Capitolo 9.32

9
32
Protezione contro i
fulmini e le sovratensioni
per atmosfere
potenzialmente esplosive
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 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 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 62305-4 (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 9.32.1). 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 9.32.1 Suddivisione elementare di un impianto in zone di protezione contro i fulmini (LPZ)
450 GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI
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Metodo di protezione
Classe di
LPS
Raggio
della sfera
rotolante
I
20
Angolo di protezione α
α° 80
70
Larghezza
di maglia w
[m]
Tipica spaziatura dei
conduttori
[m]
5x5
10
10 x 10
10
15 x 15
15
20 x 20
20
60
II
30
III
45
50
40
30
I
20
II
III
IV
10
IV
60
0
02
10
20
30
40
50
60
h [m]
Tabella 9.32.1 Disposizione degli impianti di captazione secondo la classe di LPS
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 fulminazione) (Figura 9.32.1).
sistema dei captatori,
p.es. pali componibili
di protezione antifulmine
serbatoio
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:
s
sistema di dispersori
(dispersori ad anello)
Figura 9.32.2 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 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-
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¨¨ 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
protezione contro i fulmini esterna
edificio schermato
w
w
fulminazione diretta
dr
dw
dr
dw
fulminazione indiretta
sa
sa
Figura 9.32.3 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 62305-3
(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
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 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
452 GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI
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 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
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zona non pericolosa
zona pericolosa
sala di controllo
DEHNpipe
DPI MD EX 24 M2
FISCO
4
3
2
1
3’
4’
2’
1’
BLITZDUCTOR
protected
BLITZDUCTOR XT
BXT ML4 ... EX
+ BXT BAS EX
BXT ML4 BD
EX 24
isolatore Ex(i)
Zone Ex 1, 2
Zone Ex 0
min. 4 mm2
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
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 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.
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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 0B 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
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
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
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 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. Up (conduttore/PG) ≤ 35 V).
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 so-
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
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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
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 immunità
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 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
Tabella 9.32.2 Esempio di un trasmettitore di temperatura
zona non pericolosa
1)
trasmettitore
1) tenuta
linea segnale
BLITZDUCTOR XT
1’
Tr
circuito di misura e controllo nella zona pericolosa
1’
2
2’
BD EX
2’
sensore1)
BLITZDUCTOR XT
1
1
BD EX
2
di isolamento ≥ 500 V a.c.
Assicurare collegamento
equipotenziale e magliatura adeguati.
Figura 9.32.7 Esempio di collegamento della schermatura nei cavi a sicurezza intrinseca
Valori massimi ammessi per L0 e C0
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 9.32.6)
sono trascurabili e non vanno prese in considerazione ai
fini della valutazione delle condizioni di sicurezza intrinseca
(Tabella 9.32.2).
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Valori massimi per tensione Ui e corrente Ii
Secondo i rispettivi dati tecnici, il trasduttore a sicurezza intrinseca 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 intrinseca del circuito di misura potrebbe non essere più garantita
GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI 455
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 61000-4-5 (CEI 110-30). 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 9.32.6) 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.
456 GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI
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 60079-14 (CEI 31-33),
è necessario un collegamento equipotenziale supplementare,
il quale deve essere correttamente realizzato, installato e collaudato secondo le norme IEC 60364-4-41 (HD 60364-4 -41) e
IEC 60364-5-54 (HD 60364-5 -54). 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 mm2.
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 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 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 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-
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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 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 con-
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seguenti 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
458 GUIDA ALLA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI
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