protección eléctrica en ambientes explosivos

PROTECCIN ELCTRICA EN AMBIENTES CON RIESGO DE EXPLOSIN

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PROTECCIN ELCTRICA EN

AMBIENTES CON RIESGO DE EXPLOSIN



1. Introduccin

Cualquier instrumento o equipo elctrico instalado en atmsferas que contengan

gases o vapores inflamables, presenta riesgo de generar una explosin. Como es sabido,

ste es el caso de una Refinera, en la que la gran mayora de los productos y

subproductos que se manejan, generan o pueden generar a su alrededor este tipo de

gases o vapores. Debido a esto es que la instalacin de cualquier equipo o instrumento en

estas reas obliga a la utilizacin de tcnicas especiales de proteccin. El objetivo que

persiguen dichas tcnicas, es el de impedir la ignicin del espacio que rodea al equipo en

cuestin. Est claro que la implementacin de stas tcnicas tiene como meta

fundamental la de salvaguardar la integridad fsica de las personas e instalaciones

vinculadas a una planta industrial.

A partir de todo lo dicho, se convierte en un aspecto limitante en la eleccin de

cualquier equipo, instrumento, principio de medicin, etc., el riesgo de explosin que esto

pueda generar en la atmsfera circundante y el mtodo de proteccin a adoptar. En los

tems siguientes se caracteriza un rea determinada dentro de una planta industrial en

funcin de la probabilidad de existencia de material explosivo, se exponen los tipos de

proteccin existentes, y se ver cual de ellos corresponde aplicar en cada caso. Todo esto

esta comprendido en diferentes normas de la Comisin Elctrica Internacional (IEC:

Internacional Electrical Comission).

2. Nivel De Energa De Seguridad

Para producir la ignicin de una atmsfera gaseosa, es necesario el aporte de un nivel

crtico de energa; es decir, la explosin slo se produce si se inyecta suficiente energa a

la mezcla como para producir la ignicin de un mnimo volumen del material, llamado

volumen crtico. Al dimetro de una esfera de dicho volumen se le llama distancia de

extincin y si la deflagracin incipiente que pueda formarse, se mantiene dentro de esa

esfera, la llama naciente no se propaga al resto del material. A partir de esto surge el

concepto de mnima energa de ignicin y es la energa necesaria para que una

determinada mezcla de aire con gas o vapor, produzca la ignicin de un volumen mayor a

la distancia de extincin. Ocurrir, por lo tanto, la propagacin de la llama al resto del

material, causando una explosin.

La energa de ignicin depende de los gases presentes en la mezcla y tambin de la

proporcin en que stos se encuentran. Tpicamente, para la mezcla de un determinado

gas con el aire, se obtienen curvas que muestran como vara la energa de ignicin, con la

concentracin de dicho gas. Para los gases ms comunes como por ejemplo el propano,

el etileno y el hidrgeno, la forma de las curvas es aproximadamente parablica, tal cual

se muestra en la figura 2.7. Dichas curvas permiten definir para cada gas o vapor los

siguientes parmetros caractersticos:



Lmites superior e inferior de explosividad: ms all de dichos lmites, la energa

requerida para la ignicin es tan alta que prcticamente no es posible producir una

explosin.

Concentracin ms inflamable: es aquella que requiere la mnima cantidad de

energa para producir una explosin.

Energa mnima de ignicin: es la menor cantidad de energa requerida para

inflamar una mezcla explosiva; ocurre en el punto de concentracin ms

inflamable.

Respecto de la influencia que tienen en las curvas de la figura 2.7 las variaciones de

presin y temperatura del gas, podemos afirmar que la energa de ignicin se reduce al

aumentar la temperatura o la presin de la mezcla.

De acuerdo a la norma europea IEC 60.079-10, las propiedades de una atmsfera que

clasifica un emplazamiento determinado se resumen asignndole a sta un Grupo segn

la mnima energa de ignicin del gas presente. A cada grupo le corresponde un rango de

valores de energa para los cuales, dependiendo de la concentracin del gas, se producir

la ignicin de la mezcla.

A continuacin se muestra una tabla con cada grupo y la mnima energa de ignicin

correspondiente. A su vez se expone un gas representativo de cada grupo. Esto es:



3. Mecanismos De Ignicin En Circuitos De Baja Tensin

La ignicin de una mezcla gaseosa puede ocurrir debido a varios mecanismos. Puede

deberse a la presencia de un fenmeno elctrico, como el desprendimiento de una chispa

al cerrar un contacto, como tambin a la excesiva temperatura que pudiera tener un

determinado material que se encuentre en contacto con la mezcla inflamable. Los

siguientes son los mecanismos ms comunes que pueden resultar en la ignicin de la

atmsfera:

Cierre de un contacto en un circuito de caractersticas capacitivas: cuando el

contacto cierra el circuito, estando cargado el capacitor, existe a una distancia

pequea un campo elctrico grande, que en ocasiones podr causar la formacin

de un arco elctrico. Esto depender de la carga del capacitor y de la forma de los

contactos. Habindose generado el arco elctrico, la explosin ocurrir si la

distancia entre los contactos es mayor a la distancia de extincin mencionada ms

arriba. Deber adems cumplirse que la energa liberada sea mayor a la energa

de ignicin de dicho gas, a la concentracin en que se encuentre.

Apertura de un contacto en un circuito de caractersticas inductivas: al abrirse un

contacto en el circuito, se interrumpe la corriente circulante; no obstante el inductor

se opone al cambio brusco de la corriente, intentando mantener la circulacin.

Este fenmeno da lugar a un aumento de tensin entre los contactos hasta, tal

vez, un valor muy alto, pudiendo ser incluso mayor a la tensin de alimentacin.

Nuevamente, esto podr causar la formacin de un arco elctrico. Valen aqu las

mismas consideraciones hechas antes sobre la energa del arco, la distancia entre

contactos, y las caractersticas del gas. Adicionalmente, se puede decir en los

circuitos de alta inductancia, la tensin entre contactos es muy alta, favoreciendo

el arco incluso a distancias mayores a la de extincin; en ese sentido es ms

perjudicial un contacto de apertura rpida que uno de apertura lenta.



Ignicin debido a superficie o hilos calientes: la inflamacin de un gas puede

deberse tambin al contacto de ste con una superficie, cuya temperatura sea

mayor a la temperatura de inflamacin del gas. Debido a esto, todo equipo

elctrico que opere en una atmsfera explosiva, deberser seguro frente a la

posible inflamacin de un gas o gases particulares por efecto de la temperatura.

Los gases y vapores se clasifican entonces de acuerdo a seis clases, dependiendo

de la mxima temperatura superficial que son capaces de soportar sin producir

una explosin. Esto lo expresa la norma europea IEC 60.079-10 y los grupos se

componen de acuerdo a la siguiente tabla:

4. Clasificacin De reas Peligrosas

rea peligrosa es toda rea donde pueden estar presentes gases, vapores o polvos

inflamables en cantidad suficiente como para producir la ignicin de la mezcla. Este tipo

de reas est clasificado mundialmente de acuerdo al tipo de material inflamable y a la

probabilidad de presencia de dicho material. La clasificacin del emplazamiento es un

mtodo de anlisis que se aplica a cualquier rea donde puedan existir gases, vapores o

polvos inflamables. Su objetivo es establecer las precauciones especiales que se deben

considerar para la construccin, instalacin y utilizacin de materiales elctricos.

En general, en cualquier instalacin industrial donde se manejan materiales

inflamables, es difcil asegurar que no existir nunca una atmsfera explosiva; tambin es

difcil asegurar que el equipamiento elctrico que en ella se utilice no ser una fuente de

ignicin. Debido a esto, en aquellas instalaciones donde existe una alta probabilidad de

presencia de atmsfera explosiva, se debern utilizar equipos elctricos con una muy baja

probabilidad de crear una fuente de ignicin. Por lo dicho, resulta necesario como paso

previo a la seleccin del material elctrico, realizar una clasificacin de las diferentes



reas. Dicha clasificacin tiene en cuenta tanto las sustancias presentes como su

probabilidad de presencia.

De acuerdo a la figura, cualquier rea con riesgo de explosin se puede dividir en dos

Clases: Clase I y Clase II, donde cada Clase tiene en cuenta el tipo de sustancia

inflamable presente, de acuerdo a lo siguiente:

rea Clase I: es aquella rea en la existen o pueden existir gases, vapores o

nieblas en cantidad suficiente para generar una atmsfera explosiva. Se incluyen

tambin lugares donde pueda haber lquidos que produzcan vapores inflamables.

Son ejemplos de este tipo de reas las siguientes: Refineras, industrias qumicas,

estaciones de servicio, instalaciones donde se manipulen gases inflamables, salas

de compresores de gases inflamables, etc.

rea Clase II: es aquella rea en la que existen o pueden existir polvos

inflamables en cantidad suficiente como para generar una atmsfera explosiva.

Son ejemplos los siguientes de este tipo de reas, los siguientes: plantas de

manipuleo de cereales, salas de molinos, plantas de coque, etc.

A su vez, se puede dividir cada Clase en 3 Zonas, conforme a la probabilidad de

presencia de la atmsfera explosiva. Cada Zona denota un nivel de riesgo diferente.

Para la Clase I, cada Zona indica lo siguiente:



Zona 0: rea en la que existe una atmsfera explosiva en forma continua o

durante largos perodos. (ms de 1000 horas/ao, es decir, el 11,4% del tiempo)

Zona 1: rea en la que es probable que exista una atmsfera explosiva durante la

operacin normal. (entre 10 y 1000 horas/ao, es decir, entre el 0.11% y el 11.4%

del tiempo)

Zona 2: rea en la que es muy improbable que exista una atmsfera explosiva, y

si existe, es de escasa duracin. (entre 0.1 y 10 horas/ao, es decir, entre el

0.0011% y el 0.11% del tiempo)

A continuacin se indica que expresa cada Zona de la Clase II:

Zona 20: rea en la que una nube de polvo esta presente en forma continua o con

mucha frecuencia en cantidad suficiente para producir la ignicin del ambiente.

Zona 21: rea en la cual no es frecuente la presencia de nubes de polvo que

generen ambientes explosivos.

Zona 22: rea en la que es muy improbable que exista una atmsfera explosiva

debido a la presencia de una nube de polvo, y si existiera, sera en condiciones

anormales de servicio.

De acuerdo a lo expresado sobre la norma IEC 60.079-10, la clasificacin tpica de un

rea dada podra ser como la siguiente:

Se debe remarcar que la descripcin anterior de un rea determinada esta de acuerdo

a la norma europea IEC 60.079-10. En las instalaciones dentro de Estados Unidos y

Canad, existe una norma equivalente, la NEC 500-503.

Acerca de cmo determinar en una planta industrial que tipo de reas estn presentes

y en que ubicacin fsica, es necesario realizar un estudio complejo de la planta industrial,



considerando todos los posibles puntos de escape de material inflamable. Para ello deben

considerarse muchos factores, como la forma en que la fuente de material inflamable

puede liberar el material a la atmsfera, de la ventilacin presente, etc. Adems, en

algunos casos una zona de menor riesgo rodea a otra de mayor riesgo.

La extensin de la zona, es decir la distancia a partir de la fuente de escape en la cual

se extiende la mezcla explosiva, depende de los siguientes factores:

Cantidad de escape del material inflamable.

Velocidad de escape del material inflamable.

Concentracin de la mezcla liberada.

Caractersticas de la ventilacin.

Presencia de obstculos.

Lmite explosivo inferior del gas.

Punto de inflamacin.

Densidad relativa del gas respecto del aire.

Tpicamente en las instalaciones industriales existen estudios de clasificacin de reas

de todas las plantas que la componen. Los documentos claves de estos estudios son

aquellos planos que indican en cada Unidad Productiva, de qu tipo de Zona se trata; es

decir si es Zona 0, 1 2. Para la instalacin de cualquier equipo se debe considerar de

que Zona se trata y elegir un mtodo de proteccin elctrica que sea apto para dicha

Zona.

5. Conceptos Generales Sobre Modos De Proteccin

Como se viene desarrollando en los tems anteriores, el empleo de cualquier material

elctrico en una atmsfera de caractersticas explosivas aporta por un lado riesgo de

calentamiento (efecto Joule o prdidas de histresis) y por otro lado riesgo de generacin

de arcos o chispas debido a la apertura o cierre de contactos de circuitos. Para disminuir

dichos riesgos existen diversos modos de proteccin. stos definen una serie de reglas

constructivas que deben aplicarse a materiales y equipos de forma que puedan ser aptos,

con seguridad, en atmsferas explosivas.

Los modos de proteccin se basan conceptualmente en 3 tipos de soluciones. stas

son:



a) Confinar la eventual explosin, controlando sus efectos.

b) Separar la atmsfera explosiva del aporte energtico.

c) Reducir la energa o impedir el aporte de la misma en forma de arcos, chispas o

calentamiento.

a) Esta solucin corresponde exclusivamente al modo de proteccin

Antideflagrante, tambin llamado Antiexplosivo. En l, el material elctrico

capaz de inflamar una atmsfera explosiva, se encuentra contenido en una

envolvente resistente a la sobrepresin que se pueda generar debido a una

posible explosin interna a la envolvente; al mismo tiempo, impide que dicha

explosin se propague al exterior. Es claro que este modo de proteccin depende

exclusivamente de las caractersticas de resistencia mecnica del material

envolvente, as como tambin de la forma constructiva de dicha envolvente. En la

figura 2.10 puede verse el esquema del corte de una envolvente antideflagrante

apta para contener algn material elctrico. En dicha figura se indica que la

explosin podra ocurrir adentro y que la envolvente asegura que la explosin no

saldr al exterior. Dicho de otra forma, solo se escaparn hacia fuera los gases

quemados con una temperatura menor a la de ignicin y, adems, no permitir la

salida de chispas, arcos elctricos o llama. Las normas constructivas para este

tipo de envolventes se concentran tambin en el mximo gap permisible para

cumplimentar con le expresado antes.



Respecto de las acometidas de caos a los envolventes del tipo antiexplosivo, se

debe prestar atencin que no sirvan dichas acometidas como camino para el ingreso de

gases explosivos del exterior hacia el interior. Esto se logra intercalando entre el cao de

acometida y el envolvente antiexplosivo, un dispositivo llamado sellador. ste permite el

paso de los cables a travs de l, pero elimina cualquier espacio libre entre el cable y las

paredes interiores del sellador. De esa forma, se logra que no ingresen gases hacia el

interior de la envolvente. Adems, en caso de producirse una explosin, sta no se

propagar a lo largo de toda la caera, sino que quedar limitada a la envolvente en

cuestin.

Una ventaja que destaca este tipo de proteccin es que permite el uso, en una zona

explosiva, de cualquier aparato que pueda producir chispas o arcos elctricos, cubierto

por supuesto, con una proteccin antideflagrante. Por el contrario, tiene las siguientes

desventajas:

No permite el trabajo bajo tensin

Se trata de cajas y accesorios muy voluminosos.

Cualquier error en la instalacin o la falta de mantenimiento son peligrosos

pues pueden llevar a la ignicin del gas.

El precio de este tipo de accesorios suele ser elevado.

b) Dentro de los modos de proteccin basados en la separacin de la atmsfera

explosiva del aporte energtico, se pueden mencionar los siguientes:

Sobrepresin interna: se trata de un modo de proteccin en el cual se impide el

ingreso del gas explosivo al interior de la envolvente que contiene en su interior el material

elctrico. Esto se logra llenando el interior del envolvente con un gas de proteccin (no

inflamable, por supuesto) y manteniendo ste a una presin superior a la de la atmsfera

explosiva externa. De esa forma, se rodean las partes que producen arcos con dicho gas

asegurndose que no se producir una explosin.



Este tipo de proteccin es el preferido en las salas de control, salas con gabinetes de

entrada/salida de seales y salas elctricas. Para lograr la sobrepresin interna en una

sala, puede disponerse de un sistema de control de presin con un volumen de gas no

explosivo almacenado convenientemente. Tambin puede obtenerse dicho gas de la

atmsfera misma, disponiendo de una aspiracin de aire de una Zona no clasificada. El

valor deseado de presin en el interior de la sala es tpicamente 10mmca (milmetros de

columna de agua) por sobre la presin externa. El sistema de control se encarga de

reponer el aire perdido por alguna perturbacin (apertura de la puerta de entrada a la sala,

por ejemplo), manteniendo siempre la sobrepresin en el interior. Este tcnica suele estar

asociada a un sistema de alarma en el cual si la presin interna no fuese la deseada, se

enva un aviso visual o sonoro a la sala de operadores.

Otra aplicacin tpica de este modo de proteccin se da cuando es necesaria la

instalacin de un gabinete en Zona Clasificada conteniendo ste algn tipo de analizador

de proceso. Generalmente estos equipos se hallan alimentados elctricamente y, por lo

tanto, son potenciales generadores de arcos elctricos. Es estos casos, se dispone de un

sistema de control de sobrepresin interna en el gabinete de manera similar a lo

expresado antes. Como medida de seguridad, suele realizarse un enclavamiento tal, que

si la sobrepresin interna fuera menor que un valor determinado, se detendr el

funcionamiento del equipo en cuestin. En la figura 2.11 puede verse el esquema de un

gabinete presurizado con su control de presin asociado. Como se dijo, dicho control har

que la presin interna se mantenga en un valor superior a la externa al gabinete. Si por



alguna razn la presin interna baje a un valor menor al seteado, el sistema de control

habilita la entrada de suministro de aire al interior accionando la vlvula. Si la baja de

presin se mantiene durante un perodo de tiempo y la entrada de aire no logra corregir

dicha situacin, se acta sobre un rel auxiliar que deshabilita la alimentacin elctrica al

gabinete. De igual manera, se dispone de un switch de apertura de puerta del gabinete,

que al ser accionado, tambin interrumpe el suministro de energa elctrica.

Respecto de la puesta en marcha del sistema, se debe realizar un barrido inicial de

todo el gas inflamable que pueda haber en el interior del gabinete, previo a conectar la

alimentacin elctrica del equipo. Para ello, se dispone de una entrada de aire u otro gas

inerte y tambin de una purga para el desalojo inicial.

La mayor ventaja de este tipo de proteccin es que permite proteger grandes

volmenes, como lo son las salas de control, salas elctricas, gabinetes de grandes

dimensiones, etc. Como contrapartida, se trata de un sistema costoso debido a la gran

cantidad de elementos asociados al sistema, que debe incluir elementos para el control de

presin y adems elementos de seguridad para interrumpir la alimentacin elctrica o

detonar una alarma en caso de falla de presurizacin, apertura de puerta de gabinete, o

cualquier otra situacin de riesgo que se quiera sortear. Adems, no permite el trabajo

con tensin aplicada, lo cual requiere que para cualquier tarea de mantenimiento sea

imprescindible la interrupcin de la alimentacin elctrica.

Relleno Pulverulento / Inmersin en aceite: Se trata de dos modos de

proteccin similares en los cuales la envolvente que contiene el material elctrico se

rellena con un material inerte de manera tal que, de producirse un arco elctrico, ste no

produzca la inflamacin de la atmsfera circundante. Esta inflamacin tampoco se

producir por un calentamiento excesivo de las paredes de la envolvente. El material de

relleno suele ser cuarzo en el primer caso y algn tipo de aceite en el segundo. Si bien

este tipo de proteccin es efectiva, tiene como desventaja la dificultad para realizarle

mantenimiento a los equipos involucrados, por la presencia del material pulverulento /

aceite.

Encapsulado: en este modo de proteccin, las partes que pueden inflamar una

atmsfera por chispas o calentamiento, estn embebidos en una resina, de forma que la

atmsfera explosiva no pueda inflamarse. En este modo de proteccin, los equipos

forman un conjunto monoltico, concebidos de esa forma desde el momento de su

fabricacin, y en los cuales no es posible reparar ninguna de sus partes.

c) Dentro de los modos de proteccin basados en la reduccin de la energa y su

aporte en forma de arcos, chispas o calentamiento, se encuentra la Seguridad

Intrnseca y se ver con detalle en el punto siguiente.



6. Modo de proteccin Seguridad Intrnseca

Se define como seguridad intrnseca a las medidas adoptadas en un circuito elctrico

para que ninguna chispa o efecto trmico producido sea capaz de provocar la inflamacin

de una atmsfera explosiva. Se limita entonces la energa disponible en el rea clasificada

hasta valores menores a la mnima energa de ignicin de los gases comunes.

Todo elemento elctrico involucrado en el rea peligrosa, as como los elementos de

interconexin en el rea segura, se disean de forma tal de reducir la tensin de circuito

abierto y la corriente de cortocircuito a valores pequeos; lo suficientemente pequeos

para que no puedan causar la ignicin de la atmsfera mediante la apertura o cierre de

contactos, o bien el calentamiento de cualquier superficie.

La inherente baja potencia involucrada en un circuito de seguridad intrnseca, trae

aparejadas las siguientes ventajas que no pueden ser obtenidas con los otros modos de

proteccin vistos. A saber:

Seguridad Intrnseca es el nico mtodo apto para las reas de mayor riesgo,

Zona 0.

La conexin, el mantenimiento o la calibracin de los equipos se puede realizar

con la planta en marcha y la alimentacin elctrica conectada, sin provocar esto un

riesgo de explosin.

Los bajos valores de tensin y corriente involucrados son tambin ms seguros

para el personal que realice trabajos en los equipos.

No es necesario disponer de una proteccin mecnica especial, ni tampoco

accesorios especiales para en tendido de caos y cables. Todo lo referido al

cableado y montaje de los equipos no requiere atencin especfica.

El costo de una instalacin de Seguridad Intrnseca es sensiblemente menor a

otros modos de proteccin ya que los equipos tienen envolventes ms livianas

y con menor material; los cables no tienen grandes requerimientos; las

canalizaciones solo deben ser estancas (a prueba de entrada de polvos /

humedad).

Al considerar cualquier lazo de control y/o de indicacin en una zona clasificada, se

pueden encontrar gran variedad de elementos, de diferentes caractersticas. Entre ellos,

podemos mencionar a los elementos sensores como termocuplas o fotoclulas, los

indicadores locales, los transmisores de variables de proceso, etc. El modo de proteccin

de seguridad intrnseca contempla todos estos elementos, siempre que stos sean aptos

para uso con baja energa. Se quiere indicar con esto que si el equipo a instalar en zona



clasificada fuese uno que necesite alta potencia elctrica para su operacin, el mtodo de

proteccin a utilizar deber ser otro.

Adems de cuan inflamable es un determinado gas y la probabilidad de que ste est

presente en un lugar dado, es necesario considerar la posibilidad de que el elemento a

instalar en una zona explosiva, tenga o no la capacidad de almacenar energa. Esta claro

que no tendra sentido limitar la tensin y corriente en un circuito dado, si el elemento

instalado en el extremo del lazo se comporta de forma capacitiva o inductiva y posee, por

lo tanto, la capacidad de acumular energa. El efecto de almacenamiento de energa de

cualquier elemento perteneciente al lazo e instalado en la zona explosiva, deber ser

eliminado mediante un diseo conveniente, o bien cuantificado su mximo y permitida su

instalacin.

En la figura puede verse un lazo tpico de seguridad intrnseca, compuesto por uno o

ms elementos de medicin y/o control, una interfase de seguridad intrnseca y el sistema

de control y/o monitoreo. En lo que respecta a la seguridad, se deben destacar 3

elementos para cualquier lazo de SI.

a) Elementos Simples y Elementos de Seguridad Intrnseca.

b) Interfaces de seguridad Intrnseca.

c) Cables de Interconexin entre los dos anteriores.



1. Elementos Simples son aquellos elementos que, por sus caractersticas

propias y de acuerdo a las especificaciones del fabricante, son incapaces de

generar o almacenar una cantidad de energa que exceda alguno de los siguientes

valores:

20J 1.2V 100mA 25mW

Este tipo de aparatos no necesitan ningn tipo de certificacin y son aptos para su

instalacin en cualquier Zona, incluso en Zona 0. Estn incluidos en este grupo las

termocuplas, termorresistencias, los switches, los diodos LED y las fotorresistencias.

Elementos de Seguridad Intrnseca son aquellos elementos electrnicos

complejos tales como transmisores de 2 hilos o convertidores I/P (corriente -

presin) que podran fcilmente almacenar cantidades riesgosas de energa en

sus capacitores o inductores. Dichos equipos no podrn ser instalados en reas

peligrosas, a no ser que respondan a un diseo ideado especialmente para ello.

Las tcnicas de diseo incluyen el agregado de resistores para limitar la descarga

de los capacitores y compensaciones tales que los equipos se vean casi como

resistivos puros desde sus terminales. Adems, se duplican los componentes que

cumplimentan con lo anterior, logrando una redundancia de partes crticas y

aumentando por lo tanto la seguridad del instrumento. Por ltimo, se encapsulan

determinadas partes importantes de los circuitos con compuestos especiales, de

forma de asegurarse que no sean afectadas por las condiciones medioambientales

como presencia de polvo o humedad; se encargan tambin de contener a una

posible chispa que pueda generarse por una falla. El encapsulado permite tambin

que las partes no sean modificadas o reemplazadas en campo por algn operario

de mantenimiento. Todo lo anterior mencionado sobre los equipos de seguridad

intrnseca, es certificado por alguna entidad capacitada, indicando en sus hojas de

datos que el equipo es apto para Seguridad Intrnseca.

2. Se llama Interfaz de Seguridad Intrnseca o comnmente Barreras de

Seguridad Intrnseca a los elementos de proteccin que se instalan en una zona

segura y tienen por finalidad la de limitar la tensin y la corriente entregada a la

zona peligrosa, en condiciones de funcionamiento normal y en caso de falla por

sobrealimentacin. La de ms amplia utilizacin es la llamada Barrera Zener.

Como se ver ms adelante, son parmetros caractersticos de estos elementos

su tensin de circuito abierto y su corriente de cortocircuito. La barrera debe

asegurar que en ninguna condicin de carga pueda haber una tensin y un

corriente tales que le provean a la mezcla la energa para su ignicin.

La figura 2.13 muestra un diagrama circuital tpico de una barrera Zener de seguridad

intrnseca. Se conectan en un extremo de ella el equipamiento correspondiente al rea

segura, y en el otro extremo, el equipamiento del rea peligrosa. Tpicamente, se dispone



en el rea segura el sistema de medicin o control, la fuente de alimentacin del lazo y tal

vez algn indicador de la variable fsica. Estos equipos pueden ser de propsito general,

es decir, no deben cumplir con ninguna norma para seguridad intrnseca. En el rea

peligrosa podrn ir instalados cualquier tipo de los instrumentos de medicin de variables

de proceso mencionados antes, aptos para seguridad intrnseca, o bien elementos

simples. Se destaca que la barrera de seguridad intrnseca se encuentra vinculada a tierra

en uno de sus puntos.

Como se aprecia en la figura, la barrera tiene en su rama paralelo tres diodos Zener.

La tensin de ruptura de dichos diodos es tpicamente de 28 Volts y la funcin que tienen

es la de limitar la tensin que se enva al rea peligrosa en caso de falla en la

alimentacin (sobretensin en el rea segura). Se destaca que la presencia de tres diodos

en paralelo cumple el objetivo de darle al sistema mayor confiabilidad en caso de falla,

pudiendo adems derivar ms corriente a tierra.

Si el lazo se encuentra en condiciones normales de funcionamiento, la tensin

continua de alimentacin ser tpicamente de 24V, menor a la tensin de ruptura de los

diodos Zener. En dicho caso los diodos Zener no conducirn, la tensin en sus extremos

ser igual a la tensin de alimentacin y la barrera ser solo un elemento que agrega

resistencia al lazo.

La situacin de falla bajo la cual debe operar la barrera de seguridad, es en el caso de

sobretensin a la entrada. Se especifica que los equipos vinculados en el rea segura

deben tener una alimentacin de no ms de 250Vac RMS y en el caso de una falla, ser

aplicada dicha tensin directamente a los terminales 1 y

Como se indic, el fin de la barrera Zener es el de limitar la tensin disponible en el

rea peligrosa. Para ello, en caso de aplicarse una tensin elevada entre los terminales 1

y 2, los diodos Zener se encargarn de derivar la corriente a tierra (Figura 2.14), fijndose

la tensin Vz en el valor tpico mencionado antes de 28V. De esa forma, en el rea

peligrosa solo se tendr una tensin a circuito abierto de 28V.



La figura 2.14 muestra la caracterstica tensin-corriente en un diodo Zener, de los

utilizados en las barreras de Seguridad Intrnseca. Se destaca que la tensin de trabajo

de estos diodos es apenas menor en mdulo que la tensin de ruptura del Zener. En

condiciones normales, la tensin VZ ser menor a la tensin de ruptura de 28V, y la

corriente que por los diodos se derive ser cercana a cero; en rigor, los fabricantes de las

barreras aseguran que dicha corriente no ser mayor a 10A. En condiciones de

sobretensin en el rea segura, la tensin VZ ser mxima y circular por los diodos una

corriente alta, dependiendo sta del tipo de puesta a tierra, longitud de los conductores y

por supuesto, valor de la sobretensin aplicada.

Si se produjera un cortocircuito en los terminales 3 y 4 correspondientes al rea

peligrosa, la corriente que se establecer en el circuito estar limitada por RLIM y la

resistencia correspondiente al cable del lazo completo (este ltimo despreciable frente al

valor de RLIM). El valor de RLIM de las barreras comerciales es tpicamente de 300, por

lo que la corriente de cortocircuito ser, como mximo, la siguiente:



La potencia disponible en el rea peligrosa ser mxima cuando la resistencia del lazo

completo (resistencias del cable y el instrumento conectado en el lazo) sea igual a la

resistencia RLIM de la barrera (mxima transferencia de potencia). En ese caso, dicha

potencia ser:

Respecto del fusible incluido en la barrera de la figura 2.13, la funcin que ste tiene

es la de limitar la corriente en caso que sta se mantenga en un valor alto durante un

tiempo largo determinado. El objetivo que persigue la interrupcin de la corriente, es el de

evitar que una excesiva potencia se disipe en los diodos Zener, produciendo esto la

apertura de dichos diodos. Se debe tener en cuenta que en el caso de una tensin

elevada a la entrada de la barrera, si ocurriese que los diodos Zener se ponen en circuito

abierto, la tensin elevada de alimentacin pasar directamente al rea peligrosa,

pudiendo causar una potencial explosin. Se concluye que la funcin del fusible es la de

proteger a los diodos Zener, quemndose antes que stos.

Algunas barreras comerciales poseen la opcin de reemplazar el fusible en caso que

ste se queme. Sin embargo, en la mayora de los casos es preferible que sea sustituida

toda la barrera, evitando as que se reemplace al fusible por otro de mayor calibre, no



respetando el diseo original, y perdiendo por lo tanto la seguridad ante explosin

buscada. En forma prctica, podemos decir que las barreras de seguridad intrnseca

comerciales son de pequeas dimensiones, aproximadamente 10cm x 10cm x 1cm. Su

montaje es en general sobre un riel tipo DIN contenido en gabinetes dedicados.

Normalmente, las barreras vinculan al sistema de control con cualquier instrumento de

campo. Poseen un par de bornes de entrada y otro par de bornes de salida a zona

peligrosa. Por todo lo dicho, se desprende que es indispensable que su instalacin sea en

zona segura, tambin llamada rea no clasificada o de propsito general. En su parte

inferior, suelen poseer una vinculacin galvnica con el riel en el cual se hallan montadas

y a su vez, dicho riel se halla conectado a la tierra del sistema. Es de gran importancia la

baja impedancia que debe tener la puesta a tierra, para asegurar que en caso de falla se

derive eficientemente la corriente a tierra, a travs de los diodos Zener. El costo comercial

de una barreras de seguridad apta para instrumentar un nico punto, est cercano a los

U$S150.

3. Por ltimo, se menciona al tercer elemento componente de cualquier lazo de SI,

los cables de interconexin. Al tratarse de circuitos de muy baja tensin y

corriente, las exigencias para los cables son mnimas. La nica limitacin para los

cables proviene de sus parmetros propios de inductancia y capacitancia

distribuidos. Se debe tener en cuenta estos valores para que la energa que pueda

almacenarse, no sea significativa. En la prctica, las caractersticas del cable no

son un factor limitante.



7. Zonas vs Modos de proteccin

Habindose definido la clasificacin de reas en funcin del riesgo de explosin que

stas presentan, y tambin los diferentes tipos de proteccin, se presenta a continuacin

un cuadro con el modo de proteccin que resulta apto para cada Zona de riesgo, segn lo

definido ms arriba.

protección eléctrica en ambientes explosivos

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