السلامة الجوهرية

السلامة الذاتية هي تقنية حماية تضمن التشغيل الآمن للمعدات الكهربائية في المناطق الخطرة، وذلك عن طريق الحد من الطاقة الكهربائية والحرارية المتاحة للاشتعال. في دوائر الإشارة والتحكم التي تعمل بتيارات وفولتيات منخفضة، تُبسط السلامة الذاتية الدوائر وتُقلل تكلفة التركيب مقارنةً بأساليب الحماية الأخرى. توجد مناطق ذات تركيزات خطرة من الغازات أو الغبار القابل للاشتعال في تطبيقات مثل مصافي البتروكيماويات والمناجم. وتُعدّ السلامة الذاتية، كعلم، تطبيقًا للسلامة المتأصلة في أجهزة القياس. أما الدوائر عالية الطاقة، مثل المحركات الكهربائية أو الإضاءة، فلا يُمكن استخدام أساليب السلامة الذاتية فيها للحماية.

يمكن تقسيم أجهزة السلامة الذاتية إلى:

• جهاز آمن جوهريًا
• الأجهزة المرتبطة

الأجهزة الآمنة جوهرياً هي أجهزة كهربائية تحتوي على دوائر متصلة تشكل دوائر آمنة جوهرياً أثناء وجودها في المنطقة الخطرة.

الأجهزة المرتبطة هي أجهزة كهربائية تحتوي على دوائر آمنة جوهريًا وأخرى غير آمنة جوهريًا، وهي مصممة بطريقة لا يمكن للدوائر غير الآمنة جوهريًا أن تؤثر سلبًا على الدوائر الآمنة جوهريًا.

تم تصميم الدائرة الآمنة جوهريًا بحيث لا تكون قادرة على التسبب في اشتعال جو قابل للانفجار، عن طريق أي شرارة أو أي تأثير حراري في ظل ظروف التشغيل العادية وظروف الأعطال المحددة.

في الاستخدام العادي، غالباً ما تُحدث المعدات الكهربائية أقواساً كهربائية صغيرة (شرارات داخلية) في المفاتيح، وفرش المحركات، والموصلات، وفي أماكن أخرى. كما تُولّد المعدات الكهربائية الصغيرة حرارة أيضاً، والتي قد تُصبح في بعض الظروف مصدراً للاشتعال.

توجد طرق متعددة لجعل المعدات آمنة للاستخدام في المناطق المعرضة لخطر الانفجار. يُعدّ الأمان الذاتي (المُشار إليه بالحرف "i" في تصنيفات ATEX وIECEx للانفجار) أحد الطرق المتاحة لحماية المعدات الكهربائية. راجع قسم "أنواع الحماية" لمزيد من المعلومات.

بالنسبة للأجهزة الإلكترونية المحمولة، يُعدّ الأمان الذاتي الطريقة الواقعية الوحيدة التي تُمكّن من حماية الجهاز من الانفجار. فالجهاز الذي يُوصف بأنه "آمن ذاتيًا" مُصمّم بحيث لا يُمكنه إنتاج حرارة أو شرارة كافية لإشعال جو قابل للانفجار، حتى لو تعرّض الجهاز للتلف أو الضرر.

هناك عدة اعتبارات عند تصميم الأجهزة الإلكترونية الآمنة بطبيعتها:

• تقليل أو إزالة الشرارة الداخلية.
• التحكم في درجات حرارة المكونات.
• إزالة المسافات بين المكونات التي قد تسمح للغبار بتكوين دائرة قصر.

يتم القضاء على إمكانية حدوث شرارة داخل المكونات عن طريق الحد من الطاقة المتاحة في أي دائرة معينة وفي النظام ككل.

تصبح درجة الحرارة مشكلة في ظل ظروف عطل معينة مثل حدوث قصر داخلي في جهاز أشباه الموصلات ، حيث يمكن أن ترتفع درجة حرارة المكون إلى مستوى يمكن أن يؤدي إلى اشتعال بعض الغازات المتفجرة، حتى في الاستخدام العادي.

يجب استخدام وسائل الحماية، مثل تحديد التيار باستخدام المقاومات والصمامات، لضمان عدم وصول أي مكون إلى درجة حرارة قد تتسبب في اشتعال ذاتي للجو القابل للاحتراق. في الأجهزة الإلكترونية فائقة الصغر المستخدمة اليوم، غالبًا ما تكون المسافة بين المكونات في لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) مُعرِّضة لحدوث شرارة كهربائية بينها في حال دخول الغبار أو أي جسيمات أخرى إلى الدائرة، ولذلك تُصبح المسافة بين المكونات ومواقعها وعزلها عناصر بالغة الأهمية في التصميم.

يتمثل المفهوم الأساسي للأمان الذاتي في تقييد الطاقة الكهربائية والحرارية المتاحة في النظام لمنع اشتعال أي جو خطر (غاز أو غبار قابل للاشتعال). ويتحقق ذلك من خلال ضمان دخول تيارات وفولتيات منخفضة فقط إلى المنطقة الخطرة، ومنع تخزين كميات كبيرة من الطاقة.

إحدى أكثر طرق الحماية شيوعًا هي الحد من التيار الكهربائي باستخدام مقاومات متسلسلة (باستخدام أنواع من المقاومات التي تتعطل دائمًا عند انقطاع الدائرة)؛ والحد من الجهد باستخدام عدة ثنائيات زينر . في حواجز زينر، يتم تأريض الجهود الواردة الخطرة، بينما في حواجز العزل الجلفاني، لا يوجد اتصال مباشر بين دوائر المنطقة الآمنة والمنطقة الخطرة، وذلك بفضل وجود طبقة عازلة بينهما. تتطلب معايير اعتماد تصميمات السلامة الذاتية (وخاصةً IEC 60079-11، ومنذ عام 2015 أيضًا IEC TS 60079-39) عمومًا ألا يتجاوز الحاجز مستويات الجهد والتيار المعتمدة مع حدوث أضرار محددة لمكونات الحد.

تُصمَّم المعدات أو أجهزة القياس المستخدمة في المناطق الخطرة للعمل بجهد وتيار منخفضين، وتُصمَّم بدون مكثفات أو ملفات حث كبيرة قد تُفرغ شحنتها عند حدوث شرارة. يُوصَّل الجهاز، باستخدام طرق توصيل معتمدة، بلوحة تحكم في منطقة غير خطرة مزودة بحواجز أمان. تضمن حواجز الأمان، في التشغيل العادي، ومع تطبيق إجراءات الحماية وفقًا لمستوى حماية المعدات (EPL)، أنه حتى في حالة حدوث تلامس عرضي بين دائرة الجهاز ومصادر الطاقة الأخرى، لن يتجاوز الجهد والتيار المسموح بهما دخول المنطقة الخطرة.

على سبيل المثال، خلال عمليات النقل البحري عند نقل المنتجات القابلة للاشتعال بين المحطة البحرية وناقلات النفط أو البوارج، يجب الحفاظ على اتصال لاسلكي ثنائي الاتجاه بشكل مستمر تحسبًا لتوقف عملية النقل لأسباب غير متوقعة كالتسرب. ويشترط خفر السواحل الأمريكي أن يكون جهاز الاتصال اللاسلكي ثنائي الاتجاه معتمدًا كجهاز آمن جوهريًا.

ومن الأمثلة الأخرى الهواتف المحمولة الآمنة جوهريًا أو المقاومة للانفجار، والتي تُستخدم في بيئات قابلة للانفجار، مثل مصافي النفط. يجب أن تستوفي هذه الهواتف معايير تصميم خاصة للبطاريات للحصول على شهادات UL أو ATEX أو IECEx للاستخدام في البيئات القابلة للانفجار.

لا يمكن أن تكون الأجهزة التي تعمل بالبطاريات والمصممة بشكل صحيح آمنةً ذاتيًا إلا إذا كانت مستقلةً بذاتها. أما الأجهزة والأسلاك الأخرى في المجال، فلا تكون آمنةً ذاتيًا إلا عند استخدامها ضمن نظام أمان ذاتي مصمم بشكل صحيح. وتُحدد متطلبات الأنظمة الكهربائية الآمنة ذاتيًا في سلسلة معايير IEC 60079.

تجدر الإشارة إلى الفرق بين السلامة الذاتية والحماية من اللهب أو الانفجار، إذ يُستخدم المصطلحان غالبًا بشكل مترادف. تختلف السلامة الذاتية (Ex i) عن طرق الحماية من اللهب (Ex d) في طريقة التحكم بمخاطر الاشتعال. صُممت المعدات ذات السلامة الذاتية لمنع الاشتعال عن طريق الحد من الطاقة الكهربائية والحرارية المتاحة في الدائرة، بحيث لا تستطيع الشرر أو تأثيرات التسخين إشعال جوٍّ خطر، حتى في ظل ظروف عطل محددة. ^{[ 1 ]}

على النقيض من ذلك، تسمح المعدات المقاومة للهب أو الانفجار بحدوث الاشتعال داخل غلاف متين مصمم لتحمل واحتواء الانفجار الداخلي دون السماح للهب أو الغازات الساخنة بالانتشار إلى الغلاف الجوي المحيط والخطير. ^{[ 2 ]}

يُستخدم الأمان الذاتي عادةً في أجهزة القياس، وأجهزة الاستشعار، ومعدات الاتصالات، والأجهزة الإلكترونية المحمولة، لأنه يسمح للمعدات بالبقاء قيد التشغيل مع تقليل مخاطر الاشتعال. أما الحماية من اللهب فتُطبق بشكل أكثر شيوعًا على المعدات ذات الطاقة العالية مثل المحركات، وأنظمة الإضاءة، ومفاتيح التوزيع الكهربائية، حيث يكون الحد من طاقة الدائرة غير عملي.

بخلاف أساليب الحماية المقاومة للهب، يمكن اعتماد المعدات الآمنة جوهريًا للاستخدام في المناطق الخطرة من الفئة 0 حيث توجد أجواء قابلة للانفجار بشكل مستمر.

تُستخدم الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية في المناطق الخطرة لأغراض التفتيش الميداني، وإعداد تقارير الصيانة، وجمع البيانات. ^{[ 3 ]}

توجد طريقتان لاعتماد الأجهزة المحمولة في المناطق المصنفة. في الأولى، يتم تصميم الجهاز بالكامل خصيصًا للاستخدام في المناطق الخطرة: حيث يتم هندسة لوحة الدوائر والبطارية والشاشة والهيكل لتلبية متطلبات السلامة الجوهرية، ويتم اعتماد الجهاز كوحدة كاملة وفقًا لمعايير مثل IEC 60079-11 . ^{[ 4 ]}

في الحالة الثانية، يُستخدم غلاف واقٍ معتمد مع هاتف ذكي استهلاكي قياسي مثل آيفون أو سامسونج جالاكسي . يحد الغلاف من انتقال الطاقة وانبعاث الحرارة، ويتم اختبار الهاتف والغلاف معًا واعتمادهما وفقًا لمفهوم الحماية ذي الصلة، وعادةً ما يكون Ex ib للمنطقة 1 أو Ex ic للمنطقة 2. ^{[ 5 ]}

يتطلب كلا النهجين الحصول على شهادة من جهة معتمدة (في الاتحاد الأوروبي بموجب توجيه ATEX ) أو من خلال نظام IECEx للأسواق الدولية. يشمل الاختبار درجة حرارة السطح القصوى تحت حمل الجهاز المستمر، وسلوك عطل البطارية، وخصائص التفريغ الكهروستاتيكي لمواد الغلاف. ^{[ 6 ]}

تستخدم بعض الأجهزة المحمولة المخصصة للمناطق الخطرة أساليب حماية أمان جوهرية، بينما تعتمد أجهزة أخرى على أغلفة معتمدة مقاومة للهب أو الانفجار مصممة لاحتواء مصادر الاشتعال داخل غلاف الجهاز. ^{[ 7 ]}

تُطوّر معايير الحماية الذاتية بشكل رئيسي من قِبل اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC)، ^{[ 8 ]} ولكن توجد أيضًا جهات أخرى تُطوّر معايير السلامة الذاتية. قد تُدار هذه الجهات من قِبل الحكومات أو قد تتألف من أعضاء من شركات التأمين والمصنّعين والصناعات المهتمة بمعايير السلامة. تسمح جهات الاعتماد للمصنّعين بوضع ملصق أو علامة تُشير إلى أن الجهاز مُصمّم وفقًا لمعايير سلامة المنتج ذات الصلة. من أمثلة هذه الجهات في أمريكا الشمالية: مؤسسة أبحاث فاكتوري ميوتشوال ، التي تُصدّق على أجهزة الراديو، ومختبرات أندررايترز (UL) التي تُصدّق على الهواتف المحمولة، وفي كندا: الجمعية الكندية للمعايير . ^{[ 9 ]} في الاتحاد الأوروبي، معيار شهادة السلامة الذاتية هو معيار CENELEC ^{[ 10 ]} EN 60079-11، ويجب اعتماده وفقًا لتوجيه ATEX ، بينما تُتّبع معايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) في دول أخرى حول العالم. ولتسهيل التجارة العالمية، تشارك وكالات المعايير في جميع أنحاء العالم في أنشطة التنسيق بحيث يمكن في نهاية المطاف الموافقة على استخدام المعدات الآمنة بطبيعتها المصنعة في بلد ما في بلد آخر دون الحاجة إلى اختبارات وتوثيق زائدة ومكلفة.

• توجيهات ATEX

• أداة تقييم السلامة الجوهرية عبر الإنترنت
• IEC 60079-11:2023

• ريدينغ، آر جيه، السلامة الجوهرية: الاستخدام الآمن للإلكترونيات في المواقع الخطرة . برنامج ماكجرو هيل الأوروبي التقني والصناعي. 1971. ISBN 978-0-07-094224-0
• بول، ف.، "تأريض الحواجز الآمنة ذاتيًا على المعدات البحرية القابلة للنقل". معهد IMarEST. وقائع IMarEST - الجزء أ - مجلة الهندسة والتكنولوجيا البحرية ، المجلد 2009، العدد 14، أبريل 2009، الصفحات  3-17 (15)
• ملخص مفاهيم ومعايير السلامة الجوهرية (ورقة بيضاء بصيغة PDF) ، شركة إيجكس تكنولوجيز.
• "AN9003 - دليل المستخدم للسلامة الجوهرية" (ملف PDF) . كوبر كراوس هايندز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 سبتمبر 2012 .
• المفاهيم الأساسية للسلامة الجوهرية (ورقة بيضاء بصيغة PDF) ، معهد سبارك.