PrefacioI

SEI\ISE

Apbs a II Guarra PMundial, o uso de dertdados de peiroleo estirnulou o aparecimento de plantas para extraqso. transformaqio e refino de substincias quimicas necessarias para o desenvolvimento tecnologim e indus?rial.Nos processos industriais. surgiram areas consideradas de risco. devi2o a piesenqa de substincias polencialmente explosivas. que mnfinava a instrumentaqzo B t k n i c a pneurnatica, pois 0s equipamentos eletrbnims baseados na epoca em vilv,ulas eletricas e grandas resistores de potsncia, atraiam o risco de incsndio debido a possibilidade de faiscas eletricas e temperaturas elevadas destes componentes.

Sensores e In5trumentos

Cam o advent0 dos semicondutores (transistores e circuitos integrados 1, possibititou a redu$Bo das potlncias dissipadas e tensdes nos circuitos eletrhicos, viabilisando a aplicago de tecnicas de IjmitaGBo de energia, que deu origem a SeguranGa lntrinseca. que simplificadamente pode ser implantada nos equipamentos de instrumentaqio.

0 objetivo deste trabalho visa explicar os principios da tecnica de proteq6o. baseada no controle de energia, presente nos equipamentos de Seguranva Intrinseca. exclarecendo 0s conceitos de projeto, aplicaqio. instalaqso e manutenqio.Antes de abordarmos os conceitcs de seguranra in!rinseca Iaremos urn bre,;e resumo da classiticaqbo de areas de risco segundo as Normas Tecnicas Europeias e Americanas. alem dos principios das diversas formas de protego para 0s equipamentos eletricos.

SEGURANCA I NTR INSECAPrincipios e Fundamentos

Ssnse

.rpostila de Seguranp lntrinseca

Apostila de Seguranva lntrinsesa

Indice- ClassificaGiio de Areas , . I - DefiniG6es I. I .I - ktrnosfera Explosiva 1.1.2 - Area Classificada.~

3 - Seguranca lntrinseca1 1 1 1 1 2 2 34

-

. I .3 - Explos50 1 , I .4 - I g n i g o 1.2- C1assifica;io Segundo as Normas Evropeias 1.2.1- CtassificaqSo em Zonas 1.2.2- ClassificaTso em Grupos 1.3 - Classificaqzo Segundo as Normas Americana 1.3.1 - Classificacgo em Divisso 1.3.2 - ClassifkaFio ern Classes 1.3.3- Classificaqgo em Grupos 1.4 - Comparaqzo entre as normas Europeia e Americanat

4 44

1.4.1 Quanto aos materiais 1.4.2 - Quanto a periodicidade 1.5 - Temperatura de Igniqzo Espont2nea 1.5.1 - Temperatura de Superficie2 Metodo de Protecso

-

55 5 6 6

3.1 - Origem 3.1.1 - Energia de lgniqao 3.1.2 - Principios BAsicos 3.1.3 - Energia Eletrica 3.2 - Limitadores de Energia 3.2.1 - Limite de Corrente 3.2.2 - Limite de Tensso 3.2.3- Calculo da Potgncia 3.2.4 - Armazenadores de Energia 3.2.5 - Elementos Armazenadores Controlados 3.2.6 - A Prova de Falhas 3.2.7 - A Prova de Defeitos

18 1923

2021

21 22 22

2323

3.2.8- Categorias de Proteqso

-

3.2.8.1- Categoria "ia" 3.2.8.2- Categoria "ib 3.2.9- Aterramento 3.2.10 - Equipotencia!idade dos Terras 3.2.10.1 - Ca[cuIo da Sobretensgo 3.2.11 . Isolaqiio Galvinica4 Certificacso

24 25 25 25 25 26 2728 29

2.1 - Possibilidade de Explosio 2.1 .I - IvlGtodos de Prevenqio 2.2 - AProva de Explosgo [Ex d) 2.2.1 - Caracteristicas 2.2.2 - Aplica~Ges 2.3 - Pressurizado (Ex p) 2 4 - Encapsulado (Ex m) 2.5 - lrnerso Em Oleo [Ex 0 ) 2.6 - Enchirnen!o de Areia (Ex q] 2 , 7 - Seguranqa lntrinseca (Exi)

8 8

-

9

10 11 12 1313

4.1 - Process0 de CertificaGio 4.1 ,1 .Certificado de Conformidade 4.2 - hlarcaq%o 4.3 - A Certificaqio da Seguranqa lntrinseca 4.3.1 - Equipamentos Simples

31 3233

2.8 - Seguranqa Aumentada (Ex e) 2.9 - M i o Ascendivel (Ex n) 2.10 - ProteqSo Especial (Exs) 2 1; - Cornbiiiaqio das proteqoes 2.12 - Aplicaqio dos Fhetodos de Proteqso

13 14 1415 15 15 16

4.3.2 - Equipamentos lntrinsecamente Seguros 4.3.3 - Equipamentos intrinsecamente Seguros Associados 4.4 - Fararnetrizaqso 4.4.1 - lntrinsecarnente SegGro 4.4.2 - 1n:rinsecarnente Seguro Associado 4.5 - Concei?ode Entidade 4.5.1 - ApticaqSo da Encdade 4.5.2 - Analise das Marmqies 4.6 - Temperatura de Igni@.o Espontsnea

24 34 24 34 3535

3536 37

38 38

Sense

Senss

Apostita de Seguranqa [ntrinseca

Apostila de SequranCa lntrinseca

5 - Cablagem de Equiparnentos S15.1 - Requisitos de CcnstrufSo 5.2 - Requisitos de InstAa@o 5.2.1 - Canaletas Separadas 5.2.2 - Canaletas MeGlicas 5.2.3 - Cabos Blindados 5.2.4 - Amarra;io dos Cabos 5.2.5 - Separapzo Mecinica 5.3.6 - Multicabos 5.3 - Montagem de Paineis 5.3.1 - Cuidados na Montagem 5.3.2 - Requisitos Gerais 5.3.3- Efeitos de I n d u e 06 Aplicaqees Tipicas6.1 - Barreiras Zener 6.1.I - Contab seco 6.1.2 - Sensor de Proximidade 6-13 - Solenoides e Sinalizadores 6.1.4 - Transmissores de Corrente 6.1.5 - Conversor Eletropneumitico 6.1.6 - Terrnopares 5.1.7 - Termoresistsncias 6.2 - lsoladores Gal;linicos 6.2.1 - Repetidores Dgitais 5.2.2 - Monitor de Velocidade 6.2.3- Crives Digi?ak 6.2.4 - Repetidores Analbgims 6.2.4.1 - Smart Transmiter 6.2.5 - Dr?desAnalogicos E.2.5 - Termoresisthcia 6.2.7 - Termopares 6.2.8 - Outras Aplicaqoes Anexo I - Ternperatura de Igniqso Espontinea Anexo II - Normas Tecnicas

I - CLASSIFICACAO DE AREAS40

A identitica$So das areas de risco dentro das iiistalap6es industriais. Q normalmente executada por engenheiros de processosou quimicos, altaments sspecializados na area.

40 4040 41

1.1 DefiniFdes

-

4141 41 42

A seguir estso algilns termos utilizados na idenCficaq5o e classificaF5o das areas de risco, potencialmente explosivas:1.1 . Atmosfera Explosiva IEm processos industriais, especialrnenie ern petroquimicas e quimicas, onde rnanipulam-se substincias inflarnaveis, podem omrrer ern determinadas Areas a rnistura de gases, vapores ou poeiras inflamaveis COM o ar que, ern proporqfiss adequadas, formam a atmosfera potencialmente explosiva.

-

43 43 43

-

1.1.2 Area Classificada45 45 46 46 47Pode-se entender wrno urn locat aberto ou fechado, onde existe a possibilidade de formapgo de uma atmosfera explosiva, podendo ser dividido ern m i a s de diferentes riscos, sem que haja nenhurna barreira lisica. 1.1.3 EXPIOSSODo ponto de vista da quimica, a oxidapgo, a cornbustgo e a explosio s20 reapGes exotermicas de diferentes velocidades de req5o. sefido iniciadas For uma detonaF5o ou igniF5o.

-

47 4848 49 49 50 51

-

1.1.4 IgniFiio E a charna ocasionada por urna onda de choque. que tem sua origem em uma faisca ou a r w eletrico ou por efeito terrnico.

-

52 52 5355

55 56 57 62

Ser.se

Sense

-1

mstila de SeguranGa lntrinseca

Apostila de Seguranca lntrinseca

2 - Classificaq5o Seguitdo as Norums Europeias ( IEC )ideia de classilicaq5o das areas de risco, visa agrupar as diversas areas queissL?em grau de risco semelhantes, tomando possivel utilizar equipamentos

4?ricos projetados especialmente para cada area. classificaqso baseia-se no grau de periculosidade da substsncia combustive1 anipulada e na Irequgncia de forma+o da atmosfera potencialrnente explosiva. isando a padronizaGZo dos procedimentos de classificaqio das areas de risco, tda Pais adota as reccmendaFOes de Normas Tecnicas. No Brasil a ABNT issociaqso Brasileira de Normas Tecnicas) utiliza a cclethea de Normas Qcnicas da IEC (International Electrical Commicion), que trata da classificaqio IS areas no volume IEC-79-10.

.2.1 - ClassificaFio em Zonasclassificago em ZONAS baseia-se na fiequenda e dura@o corn que ocorre a tmosfera explosiva. Classificaqso IemZonas

Figura 1.1 - Exen;plodeC$ssitia@c V r Z o m s

i~

DescriF.50 atmosfera ex losiva, formada pcr gases ocorre oerrnanenl]ernente ou oor l o n m s Deriodos. Area onde a atmosfera explosiva, formad-a por gases combostiveis. provavelmente ocorra em operaqao normal dos eouioamentos

ZONA1ZONA 2 ZOhA

I

I

Grupos

Descriqio

II

Area onde n i o 6 provivel o aparecimento da atmosfera ,explosiva. formada por gases combustiveis, em condiqoes inormais de operapo, e se ocorrer e porcurto periodo de tempo. Area or!ue, a atiiiosfera explos,\a loriiiada por Foe rns comi;-sI . .e.s ocoire peiniane;i!xne!ile O J. por . 3ngos peiiouss. . _ ~ . . . .. . .- .Area onde n i o e provavel o aparecimenb da atmosfga explosjva formads por poeiras combustiveis, e m condipes normais de operaqao. e se ocorrer e porcurto periodo de tempo.! '

Grupo IA

$lcotre,ern atmosfecas explosivas. onde prsvalece 0s gases a familia do propeno.jocorre ern atmosferas explosivas, onde premlece 0s gases Ida famiiia do etileno.

,o

I

Grvpo llB

I

ZONA 1 I ZONA G

G~~~~

da familia atmosferjis. explosivas, onde pieydeca Owrre,emdo hidrogenio (incluindo-se o acefileno). 0s gases

Area pnde a atmos!+ra explosiva, formada substancias analgesicas ou anticeptxas ern centros cirurgicos, ocorre icermanenkemente ou nor 1on.aos oeriodos.

Area onde n i o 8 provivel 0 , aparecin;eato da atmxfera explosiva, f0rmad.a por subs!ancigs analgesicas cu antic-ep:icas em centrps cirGr icos, e m condiqces normais de operaqao, e se i omrrei e par cu8o periodo de temco.Tabea ?.l - Class'ficas.; LECsin Z: . . .?zs

jense

-2

Apostila de SequranCa intrinseca

Aposbla de Sequranca tntrinseca

7.3 - Classificas5o Segundo as Normas Arnericanas ( NEC )A classificaq5o de areas de rism nos EUA e diferente da usada na Europa, pois seguem as narmas t k n i c a s arnericanas National Fire Protection Association NF?A 70 Artigo 500 do Nacional Electrical Cads-.

1.3.1 - Classificaqio e m D i v i s i o

A classiticaqgo ern D l V l S ~ O baseia-se na Ireqvgncia de Iormaqso da atmosferaMaterial MetanoT a l e h 1.3 - Clasifica$c NEC em DiviGo

'

IEC Europa Grupo I

NEC Americana

de lgniFQo Energia~

1

ngo classiIicado

1.3.2 - Classificatzo e m Classes

HidrogBnio~~

Classe I - Grupo B

A classificacio das a:mosferas explosii;as em CLASSES, determina o agrupamento dos materiais dependendo da natureza das substcncias.F

Etiteno Propano Poeiras de C a w s o Poeiras Metslicas

Grupo ItBGrupo HA

.

___n__

I

Classes

i

Descriqso

Classe I - Gnrpo D Classe I1 - Grupo EClass9 I GrUpO C

> 6 0 pJouks180 P J ~ L & S

em e l a b o r a ~ o

Classe 11 - ~ w p F oClasse 11 - Grupo G

1I

TBbeia 1 . 4 . Classi!ica@o NEC e m Casssn

Fihras Combustiveis*

Classe 111

Tabeb 1.6 -Cornpan+ IEC I NEC -Subsl;lnc$s tb8: Pam a verifica@o da squivaEnaa h w - s e remner as lstaaens & oases For faniilia =gun& as duas ramas.

1

P

Classe Grupos

DescriqioAlnoskem degares da farniiia. do Aneblero A h o r f e r n de gases dalamllia do Hidmsnio. klmosfem de Gases da lam$& do E t i k n i .1

iClasse I

GrupoA Grupo 6 Grupo C~

GruDo D

Atno.d-lemdegaszs da falliliado Propa.w.

Classe II

GrupoE Gruoo F

Almoslra de Foeiraa Meaib=s(EN 4urr,~iiofr!a3lesls, et.2: ktmosfem de P.:sira de zar&o.

FrequEncia,

Atmosfera Continua

Atmosfera lntermitente

CondiqGes Anormais

I-5

Sense

-4

Sense

Apostila de Sequranqa lntrinseca

kpostila de Sequranca lntrinseca

1.5 Temperatura de Igniqio Espontinea

-

2 - Metodo de Proteqio2.3

A temperatura de igniqiio espongnea de urn gas, e a temperatura em que a rnistura alto detona-se, sem que seja necessario adicionar energia. E s b parametro e muito importante pols limita a maxima temperatura d r superficie qile pode ser desenvolvida por urn equipamento que deve sfr instalado em uma atrnosfera potencialmente explosiva. 0 anexo I traz uma Iista dos principais gases corn suas respectivas temperaturas de igni@o espontinea, classificados segundo as normas da IEC.1.5.1 - Temperatura de SuperficieTodo equipamento para instalaFio em areas classdicadas, indepente do tip0 de proteeo, deve ser projetado e certificado para urna determinada categoria de temperatura de superficie, analisando-se sob condi@es normals ou n i o de opera+ e n5o deve ser menor que a temperatura de igniqao espsntanea do gas. A tabela abaixo ilustra as categorias de temperatura de superficie: segiundo as normas Europeia e Americana.

- Possibilidade de Explosiode uma atmosfera existe se acorrer simultaneamente: flamavel, em condiG6es de operago nwmal ou anormal.

0 riscc da g @o in . i

0 A presenqa de urn material in-

0 0 material inflamavel enwntra-se

em urn estado tal e ern ouantidade suficiente para formar u&a atmosfera explosiva.D Exisle uma fonte de igni@o corn e-

A

nergia eletrica ou termica suficiente para causar a iani.50 da atmodera explosiva.

- _

- w m % z L

0 Existe a Dossibilidade da atmosfera

alcanqar a fonte de igniqiio.

Figura 2 1 - Tnargulode lgni@o

.1.1 Metodos de PrevenqsoExistem varios metodos de preven@o, que permi:em a instalago de equipamentos efetricos geradores defaisms eletricas e ternperaturas desupedicies capazes de detonar a ahnosfera potencialmente explosiva. Estes rnetodos de protec,So baseiam-se em urn dos principios:0 Confinamento: este metodo evita a detonagio da atmosfera, confinando a

-

explosiio e m um compartimento capaz de resistir a pressio desenvoi~da durante uma possivel explosio, n5o permitindo a propagaqio para as Qreas visinhas. (exemplo: equipamentos a p r o w de explos5o).T z k a 1 B -Categonas de ?empe.alura de Sqerficie

entre a energia de igni@o do gas (grau de pericutosidade) e a temperatura de igniqio espontinea, exemplo disto e o Hidroggnio que necessita de 20 pJoules ou 560nC, enquanto o Acetaldeido requer mais de 180 pJoules mas detona-se espontaneammte com l N C . E evidente qu? um equipamento classificado para uma determinada Categoria de Temperatura de Superficie, pode ser usado na presen;a de qualquer gas (de qualquer Grupo ou Clzsse) desde que tenha a ternperztdra de isniqio esgontinea rnaior aue a cateaoria do instrumento. Sense

E importante notar que n i o existe c re$o o a? i i

0 SegregaGBo: e a tecnica que visa separar fisicamente a atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ipnicio. (ex:eqviparnentos pressurizados, irnerssos e encapsulados),

- _

0 Prevenqso: neste metodo controla-se a fnnte de igniqgo de forma a

niir,

possuir energia eletrica e termica suficiente para detonar a atmosfera

-"..,--:.,-

snpl">l"d.

(exemplo: equipamentos intrinsecamente seguros).

-6

Sense

-a

Apostila de Sequranw lntrinseca

Apostila de Sequranca lntrinseca

2.2 - A Prova de ExploGo (Ex d)Este metodo de proteqio baseia-se totalmente no conceit0 da mnfinarnenta. A fonte de igniGio pode permanecer em contato com a atmosfera explosiva. cnnsequentemenh pode omrrer uma explosio interna ao equipamen1o. U m involucro a prova de explosio d e w suportar a press60 interna desenvolvida durnnte a explosio, impedindo a propagaFSo das chamas, gases quentes ou ternperaturas de superficie. Destaforma o involucro a prova de explosso deve serconstruido corn urn material muito resisthte, normalmente aluminio ou ferro fundido, e deve possuir urn intersticio estreito e longo para que os gases quentes desenvolvidos durante uma possivel explosio, possam ser resfriados, garantindo a integridade da atmasfera ao redor. conforme ilustra a figura abairo.

2.2.1

- Caracteristicas_ I

0 s involuuos A Prova d e Explos50 nSo sZo permitidos, em zonas de -It- r : x o [Zona 0). pois a integridade do grau de proteqio depende de uma c3:reta instalaqio e manutenq%oo. Ahaixo indicamos alguns desses probletmas:0 A seguraqa do involucro a prova de explos5o depende da in:egiidadi

rnecGnica, tornando necessario uma inspeqzo de controle perijdica.

c NSo

e possivel ajustar ou substituir componenies corn o equipamento energizado, dificultando 0s processos de manutenGo.

0 Kormalmente tambem encontram-se dificuldades de se remover a tampa

frontal, pois necessita deferramenta especial para retirar ecofocaros virios parafusos, sem contar o risco na integridade da junta (intersticio).0 A umidade atmosferica e a condensacio podem causar corrosces nos involucros e seus eletrodutos. obrigando em casos especiais a construq5.o

do imolucro e rnetais nobres como o aqo inoxidavel, bronze, elc: tornando ainda rnak car0 0 s invblucros devido ao seu peso.

Eailra 2.2 Clagrarra E s q ~ m i t i c n urn Inv3lum de

-

6 Pm'Qade . Ex;loGs

0 s cabos eletricos que entram e saem do involucro devem ser conduzidos por eletrodutos mefalico, pois tambem s%o considerados como umafonte de ignicio. Paraevitar a propagacio de uma explosso if&r+a.-atra!&mtradas e saidas de cab0 do involucro, devem ser instalados,Unidades Seladoras', que consistem de urn tub0 roscado para uniio do etetroduto w m olnv61uE6?dndo preenchida com uma massa especial que impede a propagaFio das chamas atrak,es dos cabos.

-__

Sense

-5

Apostila de Sequranva Intiinsea

Apostila ae Sequranca Intrinseca

-~~

2.2.2

- AplicaG6cs

2.3 - Pressurizado (Ex p)A tecnica de pressurizaqso e baseada nos conceitos de segregaq5o: m d e o equipamento Q ccnstruido de forma a n2o perrnitir queaatmosfera potencialmente explosiva penelre no equipamento que conlem elernentos faiscantes tiu de superflcies quentes, que poderiarn defonar a atmosfeia. A atrnosfera explosiva e impedida de penetrar no invbjtucro devido ao gas de proteqso (ar ou gas inerte) que e mantido corn unia press50 levernente maior que a da atrnosfera e x t e r m k sobrepressio intema pode ser mantjda corn cu sen- urn flux0 continuo, e n i o requer nenhuma caracteristica adicional d e resistencia do involucro, Eas-re: comenda-se a uti:iza$So de dispositivos de alarme que deiectam alguma anorrrdidade d a pressgo interna do involucro e desenergizam 0s equipamentos irnediatamente ap6s dekctada a falha. M a tscnica pode ser aplicada a paineis eletricos de modo geral e principalmente corno u m a solu@o para salas de controle, que podem ser montadas proximo as areas de r i s w .

Este tip0 de proteG5o 8 hdispensavel nas instalaGdes sletricas em atrnosferas explosivas, principalmente nos equipamentos de potkncia, tais corno: paineis decontrole de motores, luminarias, chaves de comando. etc.

Figura 2.4- Imdlucm A Prova de EspbsAo m m Ekuodutn e Unidade Selad~ra

F:g;:a

2.8 Esqusma 63 Ec.u~;3mlenlo Press~r-iaZo~

Figwa 2 6 . M i m Switch . APtovade E x p b S o

h p m 2.7-Sirem Eiuica A Pmva de E x p b ~ i o

0 process3 de diil?i+o cmtin2a dfi:e ser e r n p g i j o , quando a sala pressuizada possuir equipamentos q u e produzarn a mistura explosiva: tais corno: salas cirurgicas, analisadores de gases, etc Cesta forrna o 3is inerfe d w e ser mantido em quantidade tal que a zsncfntra75o da mistura rlunca alcance 2% do timile inferior de exp!osibidade do 36s gerado. 0 sisterna de alarme neste c a w de;;e ser basead3 na q1Jan:idade relativa do gas de prate+ n a ztmcsfera. atuando tambem n a desenergizaqao d2 allmenta$go.

Sense

- 11

Sense

- 12

kpostila de Seguranqa lntrinseca

2.4 - Encapsulado (Ex m)Este tip0 de proteqso, tarnbem e baseado no principio da segregaqgo, prevendo que 0 s componentes eletrims dos equipamentos sejam envolvidos por ulna resina, de tal forma que a atrnosfera explosiva externa niio seja inflamada durante a operaqgo, Norrnalmente esse tipo de proteGio e complernentar em outros metodos, e uisa ebitar o c u t 0 circuit0 acidental. Este metodo pode ser aplicado a reed rele, hotoeiras corn cljpula do contato encapsulado. sensores de proximidada eobrigatoriamente nas barreiras Zener.

2.7 Seguranqa lntrinseca (Ex i)A Seguranqa fntrinseca e o metodo representativo do conceito de prevenqzo d-3 igniqzo, atraves da limitaF5o da energia eletrica. 0 principio de funcionamerito baseia-se em manipular e estocar baixa eneFgi3 eletrica, que deve ser incapaz de provocar a detonaqio da atmosfera exp:osi.ia, qusr por efeilo termico ou por faiscas eletri~2s. Em g e m pode ser aplicado a varios equipamentos e sistemas de instumsntaF5o. pois a fnergia eletrica s o pode ser controlada a baixos niveis em instrumentcs. tais corno: transrnissores eletrBnicos de corrente. conversores eletropneumaticos, chaves fim-de-curso, sinaleiros luminosos, etc. Este metodo sera amplamente abordado no proximo capiIulo.

-

2,g . CicCUib E l e ~ n i m EnrapWlam

2.8 SeguranGa Aumentada (Ex e) Este metodo de proteeo e baseado nos coneitos de supressHo da fonte de igniGSo, aplicivel a equipamentos que em condiG6es normais de operaG5o. nZo produza arcos, faiscas ou superficies quentes que podem causar a igniqio da atmosfera explosiva para a qua1 ele foi projetado. SSo tomadas ainda medidas adiuonais durante a construFio, corn elevados Iatores de seguranqa, visando a prcteqso sob condifles de sobrecargas previsiveis. Esta tecnica pode ser aplicada a rnotores de induciio. luminirias. solenaides. bo5es de cgmando, e n a i s e bloc>&conexio kprkcipalrnente'em conjunto corn outros tipos de protecio. A normas tgcnicas p r e w e h grande flexibilidade para 0s equipamentos de Seguranqa Aumentada, pois permitem sua instalaqso ern Zonas 1 e 2. onde td pdos 3% ~ _ _ cabos podem ser conectados aos equipamentos atgves-de~prensa-cabos, ndcl necessitando niais dos eletrodutos metalicos e suas unidades seladoras.Figwa 2.10. Tmngfonnad3r imersc e m Glao

-

2.5 Imerso em oleo (EX a)Tambem neste tlpo de proteqio. o principle baseia-se na segregaFZo, eitando que a atmosfera potencialmente explosiva atinja as partes do equipamento elitrico que possam p r o v o w a detoia$o. A segregaqso 6 obtida emergindo as partes "vivas" (que podem provocar faiscas ou as superficies quentes) em urn involucro com oleo. Normalmente 6 utilizado em grandes transforrnadores. disjuntores e sirnilares com p e p s moveis, amnselhado paia equipamentos que n5o requerem manutenGio frequente. 2.6 - Enchimento de Areia (Ex q) Similar ao anterior sendo que a segregaF2o e obtida corn o preenchimento do involucro corn po, normalmente o p6 de quartz ou areia, evitando destaformainflamar a atmosfera ao redor. quer pela transmissio da chama, quer pela temperatura excessiva das paredes do inv6lucro ou da superficie. Encontrado como forma de proteq50 para Leito de cabos no piso.Fi.aura 2.1 I - Leito de C a h s tmersoem Arela. . ".

-

Fig. 2.13-Scen6i& Segurmp. Auinentaia

Senss

- 13

Sense

- 14

Apostila de Sequranqa lntrinseca

2.9- N5o Ascendivel (Ex n)Tambem baseado nos conceitos de supressio dafonte de igniqgo, os equipamentos niio ascendivel sZo sirnilares aos de Seguranca Aumentada. 'i Este metodo 0s equipamentos nSo possuL'bhergia suficienIe para provocar a detonaqso da atmosfera explosiva, coin0 0s de Seguranqa lntrinseca. mas nso preveem nenhuma condiqio de falha ou defeito. Sua ulilizaqio estarestrita aZona2, ondeexistepoucaprobabilidade de formaqio da atmosfera potencialmente explosiva, o que pode parecer urn fator limitante, mas se observar que a maior parte dos equipamentos eldrims e&o locatizados nesta zona, pode-se tornar muito interressante. Urn exemplo importante dos equipamentos n5o ascendivel sio 0s multiplex, instalados na Zona 2, que manipulam sinais das Zonas 1 e os transmite para a sala de controle, corn u m a combinaqio perfeita para a Seguranqa Intrinseca, tornando a solu+ mais simples e econ8mica.I

Apostila de SequranCa lntrinseca

2 . t 2 AplicaGSo dos Metodos de ProteqSo

-

A aplicaqso dos metodos de proteqzo e s t i prevista nas normas tknicas, e regulamenta as Breas de risco onde os diversos rnetodos de proteqio podem ser utiiizados, pois o fator de risco de cada area foi levado em conta na elaboraqio das respectivas normas.MPtododeproteGso

Ii

Codigo

I

Zonas

A Prova d e ExplosioPressurizado Encapsuledo ImersZo em Oleo

Exd ExpExm

'

I

Principios

7 I

1 j!'

1e2le2

Confinamento

'

le2SegregaFSo

lmerso e m Areia

Ex 9

le20,le2

Ex i alntrinsecamente SeguroI

2x2 1

!

zom 2

1I

1t

Exib

1 I

l e 2supress50

Figura 2.14 Mulliplex N5o Incadiuel

-

Seuranqa Aumentada

Ex eExnI

le2

L

2.10

- ProteF5o Especial ( E x s)

I

Est& metodode prote@o, de origern Alemi, nso esta coberto pornenhuma norma t k n i c a e foi desenvo[vido para permitir a certificaqio de equipamentos que n i o sigam nenhum metodo de protecgo, e possam ser considerados seguros para a instalaq5o em areas classificadas, por meios de testes e analises do projeto. vkando nSo limitar a invenlividade humana.

NBo AscendivelEspecial

i

2 1e2Especial

Ex s

2.11 Combinagio das Proteg6es0 us0 de mais de urn tipo de prote$So aplicado a u,rn mesrno equipamento Q uma praticacomum.Como exemplo ternos: 0 s rno:ores A ProMde ExplosSo corn mixa de terminais Seguranqa Avrnentada, 0s bot6es de comando corn clipula dos contaIos sepados por invdlucro Encapsulado; os circilitos lntrinsecamente Seguros onde a barreira limitadora de energia e montada em urn painel Pressurizado ou em urn involucro A Prova de Exp[osio.Sense

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Tabea 2.1 Aplica@o dos m 6 b m s d e p m k g otj3S:Osequipamsnbs pmietahspama w m 0 podemsetins~hdosnaszonas1 e2.bero wmoos da ZOM f pcdem lambem seiinaahdona rma2.

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- 15Sense

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Apostila de Seguranva lntrinseca

Apostila de Segluranqa lntrinseca

3 - SeguranGa Intrinseca fExi)3.1 - OrigemA oCigem da seywanGz Int:inseca data do i n i . x do s4cu!c na in;ia:eira, quando uma explosSo em uma mina de carvio mineral prwiccou a perda de muitas vidas. Uma comiss:o foi formada para investiynr as musas do aciden:e, corneGou-se entao a analjsai a possibiiidade da iyniG5o ter sido piovocada pcr uliia Iaisca eletrica, no circuito de baixa tensio que era ublizado na epoca 0 s mineiros acionadam uma campainha avisando 0s trabalhadores da supeticie, que 0 s vagcss estavarn carregados mrn o minerio. A campainha era aciomda For uma ferramenta metabis, qus fecha;la G cicuito atravks de urn par de fios distribuidos pelas gakerias. Como a font& de eneryia era composta por umabateriads seis ceiulas Lec:anche, corn biixa tensso e correnke, o circuito era considerado segurc.

3.1.1 - Eneryia d e lyniqio

Toda mistura expjss2,;a possui Liina ensrgia rrin!nia de isl:182zfi (t.Jt I.i:i,,,:!?. Ignition Energy) que abaixo deste valor e impossivel se provocar a delor,aCiu dr: atmostera potencialmente eitpiosiva. A ligura abaixo cowpara a cljru'a do HidroaGnio corm o Fr9par.o ili!slranrlr i i energia da fonte de 83ni720, que efelivarnente pr3voca a deton+o: err f ! h + da cnncsntra$io da m-stura,ou seja: da quaarntidade de corrhslivei el11 rela+ a quantidade de ar

CDncerbtraq5o em 'i*l,Lrnf

(To)

rl&ia 5.2- E&@* Liz Er*lyia I l e IgI"gmfill FUlYS" d;. iolim,iva.gu

Fiadra 3.1 .S,slenade S ; m l , r a ~ o t q 1 i r a em

0 ponlo que requer rnenorenergia para provocar a detonaqso e chamado da M F ( Minimum Ignition Energie), sendo tambem o p o n : ~ onde a explosio desenvoive maior pressio, ou seja a explosio e maior. Fora do ponto de menorenergia MIE, dmistura necessita de maiores quantidades de energia para provocar a igniqso. ou seja: a energia de ignipio e fun750 da

Uma pesquisa posterior provou que o fator rnais irnpoitante. a fim de considerar

urn circuito seguro e a energia que ele armazena. No caso da mina a energia estava arraazenada no ilidutor da canipaintx e nos longos fios de intsdiga@o. A circulacio da coriente no ponto de chaLreamento. se n i o for devidamente limikada, pode p r a : n;.jeis de energia capzes de prov'ocar urn arc0 eletrico, corn potgncia xficiente para detonar uma rnistura exprosiva. 0 conceilo de Seguranp 1n:rinseca havia naswdo. Desde entzo 0s equipamentos eletricos e seus cirsuitos, tinham de ser projetados deforma a n h produzir arms capazes de detonar as substzocias potancialmente explosivas. Es!ava criado 0 primeiro orgzo de teste e certificaq5o de sistemas de sinalizaqio para minas. 0 s estudos subsequentes e a aplicaG5o de componentes eletrbnicos permitiu a utilizaqSo dos conceitos para as indjstrias de supedcies. Sense

concentraFio da mistura. As concentraq6es abaixodo limite minimade explosiijhdade LEL( Lower ExFlosi,e Limit) n i o ocorre mais a explosio poi, a mistura esta muito pobre O J seja Inuit0 oxigknio para pouco combllstivel Analosamente quando a concentraG5o aurwr'ta rnJiL2, aci!na do lirrite miiximc de explosividade UEL { Upper Explosive Limit 1, tarnbsm n5.o c c x r e rnais c? sxplosiio delldoao excess0 de combustivei, mistura muito r i m . 0 s circujtos de Seguranp lntriiiseca sernpre maniljllam e a r r n z m a m el;arG:as abaixo do limite minima de exp!osididade dos gases representohss de cada familia, wnsiderando assim as concenkaq6es mais periyosas. Destaforma mesmo em c o n d i q k anormais defuncisnamentodos equipaniearos G circuito de Seguranp lntrinseca n50probrocama lgni+ pois n5c possui energia suticiente para isto, tornando a instalafio s e y r a permitindo rnontagsns ate m e m o na Zona 0. Sense.

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1s

Apostila d4 Sequranca lntrinseca

Apostila de SequranCa lnt:ir.sew 3.2

3.1.1

- Principios

- Limiladorcs d c Eiicrgia

0 prir-cipio Lasico da seguran~ai n t k s e c a e manipuiar e aginarerrar baixa energia, de forma que o circtito iostaladc na area classificada nunca possur enetgia suficiente (manipulada e armaienadaj cagaz de prozocai a isniFio da atmosiera potsncialmente sxplosiva.Font8 d 1 Energis

Para uma instals+ ser executada c m n a piate$% da Seyuranp lil:tltnaeCa temos q.de interfacear '3 elernento de carnpo corn o instrumen!o de ccntrc:s : sinalizaF23, atravfis d E urn limitadx d i ener@a. Para tornar clam esta idera. imagine a rnon:irjem da fiG;lra abaixo. clriila ieiiivs urn con:ato mec5nico provenien:e de urna chave IiGa-desliga que deie acimar urn rele auxiliar. rnontado no painel de controle fora da area classificada.

Figura 3.5 - Ci:cui;o S e m L:mi:t. de Ere.;=

3.1.2

- Energia Eletrica

Dentro deste principio, a snergia total queo circuit0 intrinseEmer,te segurs p i l e iiliiter deve ser menor que a minima energia

de igniqao IvllE. Transportando a enersia em potencia eletrica. obtemos a w r v a ao lado. que ilustra as rn&uimasiensCesversus as m a x i m s cotrentes de urn circuit0 hi. Existem t r k curvas, uma para cada grupo, pois quanto maior a periiulosidade da mI5tura menor sera a energia necesskria para a igniqio e menor a p o t h c i a que pode ser seguramenle rnanipulada. desta fgrrna notarnos que um equipamenlo projetado para 0 gNpo pode s e i utilizado no 1 8 1. Analisando a curva podernos notar que a seguranqa intrinseca pode ser aplicada corn suffisso a equiparnentos que cansoinem pouca snergia, tornando-se uma oo pi @ para a instrumentaGio.

3 2 1 Limite de Conente ..~

No circuit3 da f i p r a ahaixo acresientarnos urn resistor que terc C ~ : T I E .f u r q i o limitar a corrente eletrica. o que ainda nao e suficiente para eliminar a centelha. apesar de reduzir sua energia.

llc

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Apostila de Sequranca lntrinseca

Apostiia da Seguranqa lntrinseca

3.2.2 - Limite de TenssoVkando limitar a pot&r.c:a. chegamos ao cirxlto abaixo que possai urn resistor limitando a corrente. e urn diodo zener para Iirritar a tens50 GO contato de campo. Ossta forma conseguinios eliminar a ljossibilia'ade cia igniqso pela manipulaGo da snergia eletrica em areas classificadas, icgicarnsnte escolhendo 0 s valores do resistor e do diodo zsn6r que mantsnham a corrente e a tens50 no contato de campo, abaixo dos limites estabelecidos na cuwa da figura 3.4, cam os delzdos fatores as seguranGa, que serso discutidos posteriormente.,

3.2.4 Ai IijazcnsdurzS dc C ~ i cgia iCom o circuito anterior evitamos a detonaqgo pel0 conirole da eiergia rn?nipy lada, mas nao considerarnos que em vez de urn simples contato pxleriarxc; 2 urn circui!g eletrhnico, como de u n transnisscr da ccrrento. in,.ralidand- c E::L;:!:-J ql;s n5o previa o armazenamento da energia. Este arrnazenarnenk de energia ocorre principalmente nos cicuitos eletrhnicos e no cabo de interligaq%oque em longos cornprimentos passa a ter capacitincia e indutincia distribuida mnsideraveis.

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Fonts

Forts26V

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I

MeRaura 3.5 - C,rcuiw Armarererhrssde Erergia

3.2.3- Calculo d a PoGnciaAnalisando-se o cicuito podemos obsenmr que corn a cham aberta B maxima tensio que chega ao CifCijilo de camp0 e a tensso de cor?edo diodo iener que passaremos a charnar de Uo. A corren:e rnaximaocorre quando a chave est6 techada, sendo seu valor h i t a d o pela resistgncia 8. onde tambem adotaremos a covenq5o de lo que pode ser calculado pala divisio de UO por R. . Quando a tensio e m&*ima Uo acorrente e nula pois achave esta aberta. e quando a mrrente Q maxima lo a tensio 8 nula, pois a cham e s t i fechada, portanto a mixima transferkcia do got&ncia ocorre no ponto medio da curva como ilus!ra a figu:a ao lado.

A energia armazenzda nos capacitores f = C V L ) e liberada quando o ccniato fecha, sobrepondo-se na alirnentario do campo, gerando uma faisca que p ~ ! ? causal a igniGo. J i o sfeito indulivo aparece quandn ahrs-sn n rcnta?n y% 9 energia gerada e proporciooal a variaq5.3 da corrente ( E = L I 1~

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3.2.5 - Elenientos Armazenadores ControladosComo mostram as equa@es anteriores e muito complicado ocalculo das er.ergii?s armazenadas en;rol\ndas pois dependem dos efeitos transitorios, principalrnente se consideramos 0s efeitos em conjunto das capaci5ncias e icdutincias. Corn urna forma pratica as normas tecnicas apresentam a ideia de limitarmos 0s elementos armazenadores d e energia do circuito de campo e do cabo. Para tanto exitem cuwas de capacitincia em fun@o da tens50 e indu!5ncia er" funqio da corrente do circuito (rnedidas em condiqces de defeitos 1; de forma que se respeitadcs es!es ralores o circuito pode conter capacitores e indil:jres tlias a energia total emolvida permaneca abaixo do FMIE

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!F,,~um 3 - C u r i a de Tmnslfrilr.ca ce PoSnca 3I

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Aposfisa de Sequranca lntrinseca

Apostila ce Seyuranca [r.t:insecaI ,

3.2.6 - A Prava dc FalhasComo 0s circuitos de seguranqa intrinseca s60 projetados especialmcnte para operar ern areas de risco, %s normas tecaicas ceterminarn o e s u t i o de falhzs. cue podeni ser causados por erros humanos.

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-i !+ova

dc Ccfeitns

A s ncrmas tecnicas tambPm determinam o estxlo de defeitos tios curiipc,:ie;na do circuito. no intuito de se assegurar a integridade e a ccnfiabiliadatie zo: equipamentos Ferante 0s defeitos. A flgura abaixo ilus:ra uma situa+ hipztetica cnd2 ocorre urn defei!n n? is@?+ do transformador,que passa afornecer unla Iensio mais elevada para u I i l i ~ i k c i de energia (deleito).

No exemplo acima o limitador de fnergia que psssu: entrada preblsta para24Vcc.8 acidentalmente conectaoo ao 220Vca. provocando a igniqio da atmostera potencialmente explosiva. Visando eliminar esfa possibilidade irrcluimos no circuito urn fdsivel, c o n h m a ilustra a figura abaiu.9. cpe tern como funG5o proteger o diodo zener. 0 fusivel se rompe abrindo o circuito. antes que a sobrecorrante danifique o diodo zener, eliminando d e s k forma a possibilidade da tensso ern corrente alternada atingir o contato de campo.

!ingura3.14-clrmib Apmvade %fsims

0 diodo zener 8 urn limitador de tensgo por urn problema de fabricatso (defeito I ) , coriio por anenipiu I I dopagein do riiaierial seiiiut?Jd:c;, 5 i iciily: ,~,I,?L ~ mente a n k s do tempo previsto para aberfura do fusivel (defeito 2). Analisando o circuito verificamos que exisie aioda urn outro diodG; q s G X i X % 2 segurariqa do elemeiito inslalado na aisa clzssificada.I

3.2.8- Categorias de Proteqzo0 s equipamentos intrinsecamente s e y r a s sic classifiadss em duas LLkgsrics.3.2.8.1

- Categoria "ia"

Figun. 3; .:

-Ci:miz COT:Prc.'i+

6s F a ~ i ;

Esta categoria e mais rigorosa e prekr&que o equipamento possa sofrer at6 dois delejtos consecutivos e simultineos mantendo ccrn urn fator de seguranca de 1.5, aplicado sobre as tens6es e correntes, visando a incapacidade de provocar a igni72o. Motivo pelo qua1 se assegura a utiliza$m des1es equipamentos ate nas zonas de riscu prolongado ( Zona 0 ) ,

3.2.8.2 - Categoria "ib"Cogicamente pretende-se elirninar a maioria das fahas hurnanas, mas n5o significa que o profissional que ira manusear 0s equipamentos seja urn leigo cornpleIo capaz de conectar o elernenfo de campo diretamente a rede de mrrente alternada.

A cztegorta ib 8 mencs rigorosa, pcssibilitand3 a instalqgo dos eqd$?mefitos apenas nas Zonas 1 e 2 devendo assim assegurar a incapacidade de provocar adetonaG5o da atmosfera quando houver urn defeito no circuito. mantendo tarnbem o fator de seguranqa como 1.5. A aplicaq5o dos fatores de seguranqa sio objeto de estudo aprofundacio para os projetistas dos circuitos intrinsecamente seguros, n5.o sendo urn fator importante para GS usuarios dos instrurnentos, que devem vreocupar-se apenas em utiiiai 0s equiparnentos nas zonas adequadas. Smse-

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25

3.2.9- AterramentoL'isando ainda eliminar a possibilidade de igniqzo. o circuito deve estar apIo a Jssviar as sobretsnsks perigosas capazes de prowcar umacentelha eletrica na h a classificada, conforme ilustra a figura abaixo:

Apostila de Seguranca htrinsecaIll.* >!,i,-

1.

AI&m do problema de rnantermos o aterramento integro ( 4 R ) , as norma: tecnicas recomendam que o loop intrinsecamente seguro possua apenas d m ponto de conexso ao terra, alem de determinar que a isolaq5o do elemento de camp0 seja superior a 500V.

Urn sktema de aIerramento Dom alta integridade deve serutilizado para a consfio 30 circuito limitador de energia, wrno ljnico recurso cap= de desviar a corrente 2erada por urna sobretens20 em relaqio ao polencial de terra.

Figura 3.17- Exerngb do S,stem de Tema F r o k g e n h a Ihsh'a@5 S1

Fora i s t r a no:n;alizaqZo reguiamenta a equipdencialidade dos terra, ou s?ja a necessjdade de se igualar airnpedinsiadosistema de atenamento, que nao dev'e ser superior a 1Q , medido de dois pontos quaisquer da instalaqso.

As normas tecnicas rscomendarn que o sistema de aterramento integro deve ? o s s u i r e i n c i a menor qu%.lQ2 garantir a eficdcia do circuito. para

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0 limitador deenergia da figura acima tambem e conhecidocomo Barreira Zener, y e pode variar ligeiramente dspendendo de fabricante para fabricante e tambem devido ao tipo de sinal, mas fundamentalmente tern a mesma funqio.

Este requisito e solicitado pois afalta de equipotencialidade e muito perigosa, para exemplificar esta afirmaqio vamos supor o circuito da figura 3.18 onde temos urn conversor eletropneumatico ligado a saida de urn controlador, atraves de uma barreira Zener. Vamos calcular qua1 e a sobretensso causada no elernento de campo devido a diferenqa de impedsncia entre o terra da barreira e o terra do campo. Para tanto vamos supor que ocorra. urn defeito na conexso do equipamento de campo que acidentalmente seja conectado ao terra dos equiparnentos eletr6nicos ( tais como: controladores. fcntes de alirnentaqao, conversores, etc ): que geram ruidos elevados, M m o s supor 10A.

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Apostila de SeguranGa lnttinseca3.2.10.1

Apostila de SequranGa lntrinseca

- Calculo da Sobrctensio

3.2.11 - lsolagjo Galvsnicai Conlorme ilustra a Iigura abaixo, a barreira zenfr s6 e eficzz se o sisterra cs aterramento for integro, mas sabemos que na pratica e muito dificil de se cmstiuii ? manter urn aterramento cam impedincia menor qve 10.Od*.,$ I

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Figra 3 . i B -C,rcu.lu c3m &ssequ;lilj:io

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Figu:a 3.21 Falhade Alenarnenm n a h r r e i m Zener

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A figura ao lado mostra o circuito eletrkicorealmente afetado pelo ruido eletiico gerado pelos instrumenios eletrbnicosComa a resis:Qncia interna do conversor eletropneumatico 6 muito maiar que as resistgncias doterrae do cabo. vamos despresar a corrente desviada atraves de sua bobina.

Visando eliminar este problem desenLrolveu-sea tecnica da isolaqio galvinim que possibifita dispensar-se a conexso do limitador de energia ao sistema de .aierramento seguro. A figura abaixo ilustra um circuito b5sico de isolador gals5nico. onde temos a rede de corrente alternada conectada a um transformador redutor de tensso e a seguir uma fonte de correnfe wntinua.. l: ,

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