GrundlaGen ex-Schutz
zündSchutzart eiGenSicherheit
GrundlaGen
PePPerl+FuchS
ein zuverlässiger Partner
Pepperl+Fuchs ist ein führender Entwickler und Hersteller elektronischer Sensoren und Komponenten für den weltweiten Automatisierungsmarkt. Unser Geschäfts- bereich Prozessautomation gehört zu den Marktführern im Bereich des eigensicheren Explosionsschutzes. Seit mehr als 60 Jahren sind wir durch unsere kontinuierlichen Innovationen, qualitativ hochwertige Produkte und ständiges Wachstum Ihr zuverlässiger Partner in der Prozessindustrie.
lebenslanges lernen
Wer in der Automation tätig ist, wird ständig mit neuen Technologien und Entwicklungen konfrontiert. Nur durch regelmäßige Weiterbildung und lebenslanges Lernen können wir mit diesen Entwicklungen Schritt halten.
Unsere Schulungen vermitteln nicht nur theoretische Grundlagen, sondern zeigen auch anschaulich die praktische Anwendung des Erlernten. Die vorliegende Broschüre „Grundlagen Ex-Schutz“ soll den Betreibern die Übersicht erleichtern.
inhaltSverzeichniS PePPerl+FuchS
ein zuverlässiger Partner
Pepperl+Fuchs ist ein führender Entwickler und Hersteller elektronischer Sensoren und Komponenten für den weltweiten Automatisierungsmarkt. Unser Geschäfts- bereich Prozessautomation gehört zu den Marktführern im Bereich des eigensicheren Explosionsschutzes. Seit mehr als 60 Jahren sind wir durch unsere kontinuierlichen Innovationen, qualitativ hochwertige Produkte und ständiges Wachstum Ihr zuverlässiger Partner in der Prozessindustrie.
lebenslanges lernen
Wer in der Automation tätig ist, wird ständig mit neuen Technologien und Entwicklungen konfrontiert. Nur durch regelmäßige Weiterbildung und lebenslanges Lernen können wir mit diesen Entwicklungen Schritt halten.
Unsere Schulungen vermitteln nicht nur theoretische Grundlagen, sondern zeigen auch anschaulich die praktische Anwendung des Erlernten. Die vorliegende Broschüre „Grundlagen Ex-Schutz“ soll den Betreibern die Übersicht erleichtern.
zündSchutzart eiGenSicherheit S. 04
Einführung
FunKtiOnSPrinziP S. 05
Mindestzündenergie
Grundprinzip der Eigensicherheit Grundstruktur einfacher Stromkreise Begriffe
Schutzniveaus ia, ib und ic
Zusammenhang zwischen Schutzniveau, Kategorie und Zone
nachWeiS der eiGenSicherheit S. 12
Einführung
Grundverfahren zum Nachweis Problematik gemischter Stromkreise
Beispiel 1: Stromkreis mit verteilten Reaktanzen Beispiel 2: Stromkreis mit konzentrierten Reaktanzen Beispiel 3: Stromkreis mit konzentrierten Reaktanzen
zuSammenSchaltunG mehrerer betriebSmittel S. 19
Zusammenschaltung linearer Quellen Zündgrenzkurven der DIN EN 60079-11 Zusammenschaltung nicht-linearer Quellen
inStallatiOnSanFOrderunGen S. 29
Anforderungen an die Installation in Zone 1 und 2 Anforderungen an Betriebsmittel
Anforderungen an Kabel und Leitungen Anschluss eigensicherer Stromkreise Erdung eigensicherer Stromkreise Erdung leitender Schirme
Anforderungen an die Installation in Zone 0
einFache eleKtriSche betriebSmittel S. 33
Definition Beispiele
Bewertung der Funkenzündung Bewertung der thermischen Zündung
quellen und reFerenzen S. 35
ihr trainerteam S. 36
GrundlaGenbrOSchüren vOn PePPerl+FuchS S. 37
zündSchutzart eiGenSicherheit
einführung
Betrachtet man die Zündschutzart Eigensicherheit im direkten Vergleich zu anderen Zündschutzarten, so zeigt sich eine grundsätzlich andere Antwort auf die Frage, wie die Entzündung einer umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre zu verhindern ist: Liegt bei Zündschutzarten wie beispielsweise der erhöhten Sicherheit der Fokus auf dem sicheren Einschließen der in aller Regel zündfähigen Energie im betreffenden Stromkreis, so ist die Energie im eigensicheren Strom be- reits so gering, dass im Falle einer Funkenbildung keine Zündung möglich ist. Die- ses Funktionsprinzip führt allerdings zu einigen besonderen Überlegungen, so- wohl bei der Gestaltung entsprechender Betriebsmittel, als auch der Planung und Ausführung eigensicherer Stromkreise.
Die vorliegende Broschüre richtet sich in erster Linie an Anwender aus den Bereichen Planung und Errichtung eigensicherer Stromkreise und soll die Beson- derheiten – vor allem den Nachweis der Eigensicherheit – und die bei der Installa- tion zu beachtenden Grundsätze erläutern. Es deckt darüber hinaus auch die wichtigsten Anforderungen an die sogenannten einfachen elektrischen Betriebs- mittel ab und klärt damit weitestgehend die für die meisten Anwender relevanten Fragen.
Besonders dann, wenn sich mehrere zugehörige Betriebsmittel im Stromkreis befinden und/oder diese eine nicht-lineare Ausgangskennlinie aufweisen, sind die besonderen Anforderungen im Abschnitt „Zusammenschaltung mehrerer zuge- höriger Betriebsmittel“ zu beachten. In diesem Fall reichen die in der Installations- norm DIN EN 60079-14 (vgl. dazu [6] )aufgeführten Verfahren oft nicht aus, um einen entsprechenden Nachweis zu erbringen. Auch im Hinblick auf die Bewertung einfacher elektrischer Betriebsmittel gibt diese Broschüre einen Überblick.
besonderheiten bei der Planung und errichtung eigensicherer Stromkreise
FunKtiOnSPrinziP
Potenzielle zündquellen können eine explosionsfähige atmosphäre entzünden
mindestzündenergie
Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung einer Anlage mit oder in explosionsge- fährdeten Bereichen stößt man unweigerlich auf die Frage, welche Zündquellen dort vorhanden sind. Die einschlägigen Regelwerke führen in diesem
Zusammenhang 13 sogenannte potenzielle Zündquellen auf, die Ursache sein können, eine möglicherweise vorhandene explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden (vgl. dazu [1], [2])
Die wichtigsten Zündquellen sind unter anderem:
n heiße Oberflächen n Flammen und heiße Gase n mechanisch erzeugte Funken n ektrostatische Entladungen n elektrische Anlagen
Da also von elektrischen Anlagen eine Zündgefahr ausgehen kann, sind geeignete Maßnahmen zu treffen, um das Risiko einer Entzündung auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Über die bei elektrischen Betriebsmitteln angewandten Zünd- schutzarten bietet die „Zündschutzarten für elektrische Betriebsmittel“ Broschüre (vgl. dazu [3]) eine entsprechende Übersicht.
Beispiele von Mindestzündenergien unterschiedlicher Stoffe
Stoff zündenergie [mJ]
Aceton 0,55
zündenergie
Acetaldehyd 0,38
Methan 0,28
Butan 0,25
Propan 0,25
Diethylether 0,19
Ethen 0,082
Wasserstoff 0,016
Kohlenstoffdisulfid 0,009
Die Grundidee der Eigensicherheit, dass zur Entzündung eines Gemisches aus einem brennbaren Stoff und Luft ein Mindestmaß an Energie erforderlich ist, wurde bereits im letzten Drittel des 19. Jahrhunderts diskutiert. Der hierfür erforderliche Nachweis konnte damals noch nicht erbracht werden, so dass alle elektrische Funken als zündfähig galten.
Als man in den folgenden Jahren und Jahrzehnten weitergehende Forschungen zu brennbare Stoffen anstellte, führte dies zur Ermittlung einer Reihe von Merkmalen, die auch heute noch für den Explosionsschutz von grundlegender Bedeutung sind.
FunKtiOnSPrinziP
Neben Eigenschaften wie beispielsweise der Zündtemperatur, der unteren und oberen Explosionsgrenze und dem Flammpunkt brennbarer Flüssigkeiten (vgl.
dazu [4] ) entdeckte man letztendlich doch eine Kenngröße, die im Zusammen- hang mit der Eigensicherheit ein wichtige Rolle spielt: die sogenannte Mindest- zündenergie.
„Die Mindestzündenergie ist die unter vorgeschriebenen Versuchsbedingungen ermittelte, kleinste in einem Kondensator gespeicherte elektrische Energie, die bei einer Entladung ausreicht, das zündwilligste Gemisch einer explosionsfähigen Atmosphäre zu entzünden.“ (vgl. dazu [5])
Abhängig von der Höhe dieser experimentell ermittelten Mindestzündenergie (genauer: des sog. Mindestzündstromverhältnisses, wobei diese Unterscheidung für die anschauliche Deutung unerheblich ist) werden brennbare Stoffe in soge- nannten Explosions- oder Gasgruppen eingeteilt. Hierbei erfolgt mit abnehmender Zündenergie die Einteilung in die Gruppen IIA, IIB und IIC.
brennbare Gase und dämpfe werden in abhängigkeit von der experimentell ermittelten mindestzündenergie in so genannte explosions- oder Gasgruppen eingeteilt
beispiele von zündenergien unterschiedlicher explosionsgruppen in verbindung mit temperaturklassen
temperaturklasse explosions-
gruppe
t1
> 450 °c
t2
> 300 °c t3
> 200 °c t4
> 135 °c t5
> 100 °c t6
> 85 °c iia Aceton
Essigsäure Methan Propan Ammoniak
Benzol Toluol
Ottokraft- stoff Methanol
Butan
Hexan Diesel- kraftstoff
Heizöl
Acet- aldehyd
iib Cyan- wasser-
stoff
Ethanol Ethen
Schwefel- wasser-
stoff iic Wasser-
stoff Kohlen-
disulfid
zündenergie
Grundprinzip der eigensicherheit
Aus dem oben erläuterten Begriff der Mindestzündenergie sowie einem Vergleich mit in der Realität vorkommenden Betriebsmitteln wird schnell klar, dass sich die Eigensicherheit grundlegend von anderen Zündschutzarten unterscheidet: Führt ein Stromkreis oder Betriebsmittel zündfähige Energie, so ist eine Funkenbildung zu vermeiden. Die Zündschutzart erhöhte Sicherheit ist ein klassisches Beispiel für dieses Schutzprinzip. Da im Gegensatz hierzu eigensichere Stromkreise die zur Entzündung erforderliche Energie nicht führen, ist in diesem Fall eine Funken- bildung in explosionsgefährdeten Bereichen zulässig. Ein Vorteil ist die deutlich vereinfachte Durchführung von Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten an Ex i-Kreisen, die in aller Regel ohne ein aufwändiges Arbeitsfreigabeverfahren ausgeführt werden können. An dieser Stelle ist es sinnvoll und erforderlich, die exakte Definition eines eigensicheren Stromkreises zu zitieren:
FunKtiOnSPrinziP
Wartungs- und instand- setzungs arbeiten an ex i- Kreisen können meist ohne aufwändiges arbeits freigabe- verfahren ausgeführt werden
„Stromkreis, in dem weder ein Funke noch ein thermischer Effekt, der unter den in dieser Norm festgelegten Bedingungen auftritt, die den ungestörten Betrieb und bestimmte Fehlerbedingungen umfassen, eine Zündung einer bestimmten explosi- onsfähigen Gasatmosphäre verursachen kann.“ (vgl. dazu [6])
In dieser Definition werden zwei Aspekte der Eigensicherheit deutlich: zum einen die Vermeidung des Wirksamwerdens der beiden Zündquellen „Funke“
und „heiße Oberfläche“, zum anderen die Sicherstellung, dass dies nicht nur im Normal betrieb zutrifft sondern auch unter Berücksichtigung möglicher Fehler in den Betriebsmitteln beziehungsweise im gesamten Stromkreis selbst.
Das Ziel der Eigensicherheit kann erreicht werden, indem Strom, Spannung und Leistung eines entsprechenden Speisegerätes begrenzt werden. Da die im Strom- kreis vorhandenen Energiespeicher wie Induktivität und Kapazität die Energie eines eventuell entstehenden Funkens und damit die Gefahr einer Zündung erhöhen können, sind diese Energiespeicher ebenfalls zu berücksichtigen. Damit besteht der physikalische Aspekt der Eigensicherheit in der Begrenzung von n Spannung U
n Strom I n Leistung P n Induktivität L n Kapazität C
Der funktionale Aspekt beschreibt die Einteilung von Betriebsmitteln und Strom- kreisen in die Schutzniveaus
n ia n ib
n ic (bzw. früher nL)
Diese Schutzniveaus beschreiben die Fehlertoleranz innerhalb derer ein Strom- kreis immer noch eigensicher bleibt; eine nähere Erläuterung folgt.
Physikalischer und funktionaler aspekt der eigensicherheit ex i eigensicherheit – ex i
ziel: vermeidung von Funken
und heißen Oberflächen… … im Normalbetrieb und unter Fehlerbedingungen
Physikalischer aspekt:
Begrenzung von Spannung, Strom, Leistung/Energie
Funktionaler aspekt:
Zuverlässigkeit der Begrenzung
maßnahmen:
∙ U∙ I
∙ P∙ L
∙ C
maßnahmen:
∙ ia∙ ib
∙ ic / nL
FunKtiOnSPrinziP
Grundstruktur einfacher Stromkreise
Im einfachsten Fall besteht ein eigensicherer Stromkreis aus einem Speisegerät (Quelle), einem Feldgerät (Verbraucher) und einer Verbindungsleitung (Kabel).
Aus dem physikalischen Aspekt der Eigensicherheit lässt sich leicht erkennen, dass die Werte Spannung U, Strom I und Leistung P durch das Speisegerät bestimmt werden; Induktivität L und Kapazität C jedoch hauptsächlich durch das Feldgerät und die Leitung.
Aus dem Funktionsprinzip wird auch klar, dass nicht nur bei der Zusammenstel- lung der Bestandteile eines Ex i-Kreises einige Besonderheiten zu beachten sind, sondern darüber hinaus auch dafür zu sorgen ist, dass es nicht zu einem unzuläs- sig hohen Energieeintrag in solche Stromkreise kommt. Ursachen hierfür können sein:
n elektromagnetische Einkopplung von außen
n Verbindung mit anderen Stromkreisen z.B. durch Beschädigung n Bauteilefehler in den eigensicheren Betriebsmitteln selbst
Grundstruktur einfacher Stromkreise
verbraucher (Feldgerät)
quelle (Speisegerät)
verbindung (Kabel) unzulässig hohe energieein-
träge in ex i-Kreise sind nicht erlaubt
FunKtiOnSPrinziP
Begriffe
Einer der zentralen Begriffe ist der des zugehörigen Betriebsmittels:
„Elektrisches Betriebsmittel, das sowohl eigensichere als auch nicht eigensichere Stromkreise enthält, und so aufgebaut ist, dass die nicht eigensicheren Stromkrei- se keine eigensicheren Stromkreise nachteilig beeinflussen können.“ (vgl. dazu [6] )
Bei diesem zugehörigen Betriebsmittel handelt es sich in aller Regel um das Speisegerät im Schaltschrank.
An dieses Speisegerät wird ein Feldgerät anschlossen, das sich in der Mehrzahl der Fälle im explosionsgefährdeten Bereich befindet. Damit handelt es sich um ein eigensicheres Betriebsmittel im Sinne der Norm:
„Elektrisches Betriebsmittel, in dem alle Stromkreise eigensicher sind.“ (vgl. dazu [6] )
Dies sind häufig Sensoren zur Temperatur-, Druck- oder Füllstandsmessung oder auch Näherungsschalter zur Positionserfassung.
Zur Kennzeichnung beider Betriebsmittelarten s. Broschüre (vgl. dazu [3]).
beispiele eigensicherer Komponenten binärer
trennschaltverstärker näherungsschalter Kabelführung trennverstärker mit eigen-
sicherem Steuerstromkreis:
∙ Maximale Ausgangs- spannung Uo = 12,7 V
∙ Maximaler Ausgang- strom Io = 17,3 mA
∙ Maximale Ausgangs- leistung Po = 55 mW
eigensicherer induktiver näherungsschalter
∙ Innere Induktivität Li = 100 µH
∙ Innere Kapazität Ci = 100 nF
verlegung eigensicherer und anderer Kabel
∙ Gefahr elektromagne- tischer Einkopplung
∙ Gefahr mechanischer Beschädigung und galvanischer Kopplung
FunKtiOnSPrinziP
Schutzniveaus ia, ib und ic
Besonders am Beispiel eines einfachen zugehörigen Betriebsmittels – der so genannten Zenerbarriere – lässt sich der Unterschied zwischen den einzelnen Schutzniveaus anschaulich darstellen.
Die Definition des eigensicheren Stromkreises beinhaltet die Forderung, dass auch unter bestimmten Fehlerbedingungen kein zündfähiger Funke entstehen darf.
Wenn in einer Zenerbarriere nun Widerstände und Zenerdioden zum Einsatz kom- men, so kann durch deren (gefährliche) Ausfälle diese Forderung verletzt werden.
Setzt man hingegen mehrere strom- und/oder spannungsbegrenzende Bauteile ein, können diese Fehler beherrscht werden.
Die Definition des Schutzniveaus „ia“ lautet:
„Bei angelegten Spannungen Um und Ui dürfen die eigensicheren Stromkreise in elektrischen Betriebsmitteln des Schutzniveaus „ia“ in keinem der folgenden Fälle in der Lage sein, eine Zündung zu verursachen:
a) im ungestörten Betrieb […];
b) im ungestörten Betrieb und bei Vorhandensein eines […] Fehlers […];
c) im ungestörten Betrieb und bei […] zwei […] Fehlern.“ (vgl. dazu [6])
Da auch bei Ausfall beispielsweise zweier spannungsbegrenzender Dioden das Aus gangssignal immer noch eigensicher sein muss, kann man sich eine „ia-Barriere“
im einfachsten Fall wie folgt vorstellen:
beispiel einer zenerbarriere für zone 0
Nicht-Ex-Versorgung Eigensichere Barriere Feldgerät
2-Fehler-sicher à Schutzniveau ia à Kategorie (1) G à Zone 0
R II 1 G
Ex ia IIC T6
zone 0
Versagen zwei Zenerdioden in gefährlicher Weise, indem sie unterbrechen, bleibt immer noch eine dritte wirksam. Aus Gründen, die für das Verständnis des Grund- prinzips unerheblich sind, kann der Strom jedoch mit einem einzigen Widerstand begrenzt werden.
Da die Definition des Schutzniveaus ib eine 1-Fehler-Sicherheit bzw. im Falle von ic die 0-Fehler-Sicherheit fordert, kann man sich entsprechende Barrieren wie in den folgenden Abbildungen vorstellen.
Die Definition des eigen
sicheren Stromkreises beinhaltet die Forderung, dass auch unter bestimmten Fehlerbedingungen kein zündfähiger Funke entstehen darf
