Motores e Caixas de Junção de Segurança Aumentada (Ex e)

O método de proteção por Segurança Aumentada (classificado pela denominação Ex e e regido pelas normas internacionais ABNT NBR IEC 60079-0, NBR IEC 60079-7 e IEC 60079-14) baseia-se na aplicação de medidas construtivas e operacionais adicionais em equipamentos elétricos que não produzem centelhas, faíscas ou arcos elétricos em serviço normal, de modo a conferir um coeficiente de segurança muito superior contra a ocorrência de falhas elétricas, mecânicas ou térmicas capazes de inflamar uma atmosfera explosiva circundante.

Diferente do método Ex d (onde o motor possui uma carcaça pesadíssima concebida para confinar e resfriar uma explosão interna), o motor Ex e opera com uma carcaça industrial convencional otimizada, porém com isolamento elétrico de altíssima integridade dielétrica, distâncias de escoamento e isolação no ar superdimensionadas, bornes com fixação elástica permanente imunes a afrouxamento por vibração e um controle térmico estrito garantido pela coordenação compulsória entre o Tempo de Rotor Bloqueado ($t_E$) e o relé de sobrecarga da instalação.

         FILOSOFIA DE PROTEÇÃO POR SEGURANÇA AUMENTADA (Ex e)
 +------------------------------------------------------------------+
 |  Princípio Fundamental: "Equipamento Não-Centelhante Confiável"   |
 |                                                                  |
 |  1. ZERO ARCO OU FAGULHA EM OPERAÇÃO NORMAL                      |
 |     - Rotor em gaiola de esquilo balanceado sem escovas/anéis    |
 |     - Caixas de junção com bornes antivibratórios tipo mola      |
 |                                                                  |
 |  2. ISOLAÇÃO DIELÉTRICA EXCEPCIONAL                              |
 |     - Resina VPI a vácuo e materiais de isolamento CTI ≥ 600 V   |
 |     - Distâncias de fuga (creepage) e folga no ar superdimensionadas|
 |                                                                  |
 |  3. LIMITE TÉRMICO E PROTEÇÃO POR TEMPO t_E                      |
 |     - Temperatura superficial controlada abaixo da Classe T      |
 |     - Em rotor travado: Relé atua ANTES do tempo limite t_E      |
 |       => t_desarme(Ia/In) < t_E (Margem de Segurança Absoluta)   |
 +------------------------------------------------------------------+

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1. Topologia Construtiva e Detalhamento da Seção Transversal

A arquitetura de uma máquina rotativa e caixa de ligação Ex e exige tolerâncias mecânicas precisas para prevenir qualquer atrito entre estator e rotor, além de selagem contra ingresso de umidade e pós combustíveis. O corte transversal esquemático a seguir ilustra a anatomia de um motor de indução e caixa de ligação Ex e.

Elementos Constituintes e Identificação (Callouts ① a ⑥):

• ① Enrolamentos do Estator com Isolação Reforçada Classe F/H (VPI e CTI $\ge 600\text{V}$): Condutores de cobre eletrolítico esmaltados com vernizes poliesterimida e poliamida-imida de camada dupla (Grau 2). O conjunto estatórico é submetido ao processo de Impregnação sob Pressão e Vácuo (VPI - Vacuum Pressure Impregnation) com resina epóxi pura isenta de solventes, eliminando vazios e bolhas de ar microscópicas onde poderiam ocorrer descargas parciais e efeito corona. Os materiais isolantes sólidos pertencem obrigatoriamente ao Grupo I de trilhamento elétrico (CTI $\ge 600\text{V}$).
• ② Bornes de Ligação com Mola Gaiola (Cage Clamp) Anti-Afrouxamento: Alojados na caixa de bornes para conexões de força e controle. Dispõem de mecanismos mecânicos elásticos que exercem pressão axial constante sobre os cabos de alimentação, impedindo qualquer afrouxamento por vibração contínua do motor ou ciclo térmico de dilatação/contração que pudesse gerar faíscas ou resistências de contato anômalas.
• ③ Sensores Térmicos Embutidos (Termorresistências PT100 Triplas): Elementos sensores de platina imersos diretamente no ponto mais quente das cabeças de bobina do estator (um por fase) e alojados nas pistas dos mancais de rolamento. Permitem o monitoramento contínuo da temperatura por transmissores industriais ou relés de proteção com alarmes e trip instantâneo caso a carcaça se aproxime da classe térmica do gás.
• ④ Caixa de Bornes Reforçada com Grau de Proteção IP66 e Respiro Drenante: Compartimento independente com tampa aparafusada e guarnição elastomérica de silicone ou neoprene de alta resiliência, garantindo estanqueidade total contra jatos de água e pó. Incorpora dreno/respiro certificado Ex e em aço inoxidável sinterizado que equaliza a condensação interna de umidade sem comprometer o IP.
• ⑤ Rotor em Gaiola de Esquilo Balanceado sem Efeito de Centelhamento: Barras de cobre ou alumínio injetado fundidas integralmente aos anéis de curto-circuito, sem emendas soldadas que possam apresentar trincas por fadiga. O entreferro (air gap) entre estator e rotor possui folga mínima garantida por usinagem de precisão para eliminar qualquer possibilidade de contato mecânico por deflexão do eixo sob cargas dinâmicas.
• ⑥ Parâmetro Fundamental: Tempo de Rotor Bloqueado ($t_E$): Curva tempo-corrente certificada que determina a janela temporal máxima admissível em segundos durante a qual o motor pode permanecer travado na partida sob a corrente de arranque ($I_A/I_N$) sem que seus condutores ultrapassem a temperatura limite da classe térmica de projeto.

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2. A Física do Tempo de Rotor Bloqueado ($t_E$) e Balanço Térmico

2.1 Definição Normativa do Tempo $t_E$ (NBR IEC 60079-7)

O Tempo de Rotor Bloqueado ($t_E$) é o intervalo de tempo necessário para que a temperatura dos enrolamentos do estator (ou das barras do rotor) se eleve, partindo da sua temperatura nominal atingida em regime contínuo de trabalho sob carga ($T_{nom}$), até atingir a temperatura limite admissível de segurança ($T_{lim}$) quando a máquina é percorrida pela corrente de rotor travado ($I_A$) sob tensão e frequência nominais.

       DINÂMICA TÉRMICA DO MOTOR Ex e EM ROTOR BLOQUEADO
   Temperatura [°C]
       ^
  T_lim|-------------------------------------------+ (Limite térmico da Classe T)
       |                                          /|
       |                                         / |
       |                                        /  |
       |                  Aquecimento Adiabático   |
       |                  dθ/dt = k * (Ia/In)²     |
       |                                      /    |
  T_nom|-------------------------------------+     |
       |                                     |     |
       |             Operação em Regime      |     |
       +-------------------------------------+-----+--------> Tempo [s]
       0                                     t=0   t_E
                                              <--->
                                            Tempo t_E

A temperatura limite $T_{lim}$ é definida como o menor valor entre:

1. O limite térmico de degradação da classe de isolamento do verniz e resina (Classe F: $155^{\circ }\text{C}$; Classe H: $180^{\circ }\text{C}$).
2. A temperatura máxima de superfície autorizada para a classe de temperatura do gás inflamável (ex: $200^{\circ }\text{C}$ para T3, $135^{\circ }\text{C}$ para T4), subtraída de uma margem de segurança de $5\text{K}$ a $10\text{K}$.

2.2 Equação do Aquecimento Adiabático em Rotor Travado

Durante os primeiros $10\text{ a }20\text{segundos}$ de um rotor bloqueado, a dissipação de calor por convecção e ventilação forçada é praticamente nula ($v_{rotor}=0$). O fenômeno térmico é rigorosamente adiabático, onde toda a energia dissipada por efeito Joule no cobre fica retida na massa dos condutores:

$\frac{d\theta }{dt}=\frac{P_{Joule}}{m_{cobre}\cdot c_p}=\frac{J_A^2\cdot {\rho }_{Cu}}{{\gamma }_{Cu}\cdot c_p}$

Onde:

• $J_A$: Densidade de corrente de partida nos condutores (${\text{A/m}}^2$), sendo $J_A=(I_A/I_N)\cdot J_N$.
• ${\rho }_{Cu}$: Resistividade elétrica média do cobre aquecido ($\approx 2,1\times 10^{-8}\Omega \cdot \text{m}$).
• ${\gamma }_{Cu}$: Massa específica do cobre ($8920{\text{kg/m}}^3$).
• $c_p$: Calor específico do cobre ($385\text{J/(kg}\cdot \text{K)}$).

Integrando a equação no intervalo de tempo de $0$ até $t_E$:

$t_E=\frac{{\gamma }_{Cu}\cdot c_p\cdot (T_{lim}-T_{nom})}{J_A^2\cdot {\rho }_{Cu}}$

A norma impõe que o tempo $t_E$ nunca pode ser inferior a $5,0\text{segundos}$ para qualquer motor de segurança aumentada comercial, a fim de permitir a detecção e atuação segura dos relés industriais convencionais.

2.3 Regra de Ouro da Coordenação de Proteção com o Relé de Sobrecarga

Para evitar catástrofes em áreas classificadas, o tempo de disparo do relé de proteção contra sobrecarga na condição de rotor travado ($t_{trip}$) deve ser estritamente inferior ao tempo $t_E$:

${\mathbf{t}}_{\mathbf{trip}}\left(\frac{{\mathbf{I}}_{\mathbf{A}}}{{\mathbf{I}}_{\mathbf{N}}}\right)<{\mathbf{t}}_{\mathbf{E}}$

                COORDENAÇÃO OBRIGATÓRIA DA PROTEÇÃO
  Tempo [s]
     ^
     |
     |         Curva de Sobrecarga do Relé
     |         \
     |          \
     |           \
     |            +-----------------------+
 t_E |............| Ponto Crítico Motor Ex e
     |            |                       |
t_trip..........+ \                       |
     |          |  \                      |
     |          |   \                     |
     +----------+----+--------------------+-------> Múltiplo (I / In)
     1,0       1,2  Ia/In

Se o relé demorar mais do que $t_E$ para seccionar a alimentação dos contatores, a carcaça ou os enrolamentos atingirão a temperatura de autoignição da atmosfera gasosa circundante, causando uma explosão externa direta.

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3. Requisitos de Isolação Dielétrica, Escoamento (Creepage) e Folga (Clearance)

A ABNT NBR IEC 60079-7 impõe distâncias de isolamento muito superiores às normas de motores industriais convencionais (como a IEC 60034-1):

       DISTÂNCIA NO AR (CLEARANCE) vs. DISTÂNCIA DE ESCOAMENTO (CREEPAGE)
                   Bucha / Pino Roscado
                   +--------+
                   |        |
                   |  (P)   |
                   +---+----+
                       |
        Folga no Ar    |     _.~"~._   Distância de Escoamento (Creepage)
       (Clearance) c   |   .'       '.  ao longo da superfície ranhurada
       +-------------->|  /           \
                       | |             |
                       v v             v
                   ================================
                     Carcaça / Base Metálica Aterrada

Valores Mínimos de Isolamento para Caixas de Junção (NBR IEC 60079-7):

Faixa de Tensão Nominal de Operação	Folga Mínima no Ar (Clearance)	Distância Mínima de Fuga (Creepage) - Material Grupo I (CTI $\ge 600$)	Distância Mínima de Fuga - Material Grupo II ($400\le \text{CTI}<600$)
Até $250\text{V}$	$5,0\text{mm}$	$5,0\text{mm}$	$8,0\text{mm}$
$>250\text{V}$ até $400\text{V}$	$6,3\text{mm}$	$6,3\text{mm}$	$10,0\text{mm}$
$>400\text{V}$ até $500\text{V}$	$8,0\text{mm}$	$8,0\text{mm}$	$12,5\text{mm}$
$>500\text{V}$ até $690\text{V}$	$10,0\text{mm}$	$12,5\text{mm}$	$16,0\text{mm}$
$>690\text{V}$ até $1000\text{V}$	$14,0\text{mm}$	$16,0\text{mm}$	$22,0\text{mm}$

• Índice de Trilhamento (CTI): Mede a resistência de um material isolante sólido à formação de trilhas condutivas sob a ação de gotas de eletrólito e estresse elétrico. Motores Ex e utilizam exclusivamente porcelana refratária, resinas de poliéster prensado ou compostos fenólicos de grau CTI $\ge 600\text{V}$.

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4. Comparativo Tecnológico: Motor Ex d vs. Motor Ex e

Aspecto de Engenharia	Motor à Prova de Explosão (Ex d)	Motor de Segurança Aumentada (Ex e)
Princípio de Proteção	Confinamento e resfriamento da explosão interna	Prevenção absoluta de centelhamento e superaquecimento
Peso e Volume Físico	Muito pesado: ferro fundido maciço com paredes espessas	Mais leve e compacto: estrutura semelhante a motor industrial padrão
Operação com Inversores (VFD)	Totalmente liberado (ensaiado com sensor de temperatura)	Crítico: exige ensaio e certificação conjunta combinada motor + inversor
Zonas Permitidas	Zona 1 e Zona 2 (Grupos IIA, IIB e IIC)	Zona 1 e Zona 2 (Grupos IIA, IIB e IIC)
Grau de Proteção Mecânica	Tipicamente IP55 a IP66	Obrigatoriamente IP54 a IP66
Custo Inicial e Manutenção	Custo inicial superior; manutenção de juntas flangeadas complexa	Custo mais competitivo; manutenção direta em bornes e rolamentos

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5. Dimensionamento Completo e Exemplo Numérico Resolvido

Cenário de Aplicação:

Projetar e validar a coordenação de proteção contra sobrecarga de um motor elétrico trifásico de indução de segurança aumentada (Ex e) destinado ao acionamento de uma bomba centrífuga de nafta em refinaria de petróleo (Zona 1, Grupo IIA, vapores de gasolina, Classe de Temperatura T3: $T_{limite\_gas}=200^{\circ }\text{C}$).

         DIAGRAMA DE PROTEÇÃO DO MOTOR Ex e EM ÁREA CLASSIFICADA
  Rede 400 V / 60 Hz
   +----+----+----+
        |
     [ Q1 ]  Disjuntor Magnético (Curto-circuito)
        |
     [ K1 ]  Contator de Potência Tripolar
        |
     [ F1 ]  Relé Eletrônico de Sobrecarga (Classe de Disparo Ajustável)
        |    -> Coordenação mandatória com t_E
        +======================+
                               | Cabo Armado Subterrâneo
                               v
                     [ MOTOR Ex e II T3 Gb ]
                     Pn = 75 kW / 400 V / In = 132 A
                     Ia / In = 6,8
                     t_E = 12,0 segundos
                     Isolação Classe F / Elevação Classe B

Dados do Motor (Plaqueta de Identificação Certificada):

• Potência mecânica nominal: $P_n=75\text{kW}$.
• Tensão nominal: $V_n=400\text{V}$ (trifásico, $60\text{Hz}$).
• Corrente nominal: $I_N=132,0\text{A}$.
• Relação de corrente de partida: $I_A/I_N=6,8⟹I_A=6,8\cdot 132=897,6\text{A}$.
• Tempo de rotor bloqueado certificado: $t_E=12,0\text{segundos}$.
• Temperatura ambiente de projeto: $T_{amb}=40^{\circ }\text{C}$.
• Classe de isolamento: Classe F ($155^{\circ }\text{C}$). Elevação real em regime contínuo: $\Delta T=75\text{K}$ (Classe B).
• Temperatura de operação em regime contínuo: $T_{nom}=40^{\circ }\text{C}+75^{\circ }\text{C}=115^{\circ }\text{C}$.

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Passo 1: Determinação da Temperatura Limite de Projeto ($T_{lim}$)

O motor opera em atmosfera inflamável com classificação T3 ($T_{ign\_gas}>200^{\circ }\text{C}$). A norma NBR IEC 60079-0 impõe que a temperatura externa e interna não ultrapasse a classe T3 com margem de segurança:

$T_{lim\_T3}=200^{\circ }\text{C}-5\text{K}=195^{\circ }\text{C}$

Por outro lado, o limite dos enrolamentos do estator sob isolação Classe F em condição transitória excepcional é de $155^{\circ }\text{C}$ (ou $160^{\circ }\text{C}$ sob rotor travado conforme IEC 60079-7). O menor valor restritivo governa:

$T_{lim}=155^{\circ }\text{C}$

A elevação de temperatura máxima tolerada durante o bloqueio da partida é:

$\Delta T_{admissivel}=T_{lim}-T_{nom}=155^{\circ }\text{C}-115^{\circ }\text{C}=40,0\text{K}$

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Passo 2: Verificação da Taxa de Aquecimento no Bloqueio ($d\theta /dt$)

Sabendo que o motor atinge essa elevação de $40\text{K}$ exatamente no tempo certificado $t_E=12,0\text{s}$:

${\left(\frac{d\theta }{dt}\right)}_{medio}=\frac{\Delta T_{admissivel}}{t_E}=\frac{40,0\text{K}}{12,0\text{s}}=3,33\text{K/s}$

Se o motor permanecer travado na rede por $18\text{s}$ (falha do relé), a temperatura dos condutores atingirá:

$T_{final}=115^{\circ }\text{C}+3,33\text{K/s}\cdot 18\text{s}=175^{\circ }\text{C}$

Isso provocaria degradação térmica irreversível do isolamento e risco imediato de inflamação caso vapores penetrassem na caixa de ligação.

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Passo 3: Dimensionamento e Ajuste do Relé de Proteção contra Sobrecarga

Para atender à condição mandatória $t_{trip}(I_A/I_N)<t_E$:

1. O relé eletrônico de proteção possui curvas de disparo ajustáveis por classes de tempo conforme a norma IEC 60947-4-1 (Classes 5, 10, 20, 30, indicando o tempo máximo de disparo em segundos com $7,2\times I_N$ a partir do estado frio).

2. Como a bomba parte com o motor já estabilizado termicamente à quente ($T_{nom}=115^{\circ }\text{C}$), a curva de disparo no estado quente (hot state) é reduzida para cerca de $50\%$ a $60\%$ da curva a frio.

3. Para uma relação $I_A/I_N=6,8$:

   • Um relé configurado na Classe 10 convencional apresenta tempo de atuação a frio de $9,5\text{s}$ e a quente de $t_{trip\_quente}\approx 6,5\text{segundos}$.
   • Comparação com o tempo $t_E$: $t_{trip\_quente}=6,5\text{s}<t_E=12,0\text{s}⟹[\mathbf{APROVADO}]$
   • Margem de segurança de desligamento: $\Delta t=t_E-t_{trip\_quente}=12,0-6,5=5,5\text{segundos}$

4. Verificação do Tempo de Partida Normal da Bomba ($t_{partida}$): A partida normal da bomba centrífuga com válvula fechada consome $t_{partida}=3,2\text{segundos}$. Como $t_{partida}(3,2\text{s})<t_{trip\_quente}(6,5\text{s})$, a máquina parte normalmente sem desarme intempestivo, e qualquer travamento de rotor será interrompido em $6,5\text{s}$, muito antes dos $12,0\text{s}$ do limite perigoso de temperatura.

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6. Caixas de Junção Ex e: Balanço Térmico de Bornes e Barramentos

Em caixas de derivação e junção Ex e, não há peças móveis, mas o calor dissipado pelas correntes nos bornes de conexão pode elevar a temperatura da carcaça além da classe T:

$P_{total}={\sum }_{k=1}^n{I}_k^2\cdot R_{borne,k}$

A certificação da caixa de junção Ex e especifica a Potência Máxima Dissipada Admissível ($P_{diss,max}$) para uma dada classe de temperatura (ex: $P_{diss}\le 45\text{W}$ para T6 a $T_{amb}=40^{\circ }\text{C}$). Se o número de bornes e a corrente nos circuitos ultrapassar esse limite, o projetista deve aumentar as dimensões da caixa ou reduzir a bitola da corrente dos circuitos passantes.

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7. Roteiro de Inspeção e Manutenção Preventiva (NBR IEC 60079-17)

              CHECKLIST CRÍTICO DE INSPEÇÃO EM MOTORES Ex e
  [OK]  Resistência de isolamento do estator medida com megômetro 1000 V: R_iso ≥ 100 MOhm.
  [OK]  Verificação do ajuste do relé de sobrecarga: conferido se t_trip < t_E da plaqueta.
  [OK]  Inspeção dos bornes com mola gaiola: ausência de oxidação e firmeza mecânica.
  [OK]  Entre-ferro uniforme em todo o perímetro do rotor medido com cálibre de lâminas.
  [OK]  Guarnição de vedação da caixa de bornes flexível, sem ressecamento (IP66 mantido).
  [OK]  Prensa-cabos Ex e certificados instalados com anéis de vedação corretos.
  [OK]  Aterramento da carcaça conectado com cabo verde-amarelo e terminal prensado firme.

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8. Especificação Técnica Padronizada de Engenharia

Item de Projeto	Especificação Técnica Recomendada	Norma de Referência
Marcação de Certificação	Ex eb IIC T3 Gb	ABNT NBR IEC 60079-0 / 60079-7
Grau de Proteção Mecânica	IP66 (motor e caixa de ligação)	ABNT NBR IEC 60529
Material da Carcaça	Ferro fundido nodular cinzento FC-200 ou ASTM A48	ABNT NBR 6589
Classe de Isolamento Elétrico	Classe F com impregnação a vácuo (VPI)	IEC 60034-1 / IEC 60085
Tempo de Rotor Bloqueado ($t_E$)	$t_E\ge 10\text{segundos}$	NBR IEC 60079-7 cláusula 5.2.8
Proteção Térmica Embutida	3x Termorresistências PT100 no enrolamento + 2x nos mancais	IEC 60751
Tipo de Conexão na Caixa	Bornes elásticos anti-afrouxamento tipo mola (Cage Clamp)	NBR IEC 60079-7

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