INSTRUMENTISTA MONTADORREAS CLASSIFICADAS

INSTRUMENTISTA MONTADORREAS CLASSIFICADAS

2

PETROBRAS Petrleo Brasileiro S.A. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610, de 19.2.1998. proibida a reproduo total ou parcial, por quaisquer meios, bem como a produo de apostilas, sem autorizao prvia, por escrito, da Petrleo Brasileiro S.A. PETROBRAS. Direitos exclusivos da PETROBRAS Petrleo Brasileiro S.A.

TEIXEIRA, Paulo Roberto Frade Universidade Tecnolgica Federal do Paran - UTFPR, 2006. 56 p.:il.

PETROBRAS Petrleo Brasileiro S.A. Av. Almirante Barroso, 81 17 andar Centro CEP: 20030-003 Rio de Janeiro RJ Brasil

3

NDICE1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 2 2.1 2.1.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.2.8.1 3.2.8.2 3.2.9 3.2.10 3.2.10.1 3.2.11 4 4.1 4.1.1 Classificao de reas.............................................................................................................. 6 Definies ................................................................................................................................. 6 Atmosfera explosiva.................................................................................................................. 6 rea classificada....................................................................................................................... 6 Exploso ................................................................................................................................... 6 Ignio ...................................................................................................................................... 6 Classificao segundo as normas europias (IEC).................................................................. 7 Classificao em zonas ............................................................................................................ 7 Classificao em grupos........................................................................................................... 8 Temperatura de ignio espontnea........................................................................................ 9 Temperatura de superfcie........................................................................................................ 9 Mtodo de proteo................................................................................................................ 11 Possibilidade de exploso ...................................................................................................... 11 Mtodos de preveno ........................................................................................................... 11 prova de exploso (Ex d)..................................................................................................... 12 Caractersticas ........................................................................................................................ 13 Aplicaes............................................................................................................................... 14 Pressurizados (Ex p)............................................................................................................... 14 Encapsulado (Ex m)................................................................................................................ 16 Imerso em leo (Ex o)............................................................................................................. 16 Enchimento de areia (Ex q) .................................................................................................... 17 Segurana intrnseca (Ex i) .................................................................................................... 17 Segurana aumentada (Ex e)................................................................................................. 17 No ascendvel (Ex n)............................................................................................................. 18 Proteo especial (Ex s)......................................................................................................... 19 Combinao das protees.................................................................................................... 19 Aplicao dos mtodos de proteo ...................................................................................... 19 Segurana intrnseca (ex i)..................................................................................................... 20 Origem .................................................................................................................................... 20 Energia de ignio .................................................................................................................. 21 Princpios ................................................................................................................................ 22 Energia eltrica ....................................................................................................................... 22 Limitadores de energia ........................................................................................................... 23 Limite de corrente ................................................................................................................... 24 Limite de tenso...................................................................................................................... 24 Clculo da potncia ................................................................................................................ 25 Armazenadores de energia..................................................................................................... 25 Elementos armazenadores controlados ................................................................................. 26 prova de falhas .................................................................................................................... 26 prova de defeitos ................................................................................................................. 27 Categorias proteo ............................................................................................................... 28 Categoria ia .......................................................................................................................... 28 Categoria b ......................................................................................................................... 28 Aterramento ............................................................................................................................ 28 Equipotencialidade dos terras................................................................................................. 29 Clculo da sobretenso .......................................................................................................... 30 Isolao galvnica .................................................................................................................. 31 Marcao ................................................................................................................................ 33 A Certificao da segurana intrnseca.................................................................................. 34 Equipamento simples.............................................................................................................. 34

4

4.1.2 4.1.3 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.4.1 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8

Equipamentos intrinsecamente seguros................................................................................. 34 Equipamentos intrinsecamente seguros associados ............................................................. 34 Parametrizao....................................................................................................................... 35 Intrinsecamente seguro .......................................................................................................... 35 Intrinsecamente seguro associado ......................................................................................... 35 Conceito de entidade .............................................................................................................. 36 Aplicao da entidade ............................................................................................................ 37 Anlise das marcaes........................................................................................................... 38 Temperatura de ignio espontnea...................................................................................... 38 Aplicaes tpicas ................................................................................................................... 39 Barreiras Zener ....................................................................................................................... 39 Contato seco ........................................................................................................................... 39 Sensor de proximidade ........................................................................................................... 40 Solenides e sinalizadores ..................................................................................................... 40 Transmissores de corrente ..................................................................................................... 41 Conversor eletropneumtico................................................................................................... 41 Termopares............................................................................................................................. 42 Termoresistncias................................................................................................................... 42 Isoladores galvnicos ............................................................................................................. 43 Repetidores digitais ................................................................................................................ 44 Monitor de velocidade............................................................................................................. 44 Drives digitais.......................................................................................................................... 45 Repetidores analgicos .......................................................................................................... 46 Smart transmitters................................................................................................................... 47 Drives analgicos.................................................................................................................... 47 Termoresistncias................................................................................................................... 48 Termopares............................................................................................................................. 49 Outras aplicaes ................................................................................................................... 50

5

CAPTULO I1 Classificao de reasA identificao das reas de risco das instalaes industriais normalmente executada por engenheiros de processos ou qumicos, altamente especializados na rea.

1.1 DefiniesA seguir esto alguns termos utilizados na identificao e classificao das reas de risco, potencialmente explosivas:

1.1.1 Atmosfera explosivaEm processos industriais, especialmente em petroqumicas e qumicas, onde se manipulam substncias inflamveis, podem ocorrer em determinadas reas a mistura de gases, vapores ou poeiras inflamveis com o ar quente, em propores adequadas, formam a atmosfera potencialmente explosiva.

1.1.2 rea classificadaPode-se entender como um local aberto ou fechado, onde existe a possibilidade de formao de uma atmosfera explosiva, podendo ser dividido em zonas de diferentes riscos, sem que haja nenhuma barreira fsica.

1.1.3 ExplosoDo ponto de vista da qumica, a oxidao, a combusto e a exploso so reaes exotrmicas de diferentes velocidades de reao, sendo iniciadas por uma detonao ou ignio.

1.1.4 Ignio a chama ocasionada por uma onda de choque, que tem sua origem em uma fasca ou arco eltrico ou por efeito trmico.

6

1.2 Classificao segundo as normas europias (IEC)A idia de classificao das reas de risco visa agrupar as diversas reas que possuem grau de risco semelhante, tornando possvel utilizar equipamentos eltricos projetados especialmente para cada rea. A classificao baseia-se no grau de periculosidade da substncia combustvel manipulada e na freqncia de formao da atmosfera potencialmente explosiva. Visando a padronizao dos procedimentos de classificao das reas de risco, cada Pas adota as recomendaes de Normas Tcnicas. No Brasil a ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas) utiliza a coletnea de Normas Tcnicas da IEC (International Electrotechnical Commission), que trata da classificao das reas no volume IEC-79-10.

1.2.1 Classificao em zonasA classificao em zonas baseia-se na freqncia e durao com que ocorre a atmosfera explosiva, conforme demonstrado na Tabela 1.1 e ilustrado na Figura 1.1.Tabela 1.1 Classificao IEC em Zonas

Classificao em Zonas ZONA 0 ZONA 1 ZONA 2 ZONA 10 ZONA 11

Descrio rea onde a atmosfera explosiva, formada por gases combustveis, ocorre permanentemente ou por longos perodos. rea onde a atmosfera explosiva, formada por gases combustveis, provavelmente ocorra em operao normal dos equipamentos. rea onde no provvel o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por gases combustveis, em condies normais de operao, e se ocorrer por curto perodo de tempo. rea onde a atmosfera explosiva, formada por poeiras combustveis, ocorre permanentemente ou por longos perodos. rea onde no provvel o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por poeiras combustveis, em condies normais de operao, e se ocorrer por curto perodo de tempo. rea onde a atmosfera explosiva, formada por substncias analgsicas ou antispticas em centros cirrgicos, ocorre permanentemente ou por longos perodos. rea onde no provvel o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por substncias analgsicas ou anti-spticas em centros cirrgicos, em condies normais de operao, e se ocorrer por curto perodo de tempo.

ZONA G

ZONA M

7

Figura 1.1 Exemplo de classificao por zonas

1.2.2 Classificao em gruposNa classificao em grupos os diversos materiais so agrupados pelo grau de periculosidade que proporcionam, conforme ilustra a Tabela 1.2 a seguir:Tabela 1.2 Classificao IEC em grupos

Grupos Grupo I Grupo II Grupo IIA Grupo IIB Grupo IIC

Descrio Ocorre em minas onde prevalecem os gases da famlia do metano (grisou) e poeira de carvo. Ocorre em indstrias de superfcie (qumicas, petroqumicas, farmacuticas, etc), subdividindo-se em IIA, IIB e IIC. Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da famlia do propano. Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da famlia do etileno. Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da famlia do hidrognio (incluindo-se o acetileno).

Os gases representativos so utilizados para ensaios de equipamentos em laboratrio, pois so mais perigosos que as outras substncias que representam. O Anexo I lista as substncias mais comuns encontradas na indstria, de acordo com o grupo que pertencem. NOTA 1: O grupo de a maior periculosidade o Grupo IIC, conseqentemente se um equipamento projetado para este grupo, tambm pode ser instalado no Grupo IIB e assim sucessivamente.

8

NOTA 2: Esta classificao segundo a normalizao da IEC, no cobre as poeiras e fibras combustveis, a norma apropriada est em elaborao.

1.3 Temperatura de ignio espontneaA temperatura de ignio espontnea de um gs a temperatura em que a mistura se auto detona, sem que seja necessrio adicionar energia. Este parmetro muito importante, pois limita a mxima temperatura de superfcie que pode ser desenvolvida por equipamentos que deve ser instalado em uma atmosfera potencialmente explosiva. O Anexo I, traz uma lista dos principais gases com suas respectivas temperaturas de ignio espontnea, classificados segundo as normas IEC.

1.3.1 Temperatura de superfcieTodo equipamento para instalao em reas classificadas, independente do tipo de proteo, deve ser projetado e certificado para uma determinada categoria da temperatura de superfcie, analisando-se sob condies normais ou no de operao, e deve ser menor que a temperatura de ignio espontnea do gs. A Tabela 1.3 ilustra as categorias de temperatura de superfcie: segundo as normas Europia e Americana.Tabela 1.3 Categorias de temperatura de superfcie

Temperatura de Superfcie85C 100C 120C 135C 160C 165C 180C 200C 215C 230C 260C 280C 300C 450C

Categoria IEC / EuropiaT6 T5

Categoria NEC / AmricaT6 T5 T4A T4 T3C T3B T3A T3 T2D T2C T2B T2A T2 T1

T4

T3

T2 T1

importante notar que no existe correlao entre a energia de ignio do gs (grau de periculosidade) e a temperatura de ignio espontnea, exemplo disto o Hidrognio que necessita

9

de 20 Joules ou 560C, enquanto o Acetaldedo requer mais de 180 Joules, mas detona-se espontaneamente com 140C. evidente que um equipamento classificado para uma determinada Categoria de Temperatura de Superfcie, pode ser usado na presena de qualquer gs (de qualquer Grupo ou Classe) desde que tenha a temperatura de ignio espontnea maior que a categoria do instrumento.

10

CAPTULO II2 Mtodo de proteo2.1 Possibilidade de explosoO risco da ignio de uma atmosfera existe se ocorrer simultaneamente: A presena de um material inflamvel, em condies de operao normal ou anormal; O material inflamvel encontra-se em um estado tal e em quantidade suficiente para formar uma atmosfera explosiva; Existe uma fonte de ignio com energia eltrica ou trmica suficiente para causar a ignio da atmosfera explosiva. Existe a possibilidade da atmosfera alcanar a fonte de ignio (Figura 2.1)

Figura 2.1 Tringulo de ignio

2.1.1 Mtodos de prevenoExistem vrios mtodos de preveno, que permitem a instalao de equipamentos eltricos geradores de fascas eltricas e temperaturas de superfcies capazes de trabalhar em reas de atmosfera potencialmente explosiva.

11

Esses mtodos de proteo baseiam-se em um dos princpios: Confinamento: este mtodo evita a detonao da atmosfera, confinando a exploso em um compartimento capaz de resistir a presso desenvolvida para as reas vizinhas. (exemplo: equipamentos prova de exploso); Segregao: a tcnica que visa separar fisicamente a atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ignio (ex: equipamentos pressurizados, imersos e encapsulados); Preveno: neste mtodo controla-se a fonte de ignio de forma a no possuir energia eltrica e trmica suficiente para detonar a atmosfera explosiva (exemplo: equipamentos intrinsecamente seguros).

2.2 prova de exploso (Ex d)Este mtodo de proteo baseia-se totalmente no conceito de confinamento. A fonte de ignio pode permanecer em contato com a atmosfera explosiva, conseqentemente pode ocorrer uma exploso interna ao equipamento. Um invlucro prova de exploso deve suportar a presso interna desenvolvida durante a exploso, impedindo a propagao das chamas, gases quentes ou temperaturas de superfcie. Desta forma o invlucro prova de exploso deve ser construdo com um material muito resistente, normalmente alumnio ou ferro fundido, e deve possuir um interstcio estreito e longo para que os gases quentes desenvolvidos durante uma possvel exploso, possam ser resfriados, garantindo a integridade da atmosfera ao redor, conforme ilustra a Figura 2.2.

Figura 2.2 Invlucro prova de exploso

Os cabos eltricos que entram e saem do invlucro devem ser conduzidos por eletrodutos metlicos, pois tambm so considerados como uma fonte de ignio. Para evitar a propagao de

12

uma exploso interna, atravs das entradas e sadas de cabo do invlucro, devem ser instalados Unidades Seladoras, que consistem de um tubo rosqueado para unio do eletroduto com o invlucro, sendo preenchida com uma massa especial que impede a propagao das chamas atravs dos cabos.

2.2.1 CaractersticasOs invlucros prova de exploso no so permitidos, em zonas de alto risco (Zona 0), pois a integridade do grau de proteo depende de uma correta instalao e manuteno. Abaixo indicamos alguns desses problemas: A segurana do invlucro prova de exploso depende da integridade mecnica, tornando necessria uma inspeo de controle peridica; No possvel ajustar ou substituir componentes com o equipamento energizado, dificultando os processos de manuteno; Normalmente tambm se encontram dificuldades de se remover a tampa frontal, pois necessita de ferramenta especial para retirar e colocar os vrios parafusos, sem contar o risco na integridade da junta (interstcio); A unidade atmosfrica e a condensao podem causar corroses nos invlucros e seus eletrodutos, obrigando em casos especiais a construo do invlucro e metais nobres como o ao inoxidvel, bronze, etc; tornando ainda mais caro, os invlucros, devido ao seu peso.

Figura 2.3 Invlucro a prova de exploso

13

Figura 2.4 Invlucro prova de exploso com eletroduto e unidade seladora

Figura 2.5 Luminria prova de exploso

Figura 2.6 Micro switch prova de exploso

Figura 2.7 Sirene eltrica prova de exploso

2.2.2 AplicaesEste tipo de proteo indispensvel nas instalaes eltricas em atmosferas explosivas, principalmente nos equipamentos de potncia, tais como: painis de controle de motores, luminrias, chaves de comando, etc, conforme ilustrado nas Figuras 2.4, 2.5, 2.6 e 2.7.

2.3 Pressurizados (Ex p)A tcnica de pressurizao baseada nos conceitos de segregao, onde o equipamento construdo de forma a no permitir que a atmosfera potencialmente explosiva penetre no equipamento que contm elementos faiscantes ou de superfcies quentes, que poderiam detonar a atmosfera.

14

A atmosfera explosiva impedida de penetrar no invlucro devido ao gs de proteo (ar ou gs inerte) que mantido com uma presso levemente maior que a da atmosfera externa. A sobrepresso interna pode ser mantida ou sem um fluxo contnuo, e no requer nenhuma caracterstica adicional de resistncia do invlucro, mas recomenda-se a utilizao de dispositivos de alarme que detectam alguma anormalidade da presso interna do invlucro e desenergizam os equipamentos imediatamente depois de detectada a falha. Esta tcnica pode ser aplicada a painis eltricos de modo geral e principalmente como uma soluo para salas de controle, que podem ser montadas prximas s reas de risco, conforme mostrado na Figura 2.8.

Figura 2.8- Painel eletrnico em ambiente pressurizado

O processo de diluio contnua deve ser empregado, quando a sala pressurizada possuir equipamentos que produzam a mistura explosiva, tais como: salas cirrgicas, analisadores de gases, etc. Desta forma o gs inerte deve ser mantido em quantidade tal que a concentrao da mistura nunca alcance 25% do limite inferior de explosividade do gs gerado. O sistema de alarme neste caso deve ser baseado na quantidade relativa do gs de proteo na atmosfera, atuando tambm na desenergizao da alimentao.

15

2.4 Encapsulado (Ex m)Este tipo de proteo, tambm baseado no princpio da segregao, prevendo que os componentes eltricos dos equipamentos sejam envolvidos por uma resina, de tal forma que a atmosfera explosiva externa no seja inflamada durante a operao. Normalmente esse tipo de proteo complementar em outros mtodos, e visa evitar o curto circuito acidental. Esse mtodo pode ser aplicado a um rel, botoeiras com cpula do contato encapsulado, sensores de proximidade e obrigatoriamente nas barreiras zener. A Figura 2.9 ilustra um circuito eletrnico encapsulado:

Figura 2.9 Circuito eletrnico encapsulado

2.5 Imerso em leo (Ex o)Tambm neste tipo de proteo, o princpio baseia-se na segregao, evitando que a atmosfera potencialmente explosiva atinja as partes do equipamento eltrico que possam provocar a detonao. A segregao obtida emergindo as partes vivas (que podem provocar fascas ou as superfcies quentes) em um invlucro com leo. Normalmente utilizado em grandes transformadores, disjuntores e similares com peas mveis, aconselhados para equipamentos que no requerem manuteno freqente. A Figura 2.10 mostra um transformador imerso em leo isolante.

Figura 2.10 Transformador imerso em leo

16

2.6 Enchimento de areia (Ex q)Similar ao anterior sendo que a segregao obtida com o preenchimento do invlucro com p, normalmente o p de quartzo ou areia, evitando desta forma inflamar a atmosfera ao redor, quer pela transmisso da chama, quer pela temperatura excessiva das paredes do invlucro ou da superfcie. Encontrado como forma de proteo para leito de cabos no piso, conforme a Figura 2.11.

Figura 2.11 Leito de cabos imerso em areia

2.7 Segurana intrnseca (Ex i)A Segurana Intrnseca o mtodo representativo do conceito de preveno da ignio, atravs da limitao da energia eltrica. O princpio de funcionamento baseia-se em manipular e estocar baixa energia eltrica, que deve ser incapaz de provocar a detonao da atmosfera explosiva, quer por efeito trmico ou por fascas eltricas. Em geral pode ser aplicado a vrios equipamentos e sistemas de instrumentao, pois a energia eltrica s pode ser controlada a baixos nveis em instrumentos, tais como: transmissores eletrnicos de corrente, conversores eletropneumtico, chaves fim-de-curso, sinaleiros luminosos, etc. Este mtodo ser amplamente abordado no prximo captulo.

2.8 Segurana aumentada (Ex e)Este mtodo de proteo baseado nos conceitos de supresso da fonte de ignio, aplicvel a equipamentos que em condies normais de operao, no produza arcos, fascas ou superfcies quentes que podem causar a ignio da atmosfera explosiva para a qual ele foi projetado. So tomadas ainda medidas adicionais visando a proteo sob condies de sobrecargas previsveis. Esta tcnica pode ser aplicada a motores de induo, luminrias, solenides, botes de comando, terminais e blocos de conexo e principalmente em conjunto com outros tipos de proteo.

17

As normas tcnicas prevem grande flexibilidade para os equipamentos de Segurana Aumentada, pois permitem sua instalao em Zonas 1 e 2, onde todos os cabos podem ser conectados aos equipamentos atravs de prensa-cabos, no necessitando mais dos eletrodutos metlicos e suas unidades seladoras, conforme ilustrado nas Figuras 2.12 e 2.13:

Figura 2. 13 Solenide de segurana aumentada Figura 2. 12 Motor de segurana aumentada

2.9 No ascendvel (Ex n)Tambm baseado nos conceitos de supresso da fonte de ignio, os equipamentos no ascendveis so similares aos de Segurana Aumentada. Este mtodo os equipamentos no possui energia suficiente para provocar a detonao da atmosfera explosiva, como os de Segurana Intrnseca, mas no prevem nenhuma condio de falha ou defeito. Sua utilizao est restrita Zona 2, onde existe pouca probabilidade de formao da atmosfera potencialmente explosiva, o que pode parecer um fator limitante, mas se observar que as maiores parte dos equipamentos eltricos esto localizados nesta zona, pode-se tornar muito interessante. Um exemplo importante dos equipamentos no ascendvel so os multiplex, instalados na Zona 2, que manipulam sinais das Zonas 1 e os transmite para a sala de controle, com uma combinao perfeita para a Segurana Intrnseca, tornando a soluo mais simples e econmica, conforme a Figura 2.14.

Figura 2.14 Multiplex no incedvel

18

2.10 Proteo especial (Ex s)Este mtodo de proteo, de origem Alem, no est coberto por nenhuma norma tcnica e foi desenvolvido para permitir a certificao de equipamentos que no sigam nenhum mtodo de proteo, e possam ser considerados seguros para a instalao em reas classificadas, por meios de testes e anlises do projeto, visando no limitar a inventividade humana.

2.11 Combinao das proteesO uso de mais de um tipo de proteo aplicado a um mesmo equipamento uma prtica comum. Como exemplos existem os motores prova de exploso, com caixa de terminais Segurana Aumentada; os botes de comando com cpula dos contatos separados por invlucro Encapsulado; os circuitos Intrinsecamente Seguros onde a barreira limitadora de energia montada em um painel pressurizado ou em um invlucro prova de exploso.

2.12 Aplicao dos mtodos de proteoA aplicao dos mtodos de proteo est prevista nas normas tcnicas, e regulamenta as reas de risco onde os diversos mtodos de proteo podem ser utilizados, pois o fator de risco de cada rea foi levado em conta na elaborao das respectivas normas, conforme a Tabela 2.1.Tabela 2.1 Aplicao dos mtodos de proteo

Mtodo de Proteo Prova de Exploso Pressurizado Encapsulado Imerso em leo Imerso em Areia Intrinsecamente Seguro Segurana Aumentada No Ascendvel Especial

Cdigo Ex d Ex p Ex m Ex o Ex q Ex ia Ex ib Ex e Ex n Ex s

Zonas 1e2 1e2 1e2 1e2 1e2 0, 1 e 2 1e2 1e2 2 1e2

Princpios Confinamento

Segregao

Supresso

Especial

Nota: Os equipamentos projetados para a zona 0 podem ser instalados nas zonas 1 e 2, bem como os da zona 1 podem tambm ser instalado na zona 2.

19

CAPTULO III3 Segurana intrnseca (ex i)3.1 OrigemA origem da segurana intrnseca data do inicio do sculo na Inglaterra, quando uma exploso em uma mina de carvo mineral provocou a perda de muitas vidas. Uma comisso foi formada para investigar as causas do acidente, comeou-se ento a analisar a possibilidade da ignio ter sido provocada por uma fasca eltrica, no circuito de baixa tenso que era utilizado na poca. Os mineiros acionavam uma campainha avisando os trabalhadores da superfcie, que os vages estavam carregados com o minrio conforme a Figura 3.1. A campainha era acionada por uma ferramenta metlica, que fechava o circuito atravs de um par de fios distribudos pelas galerias. Como a fonte de energia era composta por uma bateria de seis clulas Leclanch, com baixa tenso e corrente, o circuito era considerado seguro.

Figura 3.1 - Sistema de sinalizao em minas

Uma pesquisa posterior provou que o fator mais importante, a fim de considerar um circuito seguro a energia que ele armazena. No caso da mina, a energia estava armazenada no indutor da campainha e nos longos fios de interligao. A circulao da corrente no ponto de chaveamento, se no for devidamente limitada, pode gerar nveis de energia capazes de provocar um arco eltrico, com potncia suficiente para detonar uma mistura explosiva. O conceito de Segurana Intrnseca havia nascido. Desde ento os equipamentos eltricos e seus circuitos tinham de ser projetados de forma a no produzir arcos capazes de detonar as substncias potencialmente explosivas.

20

Estava criado o primeiro rgo de teste e certificao de sistemas de sinalizao para minas. Os estudos subseqentes e a aplicao de componentes eletrnicos permitiram a utilizao dos conceitos para as indstrias de superfcies.

3.1.1 Energia de ignioToda mistura explosiva possui uma energia mnima de ignio (MIE -Minimum Ignition Energy) que abaixo deste valor impossvel se provocar a detonao da atmosfera potencialmente explosiva. A Figura 3.2 compara a curva do Hidrognio com o Propano, ilustrando a energia da fonte de ignio, que efetivamente provoca a detonao; em funo da concentrao da mistura, ou seja: da quantidade de combustvel em relao quantidade de ar.

Figura 3.2 Relao da energia de ignio em funo da concentrao

O ponto que requer menor energia para provocar a detonao chamado de M I E (Minimum Ignition Energie), sendo tambm o ponto onde a exploso desenvolve maior presso, ou seja a exploso maior. Fora do ponto de menor energia MIE, a mistura necessita de maiores quantidades de energia para provocar a ignio, ou seja: a energia de ignio funo da concentrao da mistura. As concentraes abaixo do limite mnimo de explosividade LEL (Lower Explosive Limit) no ocorrem mais exploso, pois a mistura est muito pobre, ou seja, muito oxignio para pouco combustvel.

21

Analogamente quando a concentrao aumenta muito, acima do limite mximo de explosividade UEL (Upper Explosive Limit), tambm no ocorre mais a exploso devido ao excesso de combustvel, mistura muito rica. Os circuitos de Segurana Intrnseca sempre manipulam e armazenam energias, abaixo do limite mnimo de explosividade dos gases representativos de cada famlia, considerando assim as concentraes mais perigosas. Desta forma mesmo em condies anormais de funcionamento dos equipamentos o circuito de Segurana Intrnseco no provoca a ignio, pois no possui energia suficiente para isto, tornando a instalao segura permitindo montagens at mesmo na Zona O.

3.1.2 PrincpiosO princpio bsico da segurana intrnseca manipular e armazenar baixa energia, de forma que o circuito instalado na rea classificada nunca possua energia suficiente (manipulada e armazenada) capaz de provocar a ignio da atmosfera potencialmente explosiva, conforme a Figura 3.3.

Figura 3.3 Manipulao e armazenagem de energia controlada

3.1.3 Energia eltricaDentro deste princpio, a energia total que o circuito intrinsecamente seguro pode conter deve ser menor que a mnima energia I (mA) de ignio MIE.

22

Transportando a energia em potncia eltrica, obtemos uma curva que ilustra as mximas tenses versus as mximas correntes de um circuito, conforme a Figura 3.4. Existem trs curvas, uma para cada grupo, pois quanto maior a periculosidade da mistura menor ser a energia necessria para a ignio e menor a potncia que pode ser seguramente manipulada, desta forma nota que um equipamento projetado para o grupo IIC pode ser utilizado no IIB. Analisando a curva podemos notar que a segurana intrnseca pode ser aplicada com sucesso a equipamentos que consomem pouca energia, tornando-se uma opo para a instrumentao.

Figura 3.4 Curva de mximas tenses e mximas correntes em um circuito

3.2 Limitadores de energiaPara uma instalao ser executada com a proteo da Segurana Intrnseca temos que interfacear o elemento de campo com o instrumento de controle / sinalizao, atravs de um limitador de energia. Para tornar claro esta idia, imagine a montagem da prxima figura, onde tem um contato mecnico proveniente de uma chave liga-desliga que deve acionar um rel auxiliar, montado no painel de controle fora da rea classificada.

23

fcil prever que com a abertura ou fechamento do contato ir ocorrer uma centelha eltrica com energia suficiente para inflamar a atmosfera, conforme a Figura 3.5.

Figura 3.5 Circuito sem limite de energia

3.2.1 Limite de correnteNo circuito da Figura 3.6 a seguir acrescentamos um resistor que tem como funo limitar a corrente eltrica, o que ainda no suficiente para eliminar a centelha apesar de reduzir sua energia.

Figura 3.6 Circuito com limite de corrente eltrica

3.2.2 Limite de tensoVisando limitar a potncia, chegamos ao circuito da Figura 3.7, que possui um resistor limitando a corrente, e um diodo zener para limitar a tenso no contato de campo. Desta forma conseguimos eliminar a possibilidade de ignio pela manipulao da energia eltrica em reas classificadas, logicamente escolhendo os valores do resistor e do diodo zener que mantenham a corrente e a tenso no contato de campo, abaixo dos limites estabelecidos na curva da Figura 3.4, com os devidos fatores de segurana, que sero discutidos posteriormente.

Figura 3.7 Circuito com limite de corrente e tenso

24

3.2.3 Clculo da potnciaAnalisando-se o circuito podemos observar que com a chave aberta a mxima tenso que chega ao circuito de campo a tenso de corte do diodo zener que passaremos a chamar de Uo. A corrente mxima ocorre quando a chave est fechada, sendo seu valor limitado pela resistncia R, onde tambm adotaremos a conveno de Io que pode ser calculado pela diviso de Uo por R Quando a tenso mxima Uo a corrente nula, pois a chave est aberta, e quando a corrente mxima Io a tenso nula, pois a chave est fechada, portanto a mxima transferncia de potncia ocorre no ponto mdio da curva como ilustra a Figura 3.8. 1 Uo Po Maior transferncia de potncia

P=UxI Po = Uo x Io 2 2 Po = Uo x Io 4

Uo/2

Io/2Figura 3.8 Curva de transferncia de potncia

Io

1.1

3.2.4 Armazenadores de energiaCom o circuito anterior evitamos a detonao pelo controle da energia manipulada, mas no consideramos que em vez de um simples contato poderia ter um circuito eletrnico, como de um transmissor de corrente, invalidando o estudo que no previa o armazenamento da energia. Este armazenamento de energia ocorre principalmente nos circuitos eletrnicos e no cabo de interligao que em longos comprimentos passa a ter capacitncia e indutncia distribuda considerveis, conforme a Figura 3.9.

Figura 3.9 Circuito armazenadores de energia

25

A energia armazenada nos capacitores (E = V2 (1 C)/2) liberada quando o contato fecha, sobrepondo-se na alimentao do campo, gerando uma fasca que pode causar a ignio. J o efeito indutivo aparece quando se abre o contato, pois a energia gerada proporcional a variao da corrente (E = I2 (1 L)/2).

3.2.5 Elementos armazenadores controladosComo mostram as equaes anteriores muito complicado o clculo das energias armazenadas envolvidas, pois dependem dos efeitos transitrios, principalmente se consideramos os efeitos em conjunto das capacitncias e indutncias. Com uma forma prtica as normas tcnicas apresentam a idia de limitarmos os elementos armazenadores de energia do circuito de campo e do cabo. Para tanto existem curvas de capacitncia em funo da tenso e indutncia em funo da corrente do circuito (medidas em condies de defeitos), de forma que se respeitados estes valores o circuito pode conter capacitores e indutores, mas a energia total envolvida permanece abaixo do MIE, conforme a Figura 3.10.

Figura 3.10 Circuito armazenadores de energia controlados

3.2.6 prova de falhasComo os circuitos de segurana intrnseca so projetados especialmente para operar em reas de risco, as normas tcnicas determinam o estudo de falhas, que podem ser causados por erros humanos.

Figura 3.11 - Circuito sujeito a falhas

26

No exemplo acima o limitador de energia que possui entrada prevista para 24Vcc, acidentalmente conectado ao 220Vca, provocando a ignio da atmosfera potencialmente explosiva. Visando eliminar esta possibilidade inclumos no circuito um fusvel, conforme ilustra a prxima figura, que tem como funo proteger o diodo zener. O fusvel se rompe abrindo o circuito, antes que a sobrecorrente danifique o diodo zener, eliminando desta forma a possibilidade da tenso em corrente alternada atingir o contato de campo, conforme a Figura 3.12.

Figura 3.12 - Circuito com proteo de falha

Logicamente pretende-se eliminar a maioria das falhas humanas, mas no significa que o profissional que ir manusear os equipamentos seja um leigo completo; capaz de conectar o elemento de campo diretamente a rede de corrente alternada.

3.2.7 prova de defeitosAs normas tcnicas tambm determinam o estudo de defeitos nos componentes do circuito, no intuito de se assegurar integridade e a confiabilidade dos equipamentos perante os defeitos. A figura abaixo ilustra uma situao hipottica onde ocorre um defeito na isolao do transformador, que passa a fornecer uma tenso mais elevada para o limitador de energia (defeito), conforme a Figura 3.13.

Figura 3.13 - Circuito com proteo de defeitos

O diodo zener um limitador de tenso por um problema de fabricao (defeito 1) como por exemplo na dopagem do material semicondutor, se rompe rapidamente antes do tempo previsto para abertura do fusvel (defeito 2). Analisando o circuito verificamos que existe ainda um outro diodo, que garante a segurana do elemento instalado na rea classificada.

27

3.2.8 Categorias proteoOs equipamentos intrinsecamente seguros so classificados em duas categorias:

3.2.8.1 Categoria iaEsta categoria mais rigorosa e prev que o equipamento possa sofrer at dois defeitos consecutivos e simultneos mantendo com um fator de segurana de 1.5, aplicado sobre as tenses e correntes, visando a incapacidade de provocar a ignio. Motivo pelo qual se assegura a utilizao destes equipamentos at nas zonas de risco prolongado (Zona 0).

3.2.8.2 Categoria bA categoria ib menos rigorosa, possibilitando a instalao dos equipamentos apenas nas Zonas 1 e 2 devemos assim assegurar a incapacidade de provocar a detonao da atmosfera quando houver um defeito no circuito, mantendo tambm o fator de segurana como 1,5. A aplicao dos fatores de segurana objeto de estudo aprofundado para os projetistas dos circuitos intrinsecamente seguros, no sendo um fator importante para os usurios dos instrumentos, que devem preocupar-se apenas em utilizar os equipamentos nas zonas adequadas.

3.2.9 AterramentoVisando ainda eliminar a possibilidade de ignio, o circuito deve estar apto a desviar as sobretenses perigosas capazes de provocar uma centelha eltrica na rea classificada, conforme ilustra a Figura 3.14:

Figura 3.14 .Circuito com falta a terra

28

Um sistema de aterramento com alta integridade deve ser utilizado para a conexo do circuito limitador de energia, como nico recurso capaz de desviar a corrente gerada por uma sobretenso em relao ao potencial de terra, conforme a Figura 3.15.

Figura 3.15 Circuito com aterramento ntegro

As normas tcnicas recomendam que o sistema de aterramento ntegro possuir impedncia menor que 1, para garantir a eficcia do circuito. O limitador de energia da figura anterior tambm conhecido como barreira zener, que pode variar ligeiramente dependendo de fabricante para fabricante e tambm devido ao tipo de sinal, mas fundamentalmente tem a mesma funo.

3.2.10 Equipotencialidade dos terrasAlm do problema de mantermos o aterramento integro (