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SEGURIDAD ELÉCTRICA EN
AMBIENTES EXPLOSIVOS
Instrumentación y Comunicaciones
Industriales
Facultad de Ingeniería - UNLP
Instrumentación y comunicaciones industriales
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:
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•
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.
]J
m
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nó
ic
in
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ed
aí
gr
en
E
De acuerdo a la norma europea IEC 60.079-10, 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:
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GAS
GRUPO
ENERGIA DE
REPRESENTATIVO
(SEGÚN NORMA IEC 60.079-10)
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
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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 60.079-10 y los grupos se componen
de acuerdo a la siguiente tabla:
CLASE DE
TEMPERATURA
TEMPERATURA MAXIMA
SUPERFICIAL DEL
MATERIAL ELECTRICO
T1
T2
T3
T4
T5
T6
450 ºC
300 ºC
200 ºC
135 ºC
100 ºC
85 ºC
Figura 2.8 – Grupos de gases según energía de ignición.
1.1.1 - 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.
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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 0.0011% y el 0.11% del tiempo)
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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 60.079-10, 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 60.079-10. En las instalaciones dentro de
Estados Unidos y Canadá, existe una norma equivalente, la NEC 500-503.
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.
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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.
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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
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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.
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•
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
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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.
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Instrumentación y comunicaciones industriales
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
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Instrumentación y comunicaciones industriales
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
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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 VZ 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 VZ 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
RLIM y la resistencia correspondiente al cable del lazo completo (este último
despreciable frente al valor de RLIM). El valor de RLIM de las barreras comerciales
es típicamente de 300Ω, por lo que la corriente de cortocircuito será, como
máximo, la siguiente:
I CC =
VZ
28V
=
≅ 93mA
R LIM 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
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en el lazo) sea igual a la resistencia RLIM de la barrera (máxima transferencia de
potencia). En ese caso, dicha potencia será:
P = I ⋅ R LIM
2
 VZ
= 
 2 ⋅ R LIM
2

VZ
 ⋅ R =
≅ 65mW
4 ⋅ R LIM

2
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
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Instrumentación y comunicaciones industriales
costo comercial de una barreras de seguridad apta para instrumentar un único
punto, esta cercano a los U$S150.
3. 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.
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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
ZONA 0
TIPO DE PROTECCION
•
Seguridad Intrínseca específico para Zona 0
•
•
Sobrepresión Interna
•
ZONA 1
Relleno Pulverulento
•
•
ZONA 2
•
Antiexplosivo
Encapsulado
Seguridad Intrínseca
Todos los admitidos en Zona 0 y Zona 1
•
Inmersión en aceite
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