Protezione contro i fulmini e le sovratensioni per atmosfere ... · impianti di processo nei confronti delle correnti di fulmine e dalle sovratensioni. Concetto di protezione Negli

Protezione contro i fulmini e le sovratensioni

per atmosfere potenzialmente esplosive

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Durante la produzione, trasformazione, conservazione e tra-sporto di sostanze infiammabili (come benzina, alcool, gas liquidi, polveri esplosive), si formano spesso negli impianti in-dustriali chimici e petrolchimici delle atmosfere potenzialmen-te 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 im-pianti è necessaria una procedura concettuale atta proteg-gere i componenti degli impianti elettrici ed elettronici degli impianti di processo nei confronti delle correnti di fulmine e dalle sovratensioni.

Concetto di protezioneNegli ambienti in atmosfere potenzialmente esplosive sono utilizzati spesso dei circuiti di misura a sicurezza intrinseca. La Figura 9.32.1 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 perico-lose si devono osservare molte norme di sicurezza, le seguenti aree sono state attribuite alle zone di protezione contro i ful-mini 1 (LPZ 1) e 2 (LPZ 2):

¨ unità di elaborazione nella centrale di controllo (LPZ 2),

sistema equipotenziale interconnesso

schermatura edi�cio, p.es. armatura

sistema di captazione

linea al potenziale remoto

involucro metallico di spessore suf�ciente

ventilazione

¨ 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 62305-4 (CEI 81-10/4), vanno predisposti adeguati dispositivi di protezione contro le sovra-tensioni, come descritti di seguito, in tutti i punti di confine tra le zone di protezione contro i fulmini.

Protezione esterna contro i fulminiLa protezione esterna contro i fulmini comprende tutti gli im-pianti installati al di fuori o sulla struttura da proteggere de-dicati 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 po-tenzialmente 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 captazioneIn atmosfere potenzialmente esplosive, l'impianto di capta-zione deve essere installato almeno secondo la classe LPS II (Tabella 9.32.1). Per determinare i relativi punti di impatto, si consiglia di utilizzare il metodo della sfera rotolante con raggio

Figura 9.32.1 Suddivisione elementare di un impianto in zone di protezione contro i fulmini (LPZ)

GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI 451www.dehn.it

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 9.32.2). 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'allega-

to D punto 5.5.2 della norma CEI EN 62305-3 (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 fulmi-nazione) (Figura 9.32.1).

CalateLe calate sono i collegamenti elettrici tra l'impianto di capta-zione 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 pos-sibile,

¨ il collegamento all'equipotenzialità antifulmine venga rea-lizzato 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.

Tabella 9.32.1 Disposizione degli impianti di captazione secondo la classe di LPS

Classe di LPS

Metodo di protezione Tipica spa-ziatura dei conduttori

[m]

Raggio della sfera rotolante

Angolo di protezione αLarghezza

di maglia w [m]

I 20

h [m]

α° 80

70

60

50

40

30

20

10

0 0 2 10 20 30 40 50 60

I II III IV

5 x 5 10

II 30 10 x 10 10

III 45 15 x 15 15

IV 60 20 x 20 20

serbatoio

s

sistema di dispersori (dispersori ad anello)

sistema dei captatori, p.es. pali componibili di protezione antifulmine

Figura 9.32.2 Sistema di captazione con aste e funi di captazione


Distanza di isolamentoSe la distanza d tra captatori o calate e gli impianti elettrici o metallici all'interno della struttura da proteggere è insuffi-ciente, 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 isola-mento (d > s).Dato che in pratica la corrente si suddivide tra i singoli con-duttori 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 62305-3 (CEI 81-10/3).

Schermatura degli edificiUn'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 for-mare gabbie di schermatura, nei limiti del possibile (Figura 9.32.3). Grazie all'interconnessione elettrica dei componenti metallici dell'oggetto da proteggere, in modo da formare delle gabbie schermanti chiuse, il campo magnetico risulta notevol-mente ridotto. Pertanto, si può facilmente diminuire il campo magnetico di un fattore da 10 a 300 e si può realizzare un'in-frastruttura 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 pericoloseLa protezione contro i fulmini e le zone Ex sono già armo-nizzate 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 perico-lose, sia ai limiti delle zone di protezione contro i fulmini. Di conseguenza, il luogo di installazione dei limitatori di sovra-tensione è esattamente definito, cioè deve essere installato al passaggio tra le zone LPZ 0B 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 60079-11 (CEI 31-78), CEI EN 60079-14 (CEI 31-33) e CEI EN 60079-25 (CEI 31-79) (Figura 9.32.4):

¨ impiego di dispositivi di protezione contro le sovratensioni con una minima capacità di scarica di 10 impulsi di 10 kA

w

dr

w

dw

drdw

fulminazione diretta

protezione contro i fulmini esterna edi�cio schermato

fulminazione indiretta

sa sa

Figura 9.32.3 Schermatura delle strutture utilizzando componenti naturali dell'edificio


ciascuno senza danni per le apparecchiature o interferenze con l'effetto di protezione contro le sovratensioni;

¨ installazione del dispositivo di protezione contro le sovra-tensioni in un involucro metallico schermato; messa a terra per mezzo di un conduttore di rame con una sezione tra-sversale di almeno 4 mm2;

¨ 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 pro-tezione contro le sovratensioni è previsto anche nel passaggio dalla zona LPZ 0B a LPZ 1 per la linea di misura dei trasmetti-tori di temperatura a sicurezza intrinseca. Il dispositivo di pro-tezione 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

FISC

O

BXT ML4 BD EX 24

BLITZDUCTOR

2’4’

1’3’

24

13

prot

ecte

d

BLITZDUCTOR XTBXT ML4 ... EX+ BXT BAS EX

min. 4 mm2

isolatore Ex(i)

sala di controlloDEHNpipeDPI MD EX 24 M2

zona pericolosazona non pericolosa

Zone Ex 1, 2 Zone Ex 0

Figura 9.32.4 Dispositivi di protezione in un circuito di misura intrinsecamente sicuro

Figura 9.32.5 Dispositivi di protezione per circuiti di misura intrinsecamente sicuri


isolamento (Figura 9.32.5). 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 apparecchiaturePer 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 so-

vratensioni, 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 con-

sidera 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 in-

feriore alla tenuta di isolamento del trasduttore collegato a

massa (ad es. Up (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 corren-

te 4…20 mA. I dispositivi di protezione contro le sovraten-

sioni (ia) soddisfano i requisiti più severi e sono quindi adatti

anche per applicazioni ib e ic.

Per il sistema dei dispersori vanno osservate le norme seguenti: DIN 18014 Dispersori di fondazione (norma tedesca), IEC 62305-3 (EN 62305-3) e DIN VDE 0151 (norma tedesca)e dimensioni minime dei dispersori per la corrosione.

Figura 9.32.6 Esempio di impianto di messa a terra a maglia


Valori massimi ammessi per L0 e C0

Prima di mettere in funzione un circuito di misura a sicurezza intrinseca, bisogna dimostrare che sia effettivamente intrinse-camente sicuro. A tal fine, l'unità di alimentazione, il trasmet-titore, i cavi e i dispositivi di protezione devono soddisfare le condizioni di sicurezza intrinseca. Se necessario, bisogna te-nere 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 9.32.6) sono trascurabili e non vanno prese in considerazione ai fini della valutazione delle condizioni di sicurezza intrinseca (Tabella 9.32.2).

Valori massimi per tensione Ui e corrente Ii

Secondo i rispettivi dati tecnici, il trasduttore a sicurezza intrin-seca da proteggere ha una tensione massima di alimentazione Ui e una massima corrente di corto circuito Ii quando viene utilizzato in applicazioni per la sicurezza intrinseca (Figura 9.32.7). 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 Ii 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 intrin-seca del circuito di misura potrebbe non essere più garantita

1’ 1

2’ 2

1

2’

1’

2

BD EX BD EX

BLITZDUCTOR XT BLITZDUCTOR XTtrasmettitore 1)

1) tenuta di isolamento ≥ 500 V a.c.

Assicurare collegamento equipotenziale e magliatura adeguati.

Tr

1)linea segnale

circuito di misura e controllo nella zona pericolosazona non pericolosa

sensore 1)

Figura 9.32.7 Esempio di collegamento della schermatura nei cavi a sicurezza intrinseca

Tabella 9.32.2 Esempio di un trasmettitore di temperatura

Dati tecnici Trasmettitore TH02Limitatore di sovratensione

BXT ML4 BD Ex 24

Luogo di installazione Zona 1 Zona 1

Grado di protezione ib ia

Tensione Ui max. = 29,4 V CC Uc = 33 V CC

Corrente Ii max. = 130 mA IN = 500 mA

Frequenza FHART = 2200 Hz, modulata in frequenza FG = 7,7 MHz

Livello di immunitàsecondo NE 21, ad es. 0,5 KV tra con-

duttore 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 6143-21, IECEX

500 V senza messa a terra sì sì

Capacità interna Ci Ci =15 nF Trascurabile

Induttanza interna Li Li = 220 µH Trascurabile


a causa dell'aumento di temperatura del dispositivo di prote-zione.

Coordinamento del dispositivo di protezione da sovratensioni con le apparecchiature finali La raccomandazione NAMUR NE 21 definisce i requisiti ge-nerali per l'immunità dalle interferenze per le apparecchiatu-re 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 trasver-sale) 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 61000-4-5 (CEI 110-30). A seconda dell'ampiezza dell'impulso di prova, viene assegnato uno specifico livello di immunità per l'apparecchiatura fina-le. 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 esem-pio, P1).

Impianti di messa a terra interconnessiIn 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 9.32.6) riduce le diffe-renze di potenziale tra gli edifici e le parti dell'impianto e quin-di 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 econo-micamente 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'im-pianto di messa a terra, bisogna fare in modo che le tubazioni interrate non subiscano corrosione.

Collegamento equipotenzialeBisogna 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 con-duttori equipotenziali devono essere autobloccanti per evitare allentamenti. Secondo la norma CEI EN 60079-14 (CEI 31-33), è necessario un collegamento equipotenziale supplementare, il quale deve essere correttamente realizzato, installato e col-laudato secondo le norme IEC 60364-4-41 (HD 60364-4 -41) e IEC 60364-5-54 (HD 60364-5 -54). Quando si utilizzano dispo-sitivi di protezione contro le sovratensioni, la sezione del con-duttore di terra, in rame, per il collegamento equipotenziale deve essere di almeno 4 mm2.

Equipotenzialità antifulmine all'esterno della zona ExL'uso di dispositivi di protezione contro le sovratensioni negli impianti a bassa tensione, impianti di utenza, sistemi di con-trollo 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 ricorda-to che i dispositivi di protezione contro le sovratensioni per le linee tra le zone LPZ 0A 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 sovra-tensioni 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 intrinsecaLa 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 di-mensione delle maglie 10 x 10 m) e se è installato un con-duttore di massa isolato con una sezione di almeno 4 mm2 (o meglio 16 mm2) 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-


potenziale della schermatura del cavo a sicurezza intrinseca (Figura 9.32.6).

Inoltre si possono usare come conduttori equipotenziali i ferri di armatura (permanentemente e sistematicamente intercon-nessi). Questi ultimi sono collegati alla barra equipotenziale ad entrambe le estremità.

RiassuntoLe norme pertinenti descrivono il rischio di fulminazione negli impianti chimici e petrolchimici e il rischio dovuto alle con-

seguenti interferenze elettromagnetiche. Quando si utilizza il concetto di zona di protezione contro i fulmini per la proget-tazione 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 sovra-tensione utilizzati devono rispettare le norme di protezione contro le esplosioni, assicurare il coordinamento con le appa-recchiature finali e soddisfare le esigenze derivanti dai para-metri di funzionamento dei circuiti di controllo e di misura.


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