Impianti EX (13)

9. Modo di protezione Ex-i (EN 50020 - CEI 31-9 ed EN 50039 - CEI 31-10)

Questo modo di protezione è chiamato a sicurezza intrinseca. Se andate su un dizionario vi accorgerete che la parola "intrinseco" significa "che fa parte della sua natura, della sua essenza". Sappiamo che per innescare un'esplosione occorre fornire una certa quantità di energia (elettrica o termica), se noi questo livello di energia non lo raggiungiamo mai sarà impossibile avere un'atmosfera esplosiva, cioè saremo "intrinsecamente" sicuri. Il modo di protezione Ex-i si basa su questo concetto. Capirete quindi che non è sicuramente un modo adatto a grandi apparecchiature, ma si ritaglia un suo uso nelle applicazioni e nei circuiti in cui l'energia in gioco è talmente bassa che non deve essere possibile raggiungere l'energia minima di innesco della miscela M.I.E. (Minimum Ignition Energy): circuiti di controllo, di telecomunicazioni, di comando, di segnalazione, sensori, trasduttori, componenti elettronici e tutto ciò che sviluppa potenze estremamente basse. Questo deve avvenire, sia in condizioni ordinarie che in condizioni specificate di guasto (vedi categorie "ia" e ib").

Tabella 9.1 - In un sistema a sicurezza intrinseca l'energia non deve superare questi valori

Ma l'energia posseduta o sviluppata da questi circuiti da dove proviene ? Chi conosce la basi dell'elettrotecnica, sa che qualsiasi circuito si può ridurre alla combinazione di un componente attivo, il generatore, e di tre componenti passivi, il resistore R, l'induttore L e il condensatore C. L'energia allora può provenire o dall'alimentazione, o dai componenti passivi conservativi, cioè quelli in grado di accumulare energia: essi sono L che accumula energia sotto forma di campo magnetico legato al quadrato della corrente (E= 1/2 * L * Iquadro), e C che accumula energia sotto forma di campo elettrico legato al quadrato della tensione (E= 1/2 * C * Vquadro).
La norma CEI 31-9 fornisce a questo riguardo tre curve per ognuno dei tre casi:

• Circuito prevalentemente resistivo in cui l'energia sviluppata dipende dalla potenza della sorgente di alimentazione (V e I)
• Circuito prevalentemente induttivo in cui l'energia immagazzinata viene rilasciata sotto forma di arco elettrico in fase di apertura del circuito e dipende da L e da I
• Circuito prevalentemente capacitivo in cui l'energia immagazzinata viene rilasciata sotto forma di scintilla in fase di chiusura del circuito e dipende da C e da V

Dai tre grafici è possibile scoprire se la combinazione delle grandezze (ad esempio L ed I nel caso induttivo) portano a superare la minima soglia di innesco. E' da sottolineare che in circuito elettrico complesso, formato da tutti i componenti, il criterio della sicurezza deve essere soddisfatto in tutti e tre i casi, e se una sola delle condizioni non viene esaudita il circuito non si può dire intrinsecamente sicuro.
Se non si possono conoscere con sufficiente precisione i parametri, come i valori di capacità e induttanza, allora si deve ricorrere ad un metodo sperimentale.

Figura 9.1 - Schematizzazione del modo di protezione a sicurezza intrinseca Ex-i

Le costruzioni elettriche a sicurezza intrinseca si suddividono in due categorie:

1. Categoria "ia": se la costruzione elettrica garantisce la sicurezza, quando alimentata ai valori massimi di tensione, sia in condizioni ordinarie, sia in presenza di un guasto singolo e sia in presenza di una qualsiasi combinazione di due guasti. Adatta per installazioni in zona 0.
2. Categoria "ib": se la costruzione elettrica garantisce la sicurezza, quando alimentata ai valori massimi di tensione, sia in condizioni ordinarie, sia in presenza di un guasto singolo. La non garantita sicurezza in presenza di doppio guasto rende queste costruzioni adatte solo per installazioni in zona 1 e successiva.

C'è da dire però che le costruzioni a sicurezza intrinseca non sono apparecchiature a se stanti, con una funzione ben precisa, ma fanno parte di un sistema più complesso formato da almeno tre elementi:

1. Costruzione elettrica a sicurezza intrinseca (o costruzione semplice)
2. Costruzione elettrica associata (definita anche barriera di protezione)
3. Cavi di collegamento tra 1 e 2

Dei sistemi a sicurezza intrinseca, formati da queste tre parti, si occupa la norma CEI 31-10.
Vediamo innanzitutto il significato delle parti che ci è invece spiegato dalla norma CEI 31-9.
Costruzione elettrica a sicurezza intrinseca: sono quelle costruzioni in cui tutti i circuiti sono ad energia così limitata che diventano in sè sicuri. Esempi di queste costruzioni sono trasduttori come i sensori induttivi, le elettrovalvole, i convertitori I/P, i trasmettitori di segnali, i generatori di tensione e corrente, etc.
Costruzione elettrica semplice: sono quelle costruzioni che rispondono ad una di queste caratteristiche:

• Elementi in grado di immagazzinare energia (Es. condensatori e induttori)
• Sorgenti di energia che non generino più di 1,5 V, 100 mA, 25 mW (Es, celle solari, termocoppie)
• Componenti passivi (Es. scatole di giunzione, interruttori, componenti a semiconduttore come LED, transistor, etc.)

Costruzione elettrica associata: le costruzioni a sicurezza intrinseca e le costruzioni semplici stanno in zona pericolosa (vedi fig. 9.2), ad esempio una termocoppia, ma il circuito di elaborazione del segnale della termocoppia normalmente è situato in zona non pericolosa. Si pone il problema dunque di far si che i circuiti della zona sicura non trasferiscano energie pericolose all'interno della zona potenzialmente esplosiva; la cosa si risolve interponendo fra i due un'interfaccia di separazione, una barriera di protezione, che viene chiamata costruzione elettrica associata. Questa separazione può essere effettuata in due modi, passivamente attraverso circuiti contenenti diodi zener che scaricano a terra eventuali sovratensioni pericolose, o attivamente attraverso l'interposizione di separatori galvanici come fotoaccoppiatori o trasformatori.
Cavi di collegamento: sono cavi unipolari o bipolari normali che possono costituire un pericolo solo nel caso di grandi lunghezze a causa dell'immagazzinamento di energia attraverso le sue componenti induttive e capacitive.

Figura 9.2 - Schematizzazione di un sistema a sicurezza intrinseca

Un sistema a sicurezza intrinseca è definito come "insieme di costruzioni elettriche interconnesse, descritto in un documento del sistema, nel quale i circuiti o parte dei circuiti, destinati ad essere utilizzati in un'atmosfera esplosiva, sono circuiti a sicurezza intrinseca" dalla norma CEI 31-10.

Figura 9.3 - Barriere di protezione a separazione galvanica (Ghirardi)

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