¿Qué es la seguridad intrínseca? Definición, límites y diseño de áreas peligrosas

Un técnico coloca un detector de fugas en un enfriador cargado con propano R290. La herramienta funciona con una batería de 9 V, se encuentra a unos 20 metrosm de una articulación que acaba de empezar a llorar y nadie mira dos veces los componentes electrónicos de su interior. La seguridad intrínseca existe porque esa segunda mirada es lo que previene una explosión. El término describe una técnica de protección que mantiene la energía eléctrica y térmica dentro de un circuito por debajo del nivel que puede encender la atmósfera inflamable circundante, en funcionamiento normal y bajo un número definido de condiciones de falla.

La definición suena modesta, pero remodela todo lo que sucede en el futuro. Debido a que la protección proviene de limitar la energía en lugar de contener una explosión, cubre todo el circuito, incluidos los cables que van de regreso al gabinete de control. También significa que el diseño se puede calcular y certificar antes de que algo llegue al sitio.

La definición formal y los tres límites

La redacción formal proviene de IEC 60079-11, el estándar detrás del marcado Ex i, y se repite en la Directiva europea ATEX 2014/34/UE y en el esquema IECEx. Un dispositivo se considera intrínsecamente seguro cuando la energía que puede liberar es limitada de modo que la ignición no puede ocurrir durante el funcionamiento normal o bajo condiciones de falla definidas.

Se controlan tres cantidades juntas y cualquiera de ellas puede provocar un incendio:

• Voltaje, porque una chispa necesita suficiente potencial para romper la brecha entre los conductores.
• Corriente, porque la energía en una chispa de ruptura aumenta con la corriente y con la inductancia del circuito.
• Potencia y temperatura de la superficie, porque una superficie caliente puede encender un gas sin producir chispa alguna.

Los límites no los elige el diseñador. Cada dispositivo de campo certificado se publica con parámetros de entidad: voltaje de entrada máximo Ui, corriente de entrada Ii, potencia de entrada Pi y capacitancia e inductancia interna Ci y Li. La barrera o aislador en el otro extremo del cable publica valores de salida coincidentes Uo, Io y Po, mientras que el cable agrega capacitancia e inductancia por cada metro de su longitud. Un bucle es compatible sólo cuando cada par se alinea con margen de sobra.

Las reglas son deliberadamente conservadoras. Las curvas de encendido por chispa se aplican con un factor de seguridad, comúnmente 1,5, por lo que el límite certificado ya se encuentra por debajo de la energía que encendió el gas en las pruebas de laboratorio. Para los gases del grupo IIC, como el hidrógeno y el acetileno, un circuito típico se mantiene por debajo de los 30 V, cerca de 100 metrosA y una fracción de vatio, mientras que un diseño comparable para el metano puede transportar notablemente más. El T6 limita la temperatura de la superficie a 85 grados Celsius y el T4 a 135 grados Celsius, muy por debajo de la temperatura de autoignición de los gases que cubren.

Qué contiene realmente un circuito intrínsecamente seguro

Tres partes componen una instalación funcional y las tres deben coincidir en el papel antes de solicitar cualquiera de ellas.

El dispositivo de campo en el área clasificada.

Es el instrumento, interruptor, bobina o sensor expuesto a la atmósfera, y su marcado muestra la tolerancia a fallos que lleva. Ex ia permanece seguro con dos fallos y está permitido en la zona 0, donde hay una atmósfera inflamable de forma continua o durante largos períodos. Ex ib cubre la Zona 1 con una falla, y Ex ic cubre la Zona 2, donde la atmósfera es poco probable y de corta duración.

La barrera o aislador en la zona segura

El aparato asociado limita la energía que llega al campo. Una barrera zener utiliza diodos en derivación, un fusible y una resistencia, y necesita una tierra de seguridad dedicada medida por debajo de 1 ohmio. Un aislador galvánico funciona a través de transformadores o acoplamiento óptico y no necesita tierra de seguridad, por lo que a menudo se elige cuando la conexión a tierra es difícil de probar y mantener.

Aparatos simples y contactos pasivos.

No todos los componentes necesitan un certificado propio. IEC 60079-11 permite aparatos simples, definidos como un dispositivo que no genera ni almacena más de 1,2 V, 0,1 A, 20 microjulios o 25 mW. Los interruptores pasivos, termopares, cajas de terminales y contactos de interruptores de presión simples califican siempre que el circuito circundante ya tenga energía limitada. Aquí es donde un controlador de presión de refrigeración gana su lugar en un diseño: sus contactos comparten una carcasa con una conexión de proceso que puede ubicarse en un área clasificada, y debido a que esos contactos solo transportan una corriente de bucle limitada, la carcasa no tiene que convertirse en una caja a prueba de llamas.

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El cable entre ellos

El cable es un componente, no un accesorio. El cableado intrínsecamente seguro normalmente tiene un revestimiento azul y está separado de los circuitos que no son IS por 50 mm o por una partición metálica conectada a tierra, y su capacitancia e inductancia por metro se ingresan en el cálculo del bucle.

Seguridad intrínseca en comparación con otros métodos de protección

La protección de áreas peligrosas es una familia de técnicas más que una única respuesta. La siguiente tabla coloca la seguridad intrínseca junto a los métodos con los que se compara con mayor frecuencia.

Donde aparece la seguridad intrínseca en la refrigeración y el aire acondicionado

Los refrigerantes inflamables trasladaron al sujeto de la planta química a la sala de refrigeración. R290 y R600a se encuentran en el grupo A3, mientras que R32 y R454B se ubican en A2L, lo que significa que el espacio alrededor de un electrodoméstico se puede clasificar donde una fuga es creíble. Una vez que existe una zona, las partes eléctricas conectadas a ese circuito deben protegerse en consecuencia.

Componentes eléctricos dentro de una envoltura de refrigerante inflamable.

Una bobina de solenoide que se abre bajo carga produce exactamente la chispa de rotura inductiva para la que se escribieron los parámetros de la entidad para la inductancia, y un interruptor de presión que se abre en caso de falla hace lo mismo. Por lo tanto, las bobinas, interruptores y sensores se eligen teniendo en cuenta la zona y la clasificación de la bobina se verifica por separado del cuerpo de la válvula. Una válvula solenoide de refrigeración como la serie EVR es un ejemplo familiar de un cuerpo seleccionado por su presión, compatibilidad con el refrigerante y sellado, uno que se vuelve adecuado para un área clasificada solo cuando se combina con una bobina y un circuito con la clasificación correcta.

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El sitio mantiene una breve nota técnica sobre cómo Electroválvulas tipo EVR en circuitos frigoríficos comportarse en el servicio, lo cual es un punto de partida útil para esa verificación.

Energía térmica y trabajo caliente cerca de un circuito abierto.

La seguridad intrínseca cubre tanto la energía térmica como la eléctrica, y el trabajo de servicios es donde esa distinción afecta. Soldar una junta en un circuito que acaba de abrirse implica una llama, un tubo caliente y refrigerante que aún pueden estar presentes en la línea. Los controles prácticos son una purga de nitrógeno, una verificación de gas antes de encender el soplete y un soplete cuya llama se puede mantener en el tamaño que la junta realmente necesita en lugar de en la configuración más grande disponible.

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¿De cuánta energía estamos hablando realmente?

Energía de ignición de sustancias inflamables comunes.

La Figura 1 muestra la energía de ignición de cinco sustancias que aparecen en plantas de procesamiento y refrigeración. El hidrógeno necesita sólo unos 0,017 mJ, aproximadamente una decimosexta parte de la energía que requiere el metano. Es por eso que el mismo transmisor puede transportar un cómodo margen de corriente en una planta de gas natural y aún así no pasar la verificación de entidad en un patín de hidrógeno, porque el grupo de gas cambia la curva contra la cual se ejecuta el cálculo. Las cifras también explican por qué el estándar funciona en milivatios, ya que un cuerpo humano bien cargado puede liberar mucho más de 0,017 mJ. Por lo tanto, el diseño práctico apunta al funcionamiento en milivatios, y esa es la aritmética detrás del factor de seguridad de 1,5.

Energía almacenada en el cable de conexión.

La Figura 2 convierte la capacitancia del cable en energía almacenada con la conocida relación de medio CV al cuadrado a un voltaje de bucle de 24 V. El cable de instrumento a aproximadamente 60 pF por metro alcanza aproximadamente 8,6 microjulios en 500 m, mientras que el cable de uso general a 200 pF por metro pasa 28,8 microjulios en la misma distancia. La línea discontinua marca la energía de ignición del hidrógeno de 0,017 mJ, que el cable de uso general cruza a unos 300 m y el cable de instrumentos nunca llega dentro del rango trazado. Este cruce es el motivo por el que el tipo de cable, la longitud del cable y el voltaje del bucle pertenecen al plano de control en lugar de dejarse en manos del instalador. También explica por qué cambiar un cable en el sitio por un equivalente de mayor capacitancia es un cambio de diseño en lugar de una decisión de mantenimiento.

Dos comparaciones que deciden un diseño

¿Qué cantidad de clasificación de barrera consume un bucle?

La Figura 3 toma una disposición común, un transmisor de 24 V que extrae 20 mA de una barrera nominal de 28 V, 93 mA y 0,65 W, y muestra cuánto de cada límite consume el bucle. El voltaje es la restricción más estricta con alrededor del 86 por ciento, la energía le sigue con aproximadamente el 74 por ciento y la corriente apenas se toca con alrededor del 22 por ciento. Ese desequilibrio es normal, porque los bucles de áreas peligrosas casi siempre tienen un voltaje limitado, mientras que el margen de corriente parece generoso. Importa cuando alguien quiere agregar un segundo dispositivo a la misma barrera o alargar el recorrido, ya que el presupuesto de voltaje desaparece mucho antes que el presupuesto actual. Verificar los tres pares, en lugar del que parezca cómodo, es lo que mantiene un bucle certificado.

Métodos de protección según cinco criterios prácticos

La Figura 4 puntúa la seguridad intrínseca, la protección a prueba de llamas y la protección no incendiaria de uno a cinco en los criterios que normalmente deciden un proyecto: idoneidad para la Zona 0, tolerancia del mantenimiento activo, costo de instalación, simplicidad del cableado y peso del hardware. La seguridad intrínseca llena la forma hacia la Zona 0 y el mantenimiento en vivo, por lo que es el valor predeterminado para los instrumentos que deben calibrarse mientras la planta está en funcionamiento. La protección a prueba de llamas se extiende hacia la simplicidad del cableado, porque el gabinete hace el trabajo y no es necesario realizar cálculos de bucle, pero obtiene una puntuación baja en mantenimiento activo y peso del hardware. La protección no inflamable alcanza el límite exterior en cuanto a coste y cableado porque sólo está destinada a la Zona 2, donde una atmósfera inflamable es poco probable y de corta duración. Al leer las tres formas juntas se obtiene la regla práctica: primero haga coincidir el método con la zona, luego deje que el costo y el mantenimiento elijan entre los métodos que califican.

La verificación es lo que separa una instalación conforme de otra que simplemente parece convincente. Antes de que un bucle entre en servicio, verifique el número de certificado y la marca en el dispositivo, confirme que Uo esté en Ui o por debajo, que Io esté en Ii o por debajo y que Po esté en Pi o por debajo, luego agregue la capacitancia e inductancia del cable contra Co y Lo. Lea también las condiciones especiales impresas después del número de certificado, ya que a menudo llevan una X y una restricción sobre cómo se puede utilizar el dispositivo. Finalmente, confirme la clase de temperatura con respecto al gas o vapor realmente presente, porque un dispositivo clasificado para T4 no es automáticamente aceptable cuando se ha establecido un límite de T6.

La selección de componentes suele decidir qué tan fácil resulta ese ejercicio. Un presostato con parámetros de entidad publicados, una bobina de solenoide nominal para la zona y un cable cuya capacitancia está indicada en la hoja de datos convierten un cálculo difícil en una breve lista de verificación. Cuando un proyecto mezcla circuitos de refrigerante inflamables con áreas clasificadas, vale la pena revisar la lista de componentes con el cálculo del circuito temprano, antes de corregir los dibujos.

Si está especificando piezas para un sistema como este, habla con nuestro equipo de ingeniería sobre el refrigerante, la zona y el voltaje de control antes de realizar el pedido.