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本質安全回路のアセスメントの基本テクニック

by Sean Clarke, Compliance Engineer, Epsilon Technical Services Limited

翻訳: T.Sato

概要

爆発性雰囲気中での電気機器の使用を安全とするためには、 何らかの種類の保護を与えなければならない。 機器を ATEX 指令 (欧州での使用のために) と 国際的な要求のいずれによって確認するかにかかわらず、 基本的な方法論は同一である。 低電力機器 (計装などの) のために最も普通に用いられる概念の１つは 「本質安全」である。 この概念は、爆発性雰囲気が継続的に存在する場合の、 「ゾーン 0」認証 (あるいは ATEX カテゴリー 1) の達成のために適用できる。 この理由からこの概念は最も安全な形態の保護の１つであると見倣されるが、 最も適用が困難な概念の１つでもある。

本質安全は、その電気装置が 可燃性ガスの着火を引き起こすために充分なエネルギー ――熱的なものであれ電気的なものであれ―― を放出することが不可能であるように設計されることに基づく。 様々なガス群を着火させるために必要なエネルギーは 試験によって確認されている。 このデータのグラフが作成されており、 安全なレベルのエネルギーを示すために用いることができる。

着火を引き起こすには非常に僅かなエネルギーで充分である ―― 例えば、空気と水素の混合物は 20μJ のエネルギーしか必要としない。 電気回路においては、着火エネルギーの放出のメカニズムは 以下のいずれか１つ以上となる：

この記事は、安全なレベルへの電力の制限の基本的な電気的検討を行なうものである。 この記事はその主題の概観を意図しており、 設計や確認のプロセスに際して必要となる多数の安全要素は検討しない。 言及された安全要素、グラフ、及び表は、 本質安全に関する英国／欧州規格 (EN50020:1994、及び EN50014:1992) を参照するものである。

抵抗性の本質安全回路

リアクティブでない (非誘導／容量性の) 回路には、 アークとして放出されるような蓄積エネルギーはない。 従って、主な検討点は、その回路内のエネルギーの量である。 本質安全機器のための電力は、通常は バッテリー、ツェナー・バリア、あるいは電気的アイソレータから供給される。 バッテリーは、電力線への接続を可能とするために本質安全で広く用いられている。 それらは、危険な領域の機器への 電圧と電流の双方 (すなわち電力) を制限するために用いられる。 もし回路がいかなる蓄積エネルギーも持たないことが証明でき、 それへの電圧と電流が安全であることが証明されたならば、 その回路は電気的に安全となるであろう。 (その動作に際しての発熱による着火が起き得ないように、 コンポーネントの熱的データのアセスは依然として必要であろう。)

典型的なバリアを次に示す:

Zener Barrier

この種の分流ダイオード安全バリアでは、 その入力に危険な電圧が現れた場合、そのダイオード (１つが故障した際にもバリアが機能し続けるように、 二重化 (i.b)、もしくは三重化 (i.a) される) が ヒューズが回路を開くまで電圧を下げ続けるように動作するであろう。 着火を引き起こすのに必要なレベル以下に 短絡回路電流を抑えるために抵抗が追加されている。 ヒューズが開放するようなストレスが与えられた際に そのバリア全体の交換が必要となるように、そのデバイス全体が一体化されている。

このようなツェナー・バリアは認証機関によって試験され、 次のようなパラメータが与えられるであろう：

28V
93.3mA
0.565W (整合電力 V2/4R から導かれる)

これは、接続される回路の最悪条件での消費電力の計算の手順を簡略化する。

リアクティブ回路のアセス

我々が回路の安全性を検討する際には、最も厄介な条件が用いられる。 スパークとして放出され得るコンデンサ内の蓄積エネルギーは明白な問題である (そのエネルギーが電源の抵抗性安全保護をバイパスすることから)。 分析では２種類のコンデンサが検討される ―― 抵抗なしに放電できるコンデンサ、そして抵抗を通してのみ放電できるコンデンサ。

最悪条件は、全ての回路容量が並列に接続されており、 かつそれらが最悪の許容差を持つ場合である。

並列に加算された最悪の許容差の総抵抗は最低の抵抗性保護を与えるであろう。 これは、最小の抵抗性保護を持つ、最大の容量を与えることになる。 典型的な等価回路を次に示す。

Capacitive Circuit

C1: 追加された抵抗を通さない全回路容量 (許容差を加える)
C2: 追加された抵抗を通す全回路容量 (許容差を加える)
RT: C2 に作用する全回路抵抗を並列としたもの (許容差を引く)

その後、それが危険な条件があるかどうかを見るために、 これらの簡略化された値を 裏付けられた試験データのグラフで調べることができる。 その代わりに、分析対象回路の等価容量に対応する単純な回路を作ることもできる。 次に、この回路は、「スパーク試験装置」や「ブレーク放電装置」として知られる 適当な試験装置で試験できる。 (これは、その接点への給電をその等価回路からのものとした、 爆発性のガス混合物内での接点のメークとブレークを伴うプロセスである。)

誘導性回路も最悪条件を与えるように計算され、 これはあり得る最大のインダクタンスをシミュレートするために 「コア」を動かすことを伴うかも知れない。

回路内のエネルギーに影響し得るその他のコンポーネントは個々に試験できる。 この例は、その出力を記録するための衝撃試験が行なわれるピエゾ効果デバイスである。 (そのデバイスからのエネルギー出力 1/2CV2 は 着火を引き起こすために必要なエネルギーよりも小さくなければならない。)

実際の分析

実際の回路において、全てのコンポーネントが最悪条件の組み合わせで加算された時に その回路が着火を引き起こし得ることがわかるかも知れない。 回路は、コンポーネント接続の組み合わせを限定するための 様々な設計テクニックの適用によって安全にできる。 その主要な安全コンポーネントを高信頼 (infallible) であると見倣せるように 回路を設計することが可能である。 理屈の上では、その二重化と最悪条件下での定格の 2/3 以内での動作によって、 コンポーネントの高信頼性を手に入れることができる。 ３つの電圧阻止ダイオードが直列に接続されているならば、 その電圧の阻止は高信頼であるものと見倣すことができ、 従って安全の計算式から除去できるであろう。 分析や設計のために電圧やリアクティブなコンポーネントを分離しようとする際には、 様々な安全コンポーネントの相互接続も検討しなければならない。 これは物理的分析によるものであり、 相互接続に高信頼性を与えるために用いることができる。 沿面距離、及び空間距離の要求は、 相互接続が開放、あるいは短絡となるリスクを低減するために用いられる。 相互接続の短絡条件からの保護のためのものは絶縁である。 相互接続は、その物理的強度によって開放から保護される。 もしプリント基板の配線が、2mm の幅を持ち、 正しく絶縁される (例えば適当なコーティングによって) ように設計されていれば、 それは高信頼であると見倣すことができる。

Zener Cramp

高信頼な配線の重要性を上に示した。 回路の動作のために大容量が必要であるが、 それが 24V では安全でないことがわかっている。 そのコンデンサが 12V でクランプされても回路の動作は影響されないので、 ツェナー・クランプが用いられる。 もしそのコンデンサからクランプへの配線が高信頼でなければ、 それは開放回路と見倣されるであろう。 これはそのコンデンサと並列のクランプを機能させなくし、24V が現れるであろう。 沿面距離、空間距離、そしてその定格よりも下で動作しているコンポーネントは、 本質安全分析において特に重要である。 必要な本質安全のカテゴリー (これはそれが持ち込まれるであろう爆発性雰囲気の分類に依存する) に依存して、回路は「カウンタブル (countable) 故障」であると見倣すことができる。 もしあるコンポーネントが 最悪条件において定格の 2/3 以内で動作していることが証明されたならば、 その故障はカウンタブルであると見倣すことができる。 カウンタブル故障は 多くの計算への安全率の適用の要求を緩和するために用いることができる。 例えば、もしある回路が２つのカウンタブル故障で分析されているならば、 ２つの正しい定格のコンポーネントが故障すれば コンデンサの両端に大きな電圧が現れ得ることが示されるかも知れない。 そのコンポーネントは、 通常達するであろう電圧の 1.5倍の電圧での安全分析のみを必要とするであろう。 コンポーネントの相互接続は、 それらが表で規定された値以上であるならばカウンタブルであると見倣すことができる。

保護の種類

本質安全のために用いることのできる保護や電力制限のためのコンポーネントには 様々な種類のものがある。 回路の動作の安全の維持に必要であると見倣される全てのコンポーネント (安全コンポーネント) は特別な検討を必要とする。

安全コンポーネントは、電圧、電流、そして電力を安全なレベルに制限するために、 様々な構成で用いられる。 簡明にするために、列挙された様々なコンポーネントの使用方法や動作条件は 回路が安全であることの確認のために必要となるであろう分析を簡略化したものである。

本質安全回路への接続

リアクティブなコンポーネントの安全な最大の値の計算の際には、 その回路への接続に必要となり得るケーブルの 静電容量やインダクタンスを考慮しなければならない。 静電容量やインダクタンスの値は、その本質安全回路への接続が許容される 最大の値として明記されていなければならない。 その回路におけるリアクタンスの安全なレベルが定められたならば、 その値にその回路の使用のために妥当であると見倣される静電容量の値を加えられる。 その後、既に述べた方法を用いてこの新しい値の安全性を試験できる。 その新しい値の安全性を示すためにブレーク放電装置を用いる場合には、 それらがケーブルと同様に振る舞うことから、 ケーブルの静電容量をシミュレートするために シルバー・マイカ・コンデンサを用いることができる。 ケーブルのインダクタンスについては、 ケーブルの抵抗 (L/R 比) や、その整合電力への影響も考慮されるかも知れない。

本質安全回路の温度要求

表面温度が高いコンポーネントは着火を引き起こし得るので、故障状態における 回路内の全てのコンポーネントの最大温度を考慮しなければならない。 コンポーネントが上昇し得る温度はその熱抵抗に依存し得る (電力が安全バリアで制限されている場合)。 ある入力電力に対するコンポーネントの温度は、その熱的データ・シートから得られる。 その代わりに、典型的な熱定格を見出すために 10個のサンプルに対する試験を行なうこともできる。 より小さいコンポーネントは、着火を引き起こすためには、 ガスの自然発火温度からより高い温度に到達する必要があるであろう。 (温度アセスメントの単純化のために、 EN 50020:1994 は 20mm2〜10cm2 の小さいコンポーネントは、 加えられる最大電力が 1.3W であれば 最大温度が 200℃ であると言うことができると言明している。 もしそのコンポーネントが 20mm2 よりも小さいならば、 それは最大で 275℃ の温度定格を与えられ得る。)

要約

本質安全は、それが可燃性のガスを着火させるために必要なエネルギーを持たないように、 低電力と許容できる温度内で動作する回路に依存する。 所定の設計テクニックが用いられているならば、 これは大半の種類の回路で比較的低コストで達成することができる。 本質安全回路の設計と確認の際には、 (それらが高信頼であると証明できるのでない限り) コンポーネントの接続の全てのあり得るシナリオが考慮され、 安全回路パラメータの計算に際して多くの安全率が含められる。 本質安全電気機器を大半の危険な領域に配置できるようにするのは、 要因のこの組み合わせである。

Sean Clarke は Epsilon Technical Services Limited の適合性コンサルタントである。 Epsilon は、爆発性雰囲気中で使用するための機器のための、 適合性設計コンサルタント、試験、及び確認を提供している。 Epsilon は、完全な CE マーキング・サービス、そして環境／性能試験も提供している。
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これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2001-05-13