Explosion Protection Methods

Metodi di protezione dalle esplosioni

Ogni tipo di Ex in un unico posto. Ciascun metodo adotta un approccio diverso al triangolo dell'esplosione, e ciascuno presenta dei compromessi in termini di costo, peso, manutenzione e quale zone copre.

Cinque principi fondamentali

Tutti i metodi di protezione si basano su uno o più di questi principi:

Principio Come funziona Metodi
Limitazione energetica Ridurre l'energia elettrica al di sotto della soglia di accensione Ex io
Esclusione Mantenere l'atmosfera esplosiva lontano da fonti di ignizione Ex m, Ex o, Ex p, Ex t, Ex nR
Evitamento Assicurarsi che non esista alcuna fonte di accensione efficace Ex e, Ex nA
Diluizione Atmosfera esplosiva diluita al di sotto del LEL Es p
Contenimento Contenere l'esplosione all'interno dell'apparecchiatura Ex d, Ex q

Metodi di protezione: gas/vapore

Ex d. Custodia ignifuga (IEC 60079-1)

Principio: Contenimento. L'involucro è sufficientemente robusto da resistere a un'esplosione interna. Interstizi lavorati con precisione ("percorsi di fiamma") raffreddano i gas caldi che fuoriescono al di sotto della temperatura di accensione dell'atmosfera circostante.

Come funziona:

  • L'attrezzatura è racchiusa in un alloggiamento robusto (ghisa, alluminio, acciaio inossidabile)
  • Può verificarsi un'esplosione interna ma è contenuta
  • I percorsi della fiamma (giunti flangiati, ingressi filettati) raffreddano i gas in uscita al di sotto della temperatura di accensione
  • I gas in fuga possono superare i 1.000°C ma il tempo di contatto è troppo breve per trasferire energia sufficiente

Sottolivelli:

  • Ex db. per EPL Gb (Zona 1)
  • Ex dc. per EPL Gc (zona 2)

Parametri chiave di progettazione:

  • Spessore della parete: dipendente dal volume (minimo 3–6 mm per la ghisa)
  • Distanza del percorso della fiamma: 0,1–0,5 mm a seconda di gruppo di gas
  • Lunghezza del percorso della fiamma: da 9,5 mm (IIA) a 25 mm (IIC)
  • Pressione nominale interna: fino a 10 bar
  • Distanze di spazio attorno alla custodia: 10 mm (IIA), 30 mm (IIB), 40 mm (IIC)

Requisiti critici:

  • I pressacavi devono essere certificati Ex d (non utilizzare mai pressacavi Ex e su custodie Ex d)
  • Le superfici del percorso della fiamma devono essere pulite e leggermente unte, mai verniciate
  • I contenuti non devono essere modificati senza ricertificazione
  • Possono essere utilizzati solo involucri completamente certificati (non solo i certificati dei componenti "U")

Applicazioni tipiche: Motori, quadri elettrici, scatole di derivazione, apparecchi di illuminazione, distribuzione elettrica, trasformatori

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Ex e. Sicurezza aumentata (IEC 60079-7)

Principio: Evitamento. L'apparecchiatura non può produrre scintille, archi o superfici calde durante il normale funzionamento o un prevedibile malfunzionamento. I margini di progettazione migliorati garantiscono che non si sviluppi alcuna fonte di accensione.

Come funziona:

  • Non sono ammessi componenti che producano scintille
  • Ingombri e distanze superficiali migliorati
  • Protezione custodia IP54 minima
  • Aumento dei margini di isolamento
  • Morsetti e connessioni termicamente protetti

Sottolivelli:

  • Es eb. per EPL Gb (Zona 1)
  • Es ec. per EPL Gc (Zona 2)

Parametri chiave di progettazione:

  • Le distanze superficiali e di sicurezza superano gli standard normali
  • Connessioni terminali classificate per combinazioni specifiche di corrente di guasto/tempo
  • Grado di protezione IP54 o migliore
  • Monitoraggio termico per motori e trasformatori

Requisiti critici:

  • Tutti i collegamenti elettrici devono essere adeguatamente serrati (collegamenti allentati = scintille)
  • I sigilli devono mantenere il grado di protezione IP
  • I pressacavi devono essere certificati Ex e (sono accettabili anche pressacavi Ex d)
  • Non adatto per apparecchiature con normali contatti scintillanti

Applicazioni tipiche: Scatole terminali/di giunzione, motori (di tipo antiscintilla), quadri di comando, apparecchi di illuminazione, pressacavi, sbarre collettrici

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Ex i. Sicurezza intrinseca (IEC 60079-11)

Principio: Limitazione energetica. L'energia elettrica nel circuito è limitata a un livello tale da non poter innescare l'atmosfera esplosiva, né tramite scintille né riscaldamento superficiale.

Come funziona:

  • Corrente e tensione sono limitate da barriere di sicurezza o isolatori galvanici
  • L'energia totale del circuito (inclusa l'energia immagazzinata nella capacità e nell'induttanza) rimane al di sotto dell'energia minima di accensione (MIE) del gas
  • Anche in condizioni di guasto, l'energia disponibile non è sufficiente per provocare l'accensione

Sottolivelli:

  • Ex ia. per EPL Ga (zona 0). sicuro con 2 guasti simultanei + fattore di sicurezza 1,5×
  • Ex ib. per EPL Gb (Zona 1). sicuro con 1 guasto + 1,5× fattore di sicurezza
  • Ex ic. per EPL Gc (zona 2). sicuro durante il funzionamento normale

Parametri chiave di progettazione:

  • Tensione, corrente e potenza massime definite per gruppo di gas
  • Limiti di capacità e induttanza per cavi e apparecchiature
  • Barriere di sicurezza: barriere zener (riferite a terra) o isolatori galvanici
  • I parametri del cavo (capacità per metro, induttanza per metro) devono essere inclusi nella valutazione

Energie minime di accensione:

  • IIA (metano): ~280 μJ
  • IIB (etilene): ~60 μJ
  • IIC (idrogeno): ~17 μJ

Requisiti critici:

  • I circuiti a sicurezza intrinseca devono essere separati dai circuiti non IS
  • Cavi/cablaggi di colore blu per l'identificazione
  • La documentazione del sistema (parametri dell'entità) deve essere verificata
  • Passaggio dei cavi separato dai cavi di alimentazione
  • Il collegamento a terra per le barriere Zener deve essere affidabile (<1Ω)

Applicazioni tipiche: Sensori, trasmettitori, termocoppie, interruttori di livello, rilevatori di gas portatili, dispositivi di comunicazione, strumenti HART

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Ex p. Pressurizzazione (IEC 60079-2)

Principio: Esclusione + Diluizione. La custodia è pressurizzata con aria pulita o gas inerte per impedire l'ingresso di atmosfera esplosiva. In alternativa, l'atmosfera interna viene diluita al di sotto del LEL.

Sottolivelli:

  • . Ex px. per EPL Gb. riduce la Zona 1 all'interno del recinto a non pericolosa
  • Ex py. per EPL Gb. riduce la Zona 1 interna alla Zona 2
  • Ex pz. per EPL Gc. riduce la Zona 2 interna a non pericolosa

Come funziona:

  • Pre-spurgo: volume dell'involucro spazzato con aria/gas puliti (tipicamente 5 volte il volume)
  • Pressione positiva mantenuta durante il funzionamento (tipicamente >50 Pa sopra la temperatura ambiente)
  • Monitoraggio pressione/portata con allarme e disconnessione automatica in caso di perdita

Applicazioni tipiche: Motori di grandi dimensioni, sale di controllo, case di analisi, VFD (azionamenti a frequenza variabile), sale MCC, quadri di distribuzione di grandi dimensioni

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Ex n. Tipo "n" / Antiscintilla (IEC 60079-15)

Principio: Evitamento (principalmente). L'apparecchiatura non produce archi o scintille in grado di accendersi durante il normale funzionamento. Meno rigoroso di Ex e: progettato solo per la Zona 2.

Sottotipi:

  • Ex nA. apparecchi antiscintilla
  • Ex nC. apparecchi scintillanti con contatti in custodia sigillata o ermeticamente sigillata
  • Ex nR. involucro a respirazione limitata (limita l'ingresso di gas)
  • Ex nL. apparecchi a limitazione di energia (simili a Ex ic)

EPL: Solo Gc (Zona 2)

Applicazioni tipiche: Strumenti di uso generale, elettrovalvole, scatole relè, spie luminose in aree Zona 2

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Ex m. Incapsulamento/Stampaggio (IEC 60079-18)

Principio: Esclusione. I componenti sono completamente racchiusi in un composto (resina, resina epossidica) che impedisce il contatto con l'atmosfera esplosiva.

Sottolivelli:

  • Ex mamma. per EPL Ga (zona 0)
  • Ex mb. per EPL Gb (Zona 1)
  • Ex mc. per EPL Gc (zona 2)

Applicazioni tipiche: Bobine magnetiche, moduli LED, schede elettroniche, sensori, piccoli attuatori

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Ex o. Immersione in olio (IEC 60079-6)

Principio: Esclusione. I contatti elettrici e i componenti ad arco sono immersi in olio protettivo.

EPL: Gb (Zona 1)

Applicazioni tipiche: Trasformatori, quadri (principalmente installazioni preesistenti)

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Ex q. Riempimento con polvere/quarzo (IEC 60079-5)

Principio: Contenimento. L'attrezzatura è circondata da sabbia fine di quarzo che spegne la propagazione della fiamma e assorbe il calore.

EPL: Gb (Zona 1)

Applicazioni tipiche: Condensatori, fusibili, piccoli moduli elettronici

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Ex Op. Radiazione ottica (IEC 60079-28)

Sottotipi:

  • Ex Op è. radiazioni ottiche intrinsecamente sicure
  • Ex Oppr. radiazione ottica protetta (spegnimento con interblocco)
  • Ex Op sh. radiazione ottica con custodia schermata

Applicazioni tipiche: Sistemi in fibra ottica, sensori ottici, strumenti laser

Metodi di protezione: polvere

Ex t. Protezione mediante custodia (IEC 60079-31)

Principio: Esclusione. Una custodia a tenuta di polvere impedisce alla polvere di raggiungere fonti di accensione e limita la temperatura superficiale.

Sottolivelli:

  • Ex ta. per EPL Da (zona 20). IP6X richiesto
  • Ex tb. per EPL Db (Zona 21). IP6X richiesto
  • Ex tc. per EPL CC (zona 22). IP5X minimo

La temperatura superficiale massima deve tenere conto sia della temperatura di accensione della nuvola di polvere che dello strato di polvere - vedere Classi di temperatura.

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Matrice del metodo zona-protezione

Protezione Zona 0 Zona 1 Zona 2 Zona 20 Zona 21 Zona 22
Ex ia ✅ ✅ ✅ ✅ ✅ ✅
Ex ib ✅ ✅ ✅ ✅
Ex ic ✅ ✅
Ex mamma ✅ ✅ ✅ ✅ ✅ ✅
Ex mb ✅ ✅ ✅ ✅
Ex mc ✅ ✅
Ex db ✅ ✅
Ex DC ✅
Es eb ✅ ✅
Es ec ✅
Ex px ✅ ✅
Ex py ✅ ✅
Ex pz ✅
Ex nA/nC/nR ✅
Es o ✅ ✅
Es q ✅ ✅
Ex ta ✅ ✅ ✅
Ex tubercolosi ✅ ✅
Ex tc ✅

Protezione combinata

Le apparecchiature utilizzano spesso più metodi di protezione. Combinazioni comuni:

  • Es db eb. custodia antideflagrante con vano morsetti a sicurezza aumentata
  • Ex de. notazione più vecchia per la stessa
  • Ex db [ib]. custodia a prova di esplosione contenente circuiti a sicurezza intrinseca
  • Ex eb [ia]. custodia a sicurezza aumentata con circuiti IS
  • Ex tb[ib]. custodia protetta dalla polvere con circuiti IS

La notazione tra parentesi [ib] indica che il metodo di protezione viene utilizzato per l'apparato associato (non per l'involucro principale).

Scegliere il giusto metodo di protezione

Consideriamo:

  1. Zona. determina il minimo EPL obbligatorio
  2. Gruppo gas/polveri. alcuni metodi presentano limitazioni relative al gruppo di gas
  3. Livello di potenza. Ex i funziona solo per circuiti a bassa potenza; Ex d gestisce potenze elevate
  4. Accesso per manutenzione. Ex e ed Ex n sono più facili da manutenere rispetto a Ex d
  5. Costo. Ex n (Zona 2) è il più economico; Ex ia (Zona 0) ed Ex d (Zona 1) sono i più costosi
  6. Dimensioni/peso. Le custodie Ex d sono pesanti; I dispositivi Ex i sono leggeri
  7. Ambiente. corrosione, vibrazioni e temperature estreme influiscono sulla scelta del metodo

Fonti e riferimenti

  1. Intrinsic Safety - Wikipedia
  2. Electrical Equipment in Hazardous Areas - Wikipedia
  3. IECEx Certified Equipment Scheme - IECEx
  4. IEC 60079-1: Flameproof Enclosures - IEC