SEGURIDAD ELÉCTRICA EN AMBIENTES EXPLOSIVOS

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1 SEGURIDAD ELÉCTRICA EN AMBIENTES EXPLOSIVOS Instrumentación y Comunicaciones Industriales Facultad de Ingeniería - UNLP

2 Protección Eléctrica En Ambientes Explosivos. 1 - Introducción Cualquier instrumento o equipo eléctrico instalado en atmósferas que contengan gases o vapores inflamables, presenta riesgo de generar una explosión. Como es sabido, éste es el caso de una Refinería, en la que la gran mayoría de los productos y subproductos que se manejan, generan o pueden generar a su alrededor este tipo de gases o vapores. Debido a esto es que la instalación de cualquier equipo o instrumento en estas áreas obliga a la utilización de técnicas especiales de protección. El objetivo que persiguen dichas técnicas, es el de impedir la ignición del espacio que rodea al equipo en cuestión. Esta claro que la implementación de éstas técnicas tiene como meta fundamental la de salvaguardar la integridad física de las personas e instalaciones vinculadas a una planta industrial. A partir de todo lo dicho, se convierte en un aspecto limitante en la elección de cualquier equipo, instrumento, principio de medición, etc., el riesgo de explosión que esto pueda generar en la atmósfera circundante y el método de protección a adoptar. En los ítems siguientes se caracteriza un área determinada dentro de una planta industrial en función de la probabilidad de existencia de material explosivo, se exponen los tipos de protección existentes, y se verá cual de ellos corresponde aplicar en cada caso. Todo esto esta comprendido en diferentes normas de la Comisión Eléctrica Internacional (IEC: Internacional Electrical Comission). 2 - Nivel De Energía De Seguridad Para producir la ignición de una atmósfera gaseosa, es necesario el aporte de un nivel crítico de energía; es decir, la explosión sólo se produce si se inyecta suficiente energía a la mezcla como para producir la ignición de un mínimo volumen del material, llamado volumen crítico. Al diámetro de una esfera de dicho volumen se le llama distancia de extinción y si la deflagración incipiente que pueda formarse, se mantiene dentro de esa esfera, la llama naciente no se propaga al resto del material. A partir de esto surge el concepto de mínima energía de ignición y es la energía necesaria para que una determinada mezcla de aire con gas o vapor, produzca la ignición de un volumen mayor a la distancia de extinción. Ocurrirá, por lo tanto, la propagación de la llama al resto del material, causando una explosión. La energía de ignición depende de los gases presentes en la mezcla y también de la proporción en que éstos se encuentran. Típicamente, para la mezcla de un determinado gas con el aire, se obtienen curvas que muestran como varía la energía de ignición, con la concentración de dicho gas. Para los gases más comunes como por ejemplo el propano, el etileno y el hidrógeno, la forma de las curvas es aproximadamente parabólica, tal cual se muestra en la figura 2.7. Dichas curvas permiten definir para cada gas o vapor los siguientes parámetros característicos: Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 2

3 Límites superior e inferior de explosividad: más allá de dichos límites, la energía requerida para la ignición es tan alta que prácticamente no es posible producir una explosión. Concentración más inflamable: es aquella que requiere la mínima cantidad de energía para producir una explosión. Energía mínima de ignición: es la menor cantidad de energía requerida para inflamar una mezcla explosiva; ocurre en el punto de concentración más inflamable. Respecto de la influencia que tienen en las curvas de la figura 2.7 las variaciones de presión y temperatura del gas, podemos afirmar que la energía de ignición se reduce al aumentar la temperatura o la presión de la mezcla. Energía de Ignición [mj] De acuerdo a la norma europea IEC , las propiedades de una atmósfera que clasifica un emplazamiento determinado se resumen asignándole a ésta un Grupo según la mínima energía de ignición del gas presente. A cada grupo le corresponde un rango de valores de energía para los cuales, dependiendo de la concentración del gas, se producirá la ignición de la mezcla. A continuación se muestra una tabla con cada grupo y la mínima energía de ignición correspondiente. A su vez se expone un gas representativo de cada grupo. Esto es: Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 3

4 GAS REPRESENTATIVO GRUPO ENERGIA DE (SEGÚN NORMA IEC ) IGNICION PROPANO IIA > 180 µj ETILENO IIB > 60 µj HIDROGENO IIC > 20 µj Figura 2.8 Grupos de gases según energía de ignición. 3 - Mecanismos De Ignición En Circuitos De Baja Tensión La ignición de una mezcla gaseosa puede ocurrir debido a varios mecanismos. Puede deberse a la presencia de un fenómeno eléctrico, como el desprendimiento de una chispa al cerrar un contacto, como también a la excesiva temperatura que pudiera tener un determinado material que se encuentre en contacto con la mezcla inflamable. Los siguientes son los mecanismos más comunes que pueden resultar en la ignición de la atmósfera: 1. Cierre de un contacto en un circuito de características capacitivas: cuando el contacto cierra el circuito, estando cargado el capacitor, existe a una distancia pequeña un campo eléctrico grande, que en ocasiones podrá causar la formación de un arco eléctrico. Esto dependerá de la carga del capacitor y de la forma de los contactos. Habiéndose generado el arco eléctrico, la explosión ocurrirá si la distancia entre los contactos es mayor a la distancia de extinción mencionada más arriba. Deberá además cumplirse que la energía liberada sea mayor a la energía de ignición de dicho gas, a la concentración en que se encuentre. 2. Apertura de un contacto en un circuito de características inductivas: al abrirse un contacto en el circuito, se interrumpe la corriente circulante; no obstante el inductor se opone al cambio brusco de la corriente, intentando mantener la circulación. Este fenómeno da lugar a un aumento de tensión entre los contactos hasta, tal vez, un valor muy alto, pudiendo ser incluso mayor a la tensión de alimentación. Nuevamente, esto podrá causar la formación de un arco eléctrico. Valen aquí las mismas consideraciones hechas antes sobre la energía del arco, la distancia entre contactos, y las características del gas. Adicionalmente, se puede decir en los circuitos de alta inductancia, la tensión entre contactos es muy alta, favoreciendo el arco incluso a distancias mayores a la de extinción; en ese sentido es más perjudicial un contacto de apertura rápida que uno de apertura lenta. 3. Ignición debido a superficie o hilos calientes: la inflamación de un gas puede deberse también al contacto de éste con una superficie, cuya temperatura sea mayor a la temperatura de inflamación del gas. Debido a esto, todo equipo eléctrico que opere en una atmósfera explosiva, deberá Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 4

5 ser seguro frente a la posible inflamación de un gas o gases particulares por efecto de la temperatura. Los gases y vapores se clasifican entonces de acuerdo a seis clases, dependiendo de la máxima temperatura superficial que son capaces de soportar sin producir una explosión. Esto lo expresa la norma europea IEC y los grupos se componen de acuerdo a la siguiente tabla: CLASE DE TEMPERATURA T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 TEMPERATURA MAXIMA SUPERFICIAL DEL MATERIAL ELECTRICO 450 ºC 300 ºC 200 ºC 135 ºC 100 ºC 85 ºC Figura 2.8 Grupos de gases según energía de ignición Clasificación De Áreas Peligrosas Área peligrosa es toda área donde pueden estar presentes gases, vapores o polvos inflamables en cantidad suficiente como para producir la ignición de la mezcla. Este tipo de áreas esta clasificado mundialmente de acuerdo al tipo de material inflamable y a la probabilidad de presencia de dicho material. La clasificación del emplazamiento es un método de análisis que se aplica a cualquier área donde puedan existir gases, vapores o polvos inflamables. Su objetivo es establecer las precauciones especiales que se deben considerar para la construcción, instalación y utilización de materiales eléctricos. En general, en cualquier instalación industrial donde se manejan materiales inflamables, es difícil asegurar que no existirá nunca una atmósfera explosiva; también es difícil asegurar que el equipamiento eléctrico que en ella se utilice no será una fuente de ignición. Debido a esto, en aquellas instalaciones donde existe una alta probabilidad de presencia de atmósfera explosiva, se deberán utilizar equipos eléctricos con una muy baja probabilidad de crear una fuente de ignición. Por lo dicho, resulta necesario como paso previo a la selección del material eléctrico, realizar una clasificación de las diferentes áreas. Dicha clasificación tiene en cuenta tanto las sustancias presentes como su probabilidad de presencia. Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 5

6 De acuerdo a la figura 2.9, cualquier área con riesgo de explosión se puede dividir en dos Clases: Clase I y Clase II, donde cada Clase tiene en cuenta el tipo de sustancia inflamable presente, de acuerdo a lo siguiente: Área Clase I: es aquella área en la existen o pueden existir gases, vapores o nieblas en cantidad suficiente para generar una atmósfera explosiva. Se incluyen también lugares donde pueda haber líquidos que produzcan vapores inflamables. Son ejemplos de este tipo de áreas las siguientes: Refinerías, industrias químicas, estaciones de servicio, instalaciones donde se manipulen gases inflamables, salas de compresores de gases inflamables, etc. Área Clase II: es aquella área en la que existen o pueden existir polvos inflamables en cantidad suficiente como para generar una atmósfera explosiva. Son ejemplos los siguientes de este tipo de áreas, los siguientes: plantas de manipuleo de cereales, salas de molinos, plantas de coque, etc. A su vez, se puede dividir cada Clase en 3 Zonas, conforme a la probabilidad de presencia de la atmósfera explosiva. Cada Zona denota un nivel de riesgo diferente. Para la Clase I, cada Zona indica lo siguiente: Zona 0: área en la que existe una atmósfera explosiva en forma continua o durante largos períodos. (más de 1000 horas/año, es decir, el 11,4% del tiempo) Zona 1: área en la que es probable que exista una atmósfera explosiva durante la operación normal. (entre 10 y 1000 horas/año, es decir, entre el 0.11% y el 11.4% del tiempo) Zona 2: área en la que es muy improbable que exista una atmósfera explosiva, y si existe, es de escasa duración. (entre 0.1 y 10 horas/año, es decir, entre el % y el 0.11% del tiempo) Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 6

7 A continuación se indica que expresa cada Zona de la Clase II: Zona 20: área en la que una nube de polvo esta presente en forma continua o con mucha frecuencia en cantidad suficiente para producir la ignición del ambiente. Zona 1: área en la cual no es frecuente la presencia de nubes de polvo que generen ambientes explosivos. Zona 2: área en la que es muy improbable que exista una atmósfera explosiva debido a la presencia de una nube de polvo, y si existiera, sería en condiciones anormales de servicio. De acuerdo a lo expresado sobre la norma IEC , la clasificación típica de un área dada podría ser como la siguiente: Se debe remarcar que la descripción anterior de un área determinada esta de acuerdo a la norma europea IEC En las instalaciones dentro de Estados Unidos y Canadá, existe una norma equivalente, la NEC Acerca de cómo determinar en una planta industrial que tipo de áreas están presentes y en que ubicación física, es necesario realizar un estudio complejo de la planta industrial, considerando todos los posibles puntos de escape de material inflamable. Para ello deben considerarse muchos factores, como la forma en que la fuente de material inflamable puede liberar el material a la atmósfera, de la ventilación presente, etc. Además, en algunos casos una zona de menor riesgo rodea a otra de mayor riesgo. La extensión de la zona, es decir la distancia a partir de la fuente de escape en la cual se extiende la mezcla explosiva, depende de los siguientes factores: Cantidad de escape del material inflamable. Velocidad de escape del material inflamable. Concentración de la mezcla liberada. Características de la ventilación. Presencia de obstáculos. Límite explosivo inferior del gas. Punto de inflamación. Densidad relativa del gas respecto del aire. Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 7

8 En la Refinería La Plata, existe una clasificación de áreas completa de toda la Refinería, basada ésta en un estudio hecho recientemente. El resultado de dicho estudio es un conjunto de planos que indica en cada Unidad Productiva, de que tipo de Zona se trata; es decir si es Zona 0, 1 ó 2. Para la instalación de cualquier equipo se debe considerar de que Zona se trata y elegir un método de protección eléctrica que sea apto para dicha Zona; esto se verá más adelante. 4 Conceptos Generales Sobre Modos De Protección Como se viene desarrollando en los ítems anteriores, el empleo de cualquier material eléctrico en una atmósfera de características explosivas aporta por un lado riesgo de calentamiento (efecto Joule o pérdidas de histéresis) y por otro lado riesgo de generación de arcos o chispas debido a la apertura o cierre de contactos de circuitos. Para disminuir dichos riesgos existen diversos modos de protección. Éstos definen una serie de reglas constructivas que deben aplicarse a materiales y equipos de forma que puedan ser aptos, con seguridad, en atmósferas explosivas. Los modos de protección se basan conceptualmente en 3 tipos de soluciones. Éstas son: 1. Confinar la eventual explosión, controlando sus efectos. 2. Separar la atmósfera explosiva del aporte energético. 3. Reducir la energía o impedir el aporte de la misma en forma de arcos, chispas o calentamiento. 1. Esta solución corresponde exclusivamente al modo de protección Antideflagrante, también llamado Antiexplosivo. En él, el material eléctrico capaz de inflamar una atmósfera explosiva, se encuentra contenido en una envolvente resistente a la sobrepresión que se pueda generar debido a una posible explosión interna a la envolvente; al mismo tiempo, impide que dicha explosión se propague al exterior. Es claro que este modo de protección depende exclusivamente de las características de resistencia mecánica del material envolvente, así como también de la forma constructiva de dicha envolvente. En la figura 2.10 puede verse el esquema del corte de una envolvente antideflagrante apta para contener algún material eléctrico. En dicha figura se indica que la explosión podría ocurrir adentro y que la envolvente asegura que la explosión no saldrá al exterior. Dicho de otra forma, solo se escaparán hacia fuera los gases quemados con una temperatura menor a la de ignición y, además, no permitirá la salida de chispas, arcos eléctricos o llama. Las normas constructivas para este tipo de envolventes se concentran también en el máximo gap permisible para cumplimentar con le expresado antes. Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 8

9 Respecto de las acometidas de caños a los envolventes del tipo antiexplosivo, se debe prestar atención que no sirvan dichas acometidas como camino para el ingreso de gases explosivos del exterior hacia el interior. Esto se logra intercalando entre el caño de acometida y el envolvente antiexplosivo, un dispositivo llamado sellador. Éste permite el paso de los cables a través de él, pero elimina cualquier espacio libre entre el cable y las paredes interiores del sellador. De esa forma, se logra que no ingresen gases hacia el interior de la envolvente. Además, en caso de producirse una explosión, ésta no se propagará a lo largo de toda la cañería, sino que quedará limitada a la envolvente en cuestión. Una ventaja que destaca este tipo de protección es que permite el uso, en una zona explosiva, de cualquier aparato que pueda producir chispas o arcos eléctricos, cubierto por supuesto, con una protección antideflagrante. Por el contrario, tiene las siguientes desventajas: No permite el trabajo bajo tensión Se trata de cajas y accesorios muy voluminosos. Cualquier error en la instalación o la falta de mantenimiento son peligrosos pues pueden llevar a la ignición del gas. El precio de este tipo de accesorios suele ser elevado. 2. Dentro de los modos de protección basados en la separación de la atmósfera explosiva del aporte energético, se pueden mencionar los siguientes: Sobrepresión interna: se trata de un modo de protección en el cual se impide el ingreso del gas explosivo al interior de la envolvente que contiene en su interior el material eléctrico. Esto se logra llenando el interior del envolvente con un gas de protección (no inflamable, por supuesto) y manteniendo éste a una presión superior a la de la atmósfera explosiva externa. De esa forma, se rodean Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 9

10 las partes que producen arcos con dicho gas asegurándose que no se producirá una explosión. Este tipo de protección es el preferido en las salas de control, salas con gabinetes de entrada/salida de señales y salas eléctricas. Para lograr la sobrepresión interna en una sala, puede disponerse de un sistema de control de presión con un volumen de gas no explosivo almacenado convenientemente. También puede obtenerse dicho gas de la atmósfera misma, disponiendo de una aspiración de aire de una Zona no clasificada. El valor deseado de presión en el interior de la sala es típicamente 10mmca (milímetros de columna de agua) por sobre la presión externa. El sistema de control se encarga de reponer el aire perdido por alguna perturbación (apertura de la puerta de entrada a la sala, por ejemplo), manteniendo siempre la sobrepresión en el interior. Este técnica suele estar asociada a un sistema de alarma en el cual si la presión interna no fuese la deseada, se envía un aviso visual o sonoro a la sala de operadores. Otra aplicación típica de este modo de protección se da cuando es necesaria la instalación de un gabinete en Zona Clasificada conteniendo éste algún tipo de analizador de proceso. Generalmente estos equipos se hallan alimentados eléctricamente y, por lo tanto, son potenciales generadores de arcos eléctricos. Es estos casos, se dispone de un sistema de control de sobrepresión interna en el gabinete de manera similar a lo expresado antes. Como medida de seguridad, suele realizarse un enclavamiento tal, que si la sobrepresión interna fuera menor que un valor determinado, se detendrá el funcionamiento del equipo en cuestión. En la figura 2.11 puede verse el esquema de un gabinete presurizado con su control de presión asociado. Como se dijo, dicho control hará que la presión interna se mantenga en un valor superior a la externa al gabinete. Si por alguna razón la presión interna baje a un valor menor al seteado, el sistema de control habilita la entrada de suministro de aire al interior accionando la válvula. Si la baja de presión se mantiene durante un período de tiempo y la entrada de aire no logra corregir dicha situación, se actúa sobre un relé auxiliar que deshabilita la alimentación eléctrica al gabinete. De igual manera, se dispone de un switch de apertura de puerta del gabinete, que al ser accionado, también interrumpe el suministro de energía eléctrica. Respecto de la puesta en marcha del sistema, se debe realizar un barrido inicial de todo el gas inflamable que pueda haber en el interior del gabinete, previo a conectar la alimentación eléctrica del equipo. Para ello, se dispone de una entrada de aire u otro gas inerte y también de una purga para el desalojo inicial. La mayor ventaja de este tipo de protección es que permite proteger grandes volúmenes, como lo son las salas de control, salas eléctricas, gabinetes de grandes dimensiones, etc. Como contrapartida, se trata de un sistema costoso debido a la gran cantidad de elementos asociados al sistema, que debe incluir elementos para el control de presión y además elementos de seguridad para interrumpir la alimentación eléctrica o detonar una alarma en caso de falla de presurización, apertura de puerta de gabinete, o cualquier otra situación de riesgo que se quiera sortear. Además, no permite el trabajo con tensión aplicada, lo cual requiere que para cualquier tarea de mantenimiento sea imprescindible la interrupción de la alimentación eléctrica. Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 10

11 Relleno Pulverulento / Inmersión en aceite: Se trata de dos modos de protección similares en los cuales la envolvente que contiene el material eléctrico se rellena con un material inerte de manera tal que, de producirse un arco eléctrico, éste no produzca la inflamación de la atmósfera circundante. Esta inflamación tampoco se producirá por un calentamiento excesivo de las paredes de la envolvente. El material de relleno suele ser cuarzo en el primer caso y algún tipo de aceite en el segundo. Si bien este tipo de protección es efectiva, tiene como desventaja la dificultad para realizarle mantenimiento a los equipos involucrados, por la presencia del material pulverulento / aceite. Encapsulado: en este modo de protección, las partes que pueden inflamar una atmósfera por chispas o calentamiento, están embebidos en una resina, de forma que la atmósfera explosiva no pueda inflamarse. En este modo de protección, los equipos forman un conjunto monolítico, concebidos de esa forma desde el momento de su fabricación, y en los cuales no es posible reparar ninguna de sus partes. 3. Dentro de los modos de protección basados en la reducción de la energía y su aporte en forma de arcos, chispas o calentamiento, se encuentra la Seguridad Intrínseca y se verá con detalle en el ítem siguiente. 5- Seguridad Intrínseca Se define como seguridad intrínseca a las medidas adoptadas en un circuito eléctrico para que ninguna chispa o efecto térmico producido sea capaz de provocar la inflamación de una atmósfera explosiva. Se limita entonces la Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 11

12 energía disponible en el área clasificada hasta valores menores a la mínima energía de ignición de los gases comunes. Todo elemento eléctrico involucrado en el área peligrosa, así como los elementos de interconexión en el área segura, se diseñan de forma tal de reducir la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito a valores pequeños; lo suficientemente pequeños para que no puedan causar la ignición de la atmósfera mediante la apertura o cierre de contactos, o bien el calentamiento de cualquier superficie. La inherente baja potencia involucrada en un circuito de seguridad intrínseca, trae aparejadas las siguientes ventajas que no pueden ser obtenidas con los otros modos de protección vistos. A saber: Seguridad Intrínseca es el único método apto para las áreas de mayor riesgo, Zona 0. La conexión, el mantenimiento o la calibración de los equipos se puede realizar con la planta en marcha y la alimentación eléctrica conectada, sin provocar esto un riesgo de explosión. Los bajos valores de tensión y corriente involucrados son también más seguros para el personal que realice trabajos en los equipos. No es necesario disponer de una protección mecánica especial, ni tampoco accesorios especiales para en tendido de caños y cables. Todo lo referido al cableado y montaje de los equipos no requiere atención específica. El costo de una instalación de Seguridad Intrínseca es sensiblemente menor a otros modos de protección ya que los equipos tienen envolventes más livianas y con menor material; los cables no tienen grandes requerimientos; las canalizaciones solo deben ser estancas (a prueba de entrada de polvos / humedad). Al considerar cualquier lazo de control y/o de indicación en una zona clasificada, se pueden encontrar gran variedad de elementos, de diferentes características. Entre ellos, podemos mencionar a los elementos sensores como termocuplas o fotocélulas, los indicadores locales, los transmisores de variables de proceso, etc. El modo de protección de seguridad intrínseca contempla todos estos elementos, siempre que éstos sean aptos para uso con baja energía. Se quiere indicar con esto que si el equipo a instalar en zona clasificada fuese uno que necesite alta potencia eléctrica para su operación, el método de protección a utilizar deberá ser otro. Además de cuan inflamable es un determinado gas y la probabilidad de que éste esté presente en un lugar dado, es necesario considerar la posibilidad de que el elemento a instalar en una zona explosiva, tenga o no la capacidad de almacenar energía. Esta claro que no tendría sentido limitar la tensión y corriente en un circuito dado, si el elemento instalado en el extremo del lazo se comporta de forma capacitiva o inductiva y posee, por lo tanto, la capacidad de acumular energía. El efecto de almacenamiento de energía de cualquier elemento perteneciente al lazo e instalado en la zona explosiva, deberá ser eliminado mediante un diseño conveniente, o bien cuantificado su máximo y permitida su instalación. Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 12

13 En la figura 2.12 puede verse un lazo típico de seguridad intrínseca, compuesto por uno o más elementos de medición y/o control, una interfase de seguridad intrínseca y el sistema de control y/o monitoreo. En lo que respecta a la seguridad, se deben destacar 3 elementos para cualquier lazo de SI. 1. Elementos Simples y Elementos de Seguridad Intrínseca. 2. Interfaces de seguridad Intrínseca. 3. Cables de Interconexión entre los dos anteriores. 1. Elementos Simples son aquellos elementos que, por sus características propias y de acuerdo a las especificaciones del fabricante, son incapaces de generar o almacenar una cantidad de energía que exceda alguno de los siguientes valores: 20µJ 1.2V 100mA 25mW Este tipo de aparatos no necesitan ningún tipo de certificación y son aptos para su instalación en cualquier Zona, incluso en Zona 0. Están incluidos en este grupo las termocuplas, termorresistencias, los switches, los diodos LED y las fotorresistencias. Elementos de Seguridad Intrínseca son aquellos elementos electrónicos complejos tales como transmisores de 2 hilos o convertidores I/P (corriente - presión) que podrían fácilmente almacenar cantidades riesgosas de energía en sus capacitores o inductores. Dichos equipos no podrán ser instalados en áreas peligrosas, a no ser que respondan a un diseño ideado especialmente para ello. Las técnicas de diseño incluyen el agregado de resistores para limitar la descarga de los capacitores y compensaciones tales que los equipos se vean casi como resistivos puros desde sus terminales. Además, se duplican los componentes que cumplimentan con lo anterior, logrando una redundancia de partes críticas y aumentando por lo tanto la seguridad del instrumento. Por último, se encapsulan determinadas partes importantes de los circuitos con compuestos especiales, de forma de asegurarse que no sean afectadas por las condiciones medioambientales como presencia de polvo o humedad; se encargan también de contener a una posible chispa que pueda generarse por una falla. El encapsulado Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 13

14 permite también que las partes no sean modificadas o reemplazadas en campo por algún operario de mantenimiento. Todo lo anterior mencionado sobre los equipos de seguridad intrínseca, es certificado por alguna entidad capacitada, indicando en sus hojas de datos que el equipo es apto para Seguridad Intrínseca. 2. Se llama Interfase de Seguridad Intrínseca o comúnmente Barreras de Seguridad Intrínseca a los elementos de protección que se instalan en una zona segura y tienen por finalidad la de limitar la tensión y la corriente entregada a la zona peligrosa, en condiciones de funcionamiento normal y en caso de falla por sobrealimentación. La de más amplia utilización es la llamada Barrera Zener. Como se verá más adelante, son parámetros característicos de estos elementos su tensión de circuito abierto y su corriente de cortocircuito. La barrera debe asegurar que en ninguna condición de carga pueda haber una tensión y un corriente tales que le provean a la mezcla la energía para su ignición. La figura 2.13 muestra un diagrama circuital típico de una barrera Zener de seguridad intrínseca. Se conectan en un extremo de ella el equipamiento correspondiente al área segura, y en el otro extremo, el equipamiento del área peligrosa. Típicamente, se dispone en el área segura el sistema de medición o control, la fuente de alimentación del lazo y tal vez algún indicador de la variable física. Estos equipos pueden ser de propósito general, es decir, no deben cumplir con ninguna norma para seguridad intrínseca. En el área peligrosa podrán ir instalados cualquier tipo de los instrumentos de medición de variables de proceso mencionados antes, aptos para seguridad intrínseca, o bien elementos simples. Se destaca que la barrera de seguridad intrínseca se encuentra vinculada a tierra en uno de sus puntos. Como se aprecia en la figura 2.13, la barrera tiene en su rama paralelo tres diodos Zener. La tensión de ruptura de dichos diodos es típicamente de 28 Volts y la función que tienen es la de limitar la tensión que se envía al área peligrosa en caso de falla en la alimentación (sobretensión en el área segura). Se destaca que la presencia de tres diodos en paralelo cumple el objetivo de darle al sistema mayor confiabilidad en caso de falla, pudiendo además derivar más corriente a tierra. Si el lazo se encuentra en condiciones normales de funcionamiento, la tensión continua de alimentación será típicamente de 24V, menor a la tensión de ruptura de los diodos Zener. En dicho caso los diodos Zener no conducirán, la Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 14

15 tensión en sus extremos será igual a la tensión de alimentación y la barrera será solo un elemento que agrega resistencia al lazo. La situación de falla bajo la cual debe operar la barrera de seguridad, es en el caso de sobretensión a la entrada. Se especifica que los equipos vinculados en el área segura deben tener una alimentación de no más de 250Vac RMS y en el caso de una falla, será aplicada dicha tensión directamente a los terminales 1 y 2. Como se indicó, el fin de la barrera Zener es el de limitar la tensión disponible en el área peligrosa. Para ello, en caso de aplicarse una tensión elevada entre los terminales 1 y 2, los diodos Zener se encargarán de derivar la corriente a tierra (Figura 2.14), fijándose la tensión Vz en el valor típico mencionado antes de 28V. De esa forma, en el área peligrosa solo se tendrá una tensión a circuito abierto de 28V. La figura 2.14 muestra la característica tensión-corriente en un diodo Zener, de los utilizados en las barreras de Seguridad Intrínseca. Se destaca que la tensión de trabajo de estos diodos es apenas menor en módulo que la tensión de ruptura del Zener. En condiciones normales, la tensión V Z será menor a la tensión de ruptura de 28V, y la corriente que por los diodos se derive será cercana a cero; en rigor, los fabricantes de las barreras aseguran que dicha corriente no será mayor a 10µA. En condiciones de sobretensión en el área segura, la tensión V Z será máxima y circulará por los diodos una corriente alta, dependiendo ésta del tipo de puesta a tierra, longitud de los conductores y por supuesto, valor de la sobretensión aplicada. Si se produjera un cortocircuito en los terminales 3 y 4 correspondientes al área peligrosa, la corriente que se establecerá en el circuito estará limitada por R LIM y la CC resistencia RLIM Z correspondiente al cable del lazo completo (este último despreciable frente al valor de R LIM ). El valor de R LIM de las barreras comerciales es típicamente de 300Ω, por lo que la corriente de cortocircuito será, como máximo, la siguiente: V 28V I = = 93mA 300Ω La potencia disponible en el área peligrosa será máxima cuando la resistencia del lazo completo (resistencias del cable y el instrumento conectado Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 15

16 LIM ZLIM2 ZLIM 2 V V = R = 65mW 2 R 4 R 2 en el lazo) sea igual a la resistencia R LIM de la barrera (máxima transferencia de potencia). En ese caso, dicha potencia será: P = I R Respecto del fusible incluido en la barrera de la figura 2.13, la función que éste tiene es la de limitar la corriente en caso que ésta se mantenga en un valor alto durante un tiempo largo determinado. El objetivo que persigue la interrupción de la corriente, es el de evitar que una excesiva potencia se disipe en los diodos Zener, produciendo esto la apertura de dichos diodos. Se debe tener en cuenta que en el caso de una tensión elevada a la entrada de la barrera, si ocurriese que los diodos Zener se ponen en circuito abierto, la tensión elevada de alimentación pasará directamente al área peligrosa, pudiendo causar una potencial explosión. Se concluye que la función del fusible es la de proteger a los diodos Zener, quemándose antes que éstos. Algunas barreras comerciales poseen la opción de reemplazar el fusible en caso que éste se queme. Sin embargo, en la mayoría de los casos es preferible que sea sustituida toda la barrera, evitando así que se reemplace al fusible por otro de mayor calibre, no respetando el diseño original, y perdiendo por lo tanto la seguridad ante explosión buscada. En forma práctica, podemos decir que las barreras de seguridad intrínseca comerciales son de pequeñas dimensiones, aproximadamente 10cm x 10cm x 1cm. Su montaje es en general sobre un riel tipo DIN contenido en gabinetes dedicados. Normalmente, las barreras vinculan al sistema de control con cualquier instrumento de campo. Poseen un par de bornes de entrada y otro par de bornes de salida a zona peligrosa. Por todo lo dicho, se desprende que es indispensable que su instalación sea en zona segura, también llamada área no clasificada o de propósito general. En su parte inferior, suelen poseer una vinculación galvánica con el riel en el cual se hallan montadas y a su vez, dicho riel se halla conectado a la tierra del sistema. Es de gran importancia la baja impedancia que debe tener la puesta a tierra, para asegurar que en caso de falla se derive eficientemente la corriente a tierra, a través de los diodos Zener. El Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 16

17 costo comercial de una barreras de seguridad apta para instrumentar un único punto, esta cercano a los U$S Por último, se menciona al tercer elemento componente de cualquier lazo de SI, los cables de interconexión. Al tratarse de circuitos de muy baja tensión y corriente, las exigencias para los cables son mínimas. La única limitación para los cables proviene de sus parámetros propios de inductancia y capacitancia distribuidos. Se debe tener en cuenta estos valores para que la energía que pueda almacenarse, no sea significativa. En la práctica, las características del cable no son un factor limitante. Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 17

18 1.1.2 Niveles De Riesgo vs. Modos De Protección Habiéndose definido la clasificación de áreas en función del riesgo de explosión que éstas presentan, y también los diferentes tipos de protección, se presenta a continuación un cuadro con el modo de protección que resulta apto para cada Zona de riesgo, según lo definido más arriba. ZONA DE RIESGO TIPO DE PROTECCION ZONA 0 Seguridad Intrínseca específico para Zona 0 ZONA 1 Antiexplosivo Sobrepresión Interna Relleno Pulverulento Encapsulado Seguridad Intrínseca ZONA 2 Todos los admitidos en Zona 0 y Zona 1 Inmersión en aceite Seguridad eléctrica en ambientes explosivos 18