O que é segurança intrínseca? Definição, Limites e Projeto de Áreas Perigosas

Um técnico fixa um detector de vazamento em um resfriador carregado com propano R290. A ferramenta funciona com uma bateria de 9 V, fica a cerca de 20mm de uma junta que começou a chorar e ninguém olha duas vezes para os componentes eletrônicos dentro dela. A segurança intrínseca existe porque esse segundo olhar é o que evita uma explosão. O termo descreve uma técnica de proteção que mantém a energia elétrica e térmica dentro de um circuito abaixo do nível que pode inflamar a atmosfera inflamável circundante, em operação normal e sob um número definido de condições de falha.

A definição parece modesta, mas remodela tudo a jusante. Como a proteção vem da limitação de energia e não da contenção de uma explosão, ela cobre todo o circuito, incluindo os fios que retornam ao gabinete de controle. Isso também significa que o projeto pode ser calculado e certificado antes que qualquer coisa chegue ao local.

A definição formal e os três limites

A redação formal vem da IEC 60079-11, o padrão por trás da marcação Ex i, e é repetida na Diretiva Europeia ATEX 2014/34/EU e no esquema IECEx. Um dispositivo é qualificado como intrinsecamente seguro quando a energia que ele pode liberar é limitada, de modo que a ignição não pode ocorrer em operação normal ou sob condições de falha definidas.

Três grandezas são controladas juntas e qualquer uma delas pode iniciar um incêndio:

• Tensão, porque uma faísca precisa de potencial suficiente para quebrar a lacuna entre os condutores.
• Corrente, porque a energia em uma faísca aumenta com a corrente e com a indutância do circuito.
• Potência e temperatura da superfície, porque uma superfície quente pode inflamar um gás sem qualquer faísca.

Os limites não são escolhidos pelo projetista. Cada dispositivo de campo certificado é publicado com parâmetros de entidade: tensão máxima de entrada Ui, corrente de entrada Ii, potência de entrada Pi e capacitância e indutância interna Ci e Li. A barreira ou isolador na outra extremidade do cabo publica valores de saída correspondentes Uo, Io e Po, enquanto o cabo adiciona capacitância e indutância para cada metro de seu comprimento. Um loop é compatível somente quando cada par se alinha com margem de sobra.

As regras são deliberadamente conservadoras. As curvas de ignição por faísca são aplicadas com um fator de segurança, normalmente 1,5, de modo que o limite certificado já fica abaixo da energia que acendeu o gás nos testes de laboratório. Para gases do grupo IIC, como hidrogênio e acetileno, um circuito típico permanece abaixo de 30 V, perto de 100 metrosA e uma fração de watt, enquanto um projeto comparável para metano pode transportar visivelmente mais. O T6 limita a temperatura da superfície a 85 graus Celsius e o T4 a 135 graus Celsius, bem abaixo da temperatura de autoignição dos gases que cobrem.

O que um circuito intrinsecamente seguro realmente contém

Três peças constituem uma instalação funcional e todas as três devem corresponder no papel antes de qualquer uma delas ser encomendada.

O dispositivo de campo na área classificada

Este é o instrumento, chave, bobina ou sensor exposto à atmosfera, e sua marcação mostra a tolerância a falhas que ele carrega. Ex ia permanece seguro com duas falhas e é permitido na Zona 0, onde uma atmosfera inflamável está presente continuamente ou por longos períodos. Ex ib cobre a Zona 1 com uma falha, e Ex ic cobre a Zona 2, onde uma atmosfera é improvável e de curta duração.

A barreira ou isolador na área segura

O aparelho associado limita a energia que atinge o campo. Uma barreira Zener usa diodos shunt, um fusível e um resistor e precisa de um aterramento de segurança dedicado medido abaixo de 1 ohm. Um isolador galvânico funciona através de transformadores ou acoplamento óptico e não precisa de aterramento de segurança, razão pela qual é frequentemente escolhido onde o aterramento é difícil de provar e manter.

Aparelhos simples e contatos passivos

Nem todo componente precisa de um certificado próprio. A IEC 60079-11 permite aparelhos simples, definidos como dispositivos que não geram nem armazenam mais de 1,2 V, 0,1 A, 20 microjoules ou 25 mW. Chaves passivas, termopares, caixas de terminais e contatos simples de pressostatos são qualificados, desde que o circuito circundante já tenha energia limitada. É aqui que um controlador de pressão de refrigeração ganha seu lugar em um projeto: seus contatos compartilham um invólucro com uma conexão de processo que pode ficar em uma área classificada e, como esses contatos só transportam uma corrente de circuito limitada, o invólucro não precisa se tornar uma caixa à prova de chamas.

Controlador de pressão de refrigeração O controlador de pressão de refrigeração apresenta uma caixa retangular com um invólucro de plástico branco resistente à corrosão. Manômetros de ponteiro mecânico em ambos os lados de... Ver Produto →

O cabo entre eles

O cabo é um componente e não um acessório. A fiação intrinsecamente segura é normalmente revestida de azul e segregada dos circuitos não IS em 50 mm ou por uma partição metálica aterrada, e sua capacitância e indutância por metro são inseridas no cálculo do circuito.

Segurança intrínseca em comparação com outros métodos de proteção

A proteção de áreas perigosas é uma família de técnicas e não uma resposta única. A tabela abaixo coloca a segurança intrínseca ao lado dos métodos contra os quais ela é mais frequentemente avaliada.

Onde a segurança intrínseca aparece na refrigeração e no ar condicionado

Refrigerantes inflamáveis levaram o sujeito da fábrica de produtos químicos para a sala de refrigeração. R290 e R600a ficam no grupo A3, enquanto R32 e R454B ficam no A2L, o que significa que o espaço ao redor de um aparelho pode ser classificado onde um vazamento é confiável. Uma vez existente uma zona, as peças eléctricas ligadas a esse circuito têm de ser protegidas em conformidade.

Componentes elétricos dentro de um envelope de refrigerante inflamável

Uma bobina solenóide que abre sob carga produz exatamente a faísca de interrupção indutiva para a qual os parâmetros da entidade para indutância foram escritos, e um pressostato abrindo em uma falha faz o mesmo. Bobinas, interruptores e sensores são, portanto, escolhidos tendo em mente a zona e a classificação da bobina é verificada separadamente do corpo da válvula. Uma válvula solenóide de refrigeração como a série EVR é um exemplo familiar de corpo selecionado para pressão, compatibilidade de refrigerante e vedação, que se torna adequado para uma área classificada somente quando emparelhado com uma bobina e circuito corretamente classificados.

Válvula solenóide EVR Válvula solenóide EVRs are key components in refrigeration and air conditioning, controlling the flow of refrigerant through electromagnetic induction. Available in direc... Ver Produto →

O site mantém uma breve nota técnica sobre como Válvulas solenóides tipo EVR em circuitos de refrigeração comportar-se em serviço, o que é um ponto de partida útil para essa verificação.

Energia térmica e trabalho a quente próximo a um circuito aberto

A segurança intrínseca abrange tanto a energia térmica quanto a elétrica, e o trabalho de manutenção é onde essa distinção faz diferença. A brasagem de uma junta em um circuito que acabou de ser aberto significa uma chama, um tubo quente e refrigerante que ainda pode estar presente na linha. Os controles práticos são uma purga de nitrogênio, uma verificação de gás antes de a tocha ser acesa e uma tocha cuja chama pode ser mantida no tamanho que a junta realmente precisa, em vez de na maior configuração disponível.

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De quanta energia estamos realmente falando

Energia de ignição de substâncias inflamáveis comuns

A Figura 1 representa a energia de ignição de cinco substâncias que aparecem nas plantas de refrigeração e de processamento. O hidrogênio precisa de apenas cerca de 0,017 mJ, aproximadamente um décimo sexto da energia que o metano requer. É por isso que o mesmo transmissor pode transportar uma margem de corrente confortável numa central de gás natural e ainda assim falhar na verificação da entidade num skid de hidrogénio, porque o grupo de gás altera a curva contra a qual o cálculo é executado. Os números também explicam por que o padrão funciona em miliwatts, já que um corpo humano bem carregado pode liberar muito mais do que 0,017 mJ. O design prático, portanto, visa a operação em miliwatts, e essa é a aritmética por trás do fator de segurança de 1,5.

Energia armazenada no cabo de conexão

A Figura 2 converte a capacitância do cabo em energia armazenada com a relação familiar de meio CV ao quadrado em uma tensão de loop de 24 V. O cabo do instrumento a cerca de 60 pF por metro atinge aproximadamente 8,6 microjoules em 500 m, enquanto o cabo de uso geral a 200 pF por metro passa 28,8 microjoules na mesma distância. A linha tracejada marca a energia de ignição de 0,017 mJ do hidrogênio, que o cabo de uso geral atravessa a cerca de 300 m e o cabo do instrumento nunca atinge a faixa traçada. Esse cruzamento é o motivo pelo qual o tipo de cabo, o comprimento do cabo e a tensão do circuito pertencem ao desenho de controle em vez de serem deixados para o instalador. Também explica por que trocar um cabo no local por um equivalente de capacitância mais alta é uma mudança de projeto e não uma decisão de manutenção.

Duas comparações que decidem um design

Quanto de classificação de barreira um loop consome

A Figura 3 utiliza um arranjo comum, um transmissor de 24 V consumindo 20 mA de uma barreira classificada em 28 V, 93 mA e 0,65 W, e mostra quanto de cada limite o loop consome. A tensão é a restrição mais rígida em cerca de 86%, a potência segue em cerca de 74% e a corrente quase não é atingida em cerca de 22%. Esse desequilíbrio é normal, porque os loops de áreas perigosas são quase sempre limitados por tensão, enquanto a margem de corrente parece generosa. É importante quando alguém deseja adicionar um segundo dispositivo à mesma barreira ou prolongar o funcionamento, uma vez que o orçamento de tensão desaparece muito antes do orçamento atual. Verificar todos os três pares, em vez daquele que parece confortável, é o que mantém um loop certificado.

Métodos de proteção através de cinco critérios práticos

A Figura 4 pontua segurança intrínseca, proteção à prova de chamas e proteção antideflagrante de um a cinco nos critérios que geralmente decidem um projeto: adequação para Zona 0, tolerância à manutenção em tempo real, custo de instalação, simplicidade de fiação e peso do hardware. A segurança intrínseca preenche o formato em direção à Zona 0 e manutenção em tempo real, por isso é o padrão para instrumentos que devem ser calibrados enquanto a planta está em operação. A proteção à prova de chamas se estende à simplicidade da fiação, porque o gabinete faz o trabalho e nenhum cálculo de loop é necessário, mas tem baixa pontuação em manutenção ativa e peso de hardware. A proteção antideflagrante atinge o limite externo em custos e fiação porque é destinada apenas à Zona 2, onde uma atmosfera inflamável é improvável e de curta duração. A leitura conjunta das três formas fornece a regra prática: combine primeiro o método com a zona e depois deixe que o custo e a manutenção escolham entre os métodos qualificados.

A verificação é o que separa uma instalação compatível de outra que apenas parece convincente. Antes de um loop entrar em serviço, verifique o número do certificado e a marcação no dispositivo, confirme se Uo está igual ou inferior a Ui, que Io está igual ou inferior a Ii e que Po está igual ou inferior a Pi e, em seguida, adicione a capacitância e a indutância do cabo contra Co e Lo. Leia também as condições especiais impressas após o número do certificado, pois muitas vezes elas trazem um X e uma restrição sobre como o dispositivo pode ser usado. Finalmente, confirme a classe de temperatura em relação ao gás ou vapor realmente presente, pois um dispositivo classificado para T4 não é automaticamente aceitável quando um limite T6 tiver sido definido.

A seleção dos componentes geralmente decide o quão fácil esse exercício se tornará. Um pressostato com parâmetros de entidade publicados, uma bobina solenóide classificada para a zona e um cabo cuja capacitância é indicada na folha de dados transformam um cálculo difícil em uma pequena lista de verificação. Quando um projeto mistura circuitos refrigerantes inflamáveis ​​com áreas classificadas, vale a pena revisar a lista de componentes em relação ao cálculo do circuito antecipadamente, antes que os desenhos sejam corrigidos.

Se você estiver especificando peças para um sistema como este, fale com nossa equipe de engenharia sobre o refrigerante, a zona e a tensão de controle antes de fazer o pedido.