Notas Técnicas
¿Conoce los principales métodos de protección en Atmósferas Explosivas?
Continuamos con este artículo introductorio referente a los métodos de protección para la instrumentación y los equipos eléctricos en áreas con riesgo de explosión. En esta segunda parte, detallaremos los fundamentos asociados a los dos métodos de protección más ampliamente utilizados: Antiexplosivo y de Seguridad Intrínseca.
Protección Antiexplosiva o Explosion proof (Ex d)
Este método de protección está relacionado sobre todo con equipos de alta potencia (aunque también es válido y puede utilizarse para instrumentación de baja potencia). El diseño Ex d se basa en la premisa de que, si ocurre una explosión interna, la misma quede contenida dentro del equipo, evitando que la misma se propague al exterior. La protección se consigue mediante dos mecanismos:
- Resistencia Mecánica: La carcasa está construida para soportar la presión máxima de la explosión interna sin sufrir daños.
- Enfriamiento de Llama (Flame Path): Las uniones, tapas roscadas y bridas de la carcasa actúan como caminos de llama. Los gases calientes de la explosión son forzados a través de estas holguras estrechas, donde transfieren su energía térmica a las paredes metálicas. Al llegar a la atmósfera externa, los gases se han enfriado por debajo de la temperatura de autoignición del combustible ambiente.
Diseño Crítico y Restricciones Operacionales
- Tolerancias Constructivas: La seguridad del método depende totalmente de que el Ancho Máximo de la Holgura y la Longitud del Camino de Llama se mantengan dentro de las tolerancias específicas para el grupo de gas (siendo el Grupo IIC el de mayor exigencia). Cualquier daño o corrosión en estos caminos puede anular la certificación.
- Prensacables y Sellado: El cableado debe ingresar a través de cañero y prensacables antiexplosivos, para evitar que en caso de explosión la misma se propague por el conducto o el interior del cable. Esto implica que no solamente el equipo en cuestión debe estar certificado, si no que además la instalación mecánica y eléctrica debe cumplir con los requisitos acordes a este método de protección.
- Restricción Operacional: El equipo Ex d debe estar desenergizado antes de que se pueda abrir la carcasa para mantenimiento. Esta necesidad de cold work puede generar un tiempo de inactividad relevante.
Protección por Seguridad Intrínseca (Ex i)
La Seguridad Intrínseca es la técnica de prevención dominante para la instrumentación de baja potencia. La filosofía de este método de protección es asegurar que el circuito eléctrico sea incapaz de liberar energía (eléctrica o térmica) suficiente para encender el gas. Esto se logra limitando los tres parámetros de ignición bajo cualquier condición de falla posible:
- Voltaje (V)
- Corriente (I)
- Temperatura de la Superficie
La energía máxima disponible en campo debe ser entonces menor que la Mínima Energía de Ignición (MEI) del gas más sensible.
El Lazo Intrínsecamente Seguro: Barreras y Componentes
Un lazo intrínsecamente seguro consta de tres partes: el Equipo de Campo (instalado en área peligrosa), el Cableado, y las Barreras de seguridad, las cuales limitan la transferencia de energía al área peligrosa.
Las barreras de seguridad pueden ser de dos tipos:
- Barreras Zener: Desvían el exceso de voltaje a una Tierra de Seguridad dedicada y de baja impedancia, y usan fusibles para limitar la corriente.
- Aisladores Galvánicos: Utilizan aislamiento eléctrico para limitar la energía, sin requerir una Tierra de Seguridad separada, lo que ofrece mayor inmunidad al ruido y simplicidad de instalación.
Cálculos de Verificación de la Seguridad del Lazo
La seguridad del lazo requiere una verificación matemática rigurosa para la compatibilidad entre la barrera y el equipo de campo:
- Voltaje y Corriente: La energía máxima que la barrera puede suministrar (voltaje de circuito abierto Voc y corriente de cortocircuito Isc) debe ser menor que la energía máxima que el equipo de campo puede tolerar (Vi,Ii).
Voc < Vi; Isc < Ii
- Capacitancia e Inductancia (Acumulación de Energía): La energía acumulada total en el cable (Ccable, Lcable) y en el equipo (Cequipo, Lequipo) debe ser inferior a la energía que la barrera puede disipar de forma segura (Ca, La).
Ccable + Cequipo < Ca; Lcable + Lequipo < La
Ventajas Operacionales
Una ventaja de la seguridad intrínseca es la posibilidad de poder realizar mantenimientos en caliente, que permite al personal de instrumentación trabajar en el equipo en el área peligrosa mientras está energizado, reduciendo significativamente el tiempo de inactividad. Sin embargo, el cableado intrínsecamente seguro debe estar segregado físicamente del cableado de potencia para evitar la inyección de energía peligrosa.
Conclusión
La selección del método de protección se basa en la aplicación:
- La protección Ex d se elige para equipos de alta potencia o donde la robustez mecánica es prioritaria, basándose en la contención de la chispa.
- La Ex i es más habitualmente utilizada en la instrumentación de baja potencia, restringiendo los niveles de energía empleados.
El diseño del sistema debe ser el resultado de un análisis riguroso de la clasificación de área, el grupo de gas y la clase de temperatura, asegurando el cumplimiento de las normativas internacionales IECEx/ATEX o FM.
Asimismo, la elección de uno u otro método de protección está ligado a la filosofía de diseño de la planta completa, ya que como se comentó, estos criterios no impactan solamente sobre los equipos sino también sobre el resto de la instalación mecánica y eléctrica: cableado, cañeros, prensacables, fuentes de alimentación, etc. Incluso hay plantas donde, para reforzar la seguridad operativa, se emplean ambos métodos de protección en forma simultánea.
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