Equipamentos e Circuitos de Segurança Intrínseca (Ex i) com Barreiras Zener e Isoladores Galvânicos
A Segurança Intrínseca (identificada pela marcação Ex i, regulamentada internacionalmente pelas normas ABNT NBR IEC 60079-11, IEC 60079-25 e IEC 60079-14) representa o conceito de engenharia mais refinado e seguro para instrumentação, controle e automação em atmosferas explosivas. Diferente dos invólucros à prova de explosão (Ex d), que toleram a queima interna e contêm o fogo, a segurança intrínseca adota uma abordagem preventiva radical: nenhuma centelha elétrica ou efeito térmico produzido em qualquer ponto do circuito (em operação normal ou sob condições anormais de falha) possui energia suficiente para inflamar a atmosfera gasosa circundante.
Por restringir os níveis de corrente, tensão e potência elétrica a grandezas milimétricas, a segurança intrínseca é a única tecnologia de proteção permitida para instalação direta na Zona 0 (ambientes onde a atmosfera explosiva está presente de forma permanente, prolongada ou frequente, como o interior de tanques de armazenamento de combustíveis, vasos de processo petroquímico e tubulações de hidrocarbonetos).
CONCEITO DE SEGURANÇA INTRÍNSECA (Ex i)
+--------------------+ +------------------------------------+
| ÁREA SEGURA | | ÁREA CLASSIFICADA (ZONA 0/1) |
| | | |
| +----------------+ | | +--------------------------------+ |
| | CLP / SDCD | | | | Transmissor de Pressão / Vazão | |
| | 24 Vdc / 4-20mA| | | | Ui = 30V, Ii = 100mA, Pi=0,75W | |
| +-------+--------+ | | +---------------+----------------+ |
| | | | | |
| +-------v--------+ | | | |
| | BARREIRA Ex i | | Linha | | |
| | Uo ≤ 28 V |=========(=================+ |
| | Io ≤ 93 mA | Azul Exi| Cabo Blindado: Ccabo, Lcabo |
| | Po ≤ 0,65 W | | (Energia armazenada < MIE do gás) |
| +----------------+ | | |
+--------------------+ +------------------------------------+
1. Topologia Construtiva e Detalhamento da Seção Transversal
A interface crítica que divide o ambiente industrial comum da área perigosa é o Aparato Associado (Associated Apparatus), materializado principalmente sob a forma de Barreiras Zener Passivas ou Isoladores Galvânicos Ativos. O corte esquemático a seguir detalha a anatomia interna de um módulo de interface Ex i para trilho DIN.
Elementos Constituintes e Identificação (Callouts ① a ⑥):
- ① Bornes de Conexão Azuis Padronizados Ex i (Área Classificada Zona 0/1/2): Terminais coloridos na tonalidade azul clara (RAL 5015, exigência da IEC 60079-14) destinados exclusivamente à fiação que adentra a área com risco de explosão. Apresentam espaçamento dielétrico no ar (clearance) em relação a quaisquer bornes convencionais adjacentes, prevenindo contato acidental de condutores desencapados.
- ② Fusível de Ação Ultrarrápida Encapsulado (): Dispositivo de corte térmico-magnético submetido a processo de fundição em resina polimérica (compound potting) com areia de quartzo. Tem a função de interromper de forma irreversível e sem arco aberto a corrente de curto-circuito antes que os diodos Zener de grampeamento sofram estresse térmico por sobrecarga prolongada.
- ③ Diodos Zener Redundantes Triplos em Paralelo (): Semicondutores de precisão que atuam em modo de condução reversa (shunt). Para equipamentos certificados com nível de proteção Ex ia, a norma exige três diodos Zener idênticos conectados em paralelo para garantir redundância com tolerância a duas falhas simultâneas de componente. Se a tensão da área segura subir anormalmente (ex: falha de da rede), os Zeners grampeiam a saída para a área classificada no patamar estrito de .
- ④ Resistor de Potência Limitador de Corrente (): Resistor de filme metálico de alta estabilidade, à prova de centelhamento e à prova de enrolamento indutivo, montado em cerâmica refratária. Limita a corrente máxima instantânea que pode ser fornecida ao circuito de campo em caso de curto-circuito acidental nos bornes azuis para o valor .
- ⑤ Isolação Galvânica Total (Optoacopladores e Transformadores de Pulso): Barreira magnética e óptica com rigidez dielétrica garantida de ( por 1 minuto) entre o circuito de entrada, saída de sinal e linha de alimentação auxiliar, eliminando qualquer dependência de terra de proteção de sinal.
- ⑥ Terminais Pretos/Cinza Conectados à Área Segura (CLP / SDCD): Bornes de comando industriais padrão destinados a receber alimentação de fontes de e transmitir sinais analógicos ( HART) ou digitais para os módulos de entrada e saída (I/O) dos controladores lógicos programáveis.
2. Níveis de Proteção da Segurança Intrínseca: ia, ib e ic
A norma NBR IEC 60079-11 estabelece três níveis de proteção de segurança intrínseca baseados na probabilidade estatística de falha e na severidade da classificação de áreas:
| Nível de Proteção | Zonas Permitidas | Fatores de Falha Considerados | Fator de Segurança () | Aplicações Típicas de Campo |
|---|---|---|---|---|
| Ex ia | Zona 0, Zona 1 e Zona 2 | Operação normal + 2 falhas contáveis independentes mais quaisquer falhas não-contáveis | (com 2 falhas) ou (com 2 falhas na pior condição) | Sensores de nível em tanques de combustível, sondas de poços de petróleo, transmissores em Zona 0 |
| Ex ib | Zona 1 e Zona 2 | Operação normal + 1 falha contável independente mais falhas não-contáveis | (op. normal) ou (com 1 falha) | Válvulas solenoides, sinalizadores sonoros, transmissores de pressão instalados em Zona 1 |
| Ex ic | Zona 2 apenas | Operação normal sem considerar falhas internas adicionais | em operação normal | Sensores secundários, iluminação de cabine, I/O distribuído em áreas de baixo risco transitório |
3. Física da Ignição por Centelha e Limitação Energética
3.1 Energia Mínima de Ignição (MIE) e Energia em Reativos
A combustão de um gás requer a concentração de uma densidade crítica de energia em um volume microscópico no tempo de formação do núcleo de chama. A Energia Mínima de Ignição () varia drasticamente em função do grupo da mistura gasosa:
Para circuitos de campo com componentes reativos ou cabos de grande comprimento, as energias armazenadas nos campos eletrostático e magnético são modeladas por:
Se um fio romper subitamente na área classificada ou sofrer um curto-circuito contra uma estrutura metálica, a energia reativa acumulada é descarregada quase instantaneamente na faísca de ruptura. Para evitar a inflamação, o projeto exige que a energia da centelha multiplicada pelo fator de segurança seja mantida estritamente abaixo do limite de ignição:
3.2 Curvas de Avaliação de Centelha da Norma IEC 60079-11
A norma não avalia a segurança apenas por cálculos teóricos simples de , pois a dinâmica da ruptura do contato e a tensão de manutenção do arco elétrico influenciam a taxa de liberação de energia. A IEC 60079-11 disponibiliza diagramas padronizados de curvas características:
- Curvas de Tensão vs. Capacitância Admissível (): Determinam a máxima capacitância equivalente que pode ser alimentada por uma dada tensão sem risco de ignição na descarga capacitiva.
- Curvas de Tensão vs. Corrente Admissível (): Determinam o limite de corrente em circuitos resistivos puramente ôhmicos.
- Curvas de Corrente vs. Indutância Admissível (): Determinam a indutância máxima permitida em série com a corrente de curto-circuito.
4. Comparativo de Arquiteturas: Barreira Zener vs. Isolador Galvânico
(A) BARREIRA ZENER PASSIVA
Área Segura Fusível Área Classificada (Ex i)
(+) ------------------------[====]----+---------------------> (+)
| Rlim
[ Z1 ] +--/\/\/\/\----+
[ Z2 ] | |
(-) ----------------------------------+------+-------------> (-)
|
Aterramento Ex i Dedicado
(R_terra ≤ 1,0 Ohm obrigatório)
(B) ISOLADOR GALVÂNICO ATIVO
Área Segura Isolação Dielétrica (2,5 kV) Área Classificada (Ex i)
(+) -----[ Modulador ] Trafo [ Demodulador ]-----> (+)
PWM ~ ( ( ) ) ~ e Filtro
(-) -------------------~ ( ( ) ) ~ --------------------> (-)
Optoacoplador
(Sem Aterramento Ex i Dedicado)
| Critério de Engenharia | Barreira Zener Passiva | Isolador Galvânico Ativo |
|---|---|---|
| Princípio de Funcionamento | Rede puramente passiva (shunt) de fusível, diodos Zener e resistores | Eletrônica ativa com conversão de alta frequência, transformadores e optoacopladores |
| Aterramento de Segurança | Mandatório e crítico: exige conexão de baixíssima impedância () a um Barramento Ex i dedicado | Desnecessário: os circuitos de campo flutuam isolados com rigidez |
| Queda de Tensão Interna | Elevada: a corrente do laço passa pelo resistor (), reduzindo a tensão útil no sensor | Mínima ou nula: o isolador atua como fonte ativa repetidora regenerando os |
| Reversibilidade após Sobretensão | Destrutiva: sobretensão na área segura queima o fusível interno selado em resina, inutilizando o módulo | Auto-recuperável: o circuito de desacoplamento bloqueia a tensão anômala sem queimar o isolador |
| Susceptibilidade a Laços de Terra | Alta: loops de corrente galvânica pelo terra geram ruído no sinal | Nula: rejeição de modo comum de alta imunidade () |
| Custo de Aquisição e Painel | Baixo custo inicial por canal, mas elevado custo de infraestrutura de malha de aterramento | Custo por canal mais elevado, mas reduz dramaticamente o custo global de engenharia de campo |
5. Teoria e Equações do Conceito de Entidade (Entity Concept)
A interconexão de um Equipamento Intrinsecamente Seguro (o instrumento de campo: transmissor, sensor, posicionador de válvula) com um Aparato Associado (a barreira ou isolador) é validada pelo Conceito de Entidade (NBR IEC 60079-14 e IEC 60079-25).
Cada dispositivo possui parâmetros normativos certificados expressos na plaqueta de identificação:
- Parâmetros de Saída da Barreira (Fonte de Energia):
- (Open-circuit voltage): Máxima tensão de circuito aberto nos bornes da barreira.
- (Short-circuit current): Máxima corrente de curto-circuito instantânea fornecida pela barreira.
- (Maximum power): Máxima potência elétrica entregue pela barreira ( para fontes lineares).
- (Allowable external capacitance): Máxima capacitância externa conectável aos terminais.
- (Allowable external inductance): Máxima indutância externa conectável aos terminais.
- Parâmetros de Entrada do Instrumento de Campo (Carga):
- (Maximum input voltage): Tensão máxima que o instrumento suporta sem perder a segurança intrínseca.
- (Maximum input current): Corrente máxima que os componentes internos toleram sem centelhamento ou aquecimento.
- (Maximum input power): Potência térmica máxima admissível na carcaça do sensor.
- (Internal capacitance): Capacitância desprotegida interna do instrumento.
- (Internal inductance): Indutância desprotegida interna do instrumento.
- Parâmetros Distribuídos do Cabo de Conexão:
- : Capacitância total dos fios e blindagem ( em ).
- : Indutância total de ida e volta ( em ).
As 5 Equações de Ouro da Compatibilidade de Entidade:
Alternativamente, quando o fabricante do cabo não especifica , admite-se a verificação pela relação de indutância/resistência do cabo:
6. Dimensionamento Completo e Exemplo Numérico Resolvido
Cenário de Aplicação:
Projetar e validar a malha de instrumentação analógica ( HART) de um Transmissor de Nível por Onda Guiada (Radar) instalado diretamente no topo de um tanque de hidrogênio líquido em uma planta de refino químico.
- Classificação da Área: Zona 0, Grupo IIC, Classe de Temperatura T4.
- Distância entre a Sala de Controle e o Tanque: .
DIAGRAMA UNIFILAR DA MALHA DE NÍVEL Ex ia IIC
[ PAINEL DA SALA DE CONTROLE ] [ TOPO DO TANQUE (ZONA 0) ]
+-----------------------------+ +---------------------------+
| Isolador Galvânico Ativo | Cabo Par Trançado | Transmissor Radar |
| Certificado: [Ex ia Ga] IIC | Blindado Azul | Certificado: Ex ia IIC T4 |
| Uo = 28,0 V | d = 420 metros | Ui = 30,0 V |
| Io = 93,0 mA |===================>| Ii = 110,0 mA |
| Po = 0,651 W | Cc = 110 pF/m | Pi = 0,80 W |
| Co = 83,0 nF | Lc = 0,65 uH/m | Ci = 5,2 nF |
| Lo = 3,05 mH | Rc = 24,5 Ohm/km | Li = 12,0 uH |
+-----------------------------+ +---------------------------+
Passo 1: Verificação das Condições Elétricas Escalares ()
-
Tensão Máxima: A barreira nunca aplicará nos terminais do transmissor uma tensão superior ao seu limite elétrico dielétrico.
-
Corrente Máxima: A corrente de curto-circuito fornecida pelo resistor interno do isolador é inferior ao limite de condução térmica do transmissor.
-
Potência Máxima: A energia térmica dissipada no interior do sensor em condição de falha não elevará sua carcaça além de (Classe T4).
Passo 2: Cálculo dos Parâmetros Reativos Acumulados no Cabo de Campo
Para o cabo de instrumentação de :
-
Capacitância Total do Cabo ():
-
Indutância Total do Cabo ():
-
Resistência Ôhmica de Ida e Volta ():
Passo 3: Verificação da Capacitância Máxima Permitida ()
A soma da capacitância interna concentrada do transmissor () com a capacitância distribuída do cabo () não pode exceder o valor limite do isolador para o Grupo IIC:
Comparação com :
Margem de segurança de capacitância remanescente:
Passo 4: Verificação da Indutância Máxima Permitida ()
A indutância equivalente do sistema conectado à barreira é:
Comparação com :
Margem de folga indutiva: o sistema utiliza menos de da capacidade de indutância tolerada pelo isolador para Grupo IIC.
Passo 5: Verificação do Comprimento Máximo Admissível do Cabo
Qual seria o comprimento máximo teórico de cabo () antes de violar o critério de capacitância da barreira?
Como o comprimento real é de , a instalação atende plenamente a todos os requisitos normativos da ABNT NBR IEC 60079-11 e 60079-14 para operação na Zona 0 com hidrogênio.
7. Diretrizes Construtivas de Painéis e Segregação de Campo (NBR IEC 60079-14)
A não conformidade mais comum e perigosa em instalações Ex i é o desrespeito às distâncias mínimas de segregação, o que pode permitir o acoplamento eletrostático ou eletromagnético induzido por cabos de potência adjacentes.
DIRETRIZ DE SEGREGAÇÃO FÍSICA EM PAINÉIS DE AUTOMAÇÃO
+------------------------------------------------------------------+
| Canaleta Cinza / Preta: Canaleta Azul (RAL 5015): |
| Fiação Convencional (Não-Ex) Fiação Intrínseca (Ex i) |
| [ 220 Vac / 24 Vdc / Relés ] [ 4-20 mA / Sensores Zona 0 ] |
| | | |
| v v |
| +----------+ +----------+ |
| | CLP / I/O| |Isoladores| |
| | |<------- d ≥ 50 mm ------->| Ex i | |
| +----------+ +----------+ |
| Separação no Ar |
| ou Divisória Rígida |
+------------------------------------------------------------------+
Regras de Ouro de Instalação:
- Identificação Cromática: Todos os cabos, bornes, conectores e canaletas de fiação que conduzem sinais Ex i devem ser identificados na cor azul claro (RAL 5015).
- Distância de Separação Mínima: Condutores de circuitos intrinsecamente seguros e não-intrinsecamente seguros devem manter distância de no mínimo de separação no ar, ou ser segregados por uma chapa metálica de barreira aterrada ou partição isolante rígida de espessura .
- Blindagem e Aterramento da Malha: A blindagem metálica de cabos intrínsecos (shield) deve ser aterrada em apenas um único ponto (preferencialmente no painel de controle da área segura) para evitar a circulação de correntes parasitas decorrentes de diferenças de potencial entre terras distantes.
- Proibição de Cabos Multicondutores Mistos: É estritamente proibido passar no mesmo cabo multicondutor vias pertencentes a circuitos Ex i e circuitos convencionais não protegidos.
8. Ficha Técnica Padronizada de Especificação de Engenharia
| Parâmetro de Especificação | Valor de Projeto / Requisito | Norma de Referência |
|---|---|---|
| Marcação de Certificação | [Ex ia Ga] IIC (Aparato Associado para Zona 0) | NBR IEC 60079-0 / 60079-11 |
| Tensão Nominal de Alimentação | () | Folha de dados do fabricante |
| Rigidez Dielétrica de Isolação | (, 1 minuto entre portas) | NBR IEC 60079-11 cláusula 6.3.13 |
| Parâmetros de Entidade () | , , | Certificado de conformidade INMETRO |
| Capacitância / Indutância () | , (Grupo IIC) | IEC 60079-11 Anexo A |
| Temperatura de Operação | Ensaio térmico industrial | |
| Grau de Proteção da Caixa | IP20 (para montagem abrigada em cubículo IP54) | ABNT NBR IEC 60529 |