Protezione contro i fulmini e le sovratensioni per atmosfere potenzialmente esplosive

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1 932 Protezione contro i fulmini e le sovratensioni per atmosfere potenzialmente esplosive

2 Durante la produzione, trasformazione, conservazione e trasporto di sostanze infiammabili (come benzina, alcool, gas liquidi, polveri esplosive), si formano spesso negli impianti industriali chimici e petrolchimici delle atmosfere potenzialmente esplosive, nelle quali, al fine di prevenire le esplosioni, non devono essere presenti fonti di accensione. Le relative norme di sicurezza descrivono il rischio relativo alle fulminazioni su tali impianti. In questo contesto si deve osservare che esiste il rischio di incendio o esplosione a seguito di fulminazione diretta o indiretta, in quanto in alcuni casi questi impianti sono distribuiti su ampie superfici. Per garantire la necessaria disponibilità e sicurezza degli impianti è necessaria una procedura concettuale atta proteggere i componenti degli impianti elettrici ed elettronici degli impianti di processo nei confronti delle correnti di fulmine e dalle sovratensioni. Concetto di protezione Negli ambienti in atmosfere potenzialmente esplosive sono utilizzati spesso dei circuiti di misura a sicurezza intrinseca. La Figura mostra la progettazione generale e le zone di protezione antifulmine di un tale impianto. Poiché si richiede la massima disponibilità del sistema e poiché nelle zone pericolose si devono osservare molte norme di sicurezza, le seguenti aree sono state attribuite alle zone di protezione contro i fulmini 1 (LPZ 1) e 2 (LPZ 2): unità di elaborazione nella centrale di controllo (LPZ 2), trasduttore per la misura della temperatura nel serbatoio (LPZ 1), spazio interno del serbatoio (LPZ 1). Secondo il concetto di zona di protezione contro i fulmini, in conformità alla norma CEI EN (CEI 81-10/4), vanno predisposti adeguati dispositivi di protezione contro le sovratensioni, come descritti di seguito, in tutti i punti di confine tra le zone di protezione contro i fulmini. Protezione esterna contro i fulmini La protezione esterna contro i fulmini comprende tutti gli impianti installati al di fuori o sulla struttura da proteggere dedicati alla captazione e alla scarica della corrente di fulmine verso l'impianto di messa a terra. Un sistema di protezione contro i fulmini per atmosfere potenzialmente esplosive è solitamente progettato in classe LPS II. In casi specifici, e a ragion veduta, possono essere scelte altre classi LPS, in condizioni particolari (obblighi di legge) o a seguito dell'analisi dei rischi. I requisiti descritti di seguito si basano sulla classe LPS II. Dispositivi di captazione In atmosfere potenzialmente esplosive, l'impianto di captazione deve essere installato almeno secondo la classe LPS II (Tabella ). Per determinare i relativi punti di impatto, si consiglia di utilizzare il metodo della sfera rotolante con raggio involucro metallico di spessore sufficiente sistema di captazione ventilazione schermatura edificio, p.es. armatura linea al potenziale remoto sistema equipotenziale interconnesso Figura Suddivisione elementare di un impianto in zone di protezione contro i fulmini (LPZ) 450 GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI

3 Classe di LPS Raggio della sfera rotolante Metodo di protezione Angolo di protezione α Tabella Disposizione degli impianti di captazione secondo la classe di LPS Larghezza di maglia w [m] Tipica spaziatura dei conduttori [m] α 80 I x II x III I II III IV 15 x IV x h [m] sistema dei captatori, p.es. pali componibili di protezione antifulmine s Figura serbatoio sistema di dispersori (dispersori ad anello) Sistema di captazione con aste e funi di captazione minimo definito in base alla classe LPS II. Tuttavia, nel caso di un fulmine sull'impianto di captazione, possono svilupparsi scintille nel punto d'impatto. Per evitare scintille pericolose, gli impianti di captazione vanno installati all'esterno delle zone Ex (Figura ). Anche i componenti naturali, come le strutture metalliche del tetto, i tubi e i contenitori metallici, possono essere utilizzati come sistemi di captazione, se hanno uno spessore minimo del materiale di 5 mm, secondo l'allegato D punto della norma CEI EN (CEI 81-10/3) e se l'aumento di temperatura e la riduzione del materiale nel punto di fulminazione non presentano rischi supplementari (ad esempio: riduzione dello spessore della parete dei contenitori in pressione, alta temperatura superficiale nel punto di fulminazione) (Figura ). Calate Le calate sono i collegamenti elettrici tra l'impianto di captazione e l'impianto di messa a terra. Per evitare danni durante il passaggio della corrente di fulmine all'impianto di messa a terra, le calate devono essere disposte in modo tale che: ci siano diversi percorsi paralleli della corrente tra il punto di fulminazione e la terra (sistemi situati in aree pericolose: una calata ogni 10 m di perimetro dei bordi esterni del tetto esterno, comunque almeno quattro), la lunghezza dei percorsi della corrente sia la minore possibile, il collegamento all'equipotenzialità antifulmine venga realizzato ogni volta in cui si rende necessario. Un impianto equipotenziale antifulmine a livello del suolo ad intervalli di 20 m si è dimostrato una scelta valida. Le armature del calcestruzzo degli edifici possono essere utilizzate anche come calate, se sono permanentemente collegate tra loro in modo tale da trasportare la corrente di fulmine. GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI 451

4 protezione contro i fulmini esterna edificio schermato w w d r fulminazione diretta d w d r d w fulminazione indiretta s a s a Figura Schermatura delle strutture utilizzando componenti naturali dell'edificio Distanza di isolamento Se la distanza d tra captatori o calate e gli impianti elettrici o metallici all'interno della struttura da proteggere è insufficiente, i componenti della protezione contro i fulmini esterna e le parti metalliche, come pure gli impianti elettrici all'interno dell'edificio, possono risultare pericolosamente vicini tra loro. La distanza d non deve essere inferiore alla distanza di isolamento (d > s). Dato che in pratica la corrente si suddivide tra i singoli conduttori di messa a terra a seconda delle rispettive impedenze, la distanza di isolamento va calcolata separatamente per il relativo edificio/impianto secondo la norma CEI EN (CEI 81-10/3). Schermatura degli edifici Un'altra misura del concetto di zona di protezione contro i fulmini consiste nella schermatura degli edifici. A tal fine, le facciate metalliche e l'armatura delle pareti, dei pavimenti, dei soffitti o all'interno dell'edificio vengono combinate per formare gabbie di schermatura, nei limiti del possibile (Figura ). Grazie all'interconnessione elettrica dei componenti metallici dell'oggetto da proteggere, in modo da formare delle gabbie schermanti chiuse, il campo magnetico risulta notevolmente ridotto. Pertanto, si può facilmente diminuire il campo magnetico di un fattore da 10 a 300 e si può realizzare un'infrastruttura di protezione EMC con un costo limitato. Durante l'ammodernamento degli impianti esistenti, la schermatura delle stanze deve essere adattata alle prescrizioni EMC, ad esempio, per mezzo di tappeti di rinforzo. Protezione contro le sovratensioni in zone pericolose La protezione contro i fulmini e le zone Ex sono già armonizzate nella fase di progettazione. Ciò significa che devono essere rispettati i requisiti relativi all'utilizzo dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni, sia nelle zone pericolose, sia ai limiti delle zone di protezione contro i fulmini. Di conseguenza, il luogo di installazione dei limitatori di sovratensione è esattamente definito, cioè deve essere installato al passaggio tra le zone LPZ 0 B e LPZ 1. In questo modo si evita l'ingresso di sovratensioni pericolose nella zona Ex 0 o 20, dal momento che l'interferenza è già stata scaricata. La disponibilità - importante per il processo - del trasmettitore di temperatura viene aumentata notevolmente. Inoltre vanno rispettati i requisiti della norma CEI EN (CEI 31-78), CEI EN (CEI 31-33) e CEI EN (CEI 31-79) (Figura ): impiego di dispositivi di protezione contro le sovratensioni con una minima capacità di scarica di 10 impulsi di 10 ka 452 GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI

5 zona non pericolosa zona pericolosa isolatore Ex(i) sala di controllo BLITZDUCTOR XT BXT ML4... EX + BXT BAS EX DEHNpipe DPI MD EX 24 M2 1 3 FISCO protected 2 4 BLITZDUCTOR BXT ML4 BD EX min. 4 mm 2 Zone Ex 1, 2 Zone Ex 0 Figura Dispositivi di protezione in un circuito di misura intrinsecamente sicuro Figura Dispositivi di protezione per circuiti di misura intrinsecamente sicuri ciascuno senza danni per le apparecchiature o interferenze con l'effetto di protezione contro le sovratensioni; installazione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni in un involucro metallico schermato; messa a terra per mezzo di un conduttore di rame con una sezione trasversale di almeno 4 mm 2 ; installazione delle linee tra il limitatore e l'apparecchiatura in un tubo di metallo collegato a massa su entrambi i lati, oppure utilizzo di conduttori schermati con una lunghezza massima di 1 m. Secondo la definizione del concetto di protezione, il LPC nella sala di controllo è definito come LPZ 2. Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni è previsto anche nel passaggio dalla zona LPZ 0 B a LPZ 1 per la linea di misura dei trasmettitori di temperatura a sicurezza intrinseca. Il dispositivo di protezione contro le sovratensioni posto all'altra estremità della linea di campo che si prolunga oltre l'edificio, deve avere la stessa capacità di scarico del dispositivo di protezione contro le sovratensioni installato sul serbatoio. A valle del dispositivo di protezione contro le sovratensioni, viene utilizzata una linea a sicurezza intrinseca passante attraverso un amplificatore di GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI 453

6 Per il sistema dei dispersori vanno osservate le norme seguenti: DIN Dispersori di fondazione (norma tedesca), IEC (EN ) e DIN VDE 0151 (norma tedesca) e dimensioni minime dei dispersori per la corrosione. Figura Esempio di impianto di messa a terra a maglia isolamento (Figura ). Da qui, la linea schermata al LPC va alla zona LPZ 2. La schermatura del cavo è collegata ad entrambe le estremità, quindi è necessario un dispositivo di protezione contro le sovratensioni al passaggio tra zona LPZ 1 e LPZ 2, in quanto l'interferenza elettromagnetica residua da prevedere è notevolmente attenuata dalla schermatura del cavo collegato a terra su entrambe le estremità (si veda anche "schermatura dei circuiti di misura a sicurezza intrinseca"). Altri criteri di selezione per i dispositivi di protezione nei circuiti di misura a sicurezza intrinseca Resistenza di isolamento delle apparecchiature Per garantire che le correnti di dispersione non influenzino i valori misurati, i segnali provenienti dai sensori sul serbatoio sono spesso isolati galvanicamente. La tenuta di isolamento del trasduttore tra l'anello di corrente a 4 20 ma a sicurezza intrinseca e il sensore di temperatura collegato a massa è 500 V CA. Quindi l'apparecchiatura non è collegata a massa. Quando si utilizzano i dispositivi di protezione contro le sovratensioni, questa condizione (isolamento dalla massa) non deve cambiare. Se il trasduttore di misura possiede una tenuta di isolamento < 500 V AC, il circuito di misura a sicurezza intrinseca si considera collegato a massa. In questo caso, vanno utilizzati dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni che in caso di una corrente di scarica nominale di 10 ka (con forma d'onda 8/20 μs) presentino un livello della tensione di protezione inferiore alla tenuta di isolamento del trasduttore collegato a massa (ad es. U p (conduttore/pg) 35 V). Tipo di protezione - Categoria ia, ib oppure ic? Il trasduttore di misura e il dispositivo di protezione contro le sovratensioni vengono installati nella zona Ex 1, per cui è sufficiente la categoria di protezione ib per l'anello di corrente 4 20 ma. I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (ia) soddisfano i requisiti più severi e sono quindi adatti anche per applicazioni ib e ic. 454 GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI

7 Dati tecnici Trasmettitore TH02 Limitatore di sovratensione BXT ML4 BD Ex 24 Luogo di installazione Zona 1 Zona 1 Grado di protezione ib ia Tensione U i max. = 29,4 V CC U c = 33 V CC Corrente I i max. = 130 ma I N = 500 ma Frequenza F HART = 2200 Hz, modulata in frequenza F G = 7,7 MHz Livello di immunità Tabella Esempio di un trasmettitore di temperatura secondo NE 21, ad es. 0,5 KV tra conduttore e conduttore Capacità di scarica di 20 ka (8/20 μs), tensione di intervento 52 V tra conduttore e conduttore Collaudato secondo ATEX, CE ATEX, CE, IEC , IECEX 500 V senza messa a terra sì sì Capacità interna C i C i =15 nf Trascurabile Induttanza interna L i L i = 220 µh Trascurabile zona non pericolosa circuito di misura e controllo nella zona pericolosa trasmettitore 1) BLITZDUCTOR XT 1 1 linea segnale 1 BLITZDUCTOR XT 1 sensore 1) Tr BD EX BD EX 2 1) tenuta di isolamento 500 V a.c. Assicurare collegamento equipotenziale e magliatura adeguati. Figura Esempio di collegamento della schermatura nei cavi a sicurezza intrinseca Valori massimi ammessi per L 0 e C 0 Prima di mettere in funzione un circuito di misura a sicurezza intrinseca, bisogna dimostrare che sia effettivamente intrinsecamente sicuro. A tal fine, l'unità di alimentazione, il trasmettitore, i cavi e i dispositivi di protezione devono soddisfare le condizioni di sicurezza intrinseca. Se necessario, bisogna tenere in considerazione gli accumulatori di energia costituiti dalle induttanze e capacità dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni. Secondo la certificazione CE della categoria (PTB 99 ATEX 2092), le capacità interne e le induttanze dei dispositivi di protezione BXT ML4 BD EX 24 (Figura ) sono trascurabili e non vanno prese in considerazione ai fini della valutazione delle condizioni di sicurezza intrinseca (Tabella ). Valori massimi per tensione U i e corrente I i Secondo i rispettivi dati tecnici, il trasduttore a sicurezza intrinseca da proteggere ha una tensione massima di alimentazione U i e una massima corrente di corto circuito I i quando viene utilizzato in applicazioni per la sicurezza intrinseca (Figura ). La tensione nominale Uc del dispositivo di protezione deve essere almeno equivalente alla tensione a vuoto massima dell'apparecchio di alimentazione. La corrente nominale dello scaricatore deve sopportare almeno la corrente di cortocircuito I i del trasduttore di misura presunta in caso di guasto. Se nel dimensionamento dei limitatori di sovratensione non vengono osservate queste condizioni al contorno, il limitatore potrebbe sovraccaricarsi e quindi guastarsi, oppure la sicurezza intrinseca del circuito di misura potrebbe non essere più garantita GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI 455

8 a causa dell'aumento di temperatura del dispositivo di protezione. Coordinamento del dispositivo di protezione da sovratensioni con le apparecchiature finali La raccomandazione NAMUR NE 21 definisce i requisiti generali per l'immunità dalle interferenze per le apparecchiature di laboratorio e di processo (ad esempio i trasduttori). Gli ingressi di segnale di tali apparecchiature devono sopportare tensioni di 0,5 kv tra i conduttori del cavo (tensione trasversale) e 1,0 kv tra conduttori e massa (tensione longitudinale). La disposizione di misura e la forma d'onda sono descritte nella norma fondamentale CEI EN (CEI ). A seconda dell'ampiezza dell'impulso di prova, viene assegnato uno specifico livello di immunità per l'apparecchiatura finale. Questi livelli di immunità delle apparecchiture finali sono documentati dal livello di prova (1-4). Il livello di prova 1 è quello più basso, mentre il livello di prova 4 definisce il livello di immunità più alto. Il livello di prova si trova normalmente nella documentazione tecnica del dispositivo da proteggere, oppure si può richiedere al produttore del dispositivo stesso. In caso di rischio da fulmine o sovratensione, i disturbi impulsivi condotti (tensione, corrente e energia) devono essere limitati a un valore corrispondente alla classe di immunità ai disturbi dell'apparecchiatura finale. I livelli di prova sono documentati sui dispositivi di protezione contro le sovratensioni (ad esempio, P1). Impianti di messa a terra interconnessi In passato, erano spesso messi in opera impianti di messa a terra separati (terra della protezione contro i fulmini e terra di protezione generale separate dalla terra funzionale). Questo è risultato molto svantaggioso e persino pericoloso. In caso di fulminazione, possono verificarsi differenze di potenziale fino a 100 kv, che possono a loro volta provocare la distruzione dei componenti elettronici, rischi per le persone ed esplosioni in atmosfera esplosiva provocate da scintille. Pertanto si consiglia di installare un impianto di messa a terra separato per ogni edificio o parte di un impianto e di collegarli tra loro. Tale interconnessione (Figura ) riduce le differenze di potenziale tra gli edifici e le parti dell'impianto e quindi riduce le correnti parziali di fulmine condotte. Quanto più sono ridotte le dimensioni delle maglie degli impianti di messa a terra, tanto minori risulteranno le differenze di potenziale tra gli edifici o le parti dell'impianto in caso di fulmine. Dimensioni delle maglie di 20 x 20 m hanno dimostrato di essere economicamente fattibili (maglie di 10 x 10 m sono raccomandate in atmosfere potenzialmente esplosive e quando si utilizzano sistemi elettronici). Quando si seleziona il materiale dell'impianto di messa a terra, bisogna fare in modo che le tubazioni interrate non subiscano corrosione. Collegamento equipotenziale Bisogna realizzare un collegamento equipotenziale coerente in tutti gli ambienti con atmosfere potenzialmente esplosive, per prevenire la formazione di differenze di potenziale tra elementi conduttori diversi e estranei. Le colonne degli edifici e le parti strutturali, tubi, contenitori, ecc. vanno integrati nell'impianto equipotenziale, in modo che non si verifichino differenze di tensione anche in condizioni di guasto. Le connessioni dei conduttori equipotenziali devono essere autobloccanti per evitare allentamenti. Secondo la norma CEI EN (CEI 31-33), è necessario un collegamento equipotenziale supplementare, il quale deve essere correttamente realizzato, installato e collaudato secondo le norme IEC (HD ) e IEC (HD ). Quando si utilizzano dispositivi di protezione contro le sovratensioni, la sezione del conduttore di terra, in rame, per il collegamento equipotenziale deve essere di almeno 4 mm 2. Equipotenzialità antifulmine all'esterno della zona Ex L'uso di dispositivi di protezione contro le sovratensioni negli impianti a bassa tensione, impianti di utenza, sistemi di controllo e misura all'esterno della zona di pericolo (ad es. sala di controllo) non differisce rispetto alle altre applicazioni (per maggiori informazioni si veda anche la brochure DS 649 E "Guida di selezione Red/Line"). In questo contesto va ricordato che i dispositivi di protezione contro le sovratensioni per le linee tra le zone LPZ 0 A e LPZ 1 devono avere una capacità di scarica della corrente di fulmine descritta dalla forma d'onda di prova 10/350 µs. I dispositivi di protezione contro le sovratensioni di classi differenti devono essere coordinati tra di loro. Questo requisito è assicurato dai limitatori di sovratensione DEHN. Trattamento di schermatura nei circuiti di misura a sicurezza intrinseca La schermatura del cavo è una misura importante per evitare interferenze elettromagnetiche. In questo contesto, gli effetti dei campi elettromagnetici devono essere ridotti ad un livello accettabile per evitare l'accensione. Questo è possibile solo se la schermatura è collegata a terra ad entrambe le estremità del cavo. La messa a terra della schermatura ad entrambe le estremità del cavo è consentita nelle aree pericolose solo se sono assolutamente da escludere le differenze di potenziale tra i punti di massa (impianto di terra interconnesso, con dimensione delle maglie 10 x 10 m) e se è installato un conduttore di massa isolato con una sezione di almeno 4 mm 2 (o meglio 16 mm 2 ) in parallelo al cavo a sicurezza intrinseca, con tale conduttore di massa collegato alla schermatura del cavo in un punto qualsiasi e nuovamente isolato. Questo cavo in parallelo deve essere collegato allo stesso collegamento equi- 456 GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI

9 potenziale della schermatura del cavo a sicurezza intrinseca (Figura ). Inoltre si possono usare come conduttori equipotenziali i ferri di armatura (permanentemente e sistematicamente interconnessi). Questi ultimi sono collegati alla barra equipotenziale ad entrambe le estremità. Riassunto Le norme pertinenti descrivono il rischio di fulminazione negli impianti chimici e petrolchimici e il rischio dovuto alle conseguenti interferenze elettromagnetiche. Quando si utilizza il concetto di zona di protezione contro i fulmini per la progettazione e l'installazione degli impianti, devono essere ridotti al minimo (con mezzi economicamente accettabili) i rischi di scariche in caso di fulminazione, o i rischi dovuti alla scarica dell'energia delle interferenze condotte. I limitatori di sovratensione utilizzati devono rispettare le norme di protezione contro le esplosioni, assicurare il coordinamento con le apparecchiature finali e soddisfare le esigenze derivanti dai parametri di funzionamento dei circuiti di controllo e di misura. GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI 457

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