Tủ điện phòng nổ cho khu vực nguy hiểm: Zone, Class/Division, Ex d, Ex e, Ex p, Ex i, ATEX và IECEx

Tủ điện phòng nổ (hazardous-area control panel) là tủ được chế tạo sao cho không thể làm bắt cháy khí, hơi hoặc bụi dễ cháy có thể có xung quanh nó. Bản phân vùng nguy hiểm (area classification) của nhà máy quyết định vùng (Zone 0, 1, 2 với khí; Zone 20, 21, 22 với bụi; ở Bắc Mỹ là Class và Division), nhóm khí hoặc nhóm bụi và cấp nhiệt độ. Từ đó mới chọn kiểu bảo vệ cho tủ: vỏ chống cháy nổ (flameproof, Ex d), an toàn tăng cường (increased safety, Ex e), điều áp (pressurised, Ex p), an toàn nội tại cho mạch hiện trường (intrinsic safety, Ex i), bảo vệ bằng vỏ chống bụi (Ex t), hoặc kết hợp như Ex de. Thiết bị bên trong có chứng nhận chưa đủ để cả tủ được phép đặt trong vùng đó: bên đưa tủ lắp ráp hoàn chỉnh ra thị trường còn phải đánh giá các nguy cơ gây cháy phát sinh khi ghép các bộ phận lại với nhau.

Thế nào là khu vực nguy hiểm

Một vụ nổ cần đồng thời ba thứ: chất dễ cháy, oxy trong không khí và nguồn gây cháy. Thiết bị điện có thể sinh ra nguồn gây cháy qua tia lửa, hồ quang và bề mặt nóng, nên mỗi kiểu bảo vệ làm một trong ba việc: không để nguồn gây cháy hoạt động, giữ vụ nổ ở bên trong vỏ, hoặc tách môi trường khí nổ khỏi nguồn gây cháy.

Phân vùng nguy hiểm xác định chỗ nào có thể xuất hiện môi trường khí nổ (explosive atmosphere), thường xuyên tới mức nào và kéo dài bao lâu. Với khí và hơi, tiêu chuẩn quốc tế là IEC 60079-10-1 (Explosive atmospheres, Part 10-1: Classification of areas, Explosive gas atmospheres, ấn bản 3.0, tháng 12/2020); với bụi là IEC 60079-10-2. Pepperl+Fuchs lưu ý điều kiện rò rỉ là một phần của việc phân vùng, và thông gió có thể giữ nồng độ dưới giới hạn cháy dưới (lower flammable limit, LFL). Theo Wikipedia, việc phân vùng cần bộ phận vận hành, bảo trì, an toàn và kỹ sư điện, đo lường cùng tham gia, dựa trên sơ đồ công nghệ và phiếu an toàn hóa chất (safety data sheet); kết quả thường là một mặt bằng phân vùng, có thể kèm danh sách các chất cùng nhóm và cấp nhiệt độ của chúng.

Ở Liên minh châu Âu, chỉ thị ATEX về nơi làm việc 1999/92/EC giao cho người sử dụng lao động việc phân vùng và việc lập, cập nhật hồ sơ phòng chống cháy nổ (explosion protection document). Bên làm tủ thiết kế theo bản phân vùng đó, không tự đặt ra vùng.

Hệ Zone và hệ Class/Division

Chỉ thị 1999/92/EC định nghĩa các vùng và nhóm thiết bị (category) được phép dùng trong từng vùng; hệ IEC dùng mức bảo vệ thiết bị (equipment protection level, EPL) cho cùng mục đích.

Wikipedia nêu một quy ước kinh nghiệm cho vùng khí: trên 1000 giờ mỗi năm với Zone 0, 10 đến 1000 giờ với Zone 1 và dưới 10 giờ với Zone 2. Bản thân chỉ thị định nghĩa vùng bằng lời, không bằng số giờ.

Ở Mỹ, NFPA 70 (National Electrical Code) Article 500, Hazardous (Classified) Locations, Class I, II, and III, Divisions 1 and 2, dùng hệ class và division. Article 505, Zone 0, 1, and 2 Locations, và Article 506, Zone 20, 21, and 22 Locations for Combustible Dusts or Ignitable Fibers/Flyings, đưa phương pháp phân vùng theo zone vào (tên điều theo bản 2017). Quy định 29 CFR 1910.307 của OSHA chỉ cho dùng hệ zone thay thế cho Class I; nơi thuộc Class II và III vẫn dùng division.

Sự tương ứng chỉ gần đúng: Division 1 bao trùm phần mà hệ zone tách thành Zone 0 và Zone 1, còn Division 2 tương ứng Zone 2. Thiết bị được duyệt theo Division chưa chắc đã dùng được trong zone: OSHA yêu cầu thiết bị duyệt theo Division khi dùng trong một zone phải ghi thêm zone, nhóm khí và cấp nhiệt độ, và vùng Zone 0 hoặc Zone 1 không được giáp với vùng Division 1 hay 2.

Nhóm khí và cấp nhiệt độ

Nhóm khí (gas group) phản ánh mức dễ bắt cháy của khí và khả năng ngọn lửa lọt qua khe hẹp; cấp nhiệt độ (temperature class) giới hạn nhiệt độ bề mặt nóng nhất của thiết bị.

Thiết bị ghi IIC dùng được cho cả khí nhóm IIB và IIA; thiết bị ghi IIB không dùng được cho IIC. Với bụi, IIIA là sợi và xơ dễ cháy, IIIB là bụi không dẫn điện, IIIC là bụi dẫn điện.

Nhiệt độ bề mặt tối đa phải thấp hơn nhiệt độ tự bốc cháy của khí có mặt. Pepperl+Fuchs nêu hydro là 560 °C, xăng 280 °C và cacbon disunfua 90 °C, vì vậy với cacbon disunfua phải dùng thiết bị T6. Nếu nhãn không ghi dải khác, thiết bị Ex được định mức cho nhiệt độ môi trường từ −20 °C đến +40 °C; dải khác được ghi bằng ký hiệu Ta hoặc Tamb.

Các kiểu bảo vệ dùng cho tủ điều khiển

Vỏ chống cháy nổ, Ex d (IEC 60079-1). Vỏ chịu được vụ nổ xảy ra bên trong, và các mối ghép chống cháy (flameproof joint) chặn ngọn lửa không lan ra môi trường bên ngoài. Mức db cho EPL Gb, dùng cho Zone 1. R. STAHL mô tả vỏ chống cháy nổ là nặng, lớn và đắt hơn Ex e, và là lựa chọn thông thường cho thiết bị đóng cắt và điều khiển. Người dùng không được sửa các mối ghép chống cháy. Cáp đi vào qua ốc siết cáp (cable gland) hoặc bộ bịt kín chống cháy nổ, qua ống luồn có bịt kín, hoặc qua mối bịt sang một ngăn cầu đấu Ex e. Có cần ốc siết cáp loại barrier (đổ keo) hay không được quyết định theo IEC 60079-14; Hawke lưu ý bản năm 2013 đã thay sơ đồ chọn cũ (nguồn gây cháy bên trong, nhóm khí, vùng, thể tích vỏ) bằng tiêu chí khác, nên cần xem dự án áp dụng bản nào.

An toàn tăng cường, Ex e (IEC 60079-7). Hồ quang, tia lửa và nhiệt độ quá mức được ngăn ngay từ thiết kế: kích thước dư, độ bền cơ khí và đấu nối chắc chắn. Mức eb (EPL Gb) chỉ dùng cho cầu đấu và mối nối, động cơ và đèn; mức ec (EPL Gc) cho phép mạch điện tử phức tạp hơn, dùng cho Zone 2. Pepperl+Fuchs liệt kê hộp cầu đấu và ngăn đấu nối của tủ điều khiển Ex de trong các ứng dụng của Ex e. R. STAHL lưu ý nhiệt độ bề mặt của Ex e bị giới hạn bằng thiết kế và bằng số lượng linh kiện tối đa. Lối cáp vào phải giữ ít nhất IP54.

Kết hợp, Ex de. R. STAHL lưu ý thiết bị đóng cắt sinh ra nguồn gây cháy ngay khi vận hành bình thường, nên chỉ Ex e là không đủ, và Ex d thường được kết hợp với Ex e. Phần sinh tia lửa nằm trong vỏ chống cháy nổ, còn dây và cầu đấu nằm trong ngăn an toàn tăng cường, giữa hai phần là các lối đi dây có bịt kín.

Vỏ điều áp, Ex p (IEC 60079-2, NFPA 496). Không khí hoặc khí trơ giữ áp suất bên trong vỏ cao hơn môi trường xung quanh, sau một lần thổi sạch (purge) để đẩy hết khí có sẵn bên trong (năm lần thể tích vỏ với bố trí đơn giản theo IEC 60079-2, bốn lần theo NFPA 496). Pepperl+Fuchs nêu ba mức:

• pxb (Type X ở Bắc Mỹ): lắp ở Zone 1 hoặc 21, bên trong có thiết bị có thể gây cháy. Việc cấp và cắt nguồn phải tự động, theo tín hiệu của các thiết bị an toàn.
• pyb (Type Y): lắp ở Zone 1 hoặc 21, bên trong là thiết bị định mức cho Zone 2 hoặc 22.
• pzc (Type Z): lắp ở Zone 2 hoặc 22, bên trong có thiết bị có thể gây cháy; con người có thể tham gia xử lý khi mất áp.

Điều áp cho phép đặt thiết bị thông thường bên trong, kể cả màn hình cảm ứng, cho phép làm mát với chi phí hợp lý, và về nguyên tắc không giới hạn kích thước vỏ. Đổi lại phải có khí nén điều khiển (instrument air) sạch, khô, không dầu, lấy từ máy nén có cửa hút đặt ở khu vực an toàn, và một lần thổi sạch có thể cần khoảng 20 đến 40 CFM. Theo Pepperl+Fuchs, mất áp phải phát báo động, với pxb thì thiết bị không được bảo vệ bên trong cũng phải bị cắt nguồn, và ở Zone 1, Zone 2 vỏ phải được thổi sạch trước khi cấp nguồn. Pin, vốn không cắt được, và các mạch như Ethernet, USB hay tín hiệu 4–20 mA cần có bảo vệ riêng hoặc được cắt một cách an toàn.

An toàn nội tại, Ex i (IEC 60079-11). Năng lượng trong mạch bị giới hạn để cả tia lửa lẫn bề mặt nóng đều không thể làm bắt cháy. Mức ia vẫn an toàn khi có hai lỗi (Zone 0), ib khi có một lỗi (Zone 1), ic khi vận hành bình thường (Zone 2). Barrier zener hoặc bộ cách ly galvanic (galvanic isolator) đặt trong tủ ở khu vực an toàn sẽ giới hạn năng lượng đưa ra thiết bị hiện trường. Từng mạch vòng được kiểm theo thông số entity. Theo ký hiệu Macromatic dùng, điện áp và dòng tối đa của thiết bị hiện trường (Vmax, Imax) phải lớn hơn hoặc bằng điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch của barrier (Voc, Isc), còn điện dung và điện cảm của thiết bị cộng với của cáp không được vượt giá trị barrier cho phép (Ca, La). Cầu đấu an toàn nội tại cách các cầu đấu khác ít nhất 50 mm, cáp được đánh dấu, và người dùng lập hồ sơ kiểm tra cho từng mạch vòng. Ex i hợp với thiết bị đo và tín hiệu, không hợp với động cơ hay đèn chiếu sáng.

Bảo vệ bằng vỏ chống bụi, Ex t (IEC 60079-31). Vỏ ngăn bụi lọt vào và giới hạn nhiệt độ bề mặt. Các mức ta, tb, tc cho EPL Da, Db, Dc; với bụi dẫn điện (IIIC) mọi mức đều phải đạt IP6X.

Chọn phương án cho tủ

• Tủ có đặt được ngoài khu vực nguy hiểm không? Tủ đặt trong phòng điều khiển hoặc khu vực an toàn khác có thể là tủ thường. Các mạch đi vào khu vực nguy hiểm khi đó dùng barrier hoặc bộ cách ly Ex i, hoặc nối tới thiết bị hiện trường có chứng nhận cho vùng đó.
• Bên trong có thiết bị sinh tia lửa hoặc nóng không? Thiết bị đóng cắt sinh nguồn gây cháy ngay khi vận hành bình thường, còn bộ điều khiển, bộ nguồn và HMI thông thường không mang nhãn Ex. Trong khu vực nguy hiểm, các thiết bị này cần vỏ chống cháy nổ, cách bố trí Ex de hoặc vỏ điều áp, trừ khi chính thiết bị có chứng nhận cho vùng đó (một số màn hình vận hành có nhãn Class I Division 2 và Zone 2; xem HMI là gì).
• Tủ lớn cỡ nào, tỏa nhiệt bao nhiêu? R. STAHL mô tả vỏ chống cháy nổ là nặng, lớn và đắt hơn. Điều áp về nguyên tắc không giới hạn kích thước và cho phép làm mát, đổi lại phải có nguồn khí bảo vệ, thời gian thổi sạch và giám sát áp suất.
• Tủ chỉ chứa cầu đấu? Khi đó có thể dùng hộp cầu đấu hoặc hộp nối Ex e (eb), vì mức eb áp dụng cho cầu đấu và mối nối.
• Bảo trì và đi cáp thế nào? Mở cửa tủ điều áp làm mất áp dư, và vỏ phải được thổi sạch lại trước khi cấp nguồn cho thiết bị bên trong. Mỗi lối cáp vào cần ốc siết cáp hợp với kiểu bảo vệ, và lối chưa dùng phải được bịt bằng nút bịt giữ được cấp IP và chỉ tháo được bằng dụng cụ.

ATEX, IECEx và ai chứng nhận cái gì

Chỉ thị sản phẩm ATEX 2014/34/EU áp dụng cho thiết bị và hệ thống bảo vệ dùng trong môi trường có thể có khí nổ, có hiệu lực từ 20/04/2016. Chỉ tổ chức được chỉ định (notified body) mới được cấp chứng nhận theo chỉ thị này, và dấu CE chỉ được gắn sau khi đánh giá sự phù hợp. Điều 13 quy định thủ tục theo category: thiết bị điện category 1 và 2 phải qua kiểm tra kiểu EU (EU-type examination) của notified body, kết hợp với một bước kiểm soát sản xuất; thiết bị category 3 dùng kiểm soát sản xuất nội bộ của nhà sản xuất. Ngoài ra còn có thủ tục kiểm định từng chiếc (unit verification, phụ lục IX): notified body kiểm tra, thử nghiệm chính thiết bị đó và cấp giấy chứng nhận phù hợp; hướng dẫn của Ủy ban châu Âu nêu thủ tục này dùng được cho sản phẩm đơn chiếc và loạt nhỏ.

Hướng dẫn ATEX của Ủy ban châu Âu (bản thứ sáu, tháng 01/2026) coi một cụm lắp ráp (assembly) đưa ra thị trường như một khối chức năng duy nhất là một thiết bị riêng, và nhà sản xuất cụm đó chịu trách nhiệm về sự phù hợp. Bên lắp ráp được dựa vào các bộ phận đã phù hợp, nhưng phải đánh giá các nguy cơ gây cháy phát sinh khi ghép chúng lại. Việc đấu nối tại hiện trường các thiết bị ATEX được cung cấp riêng lẻ thì được coi là lắp đặt (installation), và hướng dẫn thừa nhận ranh giới giữa lắp đặt và cụm lắp ráp không phải lúc nào cũng rõ: một phần đơn chiếc của hệ thống được chế tạo bên ngoài hiện trường dưới trách nhiệm của người dùng cuối, trực tiếp hoặc qua nhà thầu, thường không bị coi là sản phẩm theo chỉ thị.

IECEx là một trong các hệ thống đánh giá sự phù hợp của IEC. Trong chương trình chứng nhận thiết bị (Certified Equipment Scheme), nhà sản xuất nộp hồ sơ cho một tổ chức chứng nhận IECEx (ExCB), mẫu được thử nghiệm và một đợt kiểm tra tại nhà máy xem xét việc sản xuất, sau đó có các đợt đánh giá định kỳ; kết quả là báo cáo thử nghiệm (ExTR), báo cáo đánh giá chất lượng (QAR) và giấy chứng nhận phù hợp (CoC), tra được trên hệ thống chứng nhận trực tuyến của IECEx. Với một số lượng sản phẩm xác định làm ra trong cùng một đợt sản xuất, IECEx còn cấp chứng nhận kiểm định đơn vị (Unit Verification Certificate), cần ExTR nhưng không cần QAR. Các chương trình IECEx khác chứng nhận cơ sở dịch vụ thiết kế, lắp đặt, kiểm tra hoặc sửa chữa thiết bị Ex (theo IEC 60079-14, -17 và -19) và năng lực của từng người.

Hai hệ này tách biệt. Theo ATEX, chỉ notified body mới cấp chứng nhận, và Ủy ban châu Âu nêu rõ chứng nhận tự nguyện (voluntary certificate) không phải là cách được công nhận để chứng minh sự phù hợp. Chứng nhận IECEx được cấp theo quy tắc của IECEx, không theo chỉ thị, nên tự nó không chứng minh sự phù hợp ATEX trong EU; ngoài EU, cần kiểm tra quốc gia nơi lắp đặt chấp nhận loại nào.

Khi đọc chứng nhận hoặc nhãn, có hai hậu tố cần chú ý. U là chứng nhận linh kiện Ex (Ex component): linh kiện không dùng độc lập và phải được đánh giá thêm trước khi đưa vào một thiết bị Ex. X nghĩa là chứng nhận có điều kiện sử dụng riêng (specific conditions of use), phải đọc cùng chứng nhận và tuân theo khi lắp đặt.

Chủ đầu tư cần nêu gì trong RFQ

RFQ nên nêu:

• Bản vẽ phân vùng nguy hiểm và vùng tại vị trí đặt tủ, cho cả khí và bụi.
• Nhóm khí và cấp nhiệt độ, hoặc các chất có mặt và nhiệt độ tự bốc cháy của chúng; nhóm bụi nếu có.
• Loại chứng nhận yêu cầu (ATEX, IECEx, Class/Division hoặc Zone của Bắc Mỹ, hoặc chương trình quốc gia) và EPL hoặc category ATEX.
• Dải nhiệt độ môi trường tại hiện trường nếu nằm ngoài −20 °C đến +40 °C, và cấp IP.
• Thiết bị sẽ đặt bên trong và tải nhiệt của chúng, cùng những gì phải giữ điện sau khi ngắt.
• Lối cáp vào: số lượng, loại và cỡ cáp, giáp bảo vệ, loại ốc siết cáp và ren; lối chưa dùng bịt bằng nút bịt giữ được cấp IP.
• Với Ex p: khí bảo vệ (khí nén điều khiển hoặc khí trơ), chất lượng và lưu lượng sẵn có, nguồn lấy khí, và hành động khi mất áp (báo động hay tự động cắt nguồn).
• Với Ex i: danh sách mạch vòng kèm thông số entity của thiết bị hiện trường và dữ liệu cáp.
• Hồ sơ cần giao kèm tủ: chứng nhận, nhãn, hướng dẫn, các điều kiện X nếu có và hồ sơ kiểm tra an toàn nội tại.

Dự án tham khảo của TDL

Trang tủ điện cho khu vực nguy hiểm của TDL nêu hai dự án. Tại turbo expander CC01, Nhà máy xử lý khí Dinh Cố (2019), TDL chuyển hệ điều khiển SLC 500 sang nền tảng ControlLogix dự phòng; trang dự án ghi các tủ điều khiển và tủ trung gian Ex-p và Ex-e được chế tạo và chứng nhận cho lắp đặt tại Zone 2 bởi tổ chức được chỉ định (notified body) DNV (DNV GL). Tại Trạm phân phối khí Phú Mỹ, lò gia nhiệt E-401B (2021), TDL nâng cấp bộ điều khiển lò gia nhiệt; tủ điều khiển tại chỗ là loại chống cháy nổ và chống bụi, ghi nhãn Ex db IIB T6/T5 Gb và Ex tb IIIC Db, IP66, cho Zone 1/2 và Zone 21/22, với ốc siết cáp đạt chứng nhận Ex. Đọc theo các bảng trên, nhãn này nghĩa là bảo vệ chống cháy nổ cho khí nhóm IIB ở EPL Gb, và bảo vệ bằng vỏ chống bụi cho bụi dẫn điện ở EPL Db. Tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ, việc chuyển đổi hệ điều khiển máy nén khí thiên nhiên mà TDL làm cho tổng thầu EPC có barrier an toàn nội tại cho thiết bị hiện trường.

Về thiết kế và thử nghiệm tủ nói chung, xem thiết kế và chế tạo tủ điều khiển; về phía hệ an toàn, xem ICSS là gì và trang dầu khí.