Modos de proteção Ex d e Ex i em atmosferas explosivas

Fundamentos Físico-Químicos da Explosividade e Classificação de Áreas

A presença de atmosferas explosivas em instalações industriais requer uma compreensão rigorosa dos fenômenos de combustão rápida e detonação. Uma atmosfera explosiva é definida como a mistura com o ar, sob condições atmosféricas, de substâncias inflamáveis na forma de gás, vapor, névoa ou poeira, na qual, após a ignição, a combustão se propaga para a totalidade da mistura não queimada. O fenômeno de deflagração em fase gasosa é governado pela cinética química da reação exotérmica de oxidação e pela dinâmica de fluidos da onda de pressão gerada.

Para determinar o potencial de explosividade de um fluido, é imperativo analisar a faixa de inflamabilidade delimitada pelo Limite Inferior de Explosividade (LEL ou LIE) e pelo Limite Superior de Explosividade (UEL ou LSE). Entre esses limites, a concentração de combustível e comburente (oxigênio) permite a propagação autossustentada da chama. A estequiometria da reação define o ponto de máxima severidade da explosão, no qual a pressão máxima de explosão $P_{\max}$ e a taxa máxima de elevação de pressão $(dP/dt)_{\max}$ atingem seus valores de pico.

A dinâmica do incremento de pressão em um volume fechado $V$ segue a lei cúbica das explosões de gases, onde a constante de deflagração do gás $K_g$ caracteriza a reatividade do sistema:

Onde $K_g$ é expresso em $bar \cdot m/s$. Esse valor permite classificar os gases segundo sua violência explosiva e está intimamente ligado aos parâmetros fundamentais de ignição: o Interstício Máximo Experimental de Segurança (MESG, Maximum Experimental Safe Gap) e a Corrente Mínima de Ignição (MIC, Minimum Igniting Current).

O MESG representa a separação máxima entre duas partes de uma câmara de ensaio padronizada (IEC 60079-1-1) que, quando uma mistura gasosa interna é inflamada, impede a ignição da mesma mistura no exterior através de uma junta de comprimento determinado (habitualmente $25 mm$). A MIC é a corrente mínima capaz de inflamar uma mistura gasosa mediante uma faísca de descarga indutiva ou capacitiva em um aparelho de ensaio padronizado, comparada com a corrente requerida para o metano.

A partir do MESG e da razão MIC (em relação ao metano), a norma IEC 60079-0 classifica os gases do Grupo II (instalações de superfície) em três subdivisões de severidade crescente:

• Grupo IIA: $MESG > 0.9 mm$ e $MIC > 0.8$. Exemplo: Propano, Metano industrial, Gasolina.
• Grupo IIB: $0.5 mm \le MESG \le 0.9 mm$ ou $0.45 \le MIC \le 0.8$. Exemplo: Etileno, Ciclopropano.
• Grupo IIC (Subgrupo IIB+H2): Requer rigor extremo; os gases do Grupo IIC possuem $MESG < 0.5 mm$ ou $MIC < 0.45$. Exemplo: Hidrogênio, Acetileno, Dissulfeto de carbono.

Para poeiras combustíveis (Grupo III), a classificação depende da natureza e resistividade elétrica do material em suspensão ou camada (IEC 60079-10-2):

• Grupo IIIA: Partículas de poeira inflamáveis (diâmetro $> 500\ \mu m$).
• Grupo IIIB: Poeira não condutora (resistividade $\rho_e > 10^3\ \Omega\cdot m$).
• Grupo IIIC: Poeira condutora (resistividade $\rho_e \le 10^3\ \Omega\cdot m$), a qual apresenta o maior risco devido à combinação de explosão por dispersão e curto-circuito por deposição sobre isolamentos elétricos.

A avaliação da temperatura de autoignição ($T_{ auto }$) determina a Classe de Temperatura do equipamento (T1 a T6). Nenhuma superfície exposta do equipamento elétrico instalado dentro da área classificada deve superar a temperatura máxima de superfície correspondente, incluindo uma margem de segurança em relação à temperatura de ignição do gás ou poeira presente:

As Classes de Temperatura são resumidas na relação padronizada: T1 ($\le 450^\circ C$), T2 ($\le 300^\circ C$), T3 ($\le 200^\circ C$), T4 ($\le 135^\circ C$), T5 ($\le 100^\circ C$) e T6 ($\le 85^\circ C$).

A classificação de áreas (IEC 60079-10-1 para gases, IEC 60079-10-2 para poeiras) é um processo probabilístico baseado na frequência e duração da presença de uma atmosfera explosiva de gás (G) ou poeira (D):

• Zona 0 / Zona 20: Presença permanente, por longos períodos ou com frequência alta (frequência $> 1000 horas/ano$). Fontes de liberação de grau contínuo.
• Zona 1 / Zona 21: Provável a formação de atmosfera explosiva em funcionamento normal (frequência entre $10 e 1000 horas/ano$). Fontes de liberação de grau primário.
• Zona 2 / Zona 22: Não é provável em funcionamento normal e, se ocorrer, é por um período curto (frequência $< 10 horas/ano$). Fontes de liberação de grau secundário.

Modos de Proteção Elétrica e Metodologias de Segurança Ex

A filosofia de segurança em ambientes ATEX baseia-se em três princípios de prevenção físico-química: confinamento da explosão (isolamento), prevenção da ignição (limitação térmica e elétrica) e segregação da atmosfera inflamável. As normas da série IEC 60079 definem os requisitos construtivos e de ensaio para cada modo de proteção.

Involucros À Prova de Explosão "Ex d" (IEC 60079-1)

O modo de proteção Ex d fundamenta-se na teoria de resfriamento da chama mediante contenção física. O involucro suporta a pressão interna gerada pela deflagração de uma mistura gasosa que tenha penetrado em seu interior sem sofrer deformação permanente nem trincas. Simultaneamente, a chama ou os gases de combustão quentes escapam através das juntas de vedação (juntas plano-paralelas, cilíndricas, roscadas ou em labirinto).

À medida que os gases de combustão atravessam a junta de comprimento $L$, transferem calor para as massas metálicas das tampas do involucro. A largura do interstício ou folga da junta $i_o$ é rigorosamente dimensionada para garantir que a temperatura da chama residual que emerge para o exterior seja inferior à temperatura de autoignição da atmosfera circundante. A condição limite para evitar a transmissão de chama é dada pela equação de balanço térmico no interstício:

Onde $h$ é o coeficiente de transferência de calor por convecção e condução na fresta estreita, $A_s$ é a área superficial do interstício, e $T_{\text{ gás }}$ cai abaixo da temperatura crítica de reação antes de atingir o volume exterior.

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

O método Ex e é um conceito de prevenção de falhas aplicado a equipamentos que não produzem arcos nem faíscas em funcionamento normal (motores de gaiola de esquilo, luminárias, caixas de bornes). São aplicados coeficientes de segurança elevados aos isolamentos elétricos, impõem-se distâncias de isolamento no ar (clearance) e linhas de fuga (creepage) superiores aos padrões industriais convencionais, e garante-se um grau de proteção IP mínimo de IP54 (IP55/IP66 em ambientes severos).

Um parâmetro crítico em motores Ex e é o tempo de rotor bloqueado $t_E$. Este parâmetro define o tempo necessário para que um enrolamento alimentado com a corrente de partida $I_A$, partindo da temperatura de regime nominal à temperatura ambiente máxima especificada, atinja a temperatura limite imposta pela Classe de Temperatura (T1-T6) ou o limite de degradação térmica do isolamento dielétrico. O relé de proteção térmica associado deve desconectar a máquina em um tempo $t_{ disparo } < t_E$:

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

A Segurança Intrínseca é a única técnica de proteção aplicável em Zona 0 (com subnível "ia"). Limita a energia elétrica armazenada e liberada nos circuitos eletrônicos a um nível inferior ao valor da Energia Mínima de Ignição (MIE, Minimum Ignition Energy) do gás ou vapor presente. A MIE para gases do Grupo IIC, como o hidrogênio, é de apenas $20\ \mu J$.

Um circuito intrinsecamente seguro é composto por um aparelho associado (barreira Zener ou isolador galvânico) localizado em área segura, o cabo de interconexão, e o aparelho simples ou intrinsecamente seguro situado em área classificada. A energia capacitiva e indutiva do circuito é delimitada segundo as equações energéticas fundamentais:

Os níveis de proteção do modo Ex i subdividem-se segundo o número de falhas contáveis simuladas simultaneamente sem perder a condição de segurança:

• Ex ia: Seguro com duas falhas independentes contáveis ($N+2$). Adequado para Zona 0, 1 e 2.
• Ex ib: Seguro com uma falha contável ($N+1$). Adequado para Zona 1 e 2.
• Ex ic: Seguro em funcionamento normal sem falhas contáveis ($N+0$). Adequado exclusivamente para Zona 2.

Pressurização e Purga "Ex p" (IEC 60079-2)

Consiste em manter uma sobrepressão positiva de um gás de purga inerte (nitrogênio ou ar limpo) no interior do involucro em relação à atmosfera explosiva exterior (mínimo de $50 Pa$ ou $0.5 mbar$). Deste modo, impede-se mecanicamente a entrada de gases ou vapores inflamáveis às partes energizadas não protegidas. Inclui sistemas de purga prévia obrigatórios para varrer qualquer mistura explosiva presente antes do energizamento.

Níveis de Proteção do Equipamento (EPL - Equipment Protection Level)

A norma IEC 60079-0 introduz o conceito de EPL para avaliar o risco global dos equipamentos independentemente do modo de proteção específico adotado, alinhando-se com as diretivas internacionais:

Análise Forense de Falhas Elétrico-Térmicas em Atmosferas Explosivas

As falhas em instalações ATEX levam a ignições desastrosas quando os mecanismos de segurança física dos equipamentos são degradados. A análise forense eletrotérmica revela padrões característicos de degradação estrutural e elétrica em instalações classificadas.

Falha por Corrosão e Microdeformação em Juntas Antideflagrantes "Ex d"

Em ambientes marinhos ou petroquímicos agressivos, a penetração de umidade e íons cloreto na fresta superficial de uma junta plana de um involucro Ex d induz corrosão por pite e formação de óxidos volumétricos. A expansão do óxido de ferro ($Fe _2 O _3$) exerce uma pressão mecânica sobre os parafusos de fixação da tampa, provocando o estiramento plástico ou a microdeformação do plano da junta.

Quando ocorre um evento de curto-circuito ou descarga de arco interno no equipamento, o incremento de pressão interna impulsionado pela expansão do ar quente e pela vaporização de metais é calculado segundo o modelo termodinâmico de gás ideal modificado:

Se o interstício cinemático residual ultrapassou o limite do MESG devido à deformação plana da carcaça (por exemplo, um aumento de $i_o$ de $0.15 mm$ para $0.65 mm$ para um grupo IIC), a onda de choque projeta gases incandescentes para a atmosfera externa sem o resfriamento convectivo necessário, provocando a ignição imediata do entorno.

Falha Dielétrica por Correntes de Circulação e Sobretemperatura em Motores "Ex e"

Os motores de alta eficiência em instalações Ex e acionados por Inversores de Frequência (VFD) experimentam modos de falha acelerados causados por harmônicos de alta frequência e sobretensões repetitivas por reflexão de onda ($dV/dt$). Quando o comprimento do cabo entre o VFD e o motor supera as distâncias críticas, a impedância do cabo gera picos de tensão de ressonância que perfuram o sistema de isolamento das ranhuras do estator.

Simultaneamente, se as correntes de eixo (shaft currents) induzidas pela tensão de sequência zero não forem derivadas à massa mediante anéis de aterramento capacitivos certificados, elas circulam através dos rolamentos. As descargas por faíscas de ruptura dielétrica na película de lubrificante (fluting) geram microssoldas e incrementam a temperatura local do mancal acima do ponto da Classe T (por exemplo, superando os $135^\circ C$ de um equipamento T4), transformando o rolamento em uma fonte de ignição por alta temperatura superficial.

Falha por Ruptura Transitória de Isolamento em Laços Intrinsecamente Seguros "Ex i"

Uma causa comum de falha em sistemas Ex ia reside na indução de sobretensões transitórias associadas a descargas atmosféricas ou manobras de chaveamento em linhas adjacentes de média tensão. Se uma rede de instrumentação não conta com supressores de surto coordenados (DPS) ou se o cabo blindado é aterrado em ambas as extremidades gerando um loop de terra com uma diferença de potencial $\Delta V_{ GND } > 500 V _{ rms }$, a barreira dielétrica do isolador galvânico ou os diodos Zener sofrem avalanche térmica por curto-circuito.

Ao entrarem em curto-circuito os diodos Zener em modo de falha aberto, a limitação de corrente é perdida. A fonte não regulada da área segura injeta a totalidade do potencial nominal da rede ($230 V _{ CA }$) diretamente no sensor instalado na Zona 0. A energia capacitiva resultante libera faíscas de alta entalpia que ultrapassam instantaneamente a MIE do meio ambiente.

Critérios Rigorosos de Projeto, Dimensionamento de Condutores e Seleção de Aparelhagem

O projeto de instalações elétricas segundo a norma IEC 60079-14 exige a integração rigorosa de critérios térmicos, mecânicos e de estanqueidade para evitar a formação de arcos ou a transmissão de gases.

Dimensionamento Térmico e de Curto-Circuito de Cabos (IEC 60287 / IEC 60079-14)

Os cabos instalados em áreas classificadas não devem apenas suportar a corrente de carga nominal $I_z$, mas precisam ser dimensionados com fatores de redução térmicos drásticos para evitar que a temperatura da cobertura exterior supere o limite atribuído à Classe de Temperatura do projeto.

A capacidade de condução de corrente é determinada corrigindo a intensidade admissível em regime permanente $I_0$ segundo os fatores de influência:

Da mesma forma, a seção transversal mínima do condutor $S$ pela capacidade de suportar a corrente de curto-circuito durante o tempo de atuação da proteção $t_k$ é calculada mediante a fórmula de aquecimento adiabático estipulada na IEC 60364-5-54:

Onde $k$ é a constante do material do condutor e do isolamento (por exemplo, $k = 143 A \cdot s ^{1/2}/ mm ^2$ para cobre com isolamento XLPE). Em zonas ATEX, a eliminação do curto-circuito deve ser instantânea para evitar o sobreaquecimento do condutor acima da temperatura de degradação do isolamento ($250^\circ C$ no XLPE), o que poderia transferir calor condutivo para o exterior do cabo.

Seleção de Prensa-Cabos e Sistemas de Vedação

A entrada de cabos em involucros Ex deve preservar a integridade do modo de proteção do equipamento. A escolha entre prensa-cabos de compressão direta ou prensa-cabos com barreira de resina (barrier glands) é regida pelo fluxograma de decisão normativo da IEC 60079-14:

• É necessário um prensa-cabos com resina de vedação (Ex d barrier gland) se:
  1. O equipamento for Ex d, a área for Zona 1 ou Zona 2, o volume interno do involucro for superior a $2.0 litros$, e a atmosfera requerer o subgrupo IIC.
  2. O cabo utilizado não possuir um preenchimento extrudado de composto não higroscópico e compacto, o que permitiria a migração interna de gases (efeito "tubo") ao longo dos interstícios dos fios condutores.
• Para equipamentos Ex e, devem ser utilizados prensa-cabos certificados Ex e providos de arruelas de vedação que garantam um índice IP66, mantendo as distâncias de fuga mecânicas entre a rosca de entrada e as partes ativas internas.

Aterramento e Equipotencialização

A prevenção de faíscas acidentais causadas por correntes de fuga à terra ou descargas eletrostáticas requer um sistema de ligação equipotencial exaustivo. Em redes ATEX, o esquema de distribuição do neutro recomendado é o sistema TN-S, no qual o condutor neutro (N) e o condutor de proteção (PE) são estritamente separados em toda a rede. É proibido o uso de sistemas TN-C em áreas classificadas devido à circulação permanente de correntes de retorno pela cobertura ou massa metálica do equipamento.

Se um sistema IT (neutro isolado ou impedante) for aplicado por razões de continuidade de serviço, é obrigatório instalar um supervisor de isolamento que ative um alarme instantâneo diante da primeira falha à terra, e um sistema de desligamento automático ao ocorrer uma segunda falha em um condutor de fase diferente.

Todas as estruturas metálicas, leitos de cabos, tubulações de processo e involucros elétricos devem ser conectados a uma rede equipotencial primária mediante condutores de cobre com uma seção transversal mínima dada por:

A impedância da rede de aterramento deve assegurar uma diferença de potencial máxima entre qualquer ponto metálico exposto da área classificada e a barra principal de terra inferior a $15 V _{ rms }$ sob condições de falha à terra.

Avaliação e Simulação de Laços Intrinsecamente Seguros e Coordenação de Proteções no Vexten Suite

A verificação analítica e a simulação por software do comportamento estático e dinâmico das instalações ATEX garantem o cumprimento estrito das prescrições normativas antes do comissionamento.

Avaliação de Parâmetros de Entidade em Laços "Ex i"

A segurança de um laço intrinsecamente seguro depende da compatibilidade matricial dos parâmetros de entidade entre o equipamento associado (fonte/barreira) instalado em área segura e o equipamento intrinsecamente seguro (sensor/atuador) em área classificada, considerando a impedância distribuída do cabo de interconexão de comprimento $L_{ cabo }$:

Onde $c_c$ e $l_c$ representam a capacitância e a indutância parasita por unidade de comprimento do cabo (expressas tipicamente em $nF/km$ e $\mu H/km$ ou $mH/km$). Adicionalmente, deve-se comprovar a razão de indutância para resistência do cabo ($L/R$):

Cálculo Prático de Validação de um Laço de Medição de Pressão em Zona 0 (IIC T6)

Avalia-se um transmissor de pressão de $4-20 mA$ localizado na Zona 0 (requer Ex ia IIC T6). Dados do sistema extraídos das folhas de dados técnicos:

• Aparelho Associado (Isolador Galvânico):
  • $U_o = 28 V$
  • $I_o = 93 mA$
  • $P_o = 0.65 W$
  • $C_o = 83 nF$ (para Grupo IIC)
  • $L_o = 4.2 mH$ (para Grupo IIC)
• Aparelho de Campo (Transmissor Ex ia IIC T6):
  • $U_i = 30 V$
  • $I_i = 100 mA$
  • $P_i = 0.75 W$
  • $C_i = 12 nF$
  • $L_i = 0.05 mH$
• Cabo de Instrumentação AP-ATEX (Comprimento $L = 350 metros$):
  • $c_c = 110 pF/m = 0.11 nF/m$
  • $l_c = 0.65\ \mu H/m = 0.00065 mH/m$
  • $r_c = 36\ \Omega/ km$ ($0.036\ \Omega/ m$)

Passo 1: Verificação de tensões, correntes e potências máximas:

Passo 2: Verificação de Capacitância Total:

Passo 3: Verificação de Indutância Total:

Simulação de Curto-Circuito e Integração de Motores Ex e no Vexten Suite

No módulo Vexten Power Flow & Short-Circuit Engine (baseado na IEC 60909), o cálculo da corrente de curto-circuito mínima desequilibrada ($I_{k1 min }$) nos terminais de um motor Ex e determina a velocidade de disparo do disjuntor magnético ou relé de sobrecorrente. Se a corrente de curto-circuito na extremidade final da linha for muito baixa devido a uma elevada impedância do loop de falha ($Z_{ falha }$), o tempo de resposta do dispositivo de proteção poderá superar o tempo limite de rotor bloqueado $t_E$.

Considere-se um motor trifásico Ex e de $45 kW$, $400 V$, $50 Hz$, $I_N = 82 A$, com razão de partida $I_A/I_N = 6.8$, e um tempo de rotor bloqueado atribuído de fábrica $t_E = 9 segundos$. A corrente de partida é:

A curva de disparo do relé de proteção térmica ajustada no Vexten Suite deve situar-se estritamente na zona delimitada entre a corrente nominal e a de partida, garantindo que para a corrente $I_A$, a proteção abra a alimentação em um tempo $t_{ desligamento }$:

Se a corrente de curto-circuito fase-terra calculada pelo motor de cálculo segundo a IEC 60909 for:

Pelo fato de $I_{k1 min } (410 A ) < I_A (557.6 A )$, as proteções magnéticas padrão falhariam em detectar o curto-circuito como um evento instantâneo, operando mediante a curva térmica lenta. Neste cenário, o Vexten Suite emite um alerta crítico de violação da norma ATEX, exigindo a reconfiguração da unidade de disparo para um diferencial de alta sensibilidade ($I_{\Delta n} = 300 mA$ instantâneo) ou o incremento da seção transversal do condutor para reduzir a impedância $Z_0$.

Tabela Comparativa Matricial de Parâmetros de Proteção e Limites Normativos

A seguir, consolidam-se as características técnicas, limitações operacionais, normas aplicáveis e parâmetros mecânicos/elétricos dos modos de proteção Ex mais representativos empregados na indústria moderna:

Modo de Proteção	Norma IEC	EPL Típico	Zonas Permitidas	Mecanismo Físico Principal	Restrição Técnica Crítica	Modo de Falha Forense Predominante	Ensaio Dielétrico / Teste Crítico
Involucro À Prova de Explosão (Ex d)	IEC 60079-1	Gb / Mb	Zona 1, Zona 2	Confinamento da explosão e interrupção de chama por junta dimensional (MESG).	Manutenção da separação e rugosidade nas frestas. Sem pintura nos planos de união.	Erosão/corrosão de juntas, deformação estrutural de parafusos por curto-circuito interno.	Ensaio de sobrepressão estática (até 4 vezes a pressão de referência) e não transmissão de ignição.
Segurança Aumentada (Ex e)	IEC 60079-7	Eb / Ec	Zona 1, Zona 2	Prevenção de faíscas, arcos e pontos quentes por projeto térmico-dielétrico sobredimensionado.	Controle do tempo de rotor bloqueado ($t_E$). Estrito grau IP (mínimo IP54).	Ruptura do isolamento da ranhura por sobretensão de manobra/VFD. Faíscas em rolamentos.	Ensaio de rigidez dielétrica ($2U_n + 1000 V$), teste de resistência ao impacto mecânico (7 Joules).
Segurança Intrínseca (Ex ia)	IEC 60079-11	Ga / Da	Zona 0, 1, 2, 20, 21, 22	Limitação estrita da energia elétrica instantânea ($E < MIE$) por barreiras energéticas.	Acreditação de parâmetros de entidade ($U_o, I_o, P_o, C_o, L_o$). Imunidade a falhas $N+2$.	Falha dielétrica em isoladores galvânicos por descargas atmosféricas; mistura de aterramentos.	Ensaio de ignição em aparelho de faíscas padronizado (Cádmio/Tungstênio) com margem de $1.5 \times$.
Segurança Intrínseca (Ex ib)	IEC 60079-11	Gb / Db	Zona 1, Zona 2, 21, 22	Limitação energética adequada diante da presença de uma única falha contável ($N+1$).	Verificação de capacitâncias e indutâncias equivalentes do cabo de campo.	Sobretensão transitória acoplada que excede os diodos Zener internos sem redundância.	Ensaio de faísca indutiva/capacitiva com fator de segurança energético de $1.5 \times$.
Pressurização e Purga (Ex p)	IEC 60079-2	Gb / Gc	Zona 1, Zona 2	Exclusão física de gases por sobrepressão interna com ar/gás inerte ($\Delta P > 50 Pa$).	Intertravamento de segurança: desenergização automática por perda de sobrepressão.	Avaria em sensores de fluxo/pressão de purga; degradação de gaxetas de vedação da porta.	Teste de estanqueidade, ensaio de sobrepressão estática máxima (1.5 vezes a sobrepressão máxima).
Encapsulamento (Ex m)	IEC 60079-18	Ma / Mb / Gc	Zona 0, Zona 1, Zona 2	Segregação física completa de componentes elétricos mediante resina termofixa.	Espessura mínima de resina, rigidez dielétrica da resina, limite térmico contínuo.	Trincamento da resina por ciclos térmicos severos, permitindo a penetração de gás.	Teste de choque térmico, condicionamento de umidade, ensaio de absorção de água.
Proteção Contra Ignição de Poeira por Involucro (Ex t)	IEC 60079-31	Da / Db / Dc	Zona 20, Zona 21, Zona 22	Prevenção da entrada de poeira mediante involucros herméticos (IP6X) e controle térmico superficial.	Temperatura máxima de superfície testada sob camada de poeira de espessura definida ($5-50 mm$).	Deposição de poeira condutora (IIIC) sobre isolantes internos por degradação da junta IP.	Ensaio em câmara de poeira de talco com váCuO interno negativo segundo ISO 20653 / IEC 60529.