Menú Principal Seguridad IntrínsecaIntroducción a los principios de protección contra explosión en áreas peligrosasEn este curso se tratará con sistemas de gases que son capaces de una reacción química espontánea con grandes cantidades de energía liberadas. En un volumen de dicho gas o mezcla de gases, la reacción se puede dar en forma de una onda que se propaga de una fuente localizada de ignición, o puede ocurrir más o menos simultáneamente en todo el volumen. Las moléculas de un gas están siempre en constante movimiento y chocan frecuentemente entre ellas. La probabilidad de una reacción química entre dos moléculas ocurre en el instante de la colisión con moléculas ordinarias como el hidrógeno y el oxígeno, o el hidrógeno y el cloruro esta probabilidad es extremadamente pequeña, como es evidente del hecho de que a temperatura ambiente tales mezclas no reaccionan perceptiblemente durante largos períodos de almacenamiento aunque a presión atmosférica una molécula sufre cerca de un billón de colisiones por segundo. Sin embargo, si en una mezcla de hidrógeno y cloruro a temperatura ambiente y presiones normales, un número moderado de átomos de cloruro ó hidrógeno son introducidos, como por ejemplo debido a una iluminación con luz que disgregue el Cl2, se observa una formación rápida de cloruro de hidrógeno, que bajo condiciones dadas, progrese en forma explosiva. Esta reacción es ilustrativa de la secuencia de eventos que conllevan a una reacción en cadena H + Cl2 = HCL + CL etc. H y Cl son los portadores de esta reacción en cadena. De manera que por cada átomo de Cloro liberado, se forman grandes cantidades de moléculas de HCl. Las reacciones individuales de la cadena, se denominan reacciones elementales. La reacción resultante H2 + CL2 = 2 HCL es por esto una reacción compleja, que resulta de varias reacciones elementales y la rata de la reacción resultante es gobernada por la rata de las reacciones elementales. En la elaboración, procesamiento, transporte y almacenamiento de sustancias inflamables, como productos químicos y derivados del petróleo (por ejemplo: el Benceno, el Alcohol, el Acetileno, y el Gas de hulla), es inevitable que ocurran escapes de gases y vapores que, en contacto con el oxígeno de la atmósfera, pueden producir mezclas de una concentración explosiva. La ignición accidental de tales mezclas - ocasionada, por ejemplo, por una chispa eléctrica o una superficie excesivamente caliente - puede causar una explosión que ponga en peligro la vida humana y los bienes. A fin de evitar estos riesgos, numerosos países han desarrollado métodos específicos de protección. En vista del creciente carácter internacional de las industrias, se considera ampliamente recomendable el establecimiento de estándares internacionales y acuerdos con respecto a los métodos de protección. La "Comisión Internacional Electrotecnia" (IEC)La primera iniciativa de cooperación internacional surgió a partir del trabajo de la IEC, que fue establecida en 1906 con el objetivo de formular recomendaciones unificadas en el campo de la tecnología eléctrica. En la actualidad, participan en el proceso 43 países. La principal sede administrativa de la IEC se encuentra en Ginebra y en el desempeño de sus funciones tiene como idiomas oficiales el inglés, el francés y el ruso. El trabajo técnico es efectuado por las comisiones técnicas ("TC"), conformada por expertos que representan a todos los países integrantes. Cuando el trabajo de una comisión técnica es particularmente amplio, pueden designarse Subcomisiones ("SC") y Grupos de Trabajo ("WG"). La comisión técnica TC 31, que inició sus actividades en 1950, se ocupa del desarrollo de las recomendaciones relacionadas con la construcción e instalación de aparatos eléctricos con protección contra explosiones. Como resultado de la labor de la comisión y sus grupos de trabajo, ya se ha publicado una serie de recomendaciones de la IEC, sobre el tema de la protección de aparatos eléctricos contra explosiones. Estas recomendaciones forman parte de las siguientes publicaciones:
Estas recomendaciones, desarrolladas por comisiones técnicas en las cuales están representadas las comisiones nacionales de todos los países involucrados, presentan el enfoque más próximo a la unificación de los criterios expresados por los miembros sobre el tema en particular. Estas reglamentaciones poseen el carácter de recomendaciones con validez internacional y son aceptadas, en tal sentido por las comisiones nacionales. Definiciones técnicas para la protección contra explosiones
Tipos de protecciónProtección contra explosionesEn todo el mundo se utiliza el mismo principio básico de la protección contra explosiones. El método es evitar que materiales inflamables (gas, vapor, niebla o polvo) en peligrosas cantidades de aire (y oxígeno) - fuentes de la ignición, estén presentes al mismo tiempo. En las áreas donde no pueda evitarse que se generen mezclas explosivas de material inflamable y aire mediante la aplicación de medidas de protección básica contra explosiones, se deben tomar acciones especiales para evitar el surgimiento de las fuentes de ignición. Por ello, los requerimientos de construcción e instalación se aplican a todos los aparatos eléctricos en áreas de alto riesgo. De acuerdo con los requerimientos de construcción DIN VDE 0170/171 Parte 1, EN 50 014, se permite la fabricación de aparatos con protección contra explosiones mediante diversos tipos de protección. La siguiente Tabla 1 muestra los tipos de protección de los Estándares Europeos y describe sus aplicaciones comunes.
Envolvente antideflagranteUna envolvente antideflagrante debe cumplir 3 requisitos:
La envolvente antideflagrante no debe presentar en su superficie externa temperaturas susceptibles de convertirse en fuentes de auto ignición. Envolvente de seguridad aumentadaEste método de protección es aplicable a materiales eléctricos tales como: cajas de derivación con bornes, equipos de alumbrado, instrumentos de medida, transformadores que no produzcan ni arcos, ni chispas, ni calentamiento peligroso en funcionamiento normal. Debe impedir cualquier aparición de una fuente de inflamación accidental. Los principios de construcción del material de seguridad aumentada son:
Para los materiales de seguridad aumentada, la temperatura a tener en cuenta es la del punto mas caliente del aparato completo y no la temperatura exterior como en el caso de la envolvente antideflagrante. La clasificación de temperatura es la misma que para la envolvente antideflagrante. PresurizaciónEspecificaciones:
Principio funcional de la Seguridad IntrínsecaEl triángulo de la combustión
La reacción de la combustión tendrá lugar si hay la presencia simultánea y en las proporciones adecuadas de los tres componentes del Triángulo de la combustión. Una mezcla explosiva es la mezcla de un comburente (producto oxidante) y de un combustible (producto oxidable) en proporciones tales que puedan dar lugar a una reacción de oxidación muy rápida y muy viva, liberando mas energía de la que se disipa por conducción y convección. El comburente puede ser un gas (el oxígeno del aire), un liquido (peróxido) o un sólido (clorato, nitrato . ). El combustible puede ser un gas (hidrógeno, vapores de gasolina etc. ), un liquido (disolvente) o un sólido (azufre, madera . . . ). Todas las materias orgánicas son combustibles. En una atmósfera explosiva el comburente esta constituido por el aire o una atmósfera enriquecida o empobrecida en oxígeno. El combustible puede ser: Gaseoso: la mezcla de aire y de gas es homogénea. Líquido: la mezcla es heterogénea y el liquido se dispersa en forma de gotitas más o menos finas. Sólido: este se divide en partículas más o menos finas (humos, polvos, aserrín en suspensión en el aire. Tipo de productos que pueden producir una explosión: Gas de calefacción Esta lista no se limita a las formas líquidas o gaseosas. Es preciso no perder de vista que ciertos productos, utilizados en forma de polvo, pueden ser en ciertas condiciones agentes activos de una explosión. Son los polvos de:
Niveles de energía incapaces de provocar una igniciónExiste una cantidad de energía mínima con la cual una mezcla combustible puede ser encendida. Cantidades de energía por debajo de ese nivel " MIE " ó nivel mínimo de energía de ignición (Minimum Ignition Energy) no pueden causar el encendido de la mezcla combustible. El concepto de la seguridad Intrínseca se basa en el principio de mantener los niveles de energía lo suficientemente bajos de manera de estar siempre por debajo de lo que requiere una mezcla para hacer ignición, bajo condiciones normales de operación, y aun cuando ocurran fallas o condiciones fuera de lo normal.
Definiciones MIE, MEIC, UEL, LEL, Flashpoint MIE [ Minimum Ingnition Energy ] Mínima energía de ignición La figura arriba muestra un ejemplo con el gas etileno de los niveles mínimo de energía de ignición dada su concentración en volumen. Del dibujo se desprende que por debajo de 3. 5 % Vol. y por encima de 15. 0 % Vol. este gas no es capaz de hacer ignición y por lo tanto provocar una explosión (condiciones atmosféricas normales). El principio de la combustión implica que es necesario una cantidad mínima de energía, para encender una mezcla inflamable y posteriormente provocar la onda explosiva. En la figura seria la recta MIE. Si la energía que se introduce es menor que esa cantidad mínima, la onda explosiva no ocurrirá. Los requerimientos de seguridad intrínseca se basan en los niveles mínimos de energía que se establecen mediante procedimientos de laboratorio para varias mezclas inflamables.
Tabla limites de inflamabilidad de compuestos químicos
Energía mínima de ignición de gases representativos
Clasificación de gases en grupos de explosión y clases de temperatura Sería poco económico y algunas veces ni siquiera posible construir todo equipo eléctrico con protección contra explosiones de acuerdo con los máximos requerimientos, independientemente de su respectiva aplicación. Por ello se clasifican los equipos eléctricos de acuerdo con grupos de explosión y clase de temperatura. Los Estándares Europeos diferencian - al igual que las Recomendaciones de IEC - entre dos grupos de equipo: Grupo I: equipo eléctrico para minería Grupo II: equipo eléctrico para todas las otras áreas de alto riesgo. Grupos de gasesLa inflamabilidad y las características de una explosión de una mezcla explosiva son propiedades particulares del material. Los requerimientos para la construcción de aparatos eléctricos con protección contra explosiones pueden graduarse dependiendo de los gases y vapores existentes en la planificada aplicación. Dichos requisitos se refieren por una parte a las dimensiones requeridas de la caja (encapsulado) antideflagrante, y por otra parte, los valores de corriente y voltaje máximos permitidos en circuitos con seguridad intrínseca varían para cada mezcla de gases. En consecuencia los gases y vapores están clasificados según el "Intersticio Experimental Máximo de Seguridad" (IEMS) o la "Corriente Mínima de Ignición" (CMI), que son determinadas según una estipulada orden de pruebas. En el aparato eléctrico se especifica por consiguiente para cada grupo de explosión que sea correspondiente. El peligro de un gas aumenta del grupo de explosión IIA a IIC según la normativa de EN (del Grupo D al Grupo A de acuerdo con la clasificación NEC). En consecuencia, aumentan los requerimientos de aparatos eléctricos para estos grupos de explosión. El aparato eléctrico certificado para el Grupo IIC, por ejemplo, es por supuesto apropiado para todos los otros grupos de explosión. Clases de temperaturaLa temperatura de ignición, es decir, aquella a la cual pudiera producirse la ignición, por ejemplo, debido a una superficie caliente del aparato, depende del tipo de gas o vapor existentes. Esta temperatura de ignición está influenciada por diversos factores y de este modo depende de la estipulada orden de prueba. Dependiendo del sistema de medición los resultados pueden así diferir en los diversos países. Puede hallarse mayor información no indicada con respecto a los materiales en los respectivos lineamientos y literaturas. La temperatura máxima de la superficie expuesta del aparato eléctrico siempre debe ser menor que la temperatura de ignición de la mezcla de gas o vapor, en donde ha de utilizarse. Con el objetivo de identificar y seleccionar el aparato eléctrico simplemente en relación con su máxima temperatura de superficie, existen varias clases de temperaturas. Los gases pueden ser clasificados por las clases de temperatura con respecto a su temperatura de ignición, por la cual la máxima temperatura de superficie de la clase respectiva debe ser menor que la temperatura de ignición de los gases correspondientes. En tal caso, los aparatos que están clasificados dentro de una clase de temperatura más elevada (por ejemplo, T5) pueden utilizarse para aplicaciones que requieran de una clase de temperatura más baja (por ejemplo, T2 y T3).
Ejemplos de clasificación
Establecimiento de los niveles mínimos de explosión de gases Gran parte de los esfuerzos en este sentido, fue hecho por los Británicos para reducir el riesgo de explosión en minas de carbón subterráneas. Eso comenzó hace muchos anos y las pruebas se continúan haciendo hoy en día a lo largo del mundo. Cada laboratorio tiene sus métodos de prueba y los resultados están disponibles en forma de tablas y gráficos. La forma de presentación gráfica, es la de uso más frecuente, sin embargo la interpretación de los resultados no es aceptada todavía universalmente. Circuitos intrínsecamente seguros
Para la obtención de las gráficas de ignición, se pueden ubicar en publicaciones de estándares de Seguridad Intrínseca como: CENELEC EN 50020 EUROPA Los gráficos más usados se muestran en las Normas CENELEC EN 50020 figuras A1. 1 a la A3. 2 y representan curvas de ignición resistivas, capacitivas e inductivas ya que todos los circuitos eléctricos almacenan energía que puede ser liberada bajo ciertas condiciones, llegando a producir explosiones en un área con una mezcla de gases explosivos. Lugares en donde se aplica la Seguridad IntrínsecaDe acuerdo con el código (NEC) eléctrico americano Artículo 500, las áreas peligrosas se definen por clase, grupo y división. La Clase y el Grupo, obedecen a las características físicas mientras que las divisiones se basan en las condiciones del medio ambiente y las características de la planta. Para poder aplicar seguridad intrínseca es importante que se defina el grupo y la clase de las áreas en las que se pretenden ubicar circuitos eléctricos. La seguridad intrínseca es un método de prevención de explosión en las peores condiciones, de allí que la división no sea importante. De acuerdo con las curvas de ignición, no todas las mezclas inflamables requieren los mismos niveles de energía para su ignición. Debido a que la seguridad intrínseca mantiene los niveles de energía bajos, es importante conocer los niveles de energía permitidos de operación, bajo todas las normas de seguridad. Debe hacerse énfasis en que no siempre es posible lograr la seguridad intrínseca en todos los circuitos que se ubican en zonas peligrosas. Los requerimientos de potencia (energía) de algunos esta muy por encima de los niveles mínimos de explosión. Como regla general, aquellos circuitos que presentan un consumo de potencia L 1 WATT pueden hacerse intrínsecamente seguros. Hoy en día la gran mayoría de fabricantes de equipos de instrumentación proveen de dispositivos que operan a niveles de seguridad Intrínseca. Condiciones normales o de falla de operaciónEsto significa que independientemente de las condiciones de operación de un circuito, no se alcanzan los niveles mínimos para provocar la ignición de una mezcla inflamable. Cuando se habla de un lazo de control en instrumentación o un circuito eléctrico en un área peligrosa las condiciones anormales de operación, también referidas como condiciones de falla, se consideran generalmente como aquellas en que el circuito se sale de sus parámetros normales de operación, y representa un peligro que se traduce en un riesgo de ocurrencia de una explosión. Sin embargo, para seguridad intrínseca, debido a su diseño, estas son condiciones esperadas. Las causas de una anomalía pueden ser: Apertura, corto circuito o circuito a tierra del cable de campo. Cualquiera de las anteriores pueden elevar la potencia necesaria para provocar una explosión. Una condición normal de operación, es aquella en la cual se permiten niveles de energía suficientes para operar un lazo de control ó de medición. Aparatos asociados a la seguridad intrínsecaEstos Dispositivos se les agrupa en dos categorías,
Ambos con capacidad de restringir los niveles de Energía al mínimo sin llegar a perturbar el desempeño normal del circuito de campo. Sin aislamientoLas barreras de seguridad intrínseca son los dispositivos más conocidos. Son componentes que se insertan en el circuito de campo y que restringen la energía permitiendo sin embargo el flujo normal de las señales eléctricas. Por su diseño son dispositivos pasivos. De aislamientoLos dispositivos de "Aislamiento Galvánico" son la contraparte activa de las barreras y proveen de un aislamiento efectivo entre el lado seguro intrínseco y el no intrínsecamente seguro. Por su diseño como dispositivos activos, pueden adicionalmente ser usados para condicionar las señales, al mismo tiempo que proveen de seguridad intrínseca. Parámetros involucrados en un sistema con seguridad intrínseca Aquellos aparatos o dispositivos con capacidad para almacenar, se les cataloga como almacenadores de energía y requieren de una evaluación para verificar si cumplen con los requisitos de Seguridad Intrínseca. Según los resultados de este estudio un dispositivo ó instrumento con capacidad de almacenamiento de energía se le dará una aprobación de "LAZO" o "ENTIDAD" (Loop Approval, Entity Approval). Es de importancia mencionar que un dispositivo o instrumento no es inherentemente intrínsecamente seguro. Todos los dispositivos de Seguridad Intrínseca deben ser conectados con las protecciones asociadas de Seguridad Intrínseca. Aprobación de Lazo
Es aquella en la que se hace la evaluación tomando en cuenta al conjunto de aparato o instrumento y el dispositivo de Seguridad Intrínseca asociado, siendo aprobada su instalación de esa manera. Cualquier modificación de la configuración requeriría otra evaluación. Ventaja: Se reduce el tiempo de ingeniería debido a que todos los componentes del lazo están previamente seleccionados y aprobados, con su respectivo esquema de control. Desventaja: No hay ninguna flexibilidad en escoger los componentes del circuito. Cualquier cambio o añadidura de otro dispositivo no evaluado, viola la aprobación y se requeriría nuevamente la aprobación. Aprobación de Entidad
Es aquella en donde se evalúa por separado tanto el instrumento o dispositivo de S. I. , como el elemento asociado de S. I. A cada uno se le da sus respectivos valores eléctricos llamados parámetros de entidad y el uso correcto de ambos depende del acople de éstos parámetros de acuerdo a las especificaciones. De allí que este método sirve para determinar combinaciones aceptables de instrumentos o equipos con seguridad intrínseca y los dispositivos asociados de seguridad intrínseca, que no tengan una aprobación previa de lazo. El criterio para efectuar tales combinaciones es que el voltaje y la corriente que pueden recibir y transmitir los instrumentos o equipos intrínsecamente seguros, considerando operaciones bajo falla deben ser igual o mayor que el voltaje y la corriente que un dispositivo asociado de seguridad intrínseca es capaz de suministrar, tomando en cuenta la operación nominal y bajo falla. Adicionalmente, la capacitancia e inductancia máxima incluyendo también el cableado, que es capaz de almacenar el instrumento o equipo con seguridad intrínseca sin protección debe ser igual o menor que aquella capacitancia e inductancia que pueden ser conectadas al dispositivo asociado con seguridad. Vmax igual o mayor VOC LI + Lcable igual o menor La CI + Ccable igual o menor Ca Cumpliéndose estos criterios, entonces pueden ser combinados ambos, el instrumento o equipo de seguridad intrínseca con su dispositivo de seguridad intrínseca asociado. Barreras de seguridad intrínseca Principio funcional de barreras de Seguridad Intrínseca La barrera de Seguridad intrínseca es un Dispositivo limitador de corriente y voltaje; diseñado y construido según estándares internacionales "EN 50 020; ANSI/UL 913" y que se considera del tipo de protección. Según la norma mencionada arriba, un dispositivo de protección es aquel del cual no se espera que falle bajo ninguna circunstancia en una manera que vaya a afectar la seguridad intrínseca cuando se estén tomando pruebas o mediciones al respecto. Una referencia al diagrama circuital básico se muestra en la Figura y que ayuda a explicar el principio funcional de una Barrera.
Las barreras de Seguridad Intrínseca normalmente, usan resistencias para limitar la corriente dentro de áreas peligrosas, mientras que la inserción de los diodos Zener permiten la limitación del voltaje. En funcionamiento bajo condiciones normales de operación, una barrera de seguridad intrínseca, permite el flujo normal de las señales eléctricas. En el caso de falla de suministro de tensión en los terminales no IS (IS = intrínsecamente seguros) los diodos Zener llevarán el circuito a descargarse en una referencia común (tierra) en un área segura. Los diodos Zener representan la fuente de alimentación para el circuito en el área peligrosa. La resistencia limitadora , solamente permitirá una corriente definida en el sistema I. S. , limitando así el nivel de energía por debajo de lo que requiere una mezcla explosiva para hacer ignición. Los diodos Zener ellos solos no pueden considerarse como "componentes de protección", se diseñan con redundancia junto con un fusible limitador, para satisfacer el criterio de "Componentes de Protección", tal como lo pide el estándar de Seguridad Intrínseca. Como se muestra en la Figura el paso de una corriente de falla debido a voltajes elevados, es de la forma indicada, Cuando existen corrientes altas se tiene una condición de falla. El diodo Zener se convierte en conductor, luego de que se sobrepasa su barrera Zener y la corriente en exceso se desvía por ese camino a tierra. Si continua incrementándose la corriente más allá de el nivel de protección del fusible, este se abrirá , cortando la corriente del todo. Papel del fusible dentro de la barrera Debido al grado de protección adicional que le imprime el fusible a la barrera, y por el hecho de estar encapsulado dentro de la misma cada vez que ocurre una falla que lo lleve a abrirse, se debería desechar la barrera. Sin embargo el estandar ANSI/UL 913 dice "Si el fusible interno de una barrera es accesible para reemplazo, este no deberá ser reemplazado por uno de mayor capacidad. " De allí que la solución sea un fusible externo de capacidad igual o menor al interno, reemplazable, de manera de no desechar la barrera en caso de falla. El fusible (interno) debe poder abrir el circuito a 1/3 de la potencia del Zener. De manera que el diodo Zener no puede ser dañado, la relación: PD = 1,5 x Voc x 2xIF deberá cumplirse siendo, PD = Potencia mínima nominal del diodo Zener Componentes utilizados para limitación de corriente Resistencia Las Barreras de Seguridad Intrínseca que utilizan resistencias como limitador de corriente constituyen la mayoría de las Barreras de Seguridad que encontramos en el mercado. Disponibilidad, tamaño y bajo costo son las ventajas distintivas de estas unidades mientras que su impedancia es comparativamente mayor que otros tipos de limitadores de corriente. Transistor Las comúnmente llamadas "Barreras de Seguridad Electrónicas" son Barreras de Seguridad Intrínseca que utilizan transistores y otros elementos semi-activos como limitadores de corriente. Estas unidades tienen aproximadamente 2/3 de la resistencia de sus contrapartes resistivas. Pequeños rangos de utilización de corriente, menor disponibilidad de unidades, alto costo y únicamente útiles para aplicaciones DC son características asociadas a este tipo de barreras de seguridad. Diodos Las Barreras de Seguridad Intrínseca que utilizan diodos en serie para el bloqueo efectivo del paso de la corriente hacia el área peligrosa desde el cuarto de control, proveen limitación de corriente con aproximadamente 1/2 de resistencia de las barreras estándar. Mientras que es típicamente del mismo tamaño que las Barreras resistivas únicamente pueden utilizarse con circuitos DC y permiten únicamente el flujo de corriente en una sola dirección. Diagrama básico de un lazo con barrera de Seguridad Intrínseca
Circuito equivalente de una barrera (Bajo condiciones normales y de falla) La Barrera de seguridad Intrínseca es equivalente a una resistencia ubicada en el medio del lazo de control la cual se encargará de limitar la corriente que circula por el mismo ya sea en operación normal o debido a la ocurrencia de una falla siendo la relación de voltaje obtenida al final de la barrera la siguiente : V2=V1 - I ( Rbarrera ) En caso que la alimentación de la Barrera se vea afectada por sobre voltaje la Barrera de Seguridad Intrínseca drenará la corriente en exceso a través de sus diodos Zener y si la corriente continua en aumento el fusible interno de la Barrera abrirá el lazo. Sistema de aterramiento
Ejemplo de calculo de la resistencia disponible para la conexión de barrerasBarrera unitaria Ejemplo válvula solenoide de seguridad intrínseca
Resistencia máxima que puede haber en el circuito para que funcione: Resistencia debida a componentes del circuito: Total = 714 W Máxima resistencia que puede tener la barrera: 1200-(600+14+100)= 486 W
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