию, досье по верификации взрывоопасных зон или условия эксплуатации, указанные в сертификате.

Примечание по инженерной экспертизе: Стандартные справочные материалы (IEC 61643‑11/21, серия IEC 60079, ATEX 2014/34/EU, ISO 12944) и описания схем проверены на соответствие. Ни один из представленных в данной статье продуктов по умолчанию не обозначен как «Ex‑сертифицированный» или «взрывозащищённый»; все требования, связанные с маркировкой Ex, указаны как вопросы, подлежащие уточнению на основе проектной документации и сертификационных материалов конкретной модели. Рейтинги приведены в виде правил выбора, поскольку окончательные значения зависят от конкретного проекта.

Часто задаваемые вопросы

Подходит ли стандартный УЗО для непосредственной установки в зоне 1 взрывоопасной среды?

Стандартный модуль УЗО сам по себе не является оборудованием, сертифицированным в соответствии с требованиями взрывозащиты. В зонах с повышенной опасностью он обычно устанавливается внутри сертифицированного взрывозащищённого корпуса или распределительной коробки, с использованием сертифицированных вводных устройств и систем заземления, являясь частью комплексной установки, выполненной в соответствии с проектными требованиями по взрывозащите. Любая маркировка «Ex» распространяется исключительно на соответствующую сертифицированную сборку или модель, указанную в её сертификате.

Изменяет ли SPD сертификацию Ex для моих приборов или цепей?

Контур и его приборы по‑прежнему регламентируются документацией поставщика оборудования и проектным эксплуатационными требованиями. Установка устройств защиты от перенапряжений является инженерным изменением, которое должно быть рассмотрено в рамках процедуры утверждения проекта, а область действия сертификата для каждого компонента следует подтвердить на основании соответствующей модельной документации.

Где следует устанавливать устройство защиты от перенапряжений для петли 4–20 мА?

Обычно устанавливают устройство защиты от перенапряжений (УЗП) на вводе в шкаф управления, а при протяжённых кабельных трассах, проходящих через открытые участки производства, — ещё одно УЗП на полевом конце, как правило, внутри распределительной коробки. Утечка, последовательное сопротивление и номинальное напряжение УЗП подбираются в соответствии с параметрами цепи, чтобы не ухудшать характеристики измерений.

Как коррозионная атмосфера влияет на выбор СПД?

Коррозионно‑агрессивные газы и прибрежная атмосфера оказывают влияние преимущественно на корпуса, клеммные колодки и покрытия, а не на электрические характеристики модуля УЗИП. Для наружных шкафов обычно предусматриваются соответствующие материалы, степень защиты от проникновения загрязняющих веществ и системы покрытий; при этом в проектной документации устанавливается соответствующая категория коррозии.

Какая информация необходима для выбора решения УЗИП для взрывоопасных зон?

Практичным исходным комплектом являются классификация зон (зона, группа взрывоопасных газов, температурный класс), типы сигналов приборов и количество цепей, рабочие напряжения системы и схема заземления, а также условия окружающей среды и сертификаты, требуемые проектом. Эти данные можно передать через нашу… Страница контактов для поддержки выбора.