Power i – La Nueva Perspectiva para Seguridad Intrínseca

Ing. José Luis Salinas, Vice Presidente Electo, Distrito 9, América Latina, Delegado ISA Sección Central México,
jose.salinas@isamex.org

RESUMEN

Desde hace ya muchas décadas, se han desarrollado métodos de protección de equipos eléctricos/electrónicos para ser instalados en áreas con peligro de explosión, se han innovado y actualizado tanto las técnicas como las soluciones, una de estas está relacionada con el método de protección vía la seguridad intrínseca. Este artículo introduce al concepto conocido como Power i, concepto innovador cuyo objetivo es contar con más energía disponible en lazos de Seguridad Intrínseca, con el objeto de solucionar la restricción de energía en los dispositivos de campo y poder contar con equipos de campo complejos, los que hasta ahora solo se pueden obtener con soluciones de protección mecánicas. Dando un tratamiento real del estado del arte de este desarrollo, así como su fututo.

PALABRAS CLAVES: Power i, Seguridad Intrínseca, Métodos de Protección, Sistemas Intrínsecamente Seguros

INTRODUCCIÓN

El tipo de protección para áreas con Peligro de Explosión conocido como “seguridad intrínseca” se adoptó rápidamente desde su desarrollo a principios del siglo XX. Hoy en día, este tipo de protección se ha convertido de uso común en la mayoría de los sistemas de automatización en plantas de procesos, esto debido a algunas ventajas como: “trabajo en caliente”  o energizado/des-energizado en caliente (intercambio en caliente). Sin embargo, casi tan viejo como la misma “Seguridad intrínseca”, es el deseo de tener más energía disponible que la que proporciona el método de protección.

Esta protección se basa en el concepto de limitación de energía, lo que significa que la energía o la corriente y el voltaje están limitados, incluso en condiciones de falla, a valores que no pueden provocar la ignición de una atmósfera con peligro de explosión, ver figura 1. La potencia admisible, es decir, intrínsecamente segura, bajo estas condiciones generalmente tiene un máximo de entre 2 y 3 watts. Esto es suficiente para la mayoría de las aplicaciones en automatización, empero, algunos usuarios y fabricantes desearían contar con más energía disponible.

Figura 1. Ejemplo típico de la curva de chispa de ruptura con una fuente de corriente limitada linealmente (Gráfico: B1 de TS60079-39)

Esta es la razón por la cual algunos fabricantes han trabajado para elevar la energía disponible en los lazos de “Seguridad intrínseca” a niveles más altos y con esto tener más energía disponible para aplicaciones especiales; por ejemplo, instrumentación de campo que requiere de mucha energía para su operación. Desde el comienzo del siglo XXI, varios grupos de trabajo bajo la dirección de PTB “Physikalisch Technische Bundesanstalt” (Instituto Técnico Federal Alemán) han estado trabajando en este concepto.

SUMINISTRO CONTINUO DE INTERRUPCIÓN

Una posible forma de lograr esto, fue diseñada y publicada en 2003 bajo el nombre de CIS [2], un acrónimo de “Continuous Interruption Supply” o suministro continuo de interrupción. Además de PTB, algunos fabricantes están participando en este concepto.

El principio de funcionamiento de CIS es tal que, al cortocircuitar la salida eléctrica durante un intervalo de tiempo definido, se garantiza la integridad de la protección. Esto se basa en el descubrimiento de que; una chispa de encendido requiere un cierto tiempo con duración de unos pocos μs para poder acumular una cantidad suficiente de energía de ignición. Este suministro “cíclico” permite obtener energía casi intrínsecamente seguras de hasta 20 watts, con tensiones de suministro de hasta 100 V. Desafortunadamente, este concepto de suministro cíclico, no ha podido ser materializado a un producto comercializable. El voltaje de CD cíclico resultante genera una alta emisión de interferencia EMC y por consiguiente problemas.

CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE ACCIÓN DINÁMICA

La idea básica de CIS sirvió como base para otro concepto, que hoy se conoce como DART (Dynamic Arc Recognition und Termination). Introducido bajo el título “Circuitos intrínsecamente seguros de acción dinámica”, y posteriormente renombrado como “Circuitos eléctricos de acción dinámica”, debido a las diferencias con la “Seguridad intrínseca” tradicional. PTB con la colaboración de un fabricante, desarrollaron el concepto original en un proyecto de investigación conjunta [1]. En lugar de apagar la energía cíclicamente como en el caso de CIS, el nuevo concepto se basa en la detección oportuna de la formación de una chispa de encendido y de una desconexión muy rápida de los componentes que suministran energía. PTB estableció un nuevo grupo de trabajo para integrar el concepto en un estándar IEC, el título del “anteproyecto” es Power-i

POWER-i Y LA SEGURIDAD INTRÍNSECA

A diferencia de la “seguridad intrínseca” de acuerdo al estándar IEC 60079-11 [1], en la cual la fuente permite un suministro continuo y limitada de energía, Power-i usa un concepto dinámico. La diferencia puede ilustrarse muy bien al observar las relaciones físicas entre la energía y la potencia: para encender una mezcla explosiva, se requiere energía en diferentes cantidades dependiendo de la mezcla combustible/oxigeno. La energía (W) se forma o la potencia (P) suministrada a lo largo del tiempo (t) es: W = P • t. Mientras la seguridad intrínseca limita la potencia P o la tensión y la corriente (P = U • I) por medio de elementos de protección básicos como diodos Zener y resistencias, al punto que no se produce ignición incluso con el suministro de energía continuo o bajo una condición de falla o anormal de operación.

Para la teoría física, ¿cómo funciona esto en la práctica? Se sabe, entre otras cosas, que la apertura de un circuito eléctrico provocará un aumento abrupto de la tensión acompañado de la disminución de la corriente. Sin embargo, este voltaje no contribuye a la liberación de energía por la chispa. La energía solo se libera después de que la tensión por encima de la chispa aumenta continuamente hasta la máxima tensión de circuito abierto posible, con una velocidad de subida ≤ 1 V/μs, mientras que la corriente continua disminuyendo hasta que la chispa finalmente se apaga. Esta es la razón por la cual la energía que se acumula excederá el valor límite crítico, en el cual la mezcla de gas puede encenderse, solo después de que el período de tiempo referido como “fase inicial” haya expirado.

Esto muestra los requisitos básicos para Power-i: primero, la formación inicial de chispa debe detectarse de manera confiable, sin “confundirla” con un cambio de nivel de la señal útil o con señales de interferencia del entorno. Mientras la fase inicial aún continúa, es decir, antes de alcanzar la cantidad de energía liberada crítica, la fuente de energía debe estar apagada o limitada a valores Ex i “normales” de acuerdo con IEC 60079-11 [1], siempre que el estado de falla sea continúa, esto tiene lugar dentro de un período de tiempo de 2 a 10 μs.

Naturalmente, se debe tener en cuenta que, dependiendo de la estructura del circuito eléctrico, es muy posible que haya varias fuentes de energía. La energía almacenada en el cable de conexión es inevitable, por lo que deben esperarse básicamente capacitancias e inductancias diferenciales. Si la (s) carga (s) conectada (s) también pueden almacenar energía, deben tenerse en cuenta también. Por lo tanto, similar a los sistemas “Intrínsecamente Seguros”, los siguientes componentes del sistema se deben considerar en un circuito Power-i: la fuente Power-i, todas las cargas y el cable de conexión.

NIVEL DE PROTECCIÓN

El concepto descrito anteriormente muestra que la prueba de un circuito Power-i puede ser mucho más compleja que la prueba habitual de “Seguridad intrínseca” y que, en particular, el cable desempeña un papel significativamente mayor e importante en el análisis y cálculo del sistema, siendo este un tema de suma importancia en el trabajo del desarrollo del estándar. El nivel de protección alcanzable con Power-i, es el mismo que el nivel de protección del dispositivo b (EPL b – Nivel de protección del equipo “b”) o Categoría 2 y por lo tanto es adecuado para dispositivos y circuitos eléctricos en la Zona 1 o 2. Para aplicaciones en Zona 0, es decir, para EPL a o Categoría 1, la seguridad intrínseca tradicional “ia” es la que se usaría, ver figura 2.

Figura 2. Nivel de Protección Alcanzable.

Esta característica pudiera tener efectos adversos en el caso de clasificaciones de área por el método de Clases y Divisiones. En División 1 de acuerdo al NEC [6] (National Electrical Code o NFPA 70) artículos 500, solo se pueden usar actualmente conceptos de protección adecuados y aprobados para su uso en este tipo de clasificación de área.

ESTÁNDAR IEC-TS 60079-39 EDICIÓN 1

La pregunta o preguntas son: ¿Necesitamos todo esto? ¿La “Seguridad intrínseca” convencional no es lo suficientemente? Básicamente, Power-i permite ciertas ventajas sobre la seguridad intrínseca, por ejemplo, el reemplazo en caliente de los dispositivos de campo instalados en una atmósfera explosiva con voltajes de suministro más altos. Por lo tanto, dependiendo de la implementación del concepto Power-i, se puede lograr hasta 50 W con un suministro de 40 V DC. Como la longitud del cable es un factor crítico en el diseño del circuito Power-i, la potencia disponible se reduce a aprox. 12 W si, por ejemplo, se requiere una línea de 1000 m, que es mucho más que la permisible por la “Seguridad intrínseca” en algunos casos.

Básicamente, incluso distancias más grandes podrían cubrirse, pero esto tiene que analizarse en el futuro ya que actualmente no es parte de la investigación. Ningún tipo de protección podría implementarse, si no está respaldada por un estándar o norma con reconocimiento internacional. Esta es la razón por la cual se estableció el grupo de trabajo “Power-i” bajo el liderazgo del PTB y con la participación de varias compañías de fabricación, e IEC (International Electrotechnical Commission) con el fin de incorporar el concepto en un estándar internacional. Un tratamiento completo de un concepto tan complejo como Power-i, así como el desarrollo de un estándar consume mucho tiempo. Por este motivo se tomó la decisión de limitar la discusión a unas pocas aplicaciones claramente definidas sobre la base de una Especificación Técnica IEC (IEC-TS).

El documento resultante es el IEC-TS 60079-39 [7]. La publicación del IEC-TS 60079-39 Edición 1, fue liberada en julio del 2015. Además de la descripción del concepto básico de protección contra explosiones y la definición de los requisitos especiales del dispositivo, el documento también contiene las pautas de instalación adecuadas. y el procedimiento de verificación para la conexión de dispositivos Power-i. Como los circuitos Power-i deben satisfacer los mismos requisitos básicos con respecto a la limitación de voltaje, corriente y aislamiento galvánico que los circuitos convencionales intrínsecamente seguros, los circuitos Power-i deben tratarse del mismo modo que los circuitos convencionales intrínsecamente seguros. Esto significa que deben seguirse las regulaciones nacionales de instalación vigentes.

DISPOSITIVOS POWER-i

La conexión de los dispositivos de campo Power-i se logra mediante un cable a través de los llamados “Factores de evaluación (AF)” y el “Tiempo de respuesta”, que para los dispositivos Power-i debe ser determinado y certificado por el fabricante utilizando el método descrito en TS 60079-39. Para simplificar la evaluación de las conexiones de dispositivos Power-i de diferentes fabricantes, TS 60079-39 introdujo la división de dispositivos en clases de voltaje y corriente, para lo cual especifica las combinaciones permitidas, para el tiempo de respuesta del sistema, en función del grupo de gas y del nivel de protección solicitado.

En este caso, los dispositivos Power-i también deben etiquetarse como tales y deben proporcionarse sus factores de evaluación y tiempos de respuesta (para fuentes Power-i). Sin embargo, debido a que los cables tienen un efecto significativo en el circuito Power-i, debe analizarse con más detalle, por ejemplo, sería de esperarse que esto comienza con las secciones transversales de cable más grandes requeridas para las intensidades de corriente más altas, con el fin de minimizar las caídas de tensión y evitar un calentamiento de este.

Además, las longitudes de cable permitidas serían drásticamente limitadas en el análisis de cable, si se considera el “peor caso” del cable (de acuerdo con IEC 60079-14 [4], capítulo 12.2.2.2 e ANSI/ISA RP 12.06.01 [8] capitulo 5.1.7).

El TS especifica un cálculo basado en parámetros de cable y, alternativamente, un método de medición para determinar los parámetros “Tiempo de respuesta” y “Factor de evaluación” requeridos para el análisis del sistema Power-i. Como la medición de los parámetros de cable de la instalación es casi imposible en la práctica, la única opción práctica restante es utilizar el método de cálculo, para el cual, deben conocerse los parámetros de cable L’, C’ y R’.

RESULTADOS

Teóricamente Power i .ha sido finalizado, pero ¿Qué pasa con la aplicabilidad de Power-i en la práctica y cuáles son las opciones nuevas y extendidas cuando se aplica el concepto? La primera impresión es “gracias” por proporcionar más energía a los sistemas intrínsecamente seguros. Lo que se espera son dispositivos de campo más complejos con mayor demanda de energía, cuya única solución actual son equipos con métodos de protección entre algunos son del tipo “Flame Proof Ex d” o “Explosion Proff”.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que una mayor potencia de suministro o la corriente asociada tiene un efecto en el equipo y el cableado. Una mayor potencia en el dispositivo de campo da como resultado una mayor disipación de potencia y, por lo tanto, un mayor calentamiento. Para evitar la ignición de una superficie caliente en este caso, se necesitan medidas de protección adicionales.

También se debe tener en cuenta que una corriente más alta da como resultado mayores caídas de tensión en el cable. Por lo tanto, cualquier cable ya tendido de 1 mm² o 1,5 mm² ya no sería suficiente y tendría que ser reemplazado con 2,5 mm² o incluso 4 mm², un factor de costo que no debe desatender.

CONCLUSIONES

En la actualidad, algunos fabricantes ven pocas aplicaciones para las versiones Power-i de sus productos. Por lo tanto, debe esperarse que la disponibilidad de dispositivos de campo Power-i esté limitada al menos en los próximos años. Además, de la visión de la “Seguridad intrínseca”, como un “tipo de protección ecológica”.

“Usuario”: ¿qué ventajas y aplicaciones ve el usuario en Power-i? Sobre este tema, los fabricantes ya han llevado a cabo diversas encuestas y talleres para clientes, con la participación de los usuarios finales y PTB, donde se presentó y discutió el concepto de Power-i y se investigaron posibles aplicaciones. Los resultados mostraron que Power-i no puede considerarse una tecnología de reemplazo para “Seguridad intrínseca” y que el número de aplicaciones sensatas también es limitado.

Para resumir, se puede decir que Power-i es una adición interesante a la tradicional “Seguridad intrínseca”, pero es poco probable que se apodere de ella en el futuro cercano. Sin embargo, como parte de los nuevos conceptos de automatización, como los discutidos en Industrie 4.0, es posible encontrar nuevas aplicaciones para Power-i. En consecuencia, los fabricantes deben continuar brindando los tipos de protección que son mejores y más efectivos para la aplicación y para el usuario: Power-i será otra opción para elegir.

PROGRAMA DE CAPACITACIÓN

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REFERENCIAS

[1] IEC 60079-11, Explosive atmospheres – Part 11: Equipment protection by intrinsic safety “I”

[2] High-Power-Eigensicherheit mit “c-i-s” 2004

[3] PTB Jahresbericht 2005

[4] IEC 60079-14, Explosive atmospheres – Part 14: Electrical installations design, selection and erection

[5] IEC 60079-25, Explosive atmospheres – Part 25: Intrinsically safe electrical systems

[6] National Electrical Code 2017, International Electrical Code® Series

[7] IEC-TS 60079-39 ” Explosive atmospheres – Part 39: Intrinsically safe systems with electronically controlled spark duration limitation”.

[8] ANSI/ISA-RP12.06.01-2003, Recommended Practice for Wiring Methods for Hazardous (Classified) Locations Instrumentation Part 1: Intrinsic Safety

ACERCA DEL AUTOR

Ing. José Luis Salinas, con más de 29 de años de experiencia en el área de Ingeniería, Servicio y Ventas, atendiendo a Pemex, CFE e iniciativa Privada, en el área de Instrumentación y Control, enfocado a la Seguridad Intrínseca, Fieldbus Foundation y comunicación Wireless para la automatización de procesos industriales. Acreditado por UL University en “Hazardous Locations” y Certificado por Lee College como Certified Foundation Fieldbus Specialist. Es miembro del comité mexicano revisor de estándares IEC, Instructor oficial y Delegado de ISA Sección Central México, así como Vice President Elect ISA Disctric 9 (America Latina) Cuenta con experiencia en las Áreas de Desarrollo de Ingeniería, Comisionamiento, Puesta en Servicio, Capacitación, Instrucción, Ventas y Marketing.

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