Equipamentos com tipo de proteção por segurança aumentada – Ex “eb” / Ex “ec”

Os equipamentos com tipo de proteção Ex “e” (segurança aumentada) são fabricados com medidas adicionais de proteção para reduzir, com elevado grau de certeza, a possibilidade de ocorrência de temperaturas excessivas e de arcos e centelhas no interior ou no exterior destes equipamentos elétricos, as quais não ocorrem em operação normal.

Deve ser ressaltado que uma atmosfera explosiva contendo gases inflamáveis presente no local da instalação pode eventualmente ingressar no interior do invólucro Ex “e”, fazendo desta forma com que exista um elevado grau de segurança, contra a possibilidade de ocorrência de pontos quentes com temperaturas acima da temperatura limite e da ocorrência fontes de ignição no interior do equipamento e em partes expostas a atmosferas explosivas.

Em caso de ocorrência de eventuais situações previstas de sobrecarga, os equipamentos Ex “e” devem atender a requisitos específicos sobre tópicos, como conectores, fiação, componentes, distâncias de isolação no ar e distâncias medidas sobre os materiais isolantes (distâncias de escoamento), impactos mecânicos, resistência à vibração e grau de proteção contra ingresso de água e poeira no interior do invólucro.

Esta técnica de proteção por segurança aumentada é aplicável a equipamentos elétricos que não geram centelhas ou temperaturas elevadas em condições normais de operação e sob algumas condições anormais especificadas na respectiva Norma.

Podem ser citados com exemplos “típicos” de equipamentos nos quais é normalmente aplicada o tipo de proteção segurança aumentada Ex “e”, eventualmente incluindo a “combinação” com outros tipos de proteção: Motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo, transformadores de potência, transformadores de corrente (eletromagnéticos e com bobina de Rogowski) e transformadores de tensão, instrumentos de medição, luminárias, caixas de terminais, caixas de junção e caixas de conexão para equipamentos elétricos e invólucros de equipamentos e painéis “Ex” de instrumentação, automação, elétricos e de telecomunicações.

Sob o ponto de vista histórico, o tipo de proteção de equipamentos para instalação em atmosferas explosivas por segurança aumentada foi desenvolvido durante a década de 1940 na Alemanha, sendo inicialmente normalizada na Norma alemã VDE 0170 – Parte 6, posteriormente na Norma Europeia CENELEC EN 50019 em 1977 e no presente momento definida na Norma Brasileira ABNT NBR IEC 60079‑7.

Em 1906 já havia sido publicado pelo diretor do Laboratório de pesquisa para minas de carvão BVS (Bergbau Versuchsstrecke – Mining Test Facility) da Alemanha, o resultado de um estudo investigativo que fundamentalmente descrevia os princípios de proteção de invólucro à prova de explosão e outras técnicas de proteção de equipamentos para instalação em atmosferas explosivas, como imersão em óleo e a segurança aumentada.

No final da década de 1940, após a segunda Guerra mundial, o Instituto de Física e Técnica da Alemanha (Physikalisch Technische Bundesanstalt – PTB), na época ainda denominado Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR), realizou uma pesquisa completa para a implantação de desenvolvimentos adicionais para este conceito de proteção de equipamentos “Ex”, os quais já haviam sido incluídos na primeira edição da Norma alemã VDE 0170-6 sobre o tipo de proteção segurança aumentada (erhöhte Sicherheit).

Estas pesquisas determinaram as medidas necessárias para se evitar o risco da ocorrência de centelhas ou temperaturas superficiais excessivas de equipamentos elétricos destinados a instalação em áreas classificadas contendo gases inflamáveis, por meio da utilização de dispositivos especiais de terminais para a fixação de cabos, maiores distâncias de isolação e de escoamento, alta qualidade de materiais isolantes, bem como de sistemas de limitação e de monitoração de temperatura.

A maior ênfase nestas pesquisas do PTB sobre a segurança aumentada foi dada aos motores elétricos “Ex”. Participaram destes estudos e pesquisas, juntamente com o PTB, alguns tradicionais fabricantes de motores elétricos, como Siemens, AEG e Loher.

Do ponto de vista construtivo, muitos equipamentos com tipo de proteção Ex “e” se distinguem “visualmente” de outros equipamentos industriais para aplicação em áreas não classificadas, somente pela sua marcação. Por este motivo, um grande desafio, quando do lançamento deste tipo de proteção Ex “e”, na década de 1950, foi convencer as autoridades e usuários dos diversos países da Europa e de outros continentes, de sua aplicação segura mesmo em áreas classificadas Zona 1, com base na normalização na qual os fabricantes de equipamentos “Ex” da Alemanha e o PTB tinham estado ativamente envolvidos ao longo das décadas anteriores.

Os resultados das pesquisas realizadas pelo PTB permaneceram por algumas décadas, como sendo uma técnica de proteção “Ex” particularmente utilizada pela Alemanha e posteriormente nos demais países Europeus. A letra inicial “e”, proveniente do termo em alemão “segurança aumentada” (erhöhte sicherheit) se tornou o símbolo internacional do tipo de proteção Ex “e”, o qual foi reconhecido com a publicação da primeira edição da Norma IEC 79-7, elaborada pelo TC-31 da IEC em 1969.

Equipamentos nos quais arcos ou centelhas ou altas temperaturas possam ocorrer durante operação normal (como disjuntores, contatores, relés e chaves de força) não podem ser fabricados somente com este tipo de proteção Ex “e”,

O tipo de proteção Ex “e” não é aplicável a equipamentos ou componentes elétricos que geram centelhas em condições normais de operação, como disjuntores, contatores, chaves, relés e botões de comando, uma vez que esta técnica de proteção se baseia no conceito da prevenção da geração de centelhas. Para a proteção de componentes centelhantes são aplicáveis outros tipos de proteção “Ex”, como os componentes individualmente certificados contendo invólucros plásticos do tipo “à prova de explosão” e terminais externos em segurança aumentada, com proteção combinada Ex “db eb IIC Gb”.

A técnica de proteção “Ex” por segurança aumentada provê aos equipamentos um nível de proteção de equipamento (Equipment Protection Level) EPL Gb ou EPL Gc, o que os tornam seguros para instalação em áreas classificadas Zona 1 ou Zona 2 respectivamente. Desta forma, com o nível de proteção Gb, os equipamentos Ex “eb” podem ser instalados até mesmo em locais onde a presença de atmosferas explosivas possa ocorrer em condições normais de operação dos equipamentos de processo.

A Norma Técnica Brasileira adotada ABNT NBR IEC 60079-7 (Atmosferas explosivas – Parte 7: Proteção de equipamentos por segurança aumentada “e”) estabelece os requisitos normativos para o projeto, avaliação, fabricação e ensaios destes tipos de equipamentos “Ex”. Esta Norma Técnica Brasileira foi elaborada e vem sendo periodicamente atualizada por Comissão de Estudo do Subcomitê SCB 003:031 (Atmosferas explosivas) da ABNT/CB/003 (Eletricidade), sendo inicialmente publicada pela ABNT em 2008 (cancelando a Norma ABNT NBR 9883/1995 até então existente) e posteriormente atualizada em 2018, estabelecendo os requisitos normativos para o projeto, avaliação, fabricação e ensaios destes tipos de equipamentos “Ex”.

De acordo com este tipo de proteção Ex “e”, os requisitos de fabricação requeridos devem proporcionar um elevado nível de segurança contra a geração de fontes de ignição durante operação normal. Em caso de ocorrência de eventuais situações previstas de sobrecarga, a fabricação deve atender a requisitos específicos sobre diversos tópicos, como conectores, fiação, componentes, distâncias de isolação no ar e distâncias medidas por sobre os materiais isolantes (distâncias de escoamento), impactos mecânicos, resistência à vibração, grau de proteção contra ingresso de água e poeira no interior dos invólucros. Particularmente para o tipo de proteção Ex “eb”, atenção deve ser dada para as partes dos equipamentos elétricos que poderiam apresentar grandes alterações de temperatura, como os enrolamentos de um motor elétrico Ex “e”, em eventuais casos de travamento de seu rotor.

 

As medidas de projeto de fabricação fazem com que os equipamentos Ex “e” não se tornem uma fonte de ignição, mesmo na eventual ocorrência de uma falha de operação. Este requisito é atingido principalmente pelas seguintes medidas de segurança:

 

• Evitar influências externas, por meio do grau de proteção mínimo IP54 (Normas Técnicas Brasileiras adotadas ABNT NBR IEC 60529 e ABNT NBR IEC 60034-5), invólucros resistentes a impactos e entradas de cabos especiais
• Evitar a ocorrência de centelhas e arcos, por meio de distâncias aumentada de isolação e de escoamento, requisitos especiais para materiais isolantes (por exemplo, redução da temperatura) e por meio de requisitos especiais para os terminais para fixação de cabos (por exemplo, por proteção contra auto afrouxamento)
• Evitar temperaturas capazes de causar uma ignição, por meio do projeto de fabricação dos equipamentos, de forma que não ocorra aquecimento não permitido, mesmo em casos de sobrecarga, por meio de monitoração de temperatura dos enrolamentos e desligamento (trip) automático.

Dependendo de suas aplicações específicas, os terminais para conexões elétricas são subdivididos em terminais para conexões externas aos equipamentos Ex “e” (conexões de campo) e terminais para conexões internas (conexões de fábrica para a fiação no interior dos equipamentos), bem como subdivididas em conexões permanentes ou desconectáveis. Cada tipo de terminal deve, sempre que aplicável, atender aos seguintes requisitos:

1. Ser construído de forma que os condutores não possam deslizar para locais fora de suas posições destinadas durante as operações de aperto dos respectivos parafusos ou após a inserção do cabo
2. Prover meios para evitar um auto afrouxamento das conexões durante operação em serviço
3. Serem fabricados de forma que um contato seja assegurado sem a ocorrência de danos aos condutores que poderiam prejudicar a capacidade destes condutores de desempenhar suas funções, mesmo nos casos de utilização de condutores multi-encordoados, em terminais destinados a conexão de condutores singelos
4. Proporcionar uma força positiva de compressão para assegurar uma pressão de contato em serviço
5. Ser construído de forma que o contato elétrico proporcionado não possa ser prejudicado por alterações de temperatura que possam ocorrer em serviço
6. Não ser especificado para acomodar mais do que um condutor individual no ponto de conexão, a menos que tenha sido especificamente projetado e avaliado para operar desta forma
7. Se for destinado a fixação de condutores encordoados, empregar um meio que proteja os condutores e que assegure uma distribuição uniforme de pressão sobre o cabo.

Quando comparada com as distâncias de isolação e de escoamento requeridas para equipamentos elétricos industriais “comuns” (para instalação em áreas não classificadas), as quais são determinadas nas Norma da Série IEC 60664 (Insulation coordination for equipment within low-voltage systems) para utilização em áreas ao tempo, para que sejam atendidos os requisitos de “segurança aumentada” e para impedir a ocorrência de arcos, as distâncias de isolação e de escoamento indicadas na Norma Técnica Brasileira adotada ABNT NBR IEC 60079-7, para cada nível de tensão nominal do equipamento, são consideravelmente mais elevadas, em geral por meio da aplicação de um fator de segurança, o qual foi inicialmente considerado como sendo de 1.5.

Como pode ser verificado, os conceitos “aumento” das distâncias de escoamento e das distâncias de isolação foram a base para o conceito de proteção por segurança “aumentada”. Estes conceitos são apresentados a seguir:

 

• Distância de escoamento (Creepage distance): a menor distância ao longo da superfície de um material isolante sólido, entre duas partes condutivas
• Distância de isolação (Clearance distance): a menor distância, no ar, entre duas partes condutivas

No tipo de proteção Ex “e” o valor das distâncias de escoamento depende da tensão de trabalho do equipamento, da condição da superfície das partes isolantes (grau de poluição do local da instalação) e do índice de trilhamento comparativo superficial (CTI – Comparative Tracking Index) do material de isolamento.

O exemplo a seguir apresenta um painel de distribuição de circuitos com proteção combinada Ex “d” e Ex “e”, com invólucros plásticos (poliéster reforçado com fibra de vidro), contendo componentes centelhantes (disjuntores com certificação Ex “db eb” IIC Gb “U”) do tipo “à prova de explosão” (com invólucros plásticos) e réguas de terminais com o tipo de proteção segurança aumentada. Pode ser verificado que o painel contém também um invólucro metálico à prova de explosão com tampa roscada e entrada indireta por meio de caixa de junção metálica do tipo Ex “e”.

Para os casos de aplicação do tipo de proteção Ex “e” em motores elétricos, todos os materiais de isolamento são sujeitos ao ensaio de “envelhecimento térmico”, o que faz com que sejam perdidas as características isolantes originais. De forma a prolongar o tempo de vida em serviço dos materiais isolantes dos enrolamentos, quando comparados com o tempo de vida das normas para equipamentos industriais, o valor da temperatura limite considerada é reduzida. Esta medida de segurança reduz o risco de danos aos enrolamentos, diminuindo a probabilidade de eventuais ocorrências de correntes de fuga para a terra e de curtos-circuitos.

Para proteger os enrolamentos e para assegurar a limitação à temperatura máxima de superfície permissível, os motores Ex “e” são protegidos por dispositivos de proteção térmica, com base na medição de corrente de carga do motor “Ex”, que deve operar no evento de uma condição de partida prolongada ou de uma falha do motor Ex “e” por rotor bloqueado.

A finalidade deste dispositivo de proteção térmico é a de assegurar que, uma vez que a temperatura contínua de operação tenha sido alcançada, após o motor estar em operação com corrente nominal por várias horas, que um motor seja desligado com segurança, antes de atingir a temperatura limite permissível para o local da instalação (por exemplo T4, T3 ou T2), no evento do motor ficar com o rotor bloqueado devido a uma falha do motor ou da máquina acionada, caso este que fará circular no motor uma corrente muito elevada, causando um aumento de temperatura rápido e acentuado.

Em motores elétricos Ex “eb”, o tempo “t_E” é aquele necessário para que seus enrolamentos de corrente alternada, quando percorridos pela sua corrente de partida (I_A), atinja a sua temperatura limite, partindo da temperatura atingida em regime nominal, considerando a temperatura ambiente em seu máximo. A duração do tempo t_E deve ser tal que, quando o rotor estiver bloqueado, o motor possa ser desligado por meio de um dispositivo de proteção dependente de corrente, antes que o tempo t_E tenha transcorrido. O dispositivo de proteção térmica para motores Ex “e” deve ser ajustado de modo que seja evitado, sob todas as condições de operação, que a temperatura limite dos gases inflamáveis presentes no local da instalação seja atingida.

O dispositivo de proteção térmica deve também desligar o motor no evento de falta de fase, como por exemplo, no caso de queima de um fusível de uma das fases do circuito de alimentação do motor Ex “eb”. Nestes casos devem ser utilizados dispositivos de proteção térmica ou disjuntores que possuam a característica de proteção contra falta de fase.

Em geral, motores elétricos com tipo de proteção Ex “e” podem ser utilizados somente em regimes de carga com operação contínua (regime S1 de acordo com a Norma IEC 60034-1) e para casos de partidas não frequentes, de forma a evitar a elevação de temperatura durante os períodos de partida a valores que excedam as temperaturas limites permissíveis.

São indicadas a seguir algumas das principais características de motores com o tipo de proteção Ex “eb”:

• Sem ocorrência de centelhas ou arcos em operação normal ou anormal especificada;
• Componentes condutores dimensionados para não apresentar pontos quentes que excedam as classes de temperatura (“T” Ratings);
• Maiores distâncias de isolação e de escoamento, quando comparados com os equipamentos industriais “comuns” (para instalação em áreas não classificadas);
• Projeto especial dos terminais, provendo proteção contra afrouxamento próprio e pressão de contato adequada ao fio condutor;
• Distâncias mínimas de entreferro para evitar roçamento entre estator e rotor, em caso de falha do mancal.

Considerações sobre o tipo de proteção Segurança Aumentada (Ex “e”)

• Um dos principais objetivos do desenvolvimento deste conceito de proteção Ex “e” foi o de evitar a necessidade de utilização dos invólucros metálicos do tipo “à prova de explosão”, os quais são comparativamente mais pesados, mais caros e que apresentam maiores dificuldades de execução dos serviços “Ex” de instalação, montagem, inspeção e reparos em áreas classificadas.
• As pesquisas e desenvolvimento do tipo de proteção “segurança aumentada”, iniciada na década de 1940, foi de disponibilizar no mercado equipamentos “Ex” que pudessem ser considerados mais “seguros”, levando em consideração a redução da possibilidade de ocorrências de “falhas”, “desvios” ou de “não conformidades” de montagem ou manutenção, devido a introdução de falhas humanas nos serviços “Ex” de campo em atmosferas explosivas.
• Os tipos de proteção por “segurança aumentada” Ex “eb” e Ex “ec” podem ser considerado como sendo uma das técnicas de proteção “Ex” mais efetivas, do ponto de vista econômico e de segurança, quando utilizada de forma individual ou em combinação com outros tipos de proteção “Ex”, juntamente com os componentes centelhantes individualmente certificados do tipo “à prova de explosão” (proteção combinada Ex “db eb IIC Gb U”), a proteção de equipamentos “Ex” por encapsulamento (Ex “m”) e a segurança intrínseca (Ex “i”).
• Todos os tipos de proteção “Ex” podem ser considerados “seguros”, porém somente se os respectivos equipamentos de instrumentação, automação, telecomunicações, elétricos ou mecânicos “Ex” tiverem sido devidamente selecionados, instalados, inspecionados, mantidos ou reparados, ao longo do seu ciclo total de vida. Por estes motivos devem ser especificados equipamentos “Ex” que proporcionem serviços de campo mais simples, sob o ponto de vista dos usuários e dos proprietários dos equipamentos “Ex”, os quais são os responsáveis pela segurança de suas instalações.

Roberval Bulgarelli

Consultor Técnico sobre equipamentos e instalações em atmosferas explosivasMestrado em proteção de sistemas elétricos de potência (POLI/USP)
Membro de Comissões de Estudo do Subcomitê SCB 003:031 (Atmosferas explosivas) da ABNT/CB-003 (Eletricidade)
Membro de Grupos de Trabalho do TC 31 (Atmosferas explosivas), TC 95 (Relés de proteção) e do IECEx (Sistemas internacionais de certificação “Ex”) da IEC
Organizador do Livro “O ciclo total de vida das instalações em atmosferas explosivas”