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Tecnología de Equipos a prueba de Explosión

Seguridad Intrínseca

Seguridad Intrínseca

 Introducción a los principios de protección contra explosión
 La "Comisión Internacional Electrotecnia"
 Definiciones técnicas para la protección contra explosiones
Tipos de protección
 El triángulo de combustión
 Niveles de energía incapaces de provocar una ignición
 Tablas límites de inflamabilidad de compuestos químicos
 Energía mínima de ignición de gases representativos
 Grupos de gases
 Clases de temperatura
 Ejemplos de clasificación
 Circuitos intrínsecamente seguros
 Lugares en donde se aplica la Seguridad intrínseca
 Cálculo de la resistencia disponible para las barreras

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Seguridad Intrínseca

Introducción a los principios de protección contra explosión en áreas peligrosas

En 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

Cl + H2 = HCL + H

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:

Publicación IEC:

Comentarios

79-0

Requerimientos generales

79-1

Construcción y pruebas de cajas antideflagrantes de aparatos eléctricos

79-1A

Método de prueba para la determinación de la máxima brecha de seguridad experimental

79-2

Aparatos eléctricos - tipo de protección "p"

79-3

Aparato de prueba de chispas para circuitos con seguridad intrínseca

79-4

Método de prueba para temperatura de ignición -4A

79-5

Aparatos rellenos de arena

79-6

Aparatos sumergidos en aceite

79-7

Construcción y prueba de aparatos eléctricos, tipo de protección "e"

79-10

Clasificación de áreas de alto riesgo

79-11

Construcción y pruebas en aparatos con seguridad intrínseca y otros equipos relacionados

79-12

Clasificación de mezclas de gases o vapor con aire de acuerdo con su máxima brecha de seguridad experimental y mínimas corrientes de ignición

79-13

Construcción y uso de salas o edificaciones protegidas mediante presurización

79-14

Instalación eléctrica en atmósferas de gas explosivas (distintas a las minas)

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

  • Material eléctrico: Conjunto de elementos que sirven en todo o en parte a la utilización de energía eléctrica.  Forman parte entre otros, los equipos destinados a la producción, al transporte, a la distribución, a la acumulación, a la medida, a la regulación, a la transformación y el consumo de energía eléctrica incluyéndose las telecomunicaciones.

  • Instalaciones eléctricas son aparatos individuales o interconectados, que producen, transforman, almacenan, transmiten, distribuyen, miden o utilizan energía eléctrica.

  • Áreas de alto riesgo son áreas donde pueden generarse atmósferas potencialmente explosivas debido a las condiciones locales y operacionales.

  • Atmósfera potencialmente explosiva susceptible de convertirse en explosiva (existe un peligro potencial).

  • Atmósfera explosiva mezcla constituida por aire y gases, vapores, nieblas o polvos inflamables bajo condiciones atmosféricas, en proporciones tales que una temperatura excesiva, arcos, o chispas produzcan su explosión (existe un peligro real).

  • Las áreas de alto riesgo están clasificadas en zonas de acuerdo con la posibilidad de que se genere una atmósfera potencialmente explosiva.

Tipos de protección

Protección contra explosiones

En 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.

Principio básico

Esquema

Aplicaciones

Un tipo de protección en el que las partes, que pueden encender una atmósfera explosiva, son colocadas en una caja, la cual puede resistir la presión generada durante una detonación interna de una mezcla explosiva y que evita la propagación de la explosión a las atmósferas explosivas que rodean la caja

antideflagrante

Atmósfera explosiva

Interruptores, equipo de control e indicación, tableros de control, motores, transformadores, accesorios de iluminación y otros componentes que producen chispas

Un tipo de protección en el que se aplican medidas a fin de evitar con mayor grado de seguridad la posibilidad de que se registren temperaturas excesivamente elevadas y que se produzcan arcos y chispas en el interior y en las partes exteriores de aparatos eléctricos, que no las produce en sus operaciones normales.

Seguridad aumentada "e"

Atmósfera explosiva

Cajas de terminales y conexiones, módulos EX de cubiertas de cajas de control (de un tipo diferente de protección), motores de jaula de ardilla, luminarias

Un tipo de protección en el que se evita el ingreso de una atmósfera circundante en la caja del aparato eléctrico manteniendo en el interior de la mencionada caja un gas protector (aire, gas inerte u otro gas apropiado) a una mayor presión que la de la atmósfera circundante.

Presurización "p"

Atmósfera explosiva

Como las anteriores, pero en especial para equipo grande y salas de control.

Un tipo de protección en el que el aparato eléctrico o parte de aparato eléctrico es sumergido en aceite de manera tal que una atmósfera explosiva, que puede generarse arriba del aceite o afuera de la caja protectora no pueda encenderse.

Inmersión en aceite "o"

Atmósfera explosiva

Transformadores (usado en el presente muy raras veces)

Un tipo de protección en el que la cubierta del aparato eléctrico está rellena de un material en estado de gránulos finos de modo que, en las previstas condiciones de operación, cualquier arco que se produzca dentro de la caja de un aparato eléctrico no encenderá la atmósfera circundante.  Ninguna ignición será ocasionada por llamas o temperatura excesivamente elevada de las superficies de la caja.

Relleno de polvo "q"

Atmósfera explosiva

Transformadores, condensadores, cintas calentadoras, cajas de conexión, ensambles electrónicos.

Un tipo de protección en el que las partes, que pueden encender una atmósfera explosiva, son encerradas dentro una resina, con resistencia efectiva a las influencias ambientales de modo que esta atmósfera explosiva no pueda ser encendida por chispas o calentamiento, que pudieran generarse dentro del encapsulado.

Moldeado (resina) "m"

Atmósfera explosiva

Sólo interruptores de baja capacidad, aparatos de control, equipo de indicación, sensores.

Un tipo de protección en el que el aparato eléctrico contiene circuitos con seguridad intrínseca, que no tienen posibilidad de provocar una explosión en la atmósfera circundante.   Un circuito o una parte de un circuito tienen seguridad intrínseca, cuando alguna chispa o efecto térmico en este circuito, producidos en las condiciones de prueba establecidas en este estándar (dentro del cual figuran las condiciones en operación normal y de falla específica) no puede ocasionar una ignición.

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                             Atmósfera explosiva

Equipo de control y medición.

  

Envolvente antideflagrante

Una envolvente antideflagrante debe cumplir 3 requisitos:

  • Contener una explosión interna sin deformación permanente.

  • Garantizar que la explosión no pueda transmitirse a la atmósfera circundante.

  • Presentar en cualquier punto exterior una temperatura inferior a la temperatura de auto ignición de los gases o vapores circundantes.

La envolvente antideflagrante no debe presentar en su superficie externa temperaturas susceptibles de convertirse en fuentes de auto ignición.

Envolvente de seguridad aumentada

Este 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:

  • Empleo de materiales aislantes de calidad.

  • Conexión eléctrica sin posibilidad de aflojamiento.

  • Robustez de la envolvente IP-54 mínimo.

  • Respeto de las clases de temperatura.

  • Conformidad de la entrada de cables.

  • Etiquetado.

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.

Presurización

Especificaciones:

  • La caja debe ser purgada con aire o cualquier otro gas inerte para prevenir la entrada del gas peligroso con una sobre presión de 0,5 a 1 mbar

  • Grado de protección de al menos IP 40.

  • La caja y los ductos deben purgarse con al menos 5 veces el volumen de aire con respecto al espacio libre dentro de los mismos.

  • La sobre presión puede mantenerse con flujo continuo de gas o por compensación de fuga

  • Sobrepresión y flujo deben monitorear se durante el proceso de purga y operación normal.

Métodos de presurización

 

Principio funcional de la Seguridad Intrínseca

El triángulo de la combustión

Triángulo de 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
Hidrocarburos
Disolventes de cola y de adhesivos
Disolventes y diluyentes para pinturas
Barnices y resinas
Aditivos de fabricación de productos farmacéuticos, de colorantes, de aromas y de perfumes artificiales
Agentes de fabricación de materias plásticas, cauchos, textiles artificiales y productos químicos de mantenimiento
Elementos de tratamiento y de fabricación de alcoholes y derivados

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:

  • Aluminio

  • Azufre

  • Celulosa

  • Almidón de trigo

  • Resinas epóxidos

  • Poli estireno

  • Carbón

  • Madera

  • Trigo

  • Leche

  • Azúcar . . .

 

Niveles de energía incapaces de provocar una ignición

Existe 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
MEIC [ Most Easily Ignited Concentration ] Concentración mas fácilmente inflamable
LEL [ Lower Explosive Limit ] Límite inferior de explosibilidad
UEL [ Upper Explosive Limit ] Límite superior de explosibilidad

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

Compuesto

Fórmula

Limites de inflamabilidad
[Vol. %]

inferior

superior

Paraffin hydrocarbons

Hidrocarburos: Parafinas 

Methane

Metano

CH4

5,3

15

Ethane

Etano

C2H6

3,0

12,5

Propane

Propano

C3H3

2,2

9,5

Butane

Butano

C4H10

1,9

8,5

Isobutane

Isobutano

C4H10

1,8

8,4

Pentane

Pentano

C5H12

1,5

7,8

Isopentane

Isopentano

C5H12

1,4

7,6

2,2-Dimethylpropane

2,2 Dimetil propano

C5H12

1,4

7,5

Hexane

Hexano

C6H14

1,2

7,5

Heptane

Heptano

C7H16

1,2

6,7

2,3-Dimethylpentane

2,3 Dimetil pentano

C7H16

1,1

6,7

Octane

Octano

C8H18

1,0

6,0

Nonane

Nonano

C9H20

0,8

---

Decane

Decano

C10H22

0,8

5,4

Olefins

Hidrocarburos: Olefinas 

Ethylene

Etileno

C2H4

3,1

32,0

Propylene

Propileno

C3H6

2,4

10,3

Butene-1

1-Butano

C4H8

1,6

9,3

Butene-2

2-Butano

C4H8

1,8

9,7

Amylene

Amileno

C5H10

1,5

8,7

Acetylenes

Acetilenos 

Acetylene

Acetileno

C2H2

2,5

80,0

Aromatics

Hidrocarburos: Aromáticos 

Benzene

Benceno

C6H6

1,4

7,1

Toluene

Tolueno

C7H8

1,4

6,7

O-Xylene

Orto Xileno

C8H10

1,0

6,0

Turpentine

Turpentina

C10H16

0,8

---

Isoamyl alcohol

Alcohol isoamílico

C5H12O

1,2

---

         

Compuesto

Fórmula

Limtes de inflamabilidad
[Vol. %]

inferior

superior

Alcohols

Hidrocarburos: Alcoholes 

Methyl alcohol

Alcohol metílico

CH4O

7,3

36,0

Ethyl alcohol

Alcohol etílico

C2H60

4,3

19,0

Allyl alcohol

Alcohol alílico

C3H6O

2,5

18,0

n-Propyl alcohol

Alcohol n-propílico

C3H8O

2,1

13,5

Isopropyl alcohol

Alcohol isopropílico

C3H8O

2,0

12,0

n-Butyl alcohol

Alcohol n-butílico

C4H10O

1,4

11,2

Amyl alcohol

Alcohol amílico

C5H12O

1,2

---

Isoamyl alcohol

Alcohol isoamílico

C5H12O

1,2

---

Aldehydes

Aldehidos 

Acetaldehyde

Acetaldehido

C2H4O

4,1

57,0

Crotonic aldehyde

Croton aldehido

C4H6O

2,1

15,5

Furfural

Furfural

C5H4O2

2,1

---

Paraldehyde

Paracetaldehido

C6H12O3

1,3

---

Ethers

Eteres 

Diethyl ether

Dietil eter

C4H10O

1,9

48,0

Divinyl ether

Divinil eter

C4H6O

1,7

27,0

Ketones

Cetonas

Acetone

Acetona

C3H6O

3,0

13,0

Methylethyl Ketone

Metil etil cetona

C4H8O

1,8

10,0

Methylpropyl Ketone

Metil propil cetona

C5H10O

1,5

8,0

Methylbutyl Ketone

Metil butil cetona

C6H12O

1,3

8,0

Acids

Acidos 

Acetic acid

Acido Acético

C2H4O2

5,4

---

Hidrocyanic acid

Acido Hidrociánico

HCN

5,6

40,0

Esters

Esteres 

Methyl formate

Formiato de Metilo

C2H402

5,9

22,0

Ethyl formate

Formiato de etilo

C3H6O2

2,7

16,4

Methyl acetate

Acetato de Metilo

C3H6O2

3,1

16,0

Ethyl acetate

Acetato de Etilo

C4H8O2

2,5

9,0

Propyl acetate

Acetato de propilo

C5H10O2

2,0

8,0

Isopropyl acetate

Acetato de Isopropilo

C5H10O2

1,8

8,0

Butyl acetate

Acetato de butilo

C6H12O2

1,7

7,6

Amyl acetate

Acetato de Amilo

C7H14O2

1,1

---

Compuesto

Fórmula

Limites de inflamabilidad
[Vol. %]

inferior

superior

Inorganic

Inorganicos

Hydrogen

Hidrógeno

H2

4,0

75,0

Carbon monoxide+water

Monóxido de Carbono  

vapor at 18 oC

+ vapor de agua (18 °C)

CO

12,5

74,0

Ammonia

Amoniaco

NH3

15,0

28,0

Cyanogen

Ciananógeno

C2N2

6,0

32,0

Oxides

Oxidos 

Ethylene oxide

Oxido de Etileno

C2H4O

3,0

80,0

Propylene oxide

Oxido de Propileno

C3H6O

2,0

22,0

Dioxan

Dioxano

C4H8O2

2,0

22,0

Sulfides

Sulfuros 

Carbon disulfide

Disulfuro de Carbono

CS2

1,2

44,0

Hydrogen sulfide

Sulfuro de Hidrógeno

H2S

4,3

45,0

Carbon oxysulfide

 

COS 

12,0

29,0

Chlorides

Cloruros

Methyl chloride

Cloruro de Metilo

CH3CL

10,7

17,4

Ethyl chloride

Cloruro de Etilo

C2H5CL

3,8

14,8

Propyl choride

Cloruro de Propilo

C3H7CL

2,6

11,1

Butyl chloride

Cloruro de Butilo

C4H9CL

1,8

10,1

Isobutyl chloride

Cloruro de Isobutilo

C4H9CL

2,0

8,8

Allyl chloride

Cloruro de Alilo

C3H5CL

3,3

11,1

Amyl chloride

Cloruro de Amilo

C5H11CL

1,6

8,6

Vinyl chloride

Cloruro de Vinilo

C2H3CL

4,0

22,0

Ethylene dichloride

Dicloruro de Etileno

C2H4CL2

6,2

16,0

Propylene dichloride

Dicloruro de Propileno

C3H6CL2

3,4

14,5

Bromides

Bromuros

Methyl bromide

Bromuro de Metilo

CH3Br

13,5

14,5

Ethyl bromide

Bromuro de Etilo

C2H6Br

6,7

11,3

Allyl bromide

Bromuro de Alilo

C3H5Br

4,4

7,3

Compuesto

Fórmula

Limites de inflamabilidad
[Vol. %]

inferior

superior

Amines

Aminas

Methyl amine

Metil amina

CH5N

4,9

20,7

Ethyl amine

Etil amina

C2H7N

3,5

14,0

Dimethyl amine

Dimetil amina

C2H7N

2,8

14,4

Propyl amine

Propil amina

C3H9N

2,0

10,4

Diethyl amine

Dietil amina

C4H11N

1,8

10,1

Trimethyl amine

Trimetil amina

C3H9N

2,0

11,6

Triethyl amine

Trietil amina

C6H15N

1,2

8,0

         

 

Energía mínima de ignición de gases representativos

Grupo

I

IIA

IIB

IIC

Gas

Metano

Propano

Etileno

Hidrógeno

Energía

0,28 mWs

0,26 mWs

0,06 mWs

0,019 mWs

Vol. %

4, - 15,0

2,1 - 9,5

3,5 - 15,0

4,0 - 75,6

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 gases

La 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 temperatura

La 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). 

Clase de temperatura

Máxima temperatura de superficie

Temperatura de ignición  de material combustible

T 1

450 oC

> 450 oC

T 2

300 oC

> 300 oC

T 3

200 oC

> 200 oC

T 4

135 oC

> 135 oC

T 5

100 oC

> 100 oC

T 6

85 oC

> 85 oC

Ejemplos de clasificación

Medio

Temperatura de ignición oC 

Clase de temperatura

Grupo de explosión

Acetaldehido

140

T 4

II A

Ácido acético

485

T 1

II A

Anhídrido acético

330

T 2

II A

Acetona 

540

T 1

II A

Acetileno

305

T 2 

IIC 

Amoníaco

630

T 1

II A

Acetato de Amilo

380

T 2 

II A

Bencina

220

T 3

II A

Benceno

555

T 1

II A

Disulfuro de carbono

95

T 6

IIC 

Oxido de carbono

605

T 1

II A

Ciclohexano

430

T 2 

II A

1,2 dicloretano

440

T 2 

II A

Combustible diesel

220 hasta 300

T 3

II A

Etano

515

T 1

II A

Acetato de etilo

460

T 1

II A

Alcohol de etilo

425

T 2 

II A II B

Cloruro de etilo

510

T 1

II A

Etileno

425

T 2 

II B

Oxido de etileno

440

T 2 

II B

Éter de etilo

180

T 4

II B

Glicol de etilo

235

T 3

no definido

Gasoil

220 hasta 300

T 3

II A 

Peróxido de hidrógeno

560

T 1

IIC 

Disulfuro de hidrógeno

270

T 3

II B

Metano

595 (650)

T 1

II A 

Metano

455

T 1

II A 

Cloruro de metilo

625

T 3

II A 

n-Butano

365

T 2

II A 

Alcohol de n-Butilo

340

T 2

II A 

n-Hexano

240

T 3

II A 

Alcohol de n-Propilo

405

T 2

no definido

Naftalina

520

T 1

II A 

Ácido oleico

360

T 2

no definido

Fenol

595

T 1

II A 

Propano

470

T 1

II A 

Tetralina

425

T 2

no definido

Toluole

535

T 1

II A 

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

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
ANSI /UL 913 ESTADOS UNIDOS
FM/3610 ESTADOS UNIDOS
CSA 22. 2 157 CANADA

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 Intrínseca

De 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 operación

Esto 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.
La ocurrencia de un voltaje mayor al esperado en el circuito.

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 intrínseca

Estos Dispositivos se les agrupa en dos categorías,

  • Sin Aislamiento.

  • De Aislamiento.

Ambos con capacidad de restringir los niveles de Energía al mínimo sin llegar a perturbar el desempeño normal del circuito de campo. 

Sin aislamiento

Las 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 aislamiento

Los 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
Imax  igual o mayor ISC

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
Voc = Voltaje máximo a circuito abierto (barrera)
IF = Capacidad de corriente del fusible.

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 barreras

Barrera unitaria

Ejemplo válvula solenoide de seguridad intrínseca

Cálculo de la resistencia disponible

Resistencia máxima que puede haber en el circuito para que funcione:
Resistencia total en el lazo: R lazo = 24 V/0,02 A
R lazo = 1200 W

Resistencia debida a componentes del circuito:
R certificado 12V/0,02 A = 600 W
+ R cable = 14 W
+ R i = 100 W

Total = 714 W

Máxima resistencia que puede tener la barrera: 1200-(600+14+100)= 486 W

 


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