Modos de protección Ex d y Ex i en atmósferas explosivas

Fundamentos Físico-Químicos de la Explotabilidad y Clasificación de Zonas

La presencia de atmósferas explosivas en instalaciones industriales requiere una comprensión rigurosa de los fenómenos de combustión rápida y detonación. Una atmósfera explosiva se define como la mezcla con el aire, en condiciones atmosféricas, de sustancias inflamables en forma de gas, vapor, niebla o polvo, en la que, tras una ignición, la combustión se propaga a la totalidad de la mezcla no quemada. El fenómeno de deflagración en fase gaseosa está gobernado por la cinética química de la reacción exotérmica de oxidación y la dinámica de fluidos de la onda de presión generada.

Para determinar el potencial de explosividad de un fluido, es imperativo analizar el rango de inflamabilidad delimitado por el Límite Inferior de Explosividad (LEL o LIE) y el Límite Superior de Explosividad (UEL o LSE). Entre estos límites, la concentración de combustible y comburente (oxígeno) permite la propagación autosostenida de la llama. La estequiometría de la reacción define el punto de máxima severidad de la explosión, donde la presión máxima de explosión $P_{\max}$ y la tasa máxima de elevación de presión $(dP/dt)_{\max}$ alcanzan sus valores pico.

La dinámica del incremento de presión en un volumen cerrado $V$ sigue la ley cúbica de las explosiones de gases, donde la constante de deflagración del gas $K_g$ caracteriza la reactividad del sistema:

Donde $K_g$ se expresa en $bar \cdot m/s$. Este valor permite clasificar los gases según su violencia explosiva y está íntimamente ligado a los parámetros fundamentales de ignición: el Intersticio Máximo Experimental de Seguridad (MESG, Maximum Experimental Safe Gap) y la Corriente Mínima de Ignición (MIC, Minimum Igniting Current).

El MESG representa la separación máxima entre dos partes de una cámara de prueba estandarizada (IEC 60079-1-1) que, cuando se inflama una mezcla gaseosa interna, impide la ignición de la misma mezcla en el exterior a través de una junta de longitud determinada (habitualmente $25 mm$). La MIC es la corriente mínima capaz de inflamar una mezcla gaseosa mediante una chispa de descarga inductiva o capacitiva en un aparato de prueba estandarizado, comparada con la corriente requerida para el metano.

A partir del MESG y la razón MIC (respecto al metano), la norma IEC 60079-0 clasifica los gases en el Grupo II (instalaciones de superficie) en tres subdivisiones de severidad creciente:

• Grupo IIA: $MESG > 0.9 mm$ y $MIC > 0.8$. Ejemplo: Propano, Metano industrial, Gasolina.
• Grupo IIB: $0.5 mm \le MESG \le 0.9 mm$ o $0.45 \le MIC \le 0.8$. Ejemplo: Etileno, Ciclopropano.
• Grupo IIIC (Subgrupo IIB+H2): Requiere rigor extremo; los gases del Grupo IIC poseen $MESG < 0.5 mm$ o $MIC < 0.45$. Ejemplo: Hidrógeno, Acetileno, Bisulfuro de carbono.

Para polvos combustibles (Grupo III), la clasificación depende de la naturaleza y resistividad eléctrica del material en suspensión o capa (IEC 60079-10-2):

• Grupo IIIA: Partículas de polvo inflamables (diámetro $> 500\ \mu m$).
• Grupo IIIB: Polvo no conductor (resistividad $\rho_e > 10^3\ \Omega\cdot m$).
• Grupo IIIC: Polvo conductor (resistividad $\rho_e \le 10^3\ \Omega\cdot m$), el cual presenta el mayor riesgo debido a la combinación de explosión por dispersión y cortocircuito por deposición sobre aislamientos eléctricos.

La evaluación de la temperatura de autoignición ($T_{ auto }$) determina la Clase de Temperatura del equipo (T1 a T6). Ninguna superficie expuesta del equipo eléctrico instalado dentro de la zona clasificada debe superar la temperatura máxima de superficie correspondiente, incluyendo un margen de seguridad frente a la temperatura de ignición del gas o polvo presente:

Las Clases de Temperatura se resumen en la relación estandarizada: T1 ($\le 450^\circ C$), T2 ($\le 300^\circ C$), T3 ($\le 200^\circ C$), T4 ($\le 135^\circ C$), T5 ($\le 100^\circ C$) y T6 ($\le 85^\circ C$).

La zonificación de áreas (IEC 60079-10-1 para gases, IEC 60079-10-2 para polvos) es un proceso probabilístico basado en la frecuencia y duración de la presencia de una atmósfera explosiva de gas (G) o polvo (D):

• Zona 0 / Zona 20: Presencia permanente, por largos períodos o con frecuencia alta (frecuencia $> 1000 horas/año$). Escapes de grado continuo.
• Zona 1 / Zona 21: Probable la formación de atmósfera explosiva en funcionamiento normal (frecuencia entre $10 y 1000 horas/año$). Escapes de grado primario.
• Zona 2 / Zona 22: No es probable en funcionamiento normal y, si ocurre, es por un período corto (frecuencia $< 10 horas/año$). Escapes de grado secundario.

Modos de Protección Eléctrica y Metodologías de Seguridad Ex

La filosofía de seguridad en entornos ATEX se basa en tres principios de prevención físico-química: confinamiento de la explosión (aislamiento), prevención de la ignición (limitación térmica y eléctrica) y segregación de la atmósfera inflamable. Las normas de la serie IEC 60079 definen los requisitos constructivos y de ensayo para cada modo de protección.

Envolventes a Prueba de Explosión "Ex d" (IEC 60079-1)

El modo de protección Ex d se fundamenta en la teoría de enfriamiento de llama mediante contención física. La envolvente soporta la presión interna generada por la deflagración de una mezcla gaseosa que haya penetrado en su interior sin sufrir deformación permanente ni grietas. Simultáneamente, la llama o los gases de combustión calientes escapan a través de las juntas de unión (juntas plano-paralelas, cilíndricas, roscadas o de laberinto).

A medida que los gases de combustión atraviesan la junta de longitud $L$, transfieren calor a las masas metálicas de las cubiertas de la envolvente. El ancho del intersticio o separación de la junta $i_o$ está rigurosamente dimensionado para garantizar que la temperatura de la llama residual que emerge al exterior sea inferior a la temperatura de autoignición de la atmósfera circundante. La condición límite para evitar la transmisión de llama viene dada por la ecuación de balance térmico en el intersticio:

Donde $h$ es el coeficiente de transferencia de calor por convección y conducción en la brecha estreducha, $A_s$ es el área superficial del intersticio, y $T_{ gas }$ desciende por debajo de la temperatura crítica de reacción antes de alcanzar el volumen exterior.

Seguridad Aumentada "Ex e" (IEC 60079-7)

El método Ex e es un concepto de prevención de fallas aplicado a equipos que no producen arcos ni chispas en funcionamiento normal (motores de jaula de ardilla, luminarias, cajas de bornes). Se aplican coeficientes de seguridad elevados a los aislamientos eléctricos, se imponen distancias de aislamiento en el aire (clearance) y líneas de fuga (creepage) superiores a los estándares industriales convencionales, y se garantiza un grado de protección IP mínimo de IP54 (IP55/IP66 en ambientes severos).

Un parámetro crítico en motores Ex e es el tiempo del rotor bloqueado $t_E$. Este parámetro define el tiempo necesario para que un devanado alimentado con la corriente de arranque $I_A$, partiendo de la temperatura de régimen nominal a la temperatura ambiente máxima especificada, alcance la temperatura límite impuesta por la Clase de Temperatura (T1-T6) o el límite de degradación térmica del aislamiento dieléctrico. El relé de protección térmica asociado debe desconectar la máquina en un tiempo $t_{ disparo } < t_E$:

Seguridad Intrínseca "Ex i" (IEC 60079-11)

La Seguridad Intrínseca es la única técnica de protección aplicable en Zona 0 (con subnivel "ia"). Limita la energía eléctrica almacenada y liberada en los circuitos electrónicos a un nivel inferior al valor de la Energía Mínima de Ignición (MIE, Minimum Ignition Energy) del gas o vapor presente. La MIE para gases del Grupo IIC, como el hidrógeno, es de apenas $20\ \mu J$.

Un circuito intrínsecamente seguro se compone de un aparato asociado (barrera Zener o aislador galvánico) ubicado en zona segura, el cable de interconexión, y el aparato simple o intrínsecamente seguro situado en zona clasificada. La energía capacitiva e inductiva del circuito está acotada según las ecuaciones energéticas basales:

Los niveles de protección del modo Ex i se subdividen según el número de fallas contables simuladas simultáneamente sin perder la condición de seguridad:

• Ex ia: Seguro con dos fallas independientes contables ($N+2$). Apto para Zona 0, 1 y 2.
• Ex ib: Seguro con una falla contable ($N+1$). Apto para Zona 1 y 2.
• Ex ic: Seguro en funcionamiento normal sin fallas contables ($N+0$). Apto exclusivamente para Zona 2.

Presurización Purga "Ex p" (IEC 60079-2)

Consiste en mantener una sobrepresión positiva de un gas de purga inerte (nitrógeno o aire limpio) en el interior de la envolvente respecto a la atmósfera explosiva exterior (mínimo $50 Pa$ o $0.5 mbar$). De este modo, se impide mecánicamente el ingreso de gases o vapores inflamables a las partes energizadas no protegidas. Incluye sistemas de purga previa obligatorios para barrer cualquier mezcla explosiva presente antes del energizado.

Niveles de Protección del Equipo (EPL - Equipment Protection Level)

La norma IEC 60079-0 introduce el concepto de EPL para evaluar el riesgo global de los equipos independientemente del modo de protección específico adoptado, alineándose con las directivas internacionales:

Análisis Forense de Fallas Eléctrico-Térmicas en Atmósferas Explosivas

Las fallas en instalaciones ATEX conducen a igniciones desastrosas cuando se degradan los mecanismos de seguridad física de los equipos. El análisis forense electro-térmico revela patrones característicos de degradación estructural y eléctrica en instalaciones clasificadas.

Falla por Corrosión y Micro-Deformación en Juntas Deflagrantes "Ex d"

En ambientes marinos u petroquímicos agresivos, la penetración de humedad e iones cloruro en la brecha superficial de una junta plana de un envolvente Ex d induce corrosión por picadura y formación de óxidos volumétricos. La expansión del óxido de hierro ($Fe _2 O _3$) ejerce una presión mecánica sobre los pernos de fijación de la tapa, provocando el estiramiento plásticos o la micro-deformación del plano de la junta.

Cuando ocurre un evento de cortocircuito o descarga de arco interno en el equipo, el incremento de presión interna impulsado por la expansión del aire caliente y la vaporización de metales se calcula según el modelo termodinámico de gas ideal modificado:

Si el intersticio cinemático residual superó el límite del MESG debido a la deformación plana de la carcasa (p. ej., un aumento de $i_o$ de $0.15 mm$ a $0.65 mm$ para un grupo IIC), la onda de choque proyecta gases incandescentes a la atmósfera externa sin el enfriamiento convectivo necesario, provocando la ignición inmediata del entorno.

Falla Dieléctrica por Corrientes de Circulación y Sobretemperatura en Motores "Ex e"

Los motores de alta eficiencia en instalaciones Ex e operados mediante Variadores de Frecuencia (VFD) experimentan modos de falla acelerados causados por armónicos de alta frecuencia y sobrevoltajes repetitivos por reflexión de onda ($dV/dt$). Cuando la longitud del cable entre el VFD y el motor supera las distancias críticas, la impedancia del cable genera picos de tensión de resonancia que perforan el sistema de aislamiento de las ranuras del estator.

Simultáneamente, si las corrientes del eje (shaft currents) inducidas por el voltaje de secuencia cero no son derivadas a masa mediante anillos de puesta a tierra capacitivos certificados, circulan a través de los rodamientos. Las descargas por chispas de rotura dieléctrica en la película de lubricante (fluting) generan micro-soldaduras e incrementan la temperatura local del cojinete por encima del punto T-Class (p. ej., superando los $135^\circ C$ de un equipo T4), transformando el rodamiento en una fuente de ignición por alta temperatura superficial.

Falla por Ruptura Transitoria de Aislamiento en Lazos Intrínsecamente Seguros "Ex i"

Una causa común de falla en sistemas Ex ia radica en la inducción de sobretensiones transitorias asociadas a descargas atmosféricas o maniobras de conmutación en líneas adyacentes de media tensión. Si una red de instrumentación no cuenta con supresores de sobretensión coordinados (SPD) o si el cable apantallado se conecta a tierra en ambos extremos generando un bucle de tierra con una diferencia de potencial $\Delta V_{ GND } > 500 V _{ rms }$, la barrera dieléctrica del aislador galvánico o los diodos Zener sufren avalancha térmica por cortocircuito.

Al cortocircuitarse los diodos Zener en modo de falla abierto, la corriente de limitación se pierde. La fuente no regulada de la zona segura inyecta la totalidad del potencial nominal de red ($230 V _{ CA }$) directamente hacia el sensor instalado en Zona 0. La energía capacitiva resultante libera chispas de alta entalpía que sobrepasan instantáneamente la MIE del medio ambiental.

Criterios Rigurosos de Diseño, Dimensionado de Conductores y Selección de Aparellaje

El diseño de instalaciones eléctricas según la norma IEC 60079-14 exige la integración rigurosa de criterios térmicos, mecánicos y de estanqueidad para evitar la formación de arcos o la transmisión de gases.

Dimensionado Térmico y de Cortocircuito de Cables (IEC 60287 / IEC 60079-14)

Los cables instalados en áreas clasificadas no solo deben soportar la corriente de carga nominal $I_z$, sino que deben ser dimensionados con factores de reducción térmicos drásticos para evitar que la temperatura de la cubierta exterior supere el límite asignado a la Clase de Temperatura del proyecto.

La capacidad de transporte de corriente se determina corrigiendo la intensidad admisible en régimen permanente $I_0$ según los factores de influencia:

Asimismo, la sección mínima del conductor $S$ por la capacidad de soportar la corriente de cortocircuito durante el tiempo de actuación de la protección $t_k$ se calcula mediante la fórmula de calentamiento adiabático estipulada en IEC 60364-5-54:

Donde $k$ es la constante del material del conductor e aislamiento (p. ej., $k = 143 A \cdot s ^{1/2}/ mm ^2$ para cobre con aislamiento XLPE). En zonas ATEX, el despeje del cortocircuito debe ser instantáneo para evitar el sobrecalentamiento del conductor por encima de la temperatura de degradación del aislamiento ($250^\circ C$ en XLPE) que podría transferir calor conductivo al exterior del cable.

Selección de Prensacables y Sistemas de Sellado

La entrada de cables a envolventes Ex debe preservar la integridad del modo de protección del equipo. La elección entre prensacables de compresión directa o prensacables con barrera de resina (barrier glands) se rige por el diagrama de decisión normativo de la norma IEC 60079-14:

• Se requiere un prensacables con resina de sellado (Ex d barrier gland) si:
  1. El equipo es Ex d, la zona es Zona 1 o Zona 2, el volumen interno de la envolvente es superior a $2.0 litros$, y la atmósfera requiere subgrupo IIC.
  2. El cable utilizado no posee un relleno extruido de compuesto no higroscópico y compacto, lo que permitiría la migración interna de gases (efecto "tubo") a lo largo de los intersticios de los hilos conductores.
• Para equipos Ex e, se deben utilizar prensacables certificados Ex e provistos de arandelas de estanqueidad que garanticen un índice IP66, manteniendo las distancias de fuga mecánicas entre la rosca de entrada y las partes activas interiores.

Puesta a Tierra y Equipotencialidad

La prevención de chispas accidentales causadas por corrientes de fuga a tierra o descargas electrostáticas requiere un sistema de enlace equipotencial exhaustivo. En redes ATEX, el esquema de distribución neutro recomendado es el sistema TN-S, donde el conductor neutro (N) y el conductor de protección (PE) están estrictamente separados en toda la red. Queda prohibido el uso de sistemas TN-C en áreas clasificadas debido a la circulación permanente de corrientes de retorno por la cubierta o masa metálica del equipo.

Si se aplica un sistema IT (neutro aislado o impedante) por razones de continuidad de servicio, es obligatorio instalar un vigilante de aislamiento que dispare una alarma instantánea ante la primera falla a tierra, y un sistema de desconexión automática al producirse una segunda falla sobre un conductor fase diferente.

Todas las estructuras metálicas, bandejas portacables, tuberías de proceso y envolventes eléctricas deben conectarse a una red equipotencial primaria mediante conductores de cobre con una sección transversal mínima dada por:

La impedancia de la red de tierra debe asegurar una diferencia de potencial máxima entre cualquier punto metálico expuesto de la zona clasificada y la barra principal de tierra inferior a $15 V _{ rms }$ bajo condiciones de falla a tierra.

Evaluación y Simulación de Lazos Intrínsecamente Seguros y Coordinación de Protecciones en Vexten Suite

La verificación analítica y la simulación por software del comportamiento estático y dinámico de las instalaciones ATEX garantizan el cumplimiento estricto de las prescripciones normativas antes de la puesta en marcha.

Evaluación de Parámetros de Entidad en Lazos "Ex i"

La seguridad de un lazo intrínsecamente seguro depende de la compatibilidad matricial de los parámetros de entidad entre el equipo asociado (fuente/barrera) instalado en zona segura y el equipo intrínsecamente seguro (sensor/actuador) en zona clasificada, considerando la impedancia distribuida del cable de interconexión de longitud $L_{ cable }$:

Donde $c_c$ y $l_c$ representan la capacidad y inductancia parásita por unidad de longitud del cable (expresadas típicamente en $nF/km$ y $\mu H/km$ o $mH/km$). Adicionalmente, se debe comprobar la relación de inductancia a resistencia del cable ($L/R$):

Cálculo Práctico de Validación de un Lazo de Medición de Presión en Zona 0 (IIC T6)

Se evalúa un transmisor de presión de $4-20 mA$ ubicado en Zona 0 (requiere Ex ia IIC T6). Datos del sistema extraídos de las hojas de características técnicas:

• Aparato Asociado (Aislador Galvánico):
  • $U_o = 28 V$
  • $I_o = 93 mA$
  • $P_o = 0.65 W$
  • $C_o = 83 nF$ (para Grupo IIC)
  • $L_o = 4.2 mH$ (para Grupo IIC)
• Aparato Campo (Transmisor Ex ia IIC T6):
  • $U_i = 30 V$
  • $I_i = 100 mA$
  • $P_i = 0.75 W$
  • $C_i = 12 nF$
  • $L_i = 0.05 mH$
• Cable de Instrumentación AP-ATEX (Longitud $L = 350 metros$):
  • $c_c = 110 pF/m = 0.11 nF/m$
  • $l_c = 0.65\ \mu H/m = 0.00065 mH/m$
  • $r_c = 36\ \Omega/ km$ ($0.036\ \Omega/ m$)

Paso 1: Verificación de tensiones, corrientes y potencias máximas:

Paso 2: Verificación de Capacidad Total:

Paso 3: Verificación de Inductancia Total:

Simulación de Cortocircuito e Integración de Motores Ex e en Vexten Suite

En el módulo Vexten Power Flow & Short-Circuit Engine (basado en IEC 60909), el cálculo de la corriente de cortocircuito mínima desequilibrada ($I_{k1 min }$) en los bornes de un motor Ex e determina la velocidad de disparo del interruptor magnético o relé de sobrecorriente. Si la corriente de cortocircuito en el extremo final de la línea es demasiado baja debido a una elevada impedancia del bucle de falla ($Z_{ falla }$), el tiempo de respuesta del dispositivo de protección podría superar el tiempo límite de rotor bloqueado $t_E$.

Considérese un motor trifásico Ex e de $45 kW$, $400 V$, $50 Hz$, $I_N = 82 A$, con relación de arranque $I_A/I_N = 6.8$, y un tiempo de rotor bloqueado asignado de fábrica $t_E = 9 segundos$. La corriente de arranque es:

La curva de disparo del relé de protección térmica ajustada en Vexten Suite debe situarse estrictamente en la zona delimitada entre la corriente nominal y la de arranque, garantizando que para la corriente $I_A$, la protección abra la alimentación en un tiempo $t_{\text{ desconexión }}$:

Si la corriente de cortocircuito fase-tierra calculada por el motor de cálculo según IEC 60909 es:

Debido a que $I_{k1 min } (410 A ) < I_A (557.6 A )$, las protecciones magnéticas estándar fallarían en detectar el cortocircuito como un evento instantáneo, operando mediante la curva térmica lenta. En este escenario, Vexten Suite emite una alerta crítica de violación de norma ATEX, exigiendo la reconfiguración de la unidad de disparo a un diferencial de alta sensibilidad ($I_{\Delta n} = 300 mA$ instantáneo) o el incremento de la sección transversal del conductor para reducir la impedancia $Z_0$.

Tabla Comparativa Matricial de Parámetros de Protección y Límites Normativos

A continuación se consolidan las características técnicas, limitaciones operativas, normativas aplicables y parámetros mecánicos/eléctricos de los modos de protección Ex más representativos empleados en la industria moderna:

Modo de Protección	Norma IEC	EPL Típico	Zonas Permitidas	Mecanismo Físico Principal	Restricción Técnica Crítica	Modo de Falla Forense Predominante	Prueba Dieléctrica / Ensayo Crítico
Envolvente Antideflagrante (Ex d)	IEC 60079-1	Gb / Mb	Zona 1, Zona 2	Confinamiento de explosión e interrupción de llama por junta dimensional (MESG).	Mantenimiento de separación y rugosidad en brechas. Sin pintura en planos de unión.	Erosión/corrosión de juntas, deformación estructural de pernos por cortocircuito interno.	Ensayo de sobrepresión estática (hasta 4 veces la presión de referencia) y no transmisión de ignición.
Seguridad Aumentada (Ex e)	IEC 60079-7	Eb / Ec	Zona 1, Zona 2	Prevención de chispas, arcos y puntos calientes por diseño térmico-dieléctrico sobredimensionado.	Control del tiempo de rotor bloqueado ($t_E$). Estricto grado IP (mínimo IP54).	Ruptura de aislamiento de ranura por sobretensión de maniobra/VFD. Chispas en rodamientos.	Ensayo de rigidez dieléctrica ($2U_n + 1000 V$), prueba de resistencia al choque mecánico (7 Joules).
Seguridad Intrínseca (Ex ia)	IEC 60079-11	Ga / Da	Zona 0, 1, 2, 20, 21, 22	Limitación estricta de la energía eléctrica instantánea ($E < MIE$) por barreras energéticas.	Acreditación de parámetros de entidad ($U_o, I_o, P_o, C_o, L_o$). Inmunidad a fallas $N+2$.	Falla dieléctrica en aisladores galvánicos por descargas atmsféricas; mezcla de tierras.	Ensayo de ignición en aparato de chispas estandarizado (Cadmio/Tungsteno) con margen $1.5 \times$.
Seguridad Intrínseca (Ex ib)	IEC 60079-11	Gb / Db	Zona 1, Zona 2, 21, 22	Limitación energética apta ante la presencia de una sola falla contable ($N+1$).	Verificación de capacitancias e inductancias equivalentes del cable de campo.	Sobretensión transitoria acoplada que excede los diodos Zener internos sin redundancia.	Ensayo de chispa inductiva/capacitiva con factor de seguridad energual $1.5 \times$.
Presurización Purga (Ex p)	IEC 60079-2	Gb / Gc	Zona 1, Zona 2	Exclusión física de gases por sobrepresión interna con aire/gas inerte ($\Delta P > 50 Pa$).	Interbloqueo de seguridad: desenergización automática por pérdida de sobrepresión.	Avería en sensores de flujo/presión de purga; degradación de empaquetaduras de la puerta.	Prueba de estanqueidad, ensayo de sobrepresión estática máxima (1.5 veces la sobrepresión máxima).
Encapsulado (Ex m)	IEC 60079-18	Ma / Mb / Gc	Zona 0, Zona 1, Zona 2	Segregación física completa de componentes eléctricos mediante resina termoestable.	Espesor mínimo de resina, rigidez dieléctrica de la resina, límite térmico continuo.	Agrietamiento de la resina por ciclos térmicos severos, permitiendo la penetración de gas.	Prueba de choque térmico, acondicionamiento de humedad, ensayo de absorción de agua.
Protección Polvo por Envolvente (Ex t)	IEC 60079-31	Da / Db / Dc	Zona 20, Zona 21, Zona 22	Prevención de la entrada de polvo mediante envolventes herméticas (IP6X) y control térmico superficial.	Temperatura máxima de superficie probada bajo capa de polvo de espesor definido ($5-50 mm$).	Deposición de polvo conductor (IIIC) sobre aislantes internos por degradación de junta IP.	Ensayo en cámara de polvo de talco con vacío interno negativo según ISO 20653 / IEC 60529.