SEGURANÇA INTRÍNSECA
- PROTEÇÃO CONTRA EXPLOSÃO -
1 - Introdução
O objetivo deste trabalho é proporcionar ao leitor conhecimentos básicos sobre o tema "segurança Intrínseca" e apresentar alguns conceitos para instalação de equipamentos elétricos intrinsecamente seguros em atmosferas explosivas.
Convém ressaltar que, dada a grande extensão do assunto, maiores conhecimentos poderão ser adquiridos em bibliografia apropriada, sendo que algumas delas são citadas neste trabalho
Antes de abordarmos propriamente os equipamentos intrinsecamente seguros, faremos um breve resumo sobre conceitos preliminares e um apanhado sobre as legislações e normas envolvidas, sendo estes pontos necessários ao entendimento dos tópicos posteriores.
2 - Conceitos preliminares
Área: Espaço limitado onde há risco de explosão (presença de atmosfera explosiva). É também conhecida como área classificada. Não é necessário que o espaço seja limitado fisicamente.
Atmosferas explosivas: Podem ocorrer em determinadas áreas a mistura de gases, vapores ou poeiras inflamáveis com o ar que, em proporções adequadas, formam atmosferas explosivas.
Combustão: Propagação da reação química exotérmica de queima de um combustível.
Número de evaporação: Indica o tempo que um líquido necessita para evaporar (ou vaporizar) completamente sem resíduos quando comparado com o éter (NE=1).
Difusão: Mistura espontânea de gases ou vapores com o meio.
Convecção: Mistura de gases ou vapores com o meio através de correntes de ar.
Flash-Point de uma mistura: Temperatura ambiente na qual uma mistura (gás ou vapor e ar) se torna inflamável, porém sem capacidade para continuar a combustão.
Ponto de combustão: Temperatura ambiente, acima do Flash-Point, onde a combustão é mantida caso haja uma ignição.
Explosão: É uma reação química exotérmica que acontece com velocidade na ordem de m/s em uma atmosfera explosiva e não ocorre sem que haja a ignição.
Deflagração: Idem à explosão, só que com velocidade de combustão na ordem de cm/s.
Detonação: Idem à explosão, só que com velocidade de combustão na ordem de Km/s.
Ignição: É a combustão causada em uma mistura explosiva pelas possíveis fontes: Chama, Centelhamento, Efeito Térmico (superfícies quentes), Compressão / ondas de choque e Luz.
A ignição por compressão necessita de uma brusca variação na pressão de modo a causar também uma brusca variação de temperatura, conforme explica a lei dos gases, PV= RT, onde um aumento de pressão leva a um aumento de temperatura, mantendo-se o volume constante.
Já a ignição por luz é muito rara e normalmente esta luz está fora da faixa visível. Aqui o processo de ignição pode ser Fotoquímico (combinação elétron - lacuna) ou Fototérmico (agitação molecular pelos fótons). Como exemplo podemos citar a mistura Clorine, Hidrogênio e Ar.
Limites de Ignição: Existe um ponto ótimo de concentração de uma mistura para o qual ela se torna o mais combustível possível. Sendo assim, existem também dois pontos que definem os chamados Limites de Ignição e podem ser entendidos como os pontos de concentração mínima e máxima desta mistura em que ela se torna combustível.
Temperatura de ignição espontânea: É a mais baixa temperatura na qual uma mistura sofre ignição sem atuação de uma fonte de ignição externa.
MIC (Minimum Ignition Current): Consideremos para análise o circuito a seguir (Fig. 1), onde R, L e C representam a resistência, indutância e capacitância equivalentes de um circuito elétrico qualquer, V é a tensão de alimentação instantânea e CH é um contato mecânico colocado na área explosiva (área classificada).
A MIC do circuito é definida como a mínima corrente instantânea, i, que circula na chave CH, exatamente antes do momento de abertura da mesma, que pode causar um centelhamento de magnitude suficiente para provocar a ignição da atmosfera explosiva. Tal valor serve como referência sobre o grau de periculosidade de uma mistura.
Sendo assim, podemos concluir que a MIC varia com o próprio tipo de circuito, ou seja, com os valores de R, L, C e V. A MIC também varia com a freqüência da tensão V (maior freqüência = maior MIC), com a qualidade dos contatos (melhor contato = menor MIC) e com a velocidade de separação dos contatos (maior velocidade = menor MIC, o que contradiz com os esforços de aperfeiçoamento nas técnicas de chaveamento).
Fig.1 - Circuito para determinação da MIC.
MESG (Maximum Experimental Safe Gap): Fator determinante do grau de periculosidade de uma mistura explosiva, o MESG é a distância máxima indicada na figura 2 seguinte, na qual a combustão da mistura contida na parte interior da câmara de explosão não é propagada para a câmara exterior, sendo que a ignição é causada por um eletrodo, estando a mistura na proporção ideal de explosão.
Para Gaps maiores que o MESG a detonação se propaga da câmara interior para a câmara exterior.
Fig. 2 - Câmara de explosão para determinação do MESG
Para ilustração, a tabela a seguir mostra alguns gases em suas quantidades ideais de mistura com o ar, expressas na porcentagem do gás por unidade de volume de ar (%/V) e os respectivos valores do MESG expressos em milímetros (mm):
GAS CONCENTRAÇÃO (%/V) MESG (mm)
Metano 8.2 1.14
Propano 4.2 0.92
Hexano 2.5 0.93
Ciclohexano 3.0 0.95
Metanol 11.0 0.92
Etileno 6.5 0.65
Acetileno 8.5 0.37
Hidrogênio 27.0 0.29
3 - Possibilidade de explosão
O risco de explosão existe se ocorrer simultaneamente:
4 - Proteções primárias contra explosão
5 - Classificação das zonas em atmosferas explosivas
Para a classificação de uma determinada área são analisados os seguintes parâmetros:
A análise de todos esses itens são necessários para que se defina a quantidade de energia máxima que se possa manipular sem que ocorra a ignição da atmosfera explosiva.
5.1 - Classificação segundo a legislação européia
Esta legislação prevê o agrupamento das atmosferas explosivas em zonas e grupos e também através da temperatura de ignição expontânea da mistura.
Zonas: A classificação segundo as zonas baseia-se na freqüência e duração com que ocorre a atmosfera explosiva.
Zona 0 - ocorre a atmosfera explosiva sempre ou por longos períodos.
Zona 1 - provável que ocorra atmosferas explosivas em condições normais de operação ( ocasionalmente).
Zona 2 - área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva em condições normais de operação ou, quando ocorre, é por curtos períodos ( raramente).
Zona 10 - ocorre atmosfera explosiva sempre ou por longos períodos, a qual é formada por poeiras combustíveis.
Zona 11 - ocorre atmosfera explosiva freqüentemente, a qual é formada por poeiras combustíveis.
Classificação especial para centros cirúrgicos
Zona G (Enclosed medical gas system) - ocorre em centros cirúrgicos com gases analgésicos durante longos períodos.
Zona M (Medical environment) - ocorre em centros cirúrgicos em pequenos volumes com substâncias analgésicas ou anti-sépticos em curto espaço de tempo.
Grupos: A classificação segundo os grupos baseia-se no grau de periculosidade dos materiais.
Grupo I - ocorre em minas onde prevalece os gases da família do metano.
Grupo II - ocorre em indústrias químicas ou petroquímicas e subdivide-se em:
Grupo II A - ocorre em atmosfera explosiva onde prevalece os gases da família do propeno.
Grupo II B - ocorre em atmosfera explosiva onde prevalece os gases da família do etileno.
Grupo II C - ocorre em atmosfera explosiva onde prevalece os gases da família do hidrogênio, incluindo-se o acetileno.
Temperatura: A temperatura de ignição expontânea da mistura classifica-se em:
T1 - 450 graus centígrados;
T2 - 300;
T3 - 200;
T4 - 135;
T5 - 100;
T6 - 85.
5.2 - Classificação segundo a legislaçao americana
Esta legislação prevê o agrupamento das atmosferas explosivas em classes, divisões, grupos e temperaturas.
Classes: A classificação segundo as classes baseia-se na natureza dos materiais.
Classe I - mistura de gases ou vapores com o ar.
Classe II - mistura de poeira combustível com o ar.
Classe III - mistura de fibras em suspensão no ar (fácil ignição).
Divisão: A classificação segundo as divisões baseia-se na freqüência e duração que ocorre a atmosfera explosiva.
Divisão 0 - ocorre a atmosfera explosiva sempre ou por longos períodos (ainda não oficializada pela norma americana).
Divisão 1 - provável que ocorra a atmosfera explosiva em
condições normais de operação ou em reparos freqüentes.
Divisão 2 - área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva em condições normais de operação ou, se ocorrer, é por curtos períodos em caso de ruptura de equipamento, falha no sistema de ventilação e áreas adjacentes à divisão 1.
Grupos: A classificação segundo os grupos baseia-se no grau de periculosidade dos materiais.
Grupo A - ocorre em atmosferas explosivas onde prevalece os gases da família do acetileno.
Grupo B - ocorre em atmosferas explosivas onde prevalece os gases da família do hidrogênio.
Grupo C - ocorre em atmosferas explosivas onde prevalece os gases da família do etileno (vapores de éter-etílico, ciclo propano).
Grupo D - ocorre em atmosferas explosivas onde prevalece os gases da família do propano (gasolina, hexano, nafta-benzina-butano, álcool, acetona, solventes e vernizes).
Grupo E - poeiras de metais combustíveis (poeiras de alumínio, magnésio, etc).
Grupo F - poeiras de carvão (poeiras condutoras de carvão mineral ou croque, negro de fumo, etc).
Grupo G - poeiras depositadas e não condutoras: farinha, amido e outras ou algodão, estopa, rayom, pó de serragem, pó de cortiça, etc.
Temperatura : É a classificação segundo a temperatura de ignição expontânea da mistura em graus centígrados:
T1 - 450 graus centígrados;
T2 - 300; T2A - 280; T2B - 260; T2C - 250; T2D - 215;
T3 - 200; T3A - 180; T3B - 165; T3C - 160;
T4 - 135; T4A - 120;
T5 - 85.
5.3 - Equivalência entre as legislações
Vários são os critérios empregados na elaboração das normas e leis, porém tais critérios visam o mesmo fim e, portanto, produzem resultados equivalentes.
A tabela abaixo mostra a equivalência entre as normas Européia e Americana no que diz respeito à divisão de áreas:
LEGISLAÇÃO AMERICANA LEGISLAÇÃO EUROPÉIA
Divisão 0 (*) Zona 0
Divisão 1 Zona 1
Divisão 2 Zona 2
Grupos A e B - Classe I Grupo 2 C
Grupo C - Classe I Grupo II B
Grupo D - Classe I Grupo II A
Grupos E e F - Classes II e III Grupo I
(*) - A Divisão 0 ainda não está oficializada pela legislação Americana.
6 - Tipos de equipamentos elétricos utilizados na proteção contra explosões
Os equipamentos elétricos a serem instalados em atmosferas explosivas requerem alguns passos a se tomar durante o projeto, fabricação e instalação desses equipamentos, de modo a evitar a ignição da atmosfera.
Essas características especiais irão definir os tipos de proteção:
6.1 - Powder Filling - Equipamento elétrico com enchimento de pó (Ex q):
Evita o contato de atmosferas explosivas com as partes perigosas do aparelho, através do enchimento do seu invólucro com areia. É usado em equipamentos que dissipam baixa potência, não possuem partes móveis e onde não ocorrem centelhamentos em regime normal de operação. No caso de falha (centelhas ou outra elevação de temperatura), a energia térmica não se propagará para o exterior.
6.2 - Encapsulation - Equipamento elétrico encapsulado (Ex m):
Tem a mesma finalidade, aplicação e características do tipo anterior (Ex q), porém apresenta maior eficiência devido ao material utilizado para o encapsulamento oferecer maior vedação que a areia ou similar..
6.3 - Oil Immersion - Equipamento elétrico com imersão em óleo (Ex o):
Também com a finalidade de evitar o contato entre a atmosfera explosiva e as partes perigosas do aparelho, estas são total ou parcialmente imersas em óleo (tipicamente óleo mineral). É usado em equipamentos onde ocorrem centelhamentos em regime normal e que possuem partes móveis ou dissipam alta potência.
6.4 - Pressurized Apparatus - Equipamento elétrico pressurizado (Ex p):
Tem a mesma finalidade, aplicação e características do tipo anterior (Ex o), porém apresenta maior eficiência no que tange a partes móveis. Aqui tipicamente são utilizados o ar, nitrogênio e outros gases inertes.
6.5 - Increased Safety - Equipamento elétrico com segurança aumentada (Ex e):
Tipo de proteção utilizada em equipamentos onde não ocorrem centelhamentos freqüêntes, mas há altas temperaturas no equipamento quando em condições de sobrecarga. Aqui a atmosfera explosiva se encontra em contato com as partes perigosas do equipamento, mas o tipo de construção (blindagens mecânicas, reforços, fatores de segurança aumentados, etc) prevê distúrbios e falhas evitando assim o sobreaquecimento e possível ignição. Este tipo é muito utilizado como complemento do tipo (Ex d). Por exemplo podemos citar luminárias, painéis e motores.
6.6 - Flameproof Enclosure - Equipamento elétrico a prova de explosão (Ex d):
A atmosfera explosiva está em contato com o interior do equipamento, mas uma eventual ignição não se propaga ao exterior, pois o invólucro do aparelho não possui GAP suficiente para transmitir a combustão e pode suportar a pressão desenvolvida pela explosão. Como exemplo podemos citar a instalação de cabos dentro de tubos metálicos conectados a caixas a prova de explosão, exemplo este que é indispensável nas instalações de equipamentos como luminárias, motores e outros equipamentos de potência em áreas classificadas.
6.7 - Intrinsic Safety - Equipamento elétrico intrinsecamente seguro (Ex i):
A atmosfera explosiva se encontra em contato como o equipamento (ou parte dele), mas limita-se a energia do mesmo abaixo da mínima necessária à ignição, mesmo em caso de centelhamento, temperaturas excessivas, em regime normal ou em caso de falhas. É este o tipo de proteção mais utilizado e confiável.
6.8 - Conclusão:
De acordo como que foi visto até aqui, podemos fazer uma tabela resumo do tipo de proteção utilizada em função da classificação da área:
CLASSIFICAÇÃO TIPO DE PROTEÇÃO CÓDIGO
ZONA 0 Segurança Intrínseca Ex ia
Proteção especial p/ zona 0 Ex s
ZONA 1 Qualquer tipo p/ zona 0
Segurança Intrínseca Ex ib
À prova de explosão Ex d
Segurança aumentada Ex e
Pressurizado Ex p
Imerso em óleo Ex o
Com enchimento de areia Ex q
Proteção especial p/ zona 1 Ex s
ZONA 2 Qualquer tipo p/ zona 1
Não Incendiáveis Ex n
Notas: As categorias Ex ia e Ex ib estão sendo discutidas no subitem 7.3 - Categorias de proteção, à frente.
Os códigos Ex s e Ex n são definições da norma brasileira para proteções especiais e proteções não incendiáveis.
7 - Equipamento elétrico Intrinsecamente Seguro (Ex i)
7.1 - Características:
O principal fundamento da segurança intrínseca é manipular baixas energias elétricas e controlar o efeito térmico. Sua principal vantagem em relação a outros sistemas é de não permitir que ocorra a ignição, baseada em características de projeto e não baseada em conter a explosão.
No aspecto prático elimina os dutos e caixas metálicas, facilitando sua instalação e manutenção dos equipamentos de controle e instrumentação.
Os equipamentos elétricos intrinsecamente seguros dividem-se em dois grupos:
7.2 - Equipamentos Elétricos Intrinsecamente Seguros:
Equipamentos em que todos os circuitos são intrinsecamente seguros, ou seja, circuitos nos quais nenhuma centelha elétrica ou efeito térmico, produzido em condições de operação normal ou sob falhas, possua energia suficientemente capaz de causar ignição de uma dada atmosfera explosiva.
O equipamento intrinsecamente seguro é instalado na área classificada e não requer em sua instalação eletrodutos a prova de explosão ou pressurizados. São eles sensores de proximidade, termostatos, transmissores de pressão, etc.
7.3 - Equipamentos Intrinsecamente Seguros Associados:
Sã o equipamentos que possuem circuitos intrinsecamente seguros e circuitos não intrinsecamente seguros que podem afetar a segurança dos circuitos seguros conectados a estes últimos e, assim sendo, devem ser instalados fora da área classificada (ou dentro, adicionados a outro tipo de proteção).
Como exemplo podemos citar circuitos que possuem as barreiras de segurança tanto para contatos mecânicos ou sensores de proximidade quanto para os sinais analógicos de transmissores.
O equipamento intrinsecamente seguro associado é quem permite que os equipamentos intrinsecamente seguros possam ser instalados na área sem colocá-la em risco mesmo que ocorra a abertura do circuito, curto circuito, ou contato à terra.
7.4 - Fundamentos:
Para a limitação de energia pode-se utilizar limitadores resistivos (Barreiras Zener) ou dispositivos eletrônicos limitadores de corrente (semicondutores).
A seguir está o esquema de uma Barreira Zener, que é um circuito destinado à conexão entre circuitos intrinsecamente seguros e não seguros, com a finalidade de limitação da energia enviada à área classificada (Fig. 3).
Fig. 3 - Barreira Zener típica.
ONDE:
R limita o valor da corrente na área explosiva (Ex i) no caso de curto circuito entre 3 e 4.
Z limita o valor da tensão enviada à área explosiva. O número de zeners é determinado pelo fator de segurança imposto para as categorias ia e ib como será visto no item 7.3 a seguir.
F tem como função proteger os zeners no caso de sobretensão nos pontos 1 e 2.
7.5 - Categorias de Proteção:
Define o nível de segurança de equipamentos eletrônicos intrinsecamente seguros ou parte do equipamento associado, determinado pelo número de falhas e fatores de segurança aplicados.
Define-se Falha como sendo um defeito em qualquer componente ou conexão entre componentes, dos quais a segurança intrínseca depende.
Categoria ia: Equipamento intrinsecamente seguro incapaz de provocar a ignição da atmosfera explosiva em operação normal, uma ou duas falhas e com os fatores de segurança aplicados: 1,5 para operação normal e uma falha e 1,0 para operação normal e duas falhas.
Categoria ib: Equipamento intrinsecamente seguro incapaz de provocar a ignição da atmosfera explosiva em operação normal ou com uma falha e com os fatores de segurança: 1,5 para operação normal e uma falha e 1,0 para operação normal e uma falha auto-indicada (sinalização da falha através de alarme).
7.6 - Equipotencialidade de terras:
Se não houver equipotencialidade dos terras, uma possível falha de isolação poderá colocar em risco a instalação, pois ocorrerá centelhamento devido à diferença de potencial entre o "terra do circuito" da área explosiva em relação ao mesmo na área segura, conforme pode ser visto na figura 4 abaixo.
Fig. 4 - Situação de não equipotencialidade de terras.
7.7 - Isolação galvânica
A isolação galvânica aplicada junto às barreiras zener as completa, pois desta forma não é necessário conectá-las ao equipotencial dos terras, tornando a instalação mais simples e segura. E caso seja necessário fazê-lo, não haverá risco de ocorrer centelhamento na área classificada, desde que a não equipotencialidade seja menor que a tensão de isolação galvânica, o que quase sempre ocorre.
Dentre os sistemas para se promover a isolação galvânica, podemos citar o acoplamento óptico e o a transformador, estando este último ilustrado na figura 5 a seguir.
Fig. 5 - Exemplo de isolação galvânica por Trafo.
7.8 - Parâmetros de componentes:
Nos circuitos intrinsecamente seguros são analisadas as características dos componentes eletrônicos sempre aplicando-se fatores de segurança em seus pontos de trabalho.
São verificadas distâncias de isolação (via ar ou outro isolante) e escoamento (via substrato ou placa de circuito impresso), aterramentos de relés, núcleo de transformadores, etc.
NOTAS:
As distâncias de escoamento entre trilhas dependem diretamente do tipo de PCI utilizada, do tipo de cobertura da PCI (verniz, etc) e podem ser menores quando entre as partes a serem isoladas existir uma malha de aterramento ou um orifício de separação.
Já as distâncias de isolação são as distâncias entre os corpos dos componentes e similares das partes a serem isoladas. Dependem do tipo de meio entre eles (resinas, ar, tipo de cola quando houver, etc).
Todos esses tópicos são regidos e monitorados por normas (inclusive brasileiras) e são comprovados na prática através de testes realizados pelo órgão certificador do equipamento Ex i.
Existem ainda exigências especiais para os componentes infalíveis, tais como: Transformadores de alimentação e acoplamento, resistores limitadores de corrente de barreiras zener, capacitores de bloqueio, fusíveis, etc, podendo ser estes pertencentes a circuitos intrinsecamente seguros e associados.
OBS.: Componente Infalível é aquele considerado como não sujeito a defeitos que afetem a segurança intrínseca do circuito, durante a operação e armazenagem.
7.9 - Parametrização:
Os equipamentos intrinsecamente seguros são parametrizados, ou seja, possuem uma marcação com os dados técnicos que permite associar equipamentos intrinsecamente seguros com seus associados, mesmo que tendo sido certificados isoladamente ou forem de fabricantes diferentes.
Marcação:
Um - Tensão máxima: Máxima tensão RMS ou DC que pode ser aplicada aos terminais não Intrinsecamente seguros de um equipamento associado, sem afetar o tipo de proteção.
Uo - Tensão máxima de circuito aberto: Máxima tensão (pico ou DC) que aparece nos terminais intrinsecamente seguros de saída, em circuito aberto, quando este será alimentado por "Um".
Io - Corrente máxima de curto circuito: Máxima corrente (pico ou DC) que pode ser obtida nos terminais intrinsecamente seguros de saída, quando em curto circuito.
Po - Potência máxima de saída: Máxima potência que pode ser obtida nos terminais intrinsecamente seguros de um equipamento elétrico.
Co - Capacitância externa máxima: Máxima capacitância que pode ser conectada aos terminais intrinsecamente seguros, sem afetar o tipo de proteção.
Lo - Indutância externa máxima: Máxima indutância que pode ser conectada aos terminais intrinsecamente seguros, sem afetar o tipo de proteção.
Ui - Tensão máxima de entrada: Máxima tensão que pode ser aplicada aos terminais intrinsecamente seguros, sem afetar o tipo de proteção.
Ii - Corrente máxima de entrada: Máxima corrente que pode ser aplicada aos terminais intrinsecamente seguros, sem afetar o tipo de proteção.
Pi - Potência máxima de entrada: Máxima potência de entrada que pode ser seguramente dissipada internamente no equipamento intrinsecamente seguro.
Ci - Capacitância interna máxima: Máxima capacitância interna vista através dos terminais intrinsecamente seguros de entrada.
Li - Indutância interna máxima: Indutância interna máxima vista através dos terminais intrinsecamente seguros de entrada.
7.10 - Certificado de conformidade:
Todo equipamento elétrico para ser instalado em atmosfera explosiva precisa ter um certificado que regulamenta as condições para sua instalação segura.
O certificado de conformidade é emitido pelo órgão certificador ( INMETRO), o qual se baseia no relatório de ensaio feito pelo laboratório credenciado (CEPEL - LABEX).
No relatório de ensaio, o laboratório credenciado verifica as condições de projeto conforme as normas e ensaia o protótipo determinando a marcação do equipamento.
7.11 - Entidade:
O conceito de entidade permite a conexão de equipamentos intrinsecamente seguros com equipamentos associados.
A tensão (ou corrente) que o equipamento seguro pode receber e manter-se ainda intrinsecamente seguro deve ser maior ou igual à tensão (ou corrente) máxima fornecida pelo equipamento associado.
Adicionalmente, a máxima capacitância (e indutância) do equipamento intrinsecamente seguro, incluindo os parâmetros dos cabos de conexão, deve ser menor ou igual à máxima capacitância (e indutância) que pode ser conectada com segurança ao equipamento associado.
Se esses critérios forem empregados, então a conexão pode ser implantada com segurança.
Assim:
Uo < ou = a Ui
Io < ou = a Ii
Po < ou = a Pi
Co > ou = a (Ci + capacitância do cabo)
Lo > ou = a (Li + indutância do cabo).
Para exemplificar, suponha a conexão de um equipamento intrinsecamente seguro (sensor de proximidade indutivo) com o seu associado (driver para sensor indutivo com saída a relé) de acordo com os dados do relatório de ensaio apresentados a seguir:
SENSOR DRIVER CABO
Pi = 160 mW Um = 1.15 x 220 VAC L = 0.25 mH/Km
Ui = 15 V Po = 107 mW C = 30 nF/Km
Ii = 43 mA Uo = 13.8 V Comprimento =
Li = 0.5 mH Io = 31 mA 5 Km
Ci = 30 nF Lo = 2.0 mH
Co = 300 nF
Solução:
L cabo = 0.25 x 5 = 1,25 mH
C cabo = 30 x 5 = 150 nF
Aplicando-se o conceito de entidade, temos:
107mW < 160 mW => Po < Pi
13.8 V < 15 V => Uo < Ui
31 mA < 43 mA => Io < Ii
2.0 mH > 1.25 mH + 0.5 mH => Lo > L cabo + Li
300 nF > 150 nF + 30 nF => Co > C cabo + Ci
Concluímos, então, que é possível a conexão destes equipamentos, mantendo-se a instalação segura mesmo com um cabo de 5 Km de comprimento.
7.12 - Temperatura máxima de superfície:
Todo equipamento intrinsecamente seguro possui na marcação a sua temperatura máxima de superfície conforme a tabela de temperatura de ignição mostrada nos itens 5.1 e 5.3. Esta temperatura não deve ser superior à temperatura de ignição da atmosfera explosiva a qual o equipamento está sujeito e é apresentada para uma temperatura ambiente de 40 graus centígrados.
7.13 - Cablagem:
Sistema por eletrodutos (conexão direta):
Uma grande parte das instalações elétricas, em termos mundiais, são executadas neste sistema. A base válida é dada pela Norma Americana (NEC), que prevê eletrodutos metálicos (capazes de conter as possíveis faíscas ou arcos) envolvendo a fiação de cabos com isolamento mineral ou cabos armados e não armados dependendo da classificação da área. Nos dispositivos de manobras são requeridas, ainda, unidades seladoras para evitar a pressão de uma eventual explosão interna no eletroduto.
É importante lembrar que, devido a variações de temperatura, pode-se formar "água de condensação" que deve ser drenada para não ocasionar curto circuito. Outra característica desse sistema é a corrosão que pode afetar sua integridade. Deve-se ressaltar que este é o sistema mais caro para implantação e manutenção e exige responsáveis inspeções periódicas.
Sistemas de cabos (conexão indireta):
Instalação comum na Europa, onde se encontra mais desenvolvido o Sistema de Segurança Aumentada (conforme normas internacionais IEC).
Para instalações deste tipo utilizam-se cabos do tipo industrial comum (com capa de borracha, material sintético ou chumbo), que são introduzidos através de "prensa-cabos" em caixas de ligações (Segurança Aumentada).
Estes cabos são instalados com eletrodutos metálicos somente em locais onde existe possibilidade de ocorrer danos mecânicos aos cabos, como por exemplo nos afloramentos. Nos demais locais os cabos caminham em leitos de calhas.
Sistema de cablagem direta:
Sistema utilizado na Europa e também reconhecido pelo IEC, que prevê que os cabos entrem diretamente nos invólucros à prova de explosão através de prensa-cabos à prova de explosão.
É importante lembrar ainda que a integridade do tipo de segurança depende da resistência mecânica, química e térmica do material de vedação que constitui a capa externa do cabo.
Cablagem de equipamentos intrinsecamente seguros:
A norma IEC 79-14 não detalha o suficiente os requisitos de construção e instalação dos fios e cabos em circuitos intrinsecamente seguros.
Este tópico é encontrado em recomendações e normas de alguns países, embora existam pequenas diferenças. Porém podemos citar alguns pontos comuns:
Requisitos de construção:
A rigidez dielétrica deve ser maior que 500 V rms;
O condutor deve ser recoberto com material isolante de espessura mínima 0.2 mm;
Quando o condutor possui blindagem para aterramento, esta deve cobrir no mínimo 60% da superfície.
Requisitos de instalação:
Circuitos SI (segurança intrínseca) e NSI (Não segurança intrínseca) não devem passar por um mesmo cabo multivias;
Quando o cabo SI e NSI correm pelo mesmo duto ou bandeja, pelo menos os SI devem possuir blindagem aterrada ou serem separados por uma barreira física ou por uma distância mínima de 50 mm e presos para evitar movimentos;
Quando o cabo possuir malha metálica ou similar, esta deve ser conectada ao condutor equipotencial no mesmo ponto que o circuito SI do qual ele faz parte;
Cabo multivias com vários circuitos SI não deve ser usado em zona 0, sem antes um estudo das combinações das possíveis falhas;
Cabo multivias fixo, com proteção externa adicional contra danos mecânicos, com cada circuito SI correndo em núcleos adjacentes e, não operando a mais de 60 V de pico, pode ser considerado como não sujeito a falhas;
Quando um cabo multivias possui uma malha de aterramento individual para cada circuito SI e com isolação para 500 V rms entre elas, as restrições para cabos multivias não se aplicam.
OBS.: Estudos têm mostrado que a indução entre cabos de conexão, que poderá levar a condições inseguras, é improvável. Medidas como cabos blindados, par trançado ou manter a distância de escoamento suficiente devem ser adotadas quando um cabo conduzindo correntes altas passar próximo a um cabo SI, mais por motivos operacionais do que por motivos de segurança.
Parâmetros de cabos:
Como mostramos anteriormente, a indutância e a capacitância estão relacionadas com o armazenamento de energia.
A capacitância total depende de seu comprimento e, normalmente, o fabricante fornece o valor por metro e deve-se analisar como um capacitor concentrado.
A indutância é um parâmetro que é menos acentuado, devido ao seu baixo valor nos cabos normalmente utilizados. Também deve-se tomar a indutância total do cabo por um indutor concentrado como no caso anterior.
Com relação ao aterramento, a utilização de circuitos totalmente isolados do terra é preferível em instalações intrinsecamente seguras. Porém, quando isto não for possível, o aterramento correto da instalação é importante para a segurança. O condutor deve apresentar impedância menor que 1.0 ohm e deve-se promover a equipotencialidade dos terras, pois estas são muito perigosas. O circuito SI deve ser aterrado (condutor equipotencial) apenas na área segura no ponto mais próximo do equipamento associado. O equipamento da área classificada deve possuir isolação maior que 500 V rms em relação às partes aterradas.
8 - Aplicações típicas de equipamentos intrinsecamente seguros e associados:
8.1 - Modelos digitais ON/OFF:
Neste caso, o elemento de campo apresenta somente dois estados lógicos (ON/OFF). Como exemplo podemos citar: Contatos mecânicos, sensores de proximidade indutivos, pressostatos, válvulas solenóides, sirenes, etc.
Funções repetidoras:
As barreiras com esta função repetem sinais ON/OFF do elemento de campo que pode ser um contato seco (botoeiras, termostatos, fim-de-curso, etc) ou de um sensor indutivo com configuração elétrica padrão NAMUR (DIN 19234).
O estágio de saída pode ser ainda em transistor para conexão direta em circuito eletrônico, CLP ou SDCD.
Funções de Controle :
São barreiras cujas funções de comando e controle estão incorporadas. Abaixo citamos alguns tipos:
a) Monitoração de Movimento : Neste caso é possível detectar o aumento ou redução de velocidade de equipamentos rotativos, tais como: agitadores, misturadores, ventiladores, etc.
b) Sentido de Movimento : Neste caso é possível detectar o sentido do movimento ( horário/anti-horário ) de equipamentos rotativos, tais como : medidores de vazão, motores, turbinas, etc.
c) Conversor F/I : Este dispositivo tem como função obter um sinal de saída em corrente ( 4-20 mA ) proporcional à freqüência do sinal de entrada. Pode ser utilizado na medição de velocidade de motores, ventiladores, turbinas, etc.
Modelos para Acionamentos :
São barreiras para acionamento de elementos de comandos situados dentro das áreas classificadas, tais como : válvulas solenóides, LEDs e sirenes.
8.2 - Modelos Analógicos:
As barreiras para sinais analógicos possuem elementos de medição e controle instalados em áreas classificadas.
Repetidores analógicos:
Ideais para alimentação e transferência dos sinais de transmissores que convertem grandezas físicas (vazão, temperatura, pressão) em corrente (4 a 20 mA).
Podem também apresentar o sinal de saída de 0 a 5 V apenas acrescentando-se um resistor ao circuito.
Driver analógico:
São barreiras que servem para acionar conversores (tipo conversor eletropneumático I/P).
9 - Comentários a respeito dos testes laboratoriais para certificação:
Convém aqui ressaltar alguns fatores a serem levados em conta na etapa de desenvolvimento de equipamentos intrinsecamente seguros que são fortemente verificados nos testes de certificação do produto.
Existem critérios, todos previstos por normas elaboradas pela ABNT, que regem, principalmente a escolha dos componentes que possam comprometer a segurança do equipamento, por exemplo:
A potência dissipada nos resistores considerados infalíveis deve ser no máximo 2/3 da sua potência nominal no pior caso e tolerância;
Dependendo do caso, é exigida a colocação de barreiras zener no lado não seguro do circuito a fim de evitar sobretensão e conseqüente sobreaquecimento na região do transformador de isolação galvânica;
A corrente de interrupção dos fusíveis considerados infalíveis é testada durante o processo de certificação, através de ondas de choque de corrente geradas por bancos de capacitores carregados normalmente com 300 VCC. Também são testadas as suas correntes nominais e tempos de queima, sendo que estes últimos devem estar de acordo com os dados do fabricante e não devem permitir o sobreaquecimento dos diodos zener.
O aquecimento do transformador de isolação galvânica é provocado durante os testes e não deve haver perda de isolação entre primário(s) e secundário(s), sendo esta última maior ou igual a 1500 VDC.
Todas as distâncias entre trilhas e corpos de componentes SI e NSI também são normalizadas e a isolação entre SI e NSI deve ser mantida.
10 - Exemplo de marcação de equipamentos de segurança intrínseca:
No invólucro do equipamento, devem obrigatoriamente conter as marcações fornecidas no relatório de conformidade expedido pelo órgão competente, o tipo de proteção, categorias, classes, o logotipo que identifica o equipamento de segurança intrínseca e uma identificação visível para identificação dos lados SI e NSI (às vezes feita por cores : azul = lado SI e cinza = lado NSI).
A seguir está apresentado um exemplo típico de marcação:
13 - Nota final:
Este trabalho tem apenas finalidade didática, não tendo portanto efeito normativo e nem legal.