危険区域における電気機器

電気および安全工学において、危険場所 (HazLoc、発音はhaz·lōk ) とは、火災や爆発の危険が存在する可能性のある場所です。このような危険の発生源には、可燃性または引火性のガス、蒸気、粉塵、繊維、飛散物などがあります。 このような場所に設置された電気機器は、電気アークまたは高温 により発火源となる可能性があります。このような場所を特定し、危険を分類し、このような場所で安全に使用できるように機器を設計するための規格と規制が存在します。

電灯のスイッチをオンまたはオフにすると、小さな無害な火花が発生することがあります。一般家庭では問題になりませんが、可燃性雰囲気が存在すると、アークによって爆発が発生する可能性があります。多くの産業、商業、科学の現場では、そのような雰囲気が存在することは一般的、または少なくとも一般的に起こり得ます。火災や爆発に対する保護は、人員の安全と信頼性の両方の理由から重要です。

保護戦略はいくつかあります。最も単純なのは、危険な場所に設置する電気機器の量を最小限に抑えることです。そのためには、機器をそのエリアから完全に遠ざけるか、そのエリアの危険性を低くします (たとえば、プロセスの変更、清浄な空気による換気など)。

機器を危険な場所に設置する必要がある場合、火災や爆発の リスクを軽減するように設計することができます。本質安全設計では、発火を引き起こすには不十分な最小限のエネルギーを使用して機器が動作するように設計します。防爆設計では、発火の危険を封じ込め、危険物質の侵入を防ぎ、発生する可能性のある火災や爆発を封じ込めるように機器を設計します。

危険区域の機器の標準化とテストに対するアプローチは、国によってさまざまです。危険と保護対策の両方の用語は異なる場合があります。同様に、文書化要件も異なります。世界貿易がグローバル化するにつれて、国際標準は徐々に収束し、より広範囲の許容可能な技術が国の規制機関によって承認されるようになります。

危険場所の種類と規模を決定するプロセスは、分類と呼ばれます。場所の分類、機器のテストとリスト、および設置の検査は、通常、政府機関によって監督されます。たとえば、米国では労働安全衛生局が監督します。

米国では、独立機関である全米防火協会(NFPA) がいくつかの関連規格を発行しており、政府機関が採用するケースが多くあります。危険性の評価に関するガイドラインは、NFPA  497 (爆発性ガス) および NFPA  499 (粉塵) に記載されています。米国石油協会は、  RP 500 およびRP505で類似の規格を発行しています 。

NFPA 70、米国電気工事規程（NEC）は、エリア分類と設置原則を定義しています。^[1] NEC第500条はNEC部門分類システムについて説明し、第505条と第506条はNECゾーン分類システムについて説明しています。NECゾーンシステムは、IEC分類システムと調和し、管理の複雑さを軽減するために作成されました。

カナダには、エリアの分類と設置原則を定義するCSA グループ規格 C22.1 (カナダ電気規格)と同様のシステムがあります。セクション 18 (ゾーン) と付録 J (区分) に、2 つの分類方法が記載されています。

国際電気標準会議は、場所の分類システムと、危険な場所での使用のために設計された機器（「Ex機器」と呼ばれる）の分類とテストを定義する60079シリーズの規格^[2]を発行しています。IEC 60079-10-1は爆発性ガス雰囲気の分類をカバーし、IEC 60079-10-2は爆発性粉塵をカバーしています。機器は、製造方法とさまざまな状況への適合性に応じて保護レベルカテゴリに分類されます。機器の安全「カテゴリ」（つまり1、2、3）を定義するために数字を使用するATEXとは異なり、IECは、ゾーン0の場合は「a」、ゾーン1の場合は「b」、ゾーン2の場合は「c」という、本質安全の安全レベルを定義するために使用される方法を継続して使用し、2009年以降、この機器保護レベルを危険な場所で使用するすべての機器に適用しています。<IEC 60079.14>

IEC 60079 標準セットは、オーストラリアとニュージーランドでの使用に合わせて調整され、AS/NZS 60079 標準セットとして公開されています。

製油所や化学工場などの工業プラントでは、大量の可燃性液体やガスを取り扱うことで暴露のリスクが生じます。炭鉱、製粉所、エレベーターなどの施設でも同様に粉塵雲のリスクがあります。危険な雰囲気が常に、または長期間存在する場合もあります。また、通常は雰囲気が無害であっても、オペレーターのミスや機器の故障などにより危険な濃度になることが合理的に予測できる場合もあります。このように、場所はガス、蒸気、粉塵の放出の種類とリスクによって分類されます。さまざまな規制では、クラス、区分、ゾーン、グループなどの用語を使用してさまざまな危険を区別しています。

多くの場合、エリア分類プラン ビューが提供され、分類された各エリアで使用する機器の定格と設置方法を特定します。プランには、化学物質のリストとそのグループおよび温度定格が含まれる場合があります。分類プロセスには、運用、保守、安全、電気、計装の専門家の参加、およびプロセス図、材料フロー、安全データ シート、およびその他の関連ドキュメントの使用が必要です。エリア分類ドキュメントは、プロセスの変更を反映するために確認および更新されます。

典型的なガスによる危険性は炭化水素化合物によるものですが、水素やアンモニアも可燃性の一般的な工業用ガスです。

クラス I、ディビジョン 1 に分類された場所

通常の動作条件下で、可燃性ガス、蒸気、または液体の発火可能な濃度が常時または一定時間存在する可能性があるエリア。クラス I、ディビジョン 1 エリアには、ゾーン 0 エリアとゾーン 1 エリアの組み合わせが含まれます。

ゾーン0に分類された場所

通常の運転条件下で、可燃性ガス、蒸気、または液体の発火可能な濃度が継続的または長時間存在するエリア。この例としては、タンクまたはドラムの上部にある液体の上の蒸気空間が挙げられます。ANSI/NEC 分類方法では、この環境はクラス I、ディビジョン 1 エリアと見なされます。ゾーン 0 のガイドとして、これは年間 1000 時間以上または時間の 10% 以上として定義できます。^[3]

ゾーン1に分類された場所

通常の動作条件下で可燃性ガス、蒸気、または液体の発火濃度が存在する可能性のあるエリア。ゾーン1のガイドとして、これは年間10〜1000時間または0.1〜10％の時間として定義できます。^[3]

クラス I、ディビジョン 2、またはゾーン 2 に分類される場所

通常の運転条件下では、可燃性ガス、蒸気、液体の発火濃度が存在する可能性が低いエリア。このエリアでは、ガス、蒸気、液体は異常な状況（異常な状況ではほとんどの場合漏れ）でのみ存在します。ゾーン2の一般的なガイドラインとして、不要な物質は年間10時間未満、または0～0.1％の時間のみ存在する必要があります。^[3]

未分類の場所

非危険場所または通常場所とも呼ばれるこれらの場所は、クラス I、ディビジョン 1、ディビジョン 2、ゾーン 0、ゾーン 1、ゾーン 2、またはそれらの組み合わせのいずれにも該当しないと判断されます。このようなエリアには、爆発性または可燃性ガスが放出される唯一のリスクがエアゾール スプレーの噴射剤などである住宅またはオフィスが含まれます。爆発性または可燃性の液体は、ペンキとブラシ クリーナーのみです。これらは爆発を引き起こすリスクが非常に低いと指定されており、火災のリスクの方が高くなります (ただし、住宅内でのガス爆発は発生します)。化学工場やその他の工場内には、危険なガスが可燃下限(または爆発下限 (LEL)) の 25% 未満の濃度に希釈されることが確実な非分類場所が存在します。

空気中に浮遊するほこりやその他の小さな粒子は爆発する可能性があります。

昔のイギリスの規格では、ゾーンを指定するために文字が使用されていました。これは、2002年の危険物質および爆発性雰囲気規制としてイギリスで施行された指令1999/92/EUで規定されているように、ヨーロッパの数字システムに置き換えられました。^[3]

爆発性雰囲気はそれぞれ化学的性質が異なり、爆発の可能性や重大性に影響を及ぼします。このような性質には、炎の温度、最小着火エネルギー、爆発の上限と下限、分子量などがあります。実験的試験により、最大実験安全ギャップ(MESG)、最小着火電流 (MIC) 比、爆発圧力とピーク圧力までの時間、自然発火温度、最大圧力上昇率などのパラメータが決定されます。物質ごとに性質の組み合わせは異なりますが、同様の範囲にランク付けできるため、危険区域の機器の選択が容易になります。^[4]

可燃性液体の可燃性は、その引火点によって定義されます。引火点とは、物質が十分な量の蒸気を生成して発火性混合物を形成する温度です。引火点によって、エリアを分類する必要があるかどうかが決まります。物質の自己発火温度は比較的低いかもしれませんが、その引火点が周囲温度より高い場合、そのエリアを分類する必要はありません。逆に、同じ物質が引火点を超えて加熱され取り扱われる場合、そのエリアは適切な電気システム設計のために分類される必要があります。なぜなら、その場合、発火性混合物が形成されるからです。^[5]

産業で使用される各化学ガスまたは蒸気は、ガスグループに分類されます。

グループ IIC は、最も厳しいゾーン システム ガス グループです。このグループのガスの危険性は、非常に簡単に発火する可能性があります。グループ IIC に適しているとマークされている機器は、IIB および IIA にも適しています。IIB に適しているとマークされている機器は、IIA にも適していますが、IIC には適していません。機器に、たとえば Ex e II T4 とマークされている場合は、すべてのサブグループ IIA、IIB、および IIC に適しています。

製油所または化学コンビナートにあるすべての爆発性物質のリストを作成し、分類された区域の敷地計画に含める必要があります。上記のグループは、物質が点火された場合の爆発性の順に形成されており、IIC が最も爆発性の高いゾーン システム ガス グループで、IIA が最も爆発性の低いグループです。また、グループはエネルギーまたは熱効果によって物質を点火するのに必要なエネルギー量も示しており、ゾーン システム ガス グループでは IIA が最も多くのエネルギーを必要とし、IIC が最も少ないエネルギーを必要とします。

^{機器は、危険な雰囲気の}自然発火温度の80%を超えないことを保証するためにテストされるべきです。外部温度と内部温度の両方が考慮されます。自然発火温度は、追加の熱や点火源なしで物質が発火する最低温度です（大気圧で）。この温度は、産業および技術用途の分類に使用されます。^[6]

電気機器のラベルに記載されている温度区分は、次のいずれかになります (摂氏度)。

上記の表は、温度分類が T3 の電気機器の表面温度が 200 °C を超えないことを示しています。高圧蒸気管の表面は、一部の燃料と空気の混合物の自然発火温度を超える場合があります。

危険な場所で安全に操作できるように機器を設計または変更することができます。一般的なアプローチは次の 2 つです。

本質安全

本質安全（非発火性）は、システム内に存在するエネルギーを制限し、いかなる状況下でも危険な雰囲気を発火させるには不十分なエネルギーです。これには、低電力レベルと低蓄積エネルギーの両方が含まれます。計装機器でよく使用されます。

防爆

防爆機器や耐火機器は密閉され頑丈であるため、内部で火花や爆発が発生しても危険な雰囲気を発火させることはありません。^{[7] [8]}

防火技術にはいくつかの種類があり、多くの場合、組み合わせて使用​​されます。

• 機器ハウジングは、可燃性ガスや粉塵が内部に侵入するのを防ぐために密閉される場合があります。
• ハウジングは、内部で発生した燃焼ガスを封じ込めて冷却できるほどの強度を備えている必要があります。
• エンクロージャは清浄な空気または不活性ガスで加圧され、有害物質を排除します。
• アーク発生要素は、樹脂に封入したり、油に浸したりすることで、大気から隔離することができます。
• 発熱要素は、その最高温度を、関係する材料の自然発火温度以下に制限するように設計することができます。
• 危険な濃度の有害ガスや対策の失敗を検出する制御装置を取り付けることができます。検出されると、電源を切ったり、通知したりするなど、適切な措置が自動的に取られます。

保護の種類は、EPL にリンクされたいくつかのサブクラス (ma と mb、px、py と pz、ia、ib、ic) に細分化されています。サブクラス a には、複数の独立したコンポーネントの同時障害を考慮した最も厳しい安全要件があります。

EEx 定格の機器の多くは、機器のさまざまなコンポーネントに複数の保護方法を採用しています。これらの保護方法は、それぞれ個別にラベル付けされます。たとえば、EEx'de' というラベルの付いたコンセントには、EEx 'e' 仕様のケースと EEx 'd' 仕様のスイッチが付いている場合があります。

近年、EPL は複数の種類の保護についても規定されています。必要な保護レベルは、以下に示すゾーンでの使用目的と関連しています。

機器のカテゴリは、機器が提供する保護のレベルを示します。

• カテゴリー 1 の機器は、ゾーン 0、ゾーン 1、またはゾーン 2 のエリアで使用できます。
• カテゴリー 2 の機器は、ゾーン 1 またはゾーン 2 のエリアで使用できます。
• カテゴリー 3 の機器はゾーン 2 エリアでのみ使用できます。

米国では、全米電気工業会（NEMA）がさまざまな用途の筐体タイプの標準を定義しています。 ^{[10] [11]} これらの中には、特に危険な場所向けのものもあります。

危険区域での使用が認定されたすべての機器には、適用される保護の種類とレベルを示すラベルを付ける必要があります。

ヨーロッパでは、ラベルにCE マークと認証/通知機関のコード番号を表示する必要があります。CE マークには Ex マークが付いています。これは、ギリシャ文字の εχ (イプシロン カイ) が記された黄色の六角形で、その後にグループ、カテゴリ、グループ II の場合は G または D (ガスまたは粉塵) が続きます。使用されている特定の保護タイプも表示されます。

危険区域用の産業用電気機器は、ガス危険については IEC-60079、粉塵危険については IEC-61241 など、適切な規格に準拠する必要があります。場合によっては、その規格に適合していることが認定される必要があります。ヨーロッパのほとんどの国には、独立した試験機関 (認定機関) が設立されており、これらの機関のいずれかからの認定証は EU 全域で受け入れられます。英国では、Siraと Baseefa が最もよく知られている機関です。

オーストラリアとニュージーランドは同じ IEC-60079 規格 (AS/NZS  60079 として採用) を使用していますが、CE マークは必要ありません。

北米では、特定の危険区域に対する機器の適合性は、 UL、FM Global、CSA Group、Intertek (ETL)などの国家認定試験機関によってテストされる必要があります。

ラベルには必ずクラス、区分が記載され、グループおよび温度コードが記載される場合もあります。ラベルのすぐ隣には、登録機関のマークがあります。

一部の製造業者は、自社の技術資料で危険区域への「適合性」または「組み込み済み」を主張していますが、実際には試験機関の認証が不足しており、AHJ ​​(管轄当局) が電気設備/システムの運用を許可することはできません。

区分 1 エリアのすべての機器には承認ラベルが必要ですが、剛性金属導管などの特定の材料には Cl./Div.1 適合性を示す特定のラベルがなく、NEC に承認された設置方法として記載されていることが許可として機能します。区分 2 エリアの一部の機器には特定のラベルは必要ありません。たとえば、通常はアークを発生するコンポーネントを含まない標準 3 相誘導モーターなどです。

マークには、製造元の名前または商標と住所、装置の種類、名前とシリアル番号、製造年、および使用に関する特別な条件も記載されます。NEMA エンクロージャ定格またはIP コードも記載される場合がありますが、通常は分類エリアの適合性とは無関係です。

電力の出現により、石炭鉱山では信号、照明、モーター用に電気が導入されましたが、これに伴って火気（メタン）や浮遊する石炭粉塵などの可燃性ガスが電気的に爆発するようになりました。

少なくとも2件のイギリスの炭鉱爆発は、電気ベル信号システムによるものとされた。このシステムでは、2本の裸線が坑道の長さに沿って敷設されており、坑道作業員は、地表に信号を送りたいときは、その線を瞬間的に接触させるか、金属工具で線を橋渡しする。信号ベルコイルのインダクタンスと、露出した金属表面による接触の切断が組み合わさって火花が発生し、爆発を引き起こした。^[12]

• アークフラッシュ
• ATEX指令
• CompEx能力基準
• 電気配線
• 接地キット
• 本質安全
• 鉱物絶縁銅被覆ケーブル
• 認定機関
• 圧力の積み重ね

• 「危険場所用モーター」。Dietz Electric 。 2018年4月4日閲覧。

• アラン・マクミラン著『危険区域における電気設備』、バターワース・ハイネマン 1998年、ISBN 0-7506-3768-4 
• ピーター・シュラム『危険区域における電気設備』、ジョーンズ・アンド・バートレット、1997年、ISBN 0-87765-423-9 
• EEMUA、「潜在的爆発性雰囲気に関する実務者ハンドブック」、エンジニアリング機器および材料ユーザー協会、2017 年、ISBN 978-0-85931-222-6