อุปกรณ์ไฟฟ้าในพื้นที่อันตราย

ในทางวิศวกรรมไฟฟ้า พื้นที่อันตรายหมายถึง พื้นที่ที่อาจจะเต็มไปด้วยก๊าซไวไฟ ไอน้ำ ฝุ่นละออง อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในพื้นที่เหล่านี้มีความจำเป็นที่จะต้องถูกออกแบบและทดลองมาอย่างพิเศษ เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าจะไม่ก่อให้เกิดการระเบิด ประกายไฟ หรือมีพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูง

ตัวอย่างเช่น สวิตช์ไฟในบ้าน ซึ่งอาจจะก่อให้เกิดประกายไฟเล็กน้อยที่ไม่ก่อให้เกิดความเสียหายในสภาวะบรรยากาศปกติ จะไม่ได้รับความสนใจ แต่ในสภาวะที่มีไอระเหยที่ติดไฟได้อยู่ ประกายไฟอาจจะก่อให้เกิดการระเบิดขึ้นได้ ดังนั้น อุปกรณ์ไฟฟ้าที่จะถูกนำไปติดตั้งใช้ในโรงงานเคมีหรือโรงงานถลุงแร่จะต้องถูกออกแบบมาให้ไม่ก่อให้เกิดประกายไฟหรืออะไรก็ตามที่อาจจะก่อให้เกิดประกายไฟอันจะทำให้ไอระเหยติดไฟได้ที่อาจจะปรากฏในบริเวณนั้นเกิดการระเบิดขึ้นได้

มีแนวทางแก้ปัญหาในการติดตั้งทางไฟฟ้าเหล่านี้มากมาย แต่วิธีการที่ง่ายที่สุดคือการลดจำนวนอุปกรณ์ไฟฟ้าในบริเวณอันตรายให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ไม่ว่าจะด้วยการย้ายอุปกรณ์ไฟฟ้าออกนอกบริเวณอันตราย หรือการลดความอันตรายของพื้นที่ด้วยการปรับปรุงกระบวนการผลิตหรือการใช้ระบบระบายอากาศ Intrinsic safety คือเทคนิกในทางปฏิบัติแนวทางหนึ่ง ซึ่งออกแบบมาเพื่อลดระดับกำลังของไฟฟ้าและมีพลังงานสะสมต่ำ อันจะทำให้โอกาสที่จะเกิดการระเบิดต่ำลง การปิดคลุมอุปกรณ์สามารถอัดอากาศบริสุทธิ์เข้าไปในระบบแล้วปิดตาย ซึ่งอุปกรณ์จะถูกตัดออกจากระบบเมื่อระบบจ่ายอากาศไม่ทำงาน

เป็นเรื่องธรรมดาในสายงานเทคโนโลยีไฟฟ้าที่ในแต่ละประเทศจะมีมาตรฐานที่แต่งต่างกันออกไปและมีวิธีการทดสอบที่อุปกรณ์ไฟฟ้าสำหรับงานในพื้นที่อันตรายที่ไม่เหมือนกัน เนื่องด้วยการค้าโลกทวีความสำคัญในการแพร่กระจายผลิตภัณฑ์ไฟฟ้ามากขึ้น ดังนั้นมาตรฐานนานาชาติจค่อย ๆ จึงค่อย ๆ ได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างช้า ๆ จนมีเทคนิกที่ได้รับการยอมรับโดนตัวแทนของแต่ละชาติมากขึ้น

ประวัติ

ไม่นานหลังจากที่อุปกรณ์ไฟฟ้าถูกนำไปใช้ในเหมืองถ่านหิน ก็มีการค้นพบว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าเช่น หลอดไฟ สัญญาณ และมอเตอร์ สามารถก่อให้เกิดการระเบิดอย่างรุนแรงอันจะก่อให้เกิดการสูญเสียชีวิตได้ ในช่วงเวลาเดียวกันกับที่ไฟฟ้าถูกนำเข้ามาใช้นั้นเอง อันตรายของก๊าซไวไฟ หรือมีเทนที่สะสมตัวกันนั้นเป็นที่รู้จักกันดีพอ ๆ กับอันตรายจากละอองถ่านหิน อย่างไรก็ตาม อย่างน้อยการระเบิดที่เกิดขึ้นในอังกฤษอย่างน้อยสองครั้งมีสาเหตุมาจากระบบเตือนภัยด้วยกระดิ่งไฟฟ้า โดยในระบบนี้ สายไฟเปล่าสองเส้นจะถูกลากยาวไปตามทางเดิน และคนเหมืองคนใดที่ต้องการจะส่งสัญญาณเตือนขึ้นไปยังผิวดินก็จะกระทำได้ด้วยการจับสายเปล่าสองเส้นมาเชื่อมเข้าหากัน หรือใช้โลหะอะไรก็ได้เชื่อมสายไฟสองเส้นเข้าด้วยกัน ซึ่งการเหนี่ยวนำไฟฟ้าของสัญญาณกระดิ่ง กอปรกับการแตกออกจากกันข้องหน้าสัมผัสด้วยการแตะด้วยวัตถุโลหะนั้น ก่อให้เกิดประกายไฟ ซึ่งสามารถจุดระเบิดมีเทนในเหมือง อันเป็นสาเหตุของการระเบิดนั่นเอง

การจำแนกพื้นที่ (ก๊าซและไอ)

ในโรงงานอุตสาหกรรมบางประเภทเช่นโรงถลุงแร่และโรงงานเคมี มีปริมาณของก๊าซและของเหลวไวไฟปรากฏในพื้นที่หนึ่ง ๆ เป็นปริมาณมาก ซึ่งอาจจะก่อให้เกิดความเสี่ยงได้ และในบางกรณี ช่วงเวลาที่ก๊าซ ของเหลวและฝุ่นอันตรายเหล่านี้ปรากฏนั้นกินระยะเวลาที่ยาวนานหรือตลอดเวลา ในบริเวณอื่น ๆ อาจจะมีสสารไวไฟปรากฏขึ้นในบางช่วงระยะเวลา เช่นในช่วงที่การผลิตมีปัญหา ซ่อมบำรุง หรือในช่วงที่เกิดอุบัติเหตุ ด้วยเหตุนี้ โรงถลุงแร่และโรงงานเคมีจำต้องจำแนกพื้นที่ออกเป็นส่วน ๆ (zone) ตามความเสี่ยงที่ก๊าซ ของเหลว และฝุ่นจะรั่วไหลออกมา กระบวนการจำแนกชนิดและขนาดของพื้นที่อันตรายนั้นเรียกว่า "classification"

โดยส่วนใหญ่แล้ว แก๊สอันตรายมักจะเป็นสารจำพวกไฮโดรคาร์บอน

บริเวณปลอดภัย (Safe Area)

บ้านเรือนทั่ว ๆ ไปอาจจะถูกพิจารณาให้เป็นบริเวณปลอดภัยอันเนื่องมาจากความเสี่ยงจากการระเบิดและไฟไหม้เพียงมาจากสเปรย์ละอองลอย ส่วนของเหลวไวไฟนั้นอาจจะเป็นเพียงแค่สีหรือน้ำยาทำความสะอาด พื้นที่ปลอดภัยนี้ถูกจัดเอาไว้ว่ามีความเสี่ยงที่จะเกิดการระเบิดต่ำ แต่มีโอกาสเกิดไฟไหม้มากกว่า (ถึงแม้ว่าจะมีโอกาสเกิดการระเบิดได้ยากก็ตาม) สำหรับในโรงงานเคมีนั้น พื้นที่ปลอดภัยคือบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารไวไฟระเหยต่ำกว่า 25% ของความสามารถต่ำสุดที่ก่อให้เกิดการติดไฟของมัน (Flammability limit) หรือต่ำกว่าจุดที่สามารถติดระเบิด

พื้นที่โซน 2 (Zone 2 Area)

เป็นพื้นที่ที่สูงขึ้นมาจากพื้นที่ปลอดภัยโดยในบริเวณนี้จะเป็นบริเวณที่กาซ ไอ หมอก หรือของเหลวไวไฟจะมีได้ต่ำกว่าค่าสภาวะผิดปกติ (โดยมากแล้วจะรั่วไหลออกมาในระดับที่ต่ำกว่าสภาวะผิดปกติ) สำหรับแนวทางการพิจารณาโดยทั่วไปนั้น บริเวณนี้จะมีวัตถุไวไฟปรากฏได้ไม่เกิน 10 ชั่วโมงต่อปี หรือ 0 - 0.1 % ของเวลา อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีระบบป้องกันการระเบิดควรจะถูกใช้ในบริเวณนี้

พื้นที่โซน 1 (Zone 1 Area)

พื้นที่โซน 1 นี้คือบริเวณที่อุปกรณ์ชนิดพิเศษหรืออุปกรณืที่ได้รับการจำแนกชนิดจะต้องถูกนำมาใช้ ในบริเวณนี้ ก๊าซ ของเหลว หรือหมอกจะถูกคาดเอาไว้ว่าปรากฏขึ้นมา หรือปรากฏในช่วงเวลาที่ยาวนานภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ตามแนวทางการพิจารณานั้น บริเวณนี้จะมีสสารอันตรายปรากฏขึ้นระหว่าง 10 - 1,000 ชั่วโมงต่อปี หรือ 0.1 - 10 % ของเวลา อุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกันการระเบิดที่สูงกว่าระดับ 2 จะต้องถูกนำมาใช้

พื้นที่โซน 0 (Zone 0 Area)

สภานการณ์เลวร้ายที่สุดของพื้นที่นี้คือมีสสารไวไฟปรากฏตลอดเวลา (ซึ่งมากกว่า 1,000 ชั่วโมงต่อปี หรือ มากกว่า 10% ของเวลา) ถึงแม้ว่านี่จะเป็นกรณีที่เลวร้ายที่สุด แต่ทว่าเป็นเรื่องยากมากที่โซน 0 จะเป็นระบบเปิด โดยทั่วไปแล้วจะมีช่องว่างของไอน้ำเหนือของเหลวในถังบรรจุสาร

พื้นที่ที่มีฝุ่น

ในพื้นที่ที่มีฝุ่นนั้นก็มีโอกาสที่จะเกิดการระเบิดด้วยเช่นกัน แต่เดิมการจำแนกชนิดของพื้นที่อันตรายจะใช้ระบบอังกฤษที่ใช้ตัวอักษรระบุชนิด แต่ในปัจจุบันจะใช้ระบบยุโรปที่ใช้ตัวเลขในการจำแนกแทน

ขอบเขตและลักษณะของพื้นที่อัตรายจำพวกนี้ควรจะถูกจำแนกโดยผู้มีความชำนาญ ควรจะมีการวาดแผนผังของโรงงานเพื่อบ่งถึงพื้นที่อันตราย

พื้นที่อันตรายจำพวกฝุ่นนั้นสามารถแบ่งได้ดังนี้:

โซน 20

สถานที่ที่มีสภาวะอากาศที่มีฝุ่นสสารที่มีความสามารถในการระเบิดที่หนาทึบเหมือนกลุ่มเมฆปรากฏอยู่อย่างต่อเนื่อง เป็นเวลานาน หรือถี่

โซน 21

สถานที่ที่มีสภาวะอากาศที่มีฝุ่นสสารที่มีความสามารถในการระเบิดที่หนาทึบเหมือนกลุ่มเมฆ และมักจะปรากฏในสภาวะการทำงานปกติเป็นครั้งคราวA place in which an explosive atmosphere in the form of a cloud of combustible dust in air is likely to occur in normal operation occasionally.

โซน 22

สถานที่ที่มีสภาวะอากาศที่มีฝุ่นสสารที่มีความสามารถในการระเบิดที่หนาทึบเหมือนกลุ่มเมฆปรากฏอยู่อย่างต่อเนื่อง แต่ไม่ปรากฏบ่อย ๆ ในสภาวะการทำงานปกติ หากแต่เกิดขึ้นในระยะเวลาสั้น ๆ เท่านั้น

พื้นที่ที่มีก๊าซ

ก๊าซ ไอระเหยและฝุ่นที่ไวไฟมีคุณสมบัติทางเคมีที่ต่างกันที่ส่งผลต่อโอกาสและความรุนแรงของระเบิดที่ไม่เหมือนกัน คุณสมบัติเหล่านั้นประกอบด้วยอุณหภูมิเปลวไฟ (Flame Point) พลังงานต่ำสุดที่ใช้ในการติดไฟ ขอบเขตสูงสุด/ต่ำสุดในการระเบิด และน้ำหนักโมเลกุล การทดสอบด้วยการสังเกต (Empirical testing) จะถูกกระทำเพื่อพิจารณาตัวแปรอย่างเช่น ระยะห่างปลอดภัยที่สุดในการทดลอง (maximum experimental safe gap) กระแสติดไฟต่ำสุด (minimum ignition current) ความดันการระเบิด (explosion pressure) และเวลาที่ใช้ในการเข้าสู่ความดันสูงสุด (time to peak pressure) อุณหภูมิจุดระเบิดตามธรรมชาติ (spontaneous ignition iemperature) และอัตราการเพิ่มความดันสูงสุด (maximum rate of pressure rise) ถึงแม้ว่าสสารทุกชนิดมีคุณสมบัติในการระเบิดที่แตกต่างกัน แต่พวกมันสามารถถูกจัดลำดับในช่วงที่คล้ายคลึงกันซึ่งทำให้ง่ายต่อการเลือกอุปกรณ์ไฟฟ้าสำหรับใช้ในพื้นที่อันตราย

ความสามารถในการติดไฟของของเหลวไวไฟถูกจำแนกได้โดยจุดวาบไฟ (flash point)ของมัน โดยจุดวาบไฟหมายถึงอุณหภูมิที่วัสดุสามารถก่อไอระเหยที่มีความสามารถเพียงพอที่จะก่อให้เกิดส่วนผสมที่จุดไฟได้ นี่เป็นข้อมูลสำคัญในการพิจารณาว่าพื้นที่นี้จำเป็นจะต้องพิจารณาว่าเป็นพื้นที่เสี่ยงหรือไม่ และเป็นพื้นที่เสี่ยงแบบไหน พื้นที่ที่มีวัสดุที่มีอุณหภูมิจุดระเบิดด้วยตัวเองต่ำมากและมีจุดวาบไฟที่สูงกว่าอุณหภูมิบรรยากาศนั้น อาจจะไม่ถูกพิจารณาว่าเป็นพื้นที่เสี่ยงก็ได้ อย่างไรก็ตาม ถ้าวัสดุนั้นก่อให้เกิดอุณหภูมิที่สูงกว่าบรรยากาศและอุณหภูมิที่เกิดขึ้นนั้นสูงกว่าจุดวาบไฟ พื้นที่ที่มีวัสดุนั้นจะถูกพิจารณาว่าเป็นพื้นที่เสี่ยง

กาซในอุตสาหกรรม สามารถถูกแบ่งออกได้ดังนี้

กลุ่ม	กาซที่ปรากฏในพื้นที่
I	เหมืองถ่านหินใต้ดินทั้งหมด, มีเทน
IIA	มีเทน (ในอุตสาหกรรม), โพรเพน, เชื้อเพลิง และโรงงานอุตสาหกรรมเคมีส่วนใหญ่
IIB	เอธีลีน, ถ่านโค้ก และกาซอุตสาหกรรมอื่น ๆ
IIC	"ฮโดรเจน, อซิทีลีน, คาร์บอน ไดซัลเฟส

แหล่งข้อมูลอื่น

• ATEX "Use" Directive เก็บถาวร 2008-09-05 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน (อังกฤษ)
• Hazardous/Intrinsic Safety Location Equipment (อังกฤษ)

ดูเพิ่ม

• Alan McMillan, Electrical Installations in Hazardous Areas, Butterworth-Heineman 1998, ISBN 0750637684, preview available at Google Books at http://books.google.ca/books?id=Ojke07cRCzQC&printsec=frontcover&dq=electrical+installations+in+hazardous+areas+mcmillan#v=onepage&q=&f=false (อังกฤษ)
• Peter Schram Electrical Installations in Hazardous Locations, Jones and Bartlett, 1997, ISBN 0877654239, preview available at Google Books at http://books.google.ca/books?id=WbKRE9FfhOQC&printsec=frontcover&dq=electrical+installations+in+hazardous+areas&lr=&source=gbs_book_other_versions_r&cad=5#v=onepage&q=electrical%20installations%20in%20hazardous%20areas&f=false (อังกฤษ)