“Em áreas onde quantidades e concentrações perigosas de vapores ou gases inflamáveis podem ocorrer, medidas de proteção precisam ser aplicadas de forma a reduzir o risco de explosões.”

O trecho acima foi retirado da introdução da norma brasileira NBR IEC 60079-10-1, e deve ser uma constante preocupação dos engenheiros e técnicos que elaboram e executam projetos e intervenções em áreas classificadas.

A norma NBR IEC 60079-14 contêm requerimentos específicos para projeto, seleção, montagem e inspeção inicial de instalações elétricas em áreas com risco de explosão. Um dos requerimentos que os engenheiros elétricos, ao elaborar um projeto, necessitam ter especial atenção é o item 9.3.8, transcrito abaixo:

“A temperatura de superfície dos cabos não pode exceder a classe de temperatura definida para a área classificada.”

Cada área classificada recebe uma classe de temperatura conforme a temperatura de ignição do gás existente na área (ver NBR IEC 60079-20). A classificação é baseada na temperatura máxima de superfície, que é a temperatura mais elevada, do funcionamento normal nas condições mais desfavoráveis, por toda a parte ou toda a superfície de um equipamento elétrico, que não ocorrerá a ignição do gás.

Na Tabela 2 da NBR IEC 60079-0, nos é apresentado a classificação de acordo com a máxima temperatura de superfície para equipamentos elétricos destinados para utilização em locais com uma atmosfera explosiva de gás (exceto minas susceptíveis ao grisú).

Equipamento elétrico, por definição normativa, são todos os itens aplicáveis a um todo ou em parte para utilização de energia elétrica, isto inclui, entre outros, itens para geração, transmissão, distribuição, armazenamento, medição, regulação, conversão e consumo de energia elétrica e itens para telecomunicações. Desta forma os cabos estão inclusos neste termo “equipamento elétrico”.

A NBR 5410, em seu item 6.2, nos fornece a metodologia de cálculo/seleção de cabos em serviço normal para a maioria das situações que encontramos em projetos (conforme tabela 33), de modo a calcularmos os cabos de PVC para uma máxima temperatura de 70°C e calcularmos os cabos de EPR ou XLPE para uma máxima temperatura de 90°C durante a operação normal.

Esta temperatura de operação dos cabos refere-se à temperatura externa do condutor de cobre. Se considerarmos as perdas/trocas de calor sobre a cobertura do isolamento do cabo, é improvável que a temperatura exceda a classe T6 de temperatura. Ou seja, se o cabo for dimensionado conforme NBR 5410, não é provável que tenhamos complicações em áreas classificadas com estes circuitos em regime normal de funcionamento (Conforme nota no item 9.3.8 da NBR IEC 60079-14).

Entretanto, vamos supor que ocorra uma falha de isolação no enrolamento de um motor à prova de explosão, instalado em área classificada. O motor é do tipo Ex-d, assim este conterá a possível explosão dentro de seu invólucro. Porém, os cabos que alimentam este motor estarão sujeitos à corrente de curto circuito durante o tempo de atuação da proteção e a temperatura dos cabos pode atingir temperaturas superiores. Se os dispositivos de proteção foram selecionados conforme item 5.3.5.5.2 da NBR 5410, a temperatura dos cabos de EPR e XLPE podem chegar à 250°C, ultrapassando os limites de temperatura das classes T3 à T6.

Visando a segurança e como o tempo desta elevação de temperatura é muito curto, podemos considerar o sistema como adiabático, ou seja, sem trocas de calor para um ambiente externo. Assim, podemos calcular a temperatura final do cabo, aplicando a corrente de curto circuito e o tempo de atuação do dispositivo de proteção na fórmula da temperatura adiabática expressa pela IEC 60949.

onde:

θ_f é a temperatura final do condutor;

θ_i é a temperatura inicial do condutor, no cálculo. Consideramos a temperatura de operação para o condutor alimentador e 45°C para o condutor de proteção;

β é o coeficiente de temperatura, extraída da tabela I da IEC 60949. Para o Cobre β=234,5;

t é o tempo de atuação do dispositivo de proteção responsável pelo seccionamento automático, em segundos (ver item 4.4);

K é uma constante que depende do tipo de material condutor extraída da tabela I da IEC 60949. Para o cobre K=226;

S é a seção do condutor, em milímetros quadrados;

I_SC é a corrente de curto circuito que percorre o cabo.

Exemplo de aplicação:

Consideremos um motor Ex-d, de 55kW alimentado por um sistema de 480V que possui nível de curto circuito de 50kA. Para o tempo de proteção, vamos utilizar os valores conservadores da IEEE242. No caso de disjuntor caixa moldada, o tempo é de 25ms. Circuito com 15m de comprimento. Método de instalação “E”, conforme NBR 5410. Este motor será instalado em uma área classificada zona 2, grupo IIA e classe de temperatura T3.

Calculando o cabo pelo método de ampacidade, teremos a seleção do cabo 16mm² isolação EPR. Este cabo também atende aos critérios de queda de tensão, suportabilidade de curto circuito e seccionamento automático, conforme NBR 5410, nas condições mencionadas.

No caso de ocorrer um curto circuito em seu enrolamento, a possível explosão será contida no invólucro Ex-d, mas os cabos deste circuito sofrerão aumento de temperatura devido à corrente de curto circuito que percorrerá estes cabos. Calcularemos a elevação de temperatura nos cabos com a fórmula da temperatura adiabática da IEC 60949, sendo:

θ_i = 90°C (temperatura de operação do cabo EPR)

t = 0,025s

I_SC = 12,7kA (Valor de Isc considerando a impedância do cabo)

S = 16mm²

Obtemos: θ_f = 206,7°C

Podemos notar que o valor encontrado excede à temperatura limite da classe T3 (200°C), havendo o risco de ignição do gás ao seu redor.

Elevando a seção do cabo para 25mm² e refazendo os cálculos, obteremos uma θ_f = 192°C. Assim, o cabo de 25mm² atende ao critério da NBR IEC 60079-14 neste exemplo.

Conclusão:

Para cabos instalados em área classificada se faz necessário verificarmos a temperatura final do cabo no caso de curto circuito, pois dependendo da classe de temperatura do local, pode ocorrer a ignição do gás devido à esta elevação de temperatura.

Os circuitos podem ser verificados pela equação da IEC 60949, considerando o sistema adiabático, o tempo de atuação da proteção e a corrente de curto circuito no local.

Considerações adicionais:

O cálculo foi idealizado de forma conservadora visando a segurança em áreas classificadas. A temperatura determinada foi do cabo de cobre, desprezando a dissipação térmicas do isolamento.

Referências:

IEC 60949 – Calculation of thermally permissible short-circuit currents, taking into account non-adiabatic heating effects.

IEEE242 – Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems

NBR 5410 – Instalações elétricas de baixa tensão

NBR IEC 60079-0 – Atmosferas explosivas – Parte 0: Equipamentos – Requisitos gerais

NBR IEC 60079-10-1 – Atmosferas explosivas – Parte 10-1: Classificação de áreas – Atmosferas explosivas de gás

NBR IEC 60079-14 – Atmosferas explosivas – Parte 14: Projeto, seleção e montagem de instalações elétricas

NBR IEC 60079-20 – Atmosferas explosivas – Parte 20-1: Características de substâncias para classificação de gases e vapores – Métodos de ensaios e dados