Broschüre Explosionsschutz Grundlagen

Transcription

Explosionsschutz
Theorie und Praxis
Explosionsschutz
Diese Broschüre zum Thema Explosionsschutz will bei den Errichtern, Planern
und Betreibern von Anlagen mit explosionsfähigen Atmosphären Verständnis für
die besonderen Risiken wecken und eine
Hilfestellung bei der täglichen Arbeit bieten. Nicht nur in klassischen Anlagen der
chemischen und petrochemischen Industrie
muss man sich diesem Thema stellen. Auch
in auf den ersten Blick harmlosen Bereichen
z.B. der Lebensmittelindustrie ist ein erhebliches Gefahrenpotential vorhanden. Gerne
bringt man Explosionsschutz mit Gasen in
Verbindung. Doch auch bei Stäuben können
explosionsfähige Atmosphären entstehen.
Inhaltsverzeichnis
Seite
1
Grundlagen Explosionsschutz 4
1.1
1.2
1.3
1.4
2
Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen
28
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
30
34
36
39
40
42
3
Technisches Basiswissen
48
3.1
3.2
3.3
52
56
58
Richtlinien, Normen, Bestimmungen 7
Zoneneinteilung 13
Zündschutzarten 16
Kennzeichnung von Ex-Produkten 25
Installation eigensicherer Stromkreise Überspannungsschutz im Ex-Bereich Verbindungstechnik Gehäuseeinführungen Installationsbeispiele Nachweis der Eigensicherheit MSR-Technik
SIL Grundlagen Begriffe und Abkürzungen Zu den in dieser Broschüre angegebenen Produkten
finden Sie weitergehende Informationen in den
Katalogen von Phoenix Contact und im Internet
unter www.phoenixcontact.com.
In dieser Broschüre werden im ersten
Teil die Grundlagen zum Explosionsschutz erläutert. Dadurch soll das
Verständnis für die besonderen Risiken
geweckt werden. Der Explosionsschutz
stützt sich weltweit im wesentlichen auf
die europäischen und amerikanischen
Normen, Standards und Richtlinien.
2 Phoenix CONTACT
Der zweite Teil hilft dem Anwender
von elektrischen Betriebsmitteln für
den explosionsgefährdeten Bereich. Es
wird in anschaulicher Weise dargestellt,
welche Explosionsschutz-Kriterien
berücksichtigt werden müssen. Neben
den Betriebsmitteln der MSR-Technik für
eigensichere Stromkreise finden Sie auch
Informationen zu Reihenklemmen und
Überspannungsschutz für den explosionsgefährdeten Bereich.
Der dritte Teil enthält technisches Basiswissen zur MSR-Technik und zur Funktionalen Sicherheit.
Phoenix CONTACT 3
1
Grundlagen Explosionsschutz
Die Sicherheit von Menschen, ein sicherer,
störungsfreier Produktionsprozess und eine
saubere Umwelt sind wichtige Ziele.
Das Wissen um die Entstehung
und Vermeidung von Explosionen
überall dort, wo brennbare Stoffe, Sauerstoff und Zündquellen
aufeinander treffen können, ist
die Voraussetzung, diese Ziele zu
brennbarer Stoff
erreichen.
Entstehung einer Explosion
Vollkommene Verbrennung
Eine vollkommene Verbrennung ist eine
rasch ablaufende Oxidation. Sie wird als
„Schadfeuer“ bezeichnet, bei dem unter
ausreichender Zufuhr von Sauerstoff ein
brennbares Material exotherm zersetzt
wird. Mit zunehmender Ausbreitungsgeschwindigkeit spricht man von einer Verpuffung, dann von einer Explosion und
im Extremfall von einer Detonation. Bei
einer vollkommenen Verbrennung wird
Schaden verursacht, der mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit erheblich zunimmt.
Größenordnung der Ausbreitungs
geschwindigkeit:
• Verpuffung
cm/s
• Explosion
m/s
• Detonation km/s
Sauerstoff
Explosion
Eine Explosion kann entstehen, wenn
eine Schnittmenge aus einem brennbaren
Stoff, Sauerstoff und einer Zündquelle
besteht. Fehlt eine Komponente, so wird
die exotherme Reaktion nicht erfolgen.
Brennbarer Stoff
In der Praxis vorkommende Nebel,
Aerosole und Stäube haben Teilchengrößen zwischen 0,001 mm und 0,1 mm.
Sauerstoff
In Verbindung mit einem explosionsfähigen Stoff entsteht mit Sauerstoff eine
explosionsfähige Atmosphäre.
Ein brennbarer Stoff, der in Form von
Gas, Nebel, Dampf oder Staub vorliegt,
wird als explosionsfähiger Stoff bezeichnet.
Nebel und Stäube sind explosionsfähig,
wenn die Tröpfchen- bzw. Teilchengröße
kleiner als 1 mm ist. Stäube mit einer
größeren Teilchengröße sind in der Regel
nicht zündfähig.
Übersicht wirksamer Zündquellen
Zündquelle
Funken
Zündquelle
Lichtbögen
Heiße Oberflächen
Beispiel für die Ursache
Mechanisch erzeugte Funken (z.B. durch Reib-, Schlag- oder Abtragvorgänge),
elektrische Funken
Kurzschluss, Schaltvorgänge
Heizkörper, spanabhebende Bearbeitung, Erwärmung im Betrieb
Flammen und heiße Gase
Verbrennungsreaktionen, Funkenflug bei Schweißarbeiten
Elektrische Anlagen
Öffnen/Schließen von Kontakten, Wackelkontakt
Schutzkleinspannungen (U< 50V) sind keine Maßnahme des Explosionsschutzes.
Es kann auch bei kleinen Spannungen noch genügend Energie erzeugt werden, um
eine explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden.
Statische Elektrizität
Entladung aufgeladener, isoliert angeordnete leitende Teile,
bei z.B. vielen Kunststoffen
Rückströme von Generatoren, Körper-/ Erdschluss bei Fehlern, Induktion
Elektrische Ausgleichsströme,
kathodischer Korrosionsschutz
Elektromagnetische Wellen im
Bereich 3 x 1011 …3 x 1015 Hz
Hochfrequenz 104 …3 x 1012 Hz
4 Phoenix CONTACT
Grundlagen Explosionsschutz 1
Laserstrahl zur Entfernungsmessung, insbesondere bei Fokussierung
Blitzschlag
Ionisierende Strahlung
Funksignale, industrielle Hochfrequenzgeneratoren für Erwärmung, Trocknung
oder Schneiden
Atmosphärische Wetterstörungen
Röntgengerät, radioaktiver Stoff, Absorption von Energie führt zur Erwärmung
Ultraschall
Absorption von Energie in festen/flüssigen Stoffen führt zur Erwärmung
Adiabatische Kompression und Stoß
wellen
Exotherme Reaktionen
Schlagartiges Öffnen von Ventilen
1 Grundlagen Explosionsschutz
Chemische Reaktion führt zur Erwärmung
Phoenix CONTACT 5
Obere und untere Explosions
grenzen
Bei Gasen entscheidet das Konzentrationsverhältnis, ob eine Explosion möglich
ist. Nur wenn die Konzentration des
Stoffes in Luft innerhalb der unteren
Explosionsgrenze (UEG) und oberen
Explosionsgrenze (OEG) liegt, kann das
Gemisch gezündet werden.
Einige chemisch unbeständige Stoffe
(z.B. Acetylen, Ethylenoxid) können auch
ohne Sauerstoff durch Selbstzersetzung
exotherme Reaktionen eingehen. Die
obere Explosionsgrenze (OEG) verschiebt sich auf 100 Volumen-Prozent.
Der Explosionsbereich eines Stoffes
erweitert sich mit steigendem Druck
und steigender Temperatur.
1.1 Richtlinien, Normen und
Bestimmungen
Für Stäube lassen sich ähnliche Angaben
machen wie für Gase, auch wenn die
Explosionsgrenzen hier nicht die gleiche
Bedeutung haben. Staubwolken sind in
der Regel inhomogen und die Konzentration innerhalb einer Stauwolke schwankt
sehr stark. Es lassen sich für Stäube eine
untere Zündgrenze (bei ca. 20 ... 60 g/
m3) und eine obere Zündgrenze (bei ca.
2 ... 6 kg/m3) ermitteln.
Explosionsschutz in Europa
ATEX-Richtlinien
Mit den sogenannten ATEX-Richtlinien
wird der freie Warenhandel in Europa
festgelegt. Der Begriff ATEX ergibt sich
aus den französischen Worten „ATmosphère EXplosible“.
In dem Konzept der Europäischen Union
sind für den Explosionsschutz die ATEXRichtlinie 94/9/EG für Hersteller und
die Richtlinie 1999/92/EG für Betreiber
eingeführt. Diese Richtlinien sind in den
Mitgliedsstaaten in nationales Recht
umzusetzen.
Explosionsgrenzen von Wasserstoff
zu mager
untere
Explosionsgrenze
zu fett
obere
Explosionsgrenze
Zielgruppe Richtlinie
Gebräuchliche
Bezeichnung*
Hersteller 94/9/EG
ATEX 100a
ATEX 95
Betreiber 1999/92/EG ATEX 118a
ATEX 137
Explosive Atmosphäre
Volumen-% brennbarer Stoffe
0 4
50
77
100
Beispiele von Gasen unter Normaldruck
* Die Richtlinie stützt sich jeweils auf einen
Artikel des Vertrages zur Gründung der europäischen Union. Der Artikel hat sich in der Nummerierung verschoben.
Aceton
2,5
13
Acetylen
2,3
78
100
Ammoniak
15,5
33,6
Butan
1,4
9,3
Gerätegruppe und -kategorie nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG
Gerätegruppe II „Über Tage“
Explosionsgefährdete Bereiche
Gerätegruppe I „Unter Tage“
Schlagwettergefährdete Bereiche = Kohlebergbau
Um das geeignete Verfahren zur Konformitätsbewertung festzulegen, muss der
Hersteller zunächst anhand der bestimmungsgemäßen Verwendung entscheiden,
zu welcher Gerätegruppe und -kategorie
das Produkt gehört (siehe Tabelle nächste Seite).
Gerätegruppe I:
Geräte zur Verwendung im Untertagebetrieb von Bergwerken und deren
Übertageanlagen, die durch Grubengase
(Methan) und/oder brennbare Stäube
gefährdet werden.
Gerätegruppe II:
Geräte zur Verwendung in den übrigen
Bereichen, die durch eine explosionsfähige Atmosphäre gefährdet werden
können.
Den Gerätegruppen werden in der
Richtlinie 94/9/EG Kategorien zuge
ordnet. Für die Gerätegruppe I wird die
Kategorie M1 und M2 festgelegt. In
der Gerätegruppe II werden drei Kategorien 1, 2 und 3 definiert. Über die
Kategorie wird in der Betreiberricht
linie 1999/92/EG die Verbindung zu den
Zonen hergestellt.
Dieselkraftstoff
0,6 6,5
Kohlenmonoxid
10,9
76
Methan
4,4
16,5
Ottokraftstoff
0,6
8
Schwefelkohlenstoff
0,6
60
Wasserstoff
77
4
Volumen-% brennbarer Stoffe
6 Phoenix CONTACT
0
50
100
Grundlagen Explosionsschutz 1 1.1 Richtlinien, Normen und Bestimmungen
Phoenix CONTACT 7
Anforderungen an Gerätegruppe und -kategorie
Gerätegruppe
Kategorie
Schutzgrad
I
M1
sehr hoher
Grad an
Sicherheit
I
II
M2
1
Gewährleistung des Schutzes
Betriebsbedingungen
Zwei unabhängige Schutzmaßnahmen.
Sicher, wenn zwei Fehler unabhängig voneinander
auftreten.
Produkte müssen aus Sicherheitsgründen bei vorhandener explosionsfähiger Atmosphäre weiter betrieben
werden können.
hoher
Grad an
Sicherheit
Schutzmaßnahmen bei normalem Betrieb auch unter
erschwerten Bedingungen wirksam.
sehr hoch
Zwei unabhängige Schutzmaßnahmen.
Sicher, wenn zwei Fehler unabhängig voneinander
auftreten.
Geräte bleiben in den Zonen 0, 1, 2
(G) und 20, 21, 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben.
Diese Produkte müssen beim Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre abgeschaltet werden können.
II
2
hoch
Im normalen Betrieb und bei üblicherweise auftretenden Fehlern sicher.
Geräte bleiben in den Zonen 1, 2 (G)
und 21, 22 (D) weiter einsatzbereit
und werden weiter betrieben.
II
3
normal
Im normalen Betrieb sicher.
Geräte bleiben in den Zonen 2 (G)
und 22 (D) weiter einsatzbereit und
werden weiter betrieben.
Konformitätsbewertung
Grundlage der Konformitätsbewertung ist die Einstufung der elektrischen
Betriebsmittel in Gerätegruppe und
Kategorie. Die Grafik zeigt den Zusammenhang. Mit Ausnahme von Geräten
der Kategorie 3 und der Einzelprüfung
ist im Rahmen der Konformitätsbewertung eine EG-Baumusterprüfung notwendig.
Die Überprüfung der Module wird durch
eine benannte Stelle durchgeführt.
Hier ein Beispiel: CE 0344
CE: EG-Konformität bei Betriebsmitteln.
Komponenten werden nicht mit dem CE
Zeichen gekennzeichnet.
0344: benannte Stelle, hier KEMA.
Kategorie 3 – Geräte werden nicht mit
der Nummer einer benannten Stelle
gekennzeichnet, da sie nicht der Fertigungsüberwachung einer benannten Stelle unterliegen.
Benannte Stelle (Notified Body)
nach 94/4/EG (Auszug)
Das EG-Baumusterprüfungszertifikat
bescheinigt die durchgeführte Prüfung
durch eine benannte Stelle. Benannte
Stellen sind durch die EU festgelegt.
Gruppe II
Auf Grundlage des North American
Hazardous Location Systems (HazLoc)
werden grundlegende Regeln für den
Explosionsschutz festgelegt.
Das HazLoc-System wird von den folgenden Institutionen geprägt:
• CSA International (CSA),
• Factory Mutual Research (FM),
Kategorie 1 M1
M2 Kategorie 2
• Institute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE),
Kategorie 3
Kennung
PTB
Deutschland
0102
DEKRA EXAM
Deutschland
0158
TÜV Nord
Deutschland
0044
IBExU
Deutschland
0637
ZELM Ex
Deutschland
0820
BAM
Deutschland
0589
SIRA
Großbritannien
0518
INERIS
Frankreich
0080
LCIE
Frankreich
0081
LOM
Spanien
0163
KEMA
Niederlande
0344
CESI
Italien
0722
UL DEMKO
Dänemark
0539
NEMKO
Norwegen
0470
• The Instrumentation, Systems and
Automation Society (ISA),
• Mine Safety and Health Administration
(MSHA),
• National Electrical Manufacturers
Association (NEMA),
National Electrical Code (NEC) und in
Kanada der Canadian Electrical Code
(CEC). Die aufgeführten Auszüge aus
NEC und CEC beziehen sich auf den
Explosionsschutz.
• National Fire Protection Association
(NFPA),
• United States Coast Guard (USCG).
Als Basis des Explosionsschutzes in
Nordamerika gelten in den USA der
*
EG-Baumusterprüfung
*
QS Produktion
QS Produkt
oder Prüfung Produkt
oder Konformität mit
Bauart
c 0344
c 0344
Interne Fertigungskontrolle
Einzelprüfung
c
c 0344
* optional möglich, ähnliches Verfahren
Konformitätsbewertung nach Richtlinie 94/9/EG für elektrische Betriebsmittel
National Electrical Code (NEC) in USA
Canadian Electrical Code (CEC) in Kanada
Artikel
500
Artikel
18-000
501
Inhalt
Allgemeine Anforderungen an Divisions der
Class I, II und III
Anforderungen an Divisions der Class I
502
Anforderungen an Divisions der Class II
503
Anforderungen an Divisions der Class III
504
Anforderungen an Divisions der Class I, II und III
in Bezug auf Eigensicherheit (IS)
Allgemeine und spezielle Anforderungen an die
Zone 0, 1 und 2
Allgemeine und spezielle Anforderungen an die
Zone 20, 21 und 22
505
506
8 Phoenix CONTACT
Land
Explosionsschutz in Nordamerika
• Underwriters Laboratories Inc. (UL),
Gruppe I
Prüfstelle
Richtlinien, Normen und Bestimmungen 1.1
1.1 Richtlinien, Normen und Bestimmungen
Inhalt
Allgemeine Anforderungen an Class I/Zone und
Class II und III/Divisions
18-090
Anforderungen an Zone 0 der Class I
18-100
Anforderungen an Zone 1 und 2 der Class II
18-200
Anforderungen an Divisions der Class II
18-300
Anforderungen an Divisions der Class III
Anhang J
Allgemeine und spezielle Anforderungen an
Divisions der Class I
Phoenix CONTACT 9
Normung – elektrischer Explosionsschutz
Bei der Entwicklung von Geräten gibt
die Einhaltung von Normen Herstellern
und den späteren Betreiber eine gewisse
Handlungssicherheit. Je nach Einsatzgebiet können entsprechende Normen und
Standards herangezogen werden.
Die ATEX-Richtlinie zum Beispiel, legt
die Einhaltung Grundlegender Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen
fest. Die Umsetzung kann von Herstelern/Betreibern durch harmonisierte
Normen erfüllt werden oder durch ein
geeignetes eigenes Konzept.
ein ausführlicher Nachweis erforderlich.
Ein Certificate of Conformity durch
IECEx ist nur bei Einhaltung der entsprechenden IEC-Normen möglich.
Die harmonisierten Normen werden im
Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht und durch deren Anwendung
gilt die Konformitätsvermutung. Wählt
der Hersteller ein eigenes Konzept, ist
Staubexplosionsschutz in Europa
In der Analogie zur Normung für den
Gasexplosionsschutz gibt es Normen für
den Staubexplosionsschutz.
Es wird an der Zusammenführung der
Gas- und Staub-Normen gearbeitet.
Zündschutzart
EN-Norm
IEC-Norm
Allgemeine
Bestimmungen
Basis für Zündschutzarten
EN 60079-0
IEC 60079-0
Eigensicherheit Ex i
AEx i
(IS)
Erhöhte
Ex e
Sicherheit
AEx e
Energiebegrenzung
EN 60079-11
IEC 60079-11
Non-incendive
NEC505
NEC504
Konstruktive MaßnahNEC505 men durch Abstand und
Dimensionierung
EN 60079-7
UL
CSA
(USA, Zone) (Canada)
CSA E60079-0
FM 3610
FM 3610
UL 60079-11 CSA E60079-11
UL 913
UL 60079-7
CSA E60079-7
NEC500 Konstruktive Maßnahmen durch Abstand
FM 3611
ISA 12.12.01
C22.2 No. 213
Explosionproof (XP)
NEC500 Konstruktive Maßnahmen durch Einschluss
FM 3615
z.B. Gehäuse:
UL 1203
C22.2 No. 30
Druckfeste
Kapselung
Ex d
AEx d
Konstruktive MaßnahNEC505 men durch Einschluss
Vergusskapselung
Ex m
AEx m
Ausschluss explosionsfä- EN 60 079-18 IEC 60079-18
NEC505 higer Atmosphäre
Ölkapselung
Ex o
AEx o
Ausschluss explosionsfä- EN 60079-6
NEC505 higer Atmosphäre
IEC 60079-6
Ex q
AEx q
Ausschluss explosions
NEC505 fähiger Atmosphäre
IEC 60079-5
Überdruck
kapselung
IEC 60079-1
FM 3600
UL2279 Pt.1
(ISA 12.22.01)
EN 60079-5
Ex p
AEx p
NEC505
Typ X, Y, Z NEC500
Ex n
AEx n
NEC505
Ausschluss explosions
fähiger Atmosphäre
EN 60079-2
Verbesserte Industriequalität
EN 60079-15
Eigensichere
elektrische
Systeme „i-Sys“
Ex i
Energiebegrenzung in
zusammengeschalteten
eigensicheren Stromkreisen
EN 60079-25
IEC 60079-25
Eigensichere
Feldbussysteme
Ex i
Energiebegrenzung
EN 60079-27
IEC 60079-27
Optische
Strahlung
Ex op
Zündschutzart
„n“
10 Phoenix CONTACT
Begrenzung der Strahlungsleistung
UL 60079-1
CSA E60079-1
FM 3600
UL2279 Pt.18 UL 60079-18 CSA E60079-18
(ISA 12.23.01)
FM 3600
UL2279 Pt.6
(ISA 12.16.01)
FM 3622
FM 3600
UL2279 Pt.5
(ISA 12.25.01)
UL 60079-6
CSA E60079-6
UL 60079-5
CSA E60079-5
UL 60079-2
CSA E60079-2
IEC 60079-2
--FM 3620
Ex t
(DIP)
Schutz durch GehäuseNEC500 Konstruktion
NEC500
Energiebegrenzung
IEC-Norm
FM (USA)
EN 60079-0
IEC 60079-0
FM 3600
UL (USA,
Div.)
EN 60079-31 IEC 60079-31
Ex p
Ausschluss explosionsfä- EN 61241-4
higer Atmosphäre
IEC 61241-4
Vergusskapselung
Ex m
Ausschluss explosionsfä- EN 60079-18 IEC 60079-18
higer Atmosphäre
UL
CSA
(USA, Zone) (Canada)
ISA 61241-0
ISA 61241-1
FM 3616
FM 3611
FM 3611
EN 61241-11 IEC 61241-11 FM 3610
Überdruck
kapselung
--NFPA 496
XP
IS
AIS
ANI
PX, PY, PZ
APX, APY, APZ
NI
DIP
FM 3620
UL 1203
UL 913
ISA 61241-11
NFPA 496
ISA 61241-4
ISA 61241-18
Explosionsgeschützt
Betriebsmittel mit eigensicheren Stromkreisen
Zugehörige Betriebsmittel mit eigensicheren Stromkreisen
Zugehöriger nichtzündender Feldstromkreis
Überdruckkapselung
Zugehöriges Überdrucksystem oder Komponente
Nichtzündende Betriebsmittel und nichtzündender Feldstromkreis
Staub-Zündschutz
Normung – mechanischer Explosionsschutz
Die ATEX-Richtlinie 94/9/EG enthält
harmonisierte Anforderungen an nichtelektrische Geräte, auch für den Einsatz
in staubexplosionsgefährdeten Bereichen.
In Analogie zur Normung für elektrische
Geräte gibt es Normen für nichtelektrische Geräte.
IEC 60079-15
FM 3600
UL2279 Pt.15 UL 60079-15 CSA E60079-15
(ISA 12.12.02)
EN 60079-28
EN-Norm
Abkürzungen auf Basis der NEC500 in Nordamerika
IEC 60079-7
(NI)
Sandkapselung
Basis für Zündschutzarten
(NI) Eigensicherheit Ex i
FM
UL
(USA)
(USA, Div.)
FM 3600
(ISA 12.00.01)
FM 3600
UL2279 Pt.7
(ISA 12.16.01)
EN 60079-1
Die Normenreihe 61421 ist bereits zum
USA-Basis Prinzip
Allgemeine
Bestimmungen
Normen bzw. Standards für elektrische Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdeten Bereichen
USA-Basis Prinzip
Teil in die Normenreihe 60079 übernommen worden.
Normen bzw. Standards für elektrische Betriebsmittel in staubexplosionsgefährdeten Bereichen
Schutz durch
Gehäuse
Zündschutzart
Dies ist möglich, da die Normenreihe
für den Staubexplosionsschutz 61241,
wie die Normenreihe für den Gasexplosionsschutz 60079, Zündschutzarten
beinhaltet.
IEC 60079-28
1.1 Richtlinien, Normen und Bestimmungen
Normen für nichtelektrische Betriebsmittel in explosionsgefährdeten
Bereichen
Zündschutzart
EN-Norm
Grundlagen und Anforderungen
EN 13463-1
fr
Schwadenhemmendes Gehäuse
d
Druckfeste Kapselung
EN 13643-3
c
Konstruktive Sicherheit
EN 13463-5
b
Zündquellenüberwachung
EN 13463-6
p
Überdruckkapselung
EN 13463-7
k
Flüssigkeitskapselung
EN 13463-8
EN 13463-2
(nur für Gerätekategorie 3)
Phoenix CONTACT 11
1.2 Zoneneinteilung
Normung – Planung, Errichtung und Betrieb
Die Richtlinie 1999/92/EG erfordert vom Betreiber prozesstechnische Anlagen, die Sicherstellung des Explosions
schutzes. Die hierzu einzuhaltenden Anforderungen sind in EN- und IEC-Normen angegeben.
Bezeichnung
Explosionsschutz
Teil 1: Grundlagen und Methodik
EN-Norm
IEC-Norm
EN 1127-1
Europa
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche
Teil 10: Einteilung der explosionsgefährdeten Bereiche
Teil 14: Elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen
EN 60079-10
neu: EN 60079-10-1
EN 60079-14
IEC 60079-10
neu: IEC 60079-10-1
IEC 60079-14
Teil 17: Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (ausgenommen Grubenbaue)
EN 60079-17
IEC 60079-17
Explosionsfähige Atmosphäre
Teil 19: Gerätereparatur, Überholung und Regenerierung
EN 60079-19
IEC 60079-19
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub
Teil 10: Einteilung von staubexplosionsgefährdeten Bereichen
EN 61241-10
neu: EN 60079-10-2
IEC 61241-10
neu: IEC 60079-10-2
Teil 14: Auswahl und Errichten
Teil 17: Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (ausgenommen Grubenbaue)
12 Phoenix CONTACT
EN 61241-14
EN 61241-17
IEC 60079-14
Explosionsgefährdete Bereiche werden
genormten Zonen zugeordnet, die in
zwei Bereiche unterschieden werden:
• gasexplosionsgefährdete Bereiche und
• staubexplosionsgefährdete Bereiche.
Die Zonen wurden bisher für Gase in
der EN 60079-10 und für Stäube in
EN 61241-10 definiert.
Im Rahmen der Überführung der Staubnormenreihe EN 61241 in die Normenreihe EN 60079 wurde die Einteilung
in Gas- und Staubexplosionsgefährdete
Bereiche in die EN 60079-10 Teil 10-1
und 10-2 übernommen.
Weiterhin wurde von dem Europäischen
Komitee Normung (CEN) die Norm
EN 1127-1 erstellt. Die EN 1127-1 beinhaltet grundlegende Informationen zum
Explosionsschutz und unterstützt beide
ATEX-Richtlinien (94/9/EG und 1999/92/
EG).
Die Einteilung der Zonen erfolgt auf
Grund der Häufigkeit des Auftretens
von explosionsfähiger Atmosphäre. In
den Explosionsschutz-Regeln der Berufsgenossenschaft Chemie in Deutschland
sind weitere Hilfestellungen zur Zoneneinteilung zu finden.
IEC 61241-17
1.2 Zoneneinteilung
Beispiel für Zoneneinteilung
Ventil
Zone 1
Zone 0
Zone 2
Senke
Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche
In der EN 60079-10-1 sind die Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche
definiert.
Zonen
Art der Gefahr
Zone 0
ständig, lange Zeiträume, häufig
Zone 1
gelegentlich
Zone 2
normalerweise nicht, nur kurzzeitig
Phoenix CONTACT 13
Zonen für staubexplosionsgefährdete Bereiche
In der EN 61242-10 sind die Zonen erstmals für staubexplosionsgefährdete Bereiche* definiert. Heute sind sie in der EN 60079-10-2 zu finden.
Einteilung in
Deutschland
vor ATEX
Einteilung nach
ATEX
Art der Gefahr
Bedeutung der Classes, Divisions und Zones
Einteilung
Explosionsfähige
Atmosphäre
Art der Gefahr
Class I,
Division 1
Gas, Flüssigkeit und
Dampf
Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten
können permanent oder zeitweise unter normalen Betriebsbedingungen
existieren.
Class I,
Division 2
Dampf
treten wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf.
Class I, Zone 0
Dampf
treten unter normalen Betriebsbedingungen permanent oder über einen langen Zeitraum auf.
Class I, Zone 1
Dampf
treten wahrscheinlich unter normalen Betriebsbedingungen auf.
Class I, Zone 2
Dampf
treten wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf.
Class II,
Division 1
Staub
Zündfähige Konzentrationen brennbaren Staubs können permanent oder
zeitweise unter normalen Betriebsbedingungen existieren.
Class II,
Division 2
Staub
Zündfähige Konzentrationen brennbaren Staubs treten wahrscheinlich nicht
unter normalen Betriebsbedingungen auf.
Class III,
Division 1
Fasern
Bereiche, in denen leicht entzündbare Fasern verarbeitet oder transportiert
werden.
Class III,
Division 2
Fasern
Bereiche, in denen leicht entzündbare Fasern gelagert oder transportiert
werden.
Zuordnung nach 1999/92/EG
Zone 20
ständig, lange Zeiträume, häufig
Zone 21
gelegentlich
Zone 22
normalerweise nicht, nur kurzzeitig
Zone 10
Zone 11
Zusammenhang zwischen Zone
und Kategorie
Der Zusammenhang zwischen den
Zonen und Gerätekategorien wir im
Anhang 2 in der Betreiberrichtlinie
1999/92/EG hergestellt.
Zone
0, 20
1, 21
2, 22
Gerätekategorie
1
1, 2
1, 2, 3
* Grobe Zuordnung, im Einzelfall zu überprüfen
Stäube wurden früher in Deutschland in
zwei Zonen unterteilt. Im Rahmen der
Überarbeitung von Normen auf Grund
von europäischen Richtlinien wurde die
Zoneneinteilung auch bei Stäuben europaweit in drei Zonen unterteilt. Es ist
aber zu berücksichtigen, dass die Zonen
10 und 11 nicht ungeprüft auf die neue
Zoneneinteilung übertragen werden
können.
Nordamerika
Entsprechend dem National Electrical
Code (NEC) werden in den USA Zonen
bzw. Divisionen eingeteilt. Für Kanada
wird gemäß dem Canadian Electrical
Code (CEC) entsprechend verfahren.
Der Vergleich mit den IEC/EN Zoneneinteilung kann nur als grobe Näherung
betrachtet werden.
Die Konvertierung muss im Einzelfall
überprüft werden. Insbesondere gilt dies
für elektrische Betriebsmittel für Division 2. Diese lassen sich oft nicht ohne
zusätzliche Prüfung und Zertifizierung
in Zone 2 einsetzen. Im vereinfachten
Zuordnungsschema werden die Möglichkeiten dargestellt.
Explosionsgefährdete Bereiche
mit typischen Stoffen
Bereich
Groups (typischer Stoff )
CLASS I
(Gase
und
Dämpfe)
Group
Group
Group
Group
CLASS II
(Stäube)
Group E (Metallstaub)
Group F (Kohlestaub)
Group G (Getreidestaub)
CLASS III
(Fasern)
A (Acetylen)
B (Wasserstoff )
C (Ethylen)
D (Propan)
Keine Untergruppen
Vereinfachtes Zuordnungsschema für Zonen und Division
IEC/EN
USA: NEC 505
USA: NEC 500
Bereiche
Zone 0
Zone 0
Division 1
Explosionsfähiger Stoff
Gas/Nebel oder Flüssigkeit
Staub
Fasern
14 Phoenix CONTACT
Zone 1
Zone 1
Class
I
II
III
Group
A, B, C, D
E, F, G
––
Zone 2
Zone 2
Division 2
Explosionsfähiger Stoff
Gas/Nebel oder Flüssigkeit
Staub
Fasern
Class
I
II
III
Group
A, B, C, D
F, G
––
Zoneneinteilung 1.2
1.2 Zoneneinteilung
Phoenix CONTACT 15
1.3 Zündschutzarten
Temperaturklassen/-grenzen bei
Gasen und Stäuben
Temperaturen für die Gruppe I
Die max. zulässige Oberflächentemperatur der Betriebsmittel ist abhängig von
der Art der Ablagerung von Kohlestaub.
Allgemeine Anforderungen
Die Basis für die genormten Zündschutzarten sind die Anforderungen an die
Oberflächentemperatur, die Luft- und
Kriechstrecken, die Kennzeichnung von
elektrischen Betriebsmitteln, die Zuordnung der elektrischen Betriebsmittel an
das Einsatzgebiet und der Zonen.
Alles, was über die grundsätzlich notwendigen und allgemein gültigen Anforderungen hinausgeht, wird in der jeweiligen Zündschutzart festgelegt.
Einteilung der Geräte in Gruppen
Die ATEX-Richtlinie fordert eine Einteilung der Geräte in Gerätegruppen.
Dem Untertagebetrieb wird die Geräte
gruppe I zugeordnet. Diese Gruppe
wurde früher mit dem Begriff „Schlagwettergefährdet“ (alte Abkürzung:
„Sch“) bezeichnet.
Alle anderen explosionsgefährdeten
Bereiche werden der Gerätegruppe II
zugeordnet. Beispiele sind Petrochemie,
Bereiche
Schlagwettergefährdete
Grubenbaue
Gasexplosionsgefährdete Bereiche
Chemie und Siloanlagen mit brennbaren
Stäuben. Diese Gruppe wurde früher mit
dem Begriff "Explosionsgefährdet" (alte
Abkürzung Ex) bezeichnet.
Zusätzlich zu den Gerätegruppen nach
ATEX-Richtlinie werden Geräte nach der
Normenreihe 60079 entsprechend ihrem
späteren Einsatzbereichs einer weiteren
Gruppe zugeordnet.
In den Zündschutzarten Eigensicherheit,
Druckfeste Kapselung und Zündschutzart „n“ wurden die Geräte für Gase
zusätzlich in die Gruppen IIA, IIB und IIC
eingeordnet.
Gruppe
IIC
IIB
IIA
Beispiel
In einem Gehäuse der Zündschutzart
Ex e IIC T6 werden Reihenklemmen
eingesetzt.
Dabei muss die maximal zulässige
Stromstärke so bemessen werden, dass
die Temperaturklasse T6 auch an den
Reihenklemmen eingehalten wird. Das
Gehäuse ist in IP-Schutzart IP 54 aus-
Maximal zulässige Energie
20μJ
80μJ
160μJ
Gerätegruppe nach
Richtlinie 94/9/EG
Gruppe I
Gruppe II
Gruppe nach
EN 60079-0:2009
Gruppe nach
EN 60079-0:2006
Gruppe I
Gruppe II**
Gruppe I
IIA
IIB
IIC
Gruppe II
Gruppe III*
IIA
IIB
IIC
IIIA
IIIB
IIIC
Temperaturgrenze bei Staub
Bei staubexplosionsgefährdeten Bereichen wird die maximale Oberflächentemperatur als Temperaturwert [°C]
angegeben.
Die maximale Oberflächentemperatur
des Betriebsmittels darf die Zündtemperatur einer Staubschicht oder einer
Wolke des brennbaren Staubes nicht
überschreiten.
Schlagwettergefährdeter
Grubenbau (Kohlebergbau)
Temperatur
150°C
450°C
Bedingungen
mit Ablagerung von Kohlestaub
am Betriebsmittel
ohne Ablagerung von Kohlestaub
am Betriebsmittel
Zulässige Oberflächentem
peratur für Gase
Temperaturklasse Gruppe II
für Europa und USA
Zündtemperatur des Gases
Ammoniak
Methan
Wasserstoff
Propan
Ethylen
Butan
Acetylen
Cyclohexan
Diethylether
Schwefelkohlenstoff
Gruppe II
630°C
595°C
560°C
470°C
425°C
365°C
305°C
259°C
170°C
95°C
T1=450
T1=450
T2=300
T2=300
T3=200
T3=200
T4=135
T4=135
T5=100
T6=85
T5=100
T6=85
T2A=280
T2B=260
T2C=230
T2D=215
T3A=180
T3B=165
T3C=160
T4C=120
ºC
geführt, aber das explosionsfähige Gas
kann dennoch in das Gehäuse eindringen. Daher ist es nicht ausreichend, nur
die Oberflächentemperatur des Gehäuses zu betrachten.
Gehäuse Ex e mit
Reihenklemmen
Luft- und Kriechstrecke
Bei den Zündschutzarten Eigensicherheit, Erhöhte Sicherheit und Zündschutzart „n“ sind Luft- und Kriechstrecken einzuhalten.
Unter dem Begriff Luftstrecke wird die
kürzeste Verbindung zwischen zwei
Potentialen durch die Luft definiert. Als
Kriechstrecke wird die kürzeste Verbindung zwischen zwei Potentialen über
eine Oberfläche bezeichnet.
Abhängig von der vergleichenden Kriechstromzahl (CTI) des Werkstoffs muss ein
Mindestabstand eingehalten werden.
Die Mindestabstände für Luft- und
Kriechstrecken sind in der jeweiligen
Zündschutzart festgelegt, die angewendet werden soll.
Luftstrecken
Kriechstrecken
* IIIA: brennbare Flusen, IIIB: nicht-leitfähiger Staub, IIIC: leitfähiger Staub
**in Abhängigkeit von der Zündschutzart
16 Phoenix CONTACT
Gruppe I
Quelle: GESTIS-Stoffdatenbank
Maximal zulässige Energie nach
EN 60079-11
Gruppe II
Staubexplosionsgefährdete
Bereiche
In der neuen EN 60079-0:2009 wird
nicht mehr zwischen den Zündschutzarten unterschieden. Die Zuordnung zu
den Gruppen IIA, IIB oder IIC ist für
alle vorzunehmen. Weiterhin wird in der
EN 60079-0:2009 eine dritte Gruppe
eingeführt. Die Gruppe III beschreibt die
brennbaren Stäube, die ebenfalls weiter
unterteilt wird, in IIIA, IIIB, IIIC.
Temperaturklassen für die Gruppe II
Die Zündung der explosionsfähigen
Atmosphäre kann verhindert werden,
wenn die Oberflächentemperatur der
Betriebsmittel niedriger ist als die Zündtemperatur des umgebenden Gases. Die
Oberflächentemperatur gilt für alle Teile
eines elektrischen Betriebsmittels, die
in Berührung mit dem explosionsfähigen
Stoff kommen können.
Der überwiegende Teil der Gase läßt
sich den Temperaturklassen T1 bis T3
zuordnen.
Temperaturen für die Gruppe I
Luft- und Kriechstrecke
Zündschutzarten 1.3
Phoenix CONTACT 17
Zündschutzarten und ihre Anwendung
Zündschutzarten für elektrische Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdeten Bereichen
Zündschutzart
d
px, py, pz
q
o
Druckfeste Kapselung
Überdruckkapselung
Sandkapselung
Ölkapselung
Zündschutzarten für elektrische Betriebsmittel in Bereichen mit brennbarem Staub
Schutzprinzip
EN/IEC
Zone
Anwendung
Zündschutzart
Verhinderung der
Ausbreitung einer
Explosion
EN 60079-1
IEC 60079-1
1 oder 2
Schalt- Befehls- und Meldegeräte, Steuerungen, Motoren, Leistungselektronik
tD
Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre
EN 60079-2
IEC 60079-2
Funken verhindern
EN 60079-5
IEC 60079-5
EN 60079-6
IEC 60079-6
1 oder 2
1 oder 2
1 oder 2
Schalt- und Steuerschränke, Motoren,
Mess- und Analysegeräte, Rechner
Transformatoren, Relais,
Kondensatoren
Transformatoren, Relais, Anlaufsteuerungen, Schaltgeräte
neu:
ta, tb, tc
pD
iaD, ibD
Erhöhte Sicherheit
Funken verhindern
EN 60079-7
IEC 60079-7
1 oder 2
Abzweig- und Verbindungskästen, Gehäuse, Motoren, Klemmen
ia, ib, ic
Eigensicherheit
Begrenzung der
Zündenergie
EN 60079-11
IEC 60079-11
0, 1 oder 2
Mess-, Steuer- und Regeltechnik,
Sensoren, Aktoren, Instrumentierung
Eigensichere Systeme
EN 60079-25
IEC 60079-25
0, 1 oder 2
Eigensichere Felbussysteme
(FISCO), nicht funkende
Feldbussysteme (FNICO)
EN 60079-27
IEC 60079-27
1 bzw. 2
nA
Nicht funkendes Betriebsmittel
vergleichbar mit Ex e
EN 60079-15
IEC 60079-15
2
Nur Zone 2
nC
Funkendes Betriebsmittel
vergleichbar mit Ex d
EN 60079-15
IEC 60079-15
2
Nur Zone 2
nL*
Energiebegrenzt
vergleichbar mit Ex i
EN 60079-15
IEC 60079-15
2
Nur Zone 2
* unterschiedl. in Nordamerika und
Europa, zukünftig "ic"
nR
Schwadensicheres
Gehäuse
Schutz durch Gehäuse
EN 60079-15
IEC 60079-15
2
Nur Zone 2
nP
Vereinfachte Überdruck
kapselung
vergleichbar mit Ex p
EN 60079-15
IEC 60079-15
2
Nur Zone 2
ma, mb, mc
Vergusskapselung
EN 60079-18
IEC 60079-18
0, 1 oder 2
Spulen von Relais und Motoren, Elektronik, Magnetventile, Anschlusssysteme
op is, op pr,
op sh
Optische Strahlung
Energieübertragung
von optischer Strahlung
begrenzen oder vermeiden
EN 60079-28
IEC 60079-28
1 oder 2
Optoelektronische Geräte
18 Phoenix CONTACT
Schutzprinzip
EN/IEC
Zone
Anwendung
EN 61241-1
IEC 61241-1
21 oder 22
Schalt-, Befehls- und Meldegeräte, Leuchten, Abzweig- und Verbindungskästen,
Gehäuse
21 oder 22
Schalt- und Steuerschränke, Motoren,
Mess- und Analysegeräte
20, 21 oder 22
Mess-, Steuer- und Regeltechnik,
Sensoren, Aktoren, Instrumentierung
20, 21 oder 22
Spulen und Relais der Motoren,
Elektronik und Anschluss-Systeme
neu:
EN 60079-31
IEC 60079-31
Überdruckkapselung
zukünftig:
p
EN 61241-4
IEC 61241-4
zukünftig:
EN 60079-2
IEC 60079-2
Eigensicherheit
zukünftig:
ia, ib, ic
maD, mbD
e
Schutz durch Gehäuse
Vergusskapselung
neu:
ma, mb, mc
Begrenzung der Zündenergie und Obrflächentemperatur
EN 61241-11
IEC 61241-11
EN 61241-18
IEC 61241-18
zukünftig:
EN 60079-11
IEC 60079-11
neu:
EN 60079-18
IEC 60079-18
Die Anforderungen der EN- und IEC- Normen werden zukünftig in die
entsprechenden Normen für Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdete
Bereiche überführt. Bei einigen Normen ist dies bereits erfolgt.
Phoenix CONTACT 19
Schutzniveau nach EN 60079-11
Eigensicherheit Ex i
Prinzip
Die Zündschutzart Eigensicherheit
bezieht sich im Unterschied zu anderen
Zündschutzarten (z.B. erhöhte Sicherheit) nicht nur auf einzelne Betriebsmittel, sondern auf den gesamten Stromkreis. Ein Stromkreis wird als eigensicher
bezeichnet, wenn Strom und Spannung
soweit begrenzt sind, dass ein Funke
oder thermischer Effekt keine Zündung
einer explosionsfähigen Atmosphäre auslösen kann.
R
U
L
C
Prinzipschaltbild eines Stromkreises
Zündenergien typischer Gase
IO=Imax
Gruppe
R
UO
UO=UZ
Prinzipschaltbild zur Spannungs- und Strombegrenzung
Die Zener-Diode wird ab einem definierten Spannungswert leitend. Dadurch
wird die Spannung Uo in den explosionsgefährdeten Bereich begrenzt. Ein in
Reihe geschalteter Widerstand begrenzt
den maximalen Strom Io.
Uo
Imax = Io=
R
Mit der Begrenzung von Spannung und
Strom gilt für die maximale Leistung:
2
Uo
4R
Die maximal zulässigen Werte ergeben
sich aus den Zündgrenzkurven, die in der
Norm EN 60079-11 angegeben sind.
Die Zündgrenzkurven wurden mit einem
Funkenprüfgerät ermittelt, wie es im
Anhang B der EN 60079-11 beschrieben
ist.
Die Zündgrenzkurven enthalten Festlegungen für die Gasgruppen I sowie II.
Die Gruppe II wird anhand der Zündernergien nochmals in IIA, IIB und IIC
unterteilt.
Po =
Um die Energie des Funken unterhalb
der Zündenergie des umgebenden Gases
zu halten, wird die Spannung begrenzt.
Der thermische Effekt, also zu heiße
Oberflächen, wird durch die Strombegrenzung verhindert. Dieses gilt auch für
die an den eigensicheren Stromkreisen
angeschlossenen Sensoren. Energie kann
auch gespeichert sein in Kapazitäten
oder Induktivitäten innerhalb des eigensicheren Stromkreises und müssen ebenfalls bei der Betrachtung des eigensicheren Stromkreises berücksichtigt werden.
Eigensicheres elektrisches Betriebsmittel
Explosionsgefährdeter Bereich
I
II A
II B
II C
Typisches
Gas
Zünd
energie/μJ
Methan
Propan
Äthylen
Wasserstoff
280
> 180
60 … 180
< 60
Elektrische Betriebsmittel
und zugehörige elektrische
Betriebsmittel
Ein eigensicherer Stromkreis besteht aus
mindestens einem elektrischen Betriebsmittel und einem zugehörigen Betriebsmittel.
Die Stromkreise der elektrischen
Betriebsmittel erfüllen die Anforderungen der Eigensicherheit. Elektrische
Betriebsmittel dürfen nur über zugehörige Betriebsmittel mit nichteigensicheren Stromkreisen verbunden werden.
Ein zugehöriges Betriebsmittel besitzt
sowohl eigensichere als auch nichteigensichere Stromkreise. Die Trennung der
Stromkreise erfolgt durch Zener-Barrieren oder galvanische Trenner.
Eigensichere elektrische Betriebsmittel
und eigensichere Teile von zugehörigen
Betriebsmitteln werden nach
EN 60079-11 in die Schutzniveau „ia“,
„ib“ und „ic“ eingeordnet.
Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel
Sicherer Bereich
Beispiel: Zusammenschaltung elektrischer Betriebsmittel in der Zündschutzart Eigensicherheit.
20 Phoenix CONTACT
Schutzniveau
Fehlerbetrachtung
zulässige
Zonen
ia
Nicht in der Lage,
im Normalbetrieb,
beim Auftreten
irgendeiner Kombination von zwei
Fehlern eine Zündung zu verursachen.
0,1,2
Nicht in der Lage,
im Normalbetrieb,
beim Auftreten
eines Fehlers eine
Zündung zu verursachen.
1,2
Gerät ist nicht in
der Lage, im Normalbetrieb eine
Zündung zu verursachen.
2
ib
ic
Zugehörige Betriebsmittel
mit/ohne galvanischer Trennung
Für eigensichere Stromkreise in die
Zone 0 wird von der Norm
EN 60079-14 Kap. 12.3 empfohlen,
zusätzlich zum Schutzniveau „ia“ die galvanische Trennung zu bevorzugen.
R
F1
Explosionsgefährdeter
Bereich
Sicherer Bereich
Einfache elektrische Betriebsmittel
Einfache elektrische Betriebsmittel benötigen keine Zulassung, müssen jedoch
einer Temperaturklasse zugeordnet sein
und den weiteren zutreffenden Anforderungen der EN 60 079-11 entsprechen.
Die Maximaltemperatur kann aus der
Leistung Po des zugehörigen Betriebsmittels berechnet und die Temperaturklasse bestimmt werden.
Die Kennwerte der Energiespeicher
müssen genau festgelegt werden und
sind bei der Bestimmung der Gesamtsicherheit des Systems zu berücksichtigen.
Ohne galvanische Trennung: Zenerbarriere
Sicherer Bereich
Mit galvanischer Trennung: Trenner
Einfaches elektrisches Betriebsmittel
Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel
Das Schutzniveau „ia“, „ib“ oder „ic“
legt fest, ob in der Schutzbeschaltung
eine 2-Fehler- oder 1-Fehler-Sicherheit
oder keine Fehlersicherheit vorhanden
ist.
Es wird bei der Eigensicherheit eine
Fehlerbetrachtung durchgeführt, um eine
Explosionsgefahr auszuschließen. Damit
wird aber über die Betriebssicherheit
keine Aussage gemacht. Das bedeutet, ein funktionaler Totalausfall des
Betriebsmittels kann bezogen auf den
Explosionsschutz zulässig sein.
Die elektrischen Betriebsmittel dürfen entsprechend dem Schutzniveau
bis in Zone 0 eingesetzt werden. Bei
zugehörigen Betriebsmitteln erfolgt die
Installation im sicheren Bereich, lediglich
die eigensicheren Stromkreise werden
entsprechend der Schutzniveaus in den
explosionsgefährdeten Bereich geführt.
Grundsätzlich ist es möglich, zugehörige
Betriebsmittel in einer weiteren Zündschutzart auszuführen, um diese dann
in Zone 2 oder ggf. sogar in Zone 1 zu
installieren.
Sicherer Bereich
Übersicht einfache elektrische Betriebsmittel (EN 60079-11)
passive Bauelemente
Energiespeicher
Energiequellen*
PT 100
Kondensator
Thermoelement
Schalter
Spule
Verteilerkästen
Photozellen
* Anforderung
U
≤ 1,5V
I
≤ 100mA
P
≤ 25mW
Widerstände
Phoenix CONTACT 21
Zündschutzart „n“
Erhöhte Sicherheit Ex e
Die Zündschutzart „n“ lässt sich als eine
verbesserte Industriequalität beschreiben, die für den Normalbetrieb ausgelegt ist. Eine Fehlerfallbetrachtung wie
zum Beispiel bei der Zündschutzart
Eigensicherheit wird nicht durchgeführt.
Angewendet werden kann diese nur für
die Gerätegruppe II und den Einsatz
des elektrischen Betriebsmittels in der
Zone 2. Der Hersteller legt die technischen Daten für den Normalbetrieb fest.
Bei der Zündschutzart „n“ werden fünf
verschiedene Ausführungen unterschie-
den, die sich zum Teil aus den bekannten
Zündschutzarten Erhöhte Sicherheit,
Eigensicherheit, Druckfeste Kapselung,
Überdruckkapselung und Vergusskapselung ableiten lassen.
ten Ausgabe der EN 60079-15 nicht
mehr enthalten sein. Sie wird in der
Norm EN 60079-11 in das Schutzniveau
"ic" aufgenommen.
Diese Zündschutzart ist in Anlehnung
an die US-Zündschutzart Non-Incendive
(NI) entstanden und wurde normativ im
Jahr 1999 in Europa eingeführt.
Es wird hier in die Untergruppen nA,
nC, nR, nL und nP unterschieden.
Die Zündschutzart nL wird in der nächs-
In der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit
können Spannungen bis 11 kV in den
explosionsgefährdeten Bereich gebracht
werden. Insbesondere zur Versorgung
von Motoren, Leuchten und Transformatoren ist die Erhöhte Sicherheit geeignet.
Das Schutzprinzip beruht auf konstruktiven Maßnahmen.
Unterteilt in Spannungsebenen werden Luft- und Kriechstrecken für die
spannungsführenden Teile festgelegt.
Dadurch werden elektrische Funken
verhindert. Zusätzlich muss mindestens
die IP-Schutzart (EN 60529) IP 54 erfüllt
werden.
Mit der Begrenzung der Oberflächentemperatur wird sichergestellt, dass
während des Betriebes an keiner Stelle, auch im Inneren des Gehäuses, die
explosionsfähige Atmosphäre entzündet
werden kann. Das Gehäuse schließt
nicht das Eindringen von Gasen aus.
Bei der Zündschutzart Druckfeste Kapselung wird die Ausbreitung einer Explosion durch die Gehäusekonstruktion
verhindert. Eine im Inneren stattfindende
Explosion ist nicht in der Lage, die das
Gehäuse umgebende explosionsfähige
Atmosphäre zu zünden. Dies führt zu
sehr robusten Gehäusen.
Die Gehäuse besitzen Deckel und Einführungsstellen, zum Beispiel für Kabel
und Leitungen.
Die hier vorhandene Grenzspaltweite
wird so dimensioniert, dass eine Übertragung der Explosion vom Inneren des
Gehäuses in die umgebende explosions-
fähige Atmosphäre verhindert wird.
Es ist nicht zulässig, bei Kabel- und Leitungseinführungen in der Zündschutzart
Ex d das Gewinde zu fetten oder mit
der Drahtbürste Rost zu entfernen.
Dadurch kann die Spaltweite verändert
und das Schutzprinzip zerstört werden.
Die Vorgaben des Herstellers sind unbedingt einzuhalten.
Unterteilung der Zündschutzart „n“ in Europa
Kurz
zeichen
A
Bedeutung
Nicht funkend
Vergleichbar
mit …
Ex e
Methode
C
Funkende
Betriebsmittel
teilweise
Ex d, Ex m
umschlossene Schalteinrichtung, nichtzündfähige Bauteile, hermetisch dichte, abgedichtet oder gekapselte Einrichtungen
IIA, IIB, IIC
R
Schwaden
sichere Gehäuse
---
Eindringen von explosiven Gasen wird
beschränkt
ab EN 60079-0:2009
Unterteilung in IIA, IIB, IIC
L *
Energiebegrenzt
Ex i
Energiebegrenzung, damit weder Funke
noch thermische Wirkung eine Zündung
hervorruft
IIA, IIB, IIC
P
Vereinfachte
Überdruckkapselung
Ex p
Eindringen von explosiven Gasen wird
durch Überdruck verhindert, Überwachung
ohne Abschaltung
ab EN 60079-0:2009
Auftreten von Lichtbögen, Funken oder heißen Oberflächen wird minimiert
Untergliederung der
Gruppe II
ab EN 60079-0:2009
Druckfeste Kapselung Ex d
Verguss-, Sand- oder Ölkapselung Ex m, Ex q, Ex o
* unterschiedlich in Nordamerika und Europa
Prinzip der Zündschutzarten Vergusskapselung, Sandkapselung und Ölkapselung
ist das Einschließen von möglichen Zündquellen in einem elektrischen Betriebsmittel durch das Medium Vergussmasse,
Sand oder Öl. Damit wird die Zündung
der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert.
Unterteilung der Zündschutzart „n“ in Nordamerika
Bezeichnung nach NEC
Energy Limited „nC“ *
Hermetically Sealed „nC“
Nonincendive „nC“
Non-Sparking „nA“
Restricted Breathing „nR“
Sealed Device „nC“
Simplified Pressurization „nP“ **
Bedeutung
Energiebegrenzt
Hermetisch verschlossen
Nichtzündende Betriebsmittel
Nichtfunkende Betriebsmittel
Schwadensicher
Verschlossene Betriebsmittel
Einfache Überdruckkapselung
In diesen Zündschutzarten können auch
Spannungen bis 10…11 kV verwendet
werden.
* unterschiedlich in Nordamerika und Europa
** in USA als Typ X, Y und Z bezeichnet
22 Phoenix CONTACT
Phoenix CONTACT 23
1.4 Kennzeichnung von Ex-Produkten
Überdruckkapselung Ex p
Die Zündschutzart Überdruckkapselung
beschreibt Methoden, mit denen das
Eindringen von explosionsfähiger Atmosphäre in Gehäuse oder in die Schaltwarte durch Überdruck verhindert wird.
Der Umgebungsdruck um das Gehäuse
ist immer niedriger als innerhalb.
Es sind drei Formen der Überdruckkapselung möglich (siehe Tabelle). Bei
statischem Überdruck muss das Gehäuse
hermetisch abgedichtet sein. Ein Druckverlust findet nicht statt. Weiter verbreitet sind jedoch Methoden, bei denen
der Überdruck durch den Ausgleich der
Leckverluste oder ständiger Spülung
gehalten wird. Der Überdruck wird
meist durch einfache Druckluft erzeugt.
Die Zündschutzart Ex p erfordert eine
Überwachungseinheit, die die elektrischen Betriebsmittel im Inneren des
Gehäuses sicher abschaltet, sobald nicht
mehr ausreichend Überdruck vorhanden
ist. Dabei muss die Überwachungseinheit
in einer anderen Zündschutzart ausge-
führt sein, damit diese auch ohne Überdruck betrieben werden kann.
Im Inneren können Betriebsmittel ohne
Berücksichtigung des Explosionsschutzes
betrieben werden.
Die Oberflächentemperatur der
Betriebsmittel darf nach dem Abfall des
Überdrucks die eindringende explosionsfähige Atmosphäre nicht entzünden.
Ist es aus betrieblichen Gründen erforderlich, dass ein Gerät oder eine Komponente im Inneren des Gehäuses nicht
abgeschaltet werden darf, muss es in
einer anderen Zündschutzart explosionsgeschützt sein.
Kennzeichnung für elektrische Betriebsmittel
Betriebszustände
Konformitäts
bewertung
nach 94/9/EG
(ATEX)
elektrisches
Betriebsmittel
Geräteschutzniveau, EPL
(Ga, Gb, Gc, Da,
Db, Dc)
elektrisches
Betriebsmittel
Statisch
ohne
Nachführen
Ausgleich der Leckverluste
Ausgleich der Leckverluste
Ständige Durchspülung
Ständiges Nachführen
---
Vorspülphase:
Das Gehäuse wird gespült und möglicherweise vorhandene explosionsfähige
Atmosphäre wird aus dem Gehäuse entfernt.
c 10
0344
Betriebsphase:
Der Überdruck im Gehäuse wird überwacht. Falls dieser abfällt, werden die
elektrischen Betriebsmittel im Gehäuseinneren abgeschaltet
24 Phoenix CONTACT
EG-Baumusterprüfbescheinigung
Aktuelles
Herstellerjahr
Möglichkeiten der Überdruckkapselung
Überdruckkapselung
Druckluft
Kennzeichnung nach
EN 60079-0:2009
Kennzeichnung nach
ATEX-Richtlinie
X
Ex ia IIC T6 Ga
II 1 G
Atmosphäre
(G=Gas,
D=Staub)
TÜV 01 ATEX 1750
Temperaturklasse
(für direkt im
Ex-Bereich eingesetzte Betriebsmittel)
(T1 … T6)
Nummer der
Bescheinigung
Geräte
kategorie
(1, 2, 3)
Gasgruppe
(IIA, IIB, IIC)
oder Staubgruppe
(IIIA, IIIB, IIIC)
Baumustergeprüft nach
94/9/EG
(ATEX)
Gerätegruppe
(I, II)
Zündschutzart
(ia, ib, ic, e, d, …)
Jahr der EGBaumusterprüfbescheinigung
benannte Stelle Fertigungsüberwachung
(z.B. KEMA)
Explosionsgeschützt
benannte
Stelle (Notified Body)
Phoenix CONTACT 25
Zusammenhang von Kategorien,
EPL und Zonen
Der Equipment Protection Level (EPL)
wird in der Norm EN 60079-0:2009 neu
eingeführt und gibt das Geräteschutzniveau des Gerätes oder der Komponente
an. Das Geräteschutzniveau ist in Analogie zu den Kategorien der ATEX-Richtlinie zu sehen. Somit ist jetzt auch über
die Kennzeichnung nach Zündschutzart
eine einfachere Zuordnung der Geräte
zu den Zonen möglich.
Gerätekategorie
nach ATEX-Richt
linie 94/9/EG
Gas
Staub
Bergbau
Geräteschutzniveau
EPL (Equipment
Protection Level)
Zone Art der Gefahr
Kennzeichnung nach IECEx
Beispiele für Kennzeichnung mit IECEx-Zertifikatsnummer und nach IEC 60079-0
1G
Ga
0
2G
3G
Gb
Gc
1
2
1D
Da
20
2D
3D
Db
Dc
21
22
M1
Ma
M2
Mb
Ständig, lange Zeiträume,
häufig
Gelegentlich
Normalerweise nicht,
nur kurzfristig
häufig
Gelegentlich
Normalerweise nicht,
nur kurzfristig
häufig
Gelegentlich
Gas - Ex
U: Komponente
X: besondere Einbaubedingungen
U: Komponente,
Ex nA II T4
Ex nA IIC T4 Gc
Ex nAc IIC T4
Zugehöriges
elektrisches
Betriebsmittel
IECEx BVS 08.035X
[Ex ia] IIC
[Ex ia Ga] IIC
[Ex ia] IIC
Komponente
IECEx KEM 07.0057U
Ex e II
Ex e IIC Gb
Ex eb IIC
…nach Norm
IEC 61241-0:2005
…nach Norm
IEC 60079-0:2007
…nach Norm
IEC 60079-0:2007
Alternative
Staub - Ex
… nach Norm
EN 60079-0:2006
… nach Norm
EN 60079-0:2009
… nach Norm
EN 60079-0:2009
Alternative
Elektrisches
Betriebsmittel
IBExU 09 ATEX 1030
CE
II 3 G
X
Ex nA II T4
Ex nA IIC T4 Gc
Ex nAc IIC T4
Zugehöriges
elektrisches
Betriebsmittel
BVS 08 ATEX E 094 X
CE 0344
II (1) G
X
[Ex ia] IIC
[Ex ia Ga] IIC
[Ex ia] IIC
Komponente
KEMA 07 ATEX 0193 U
Kennzeichnung
Nummer des
IECEx Certificate of
Conformity
U: Komponente
Elektrisches
Betriebsmittel
IECEx IBE 00.0000X
Ex tD A21 IP 65 T80°C
Ex t IIIC T80°C Db
Ex tb IIIC T80°C
Zugehöriges
elektrisches
Betriebsmittel
IECEx BVS 00.0000X
[Ex iaD]
[Ex ia Da] IIIC
[Ex ia] IIIC
Beim IECEx-System ergibt sich die Kennzeichnung nur aus den Anforderungen der IEC-Normen
0344
II 2 G
X
Ex e II
Ex e IIC Gb
Ex eb IIC
Nummer EG-Baumusterprüfbescheinigung/
Konformitätsaussage
U: Komponente,
Kennzeichnung in den USA
Kennzeichnungsbeispiel für ein zugehöriges elektrisches Betriebsmittel
Einstufung des
➞ 1M68
Betriebsmittels
Beispiele für Kennzeichnung nach EN 61241-0 bzw. EN 60079-0
Staub - Ex
…nach Norm
IEC 60079-0:2007
Alternative
IECEx IBE 09.0002X
Kennzeichnung
… nach ATEX
…nach Norm
IEC 60079-0:2007
Elektrisches
Betriebsmittel
Beispiele für Kennzeichnung nach ATEX Richtlinie 94/9/EG und nach EN 60079-0
Nummer EG-Baumusterprüfbescheinigung/
Konformitätsaussage
…nach Norm
IEC 60079-0:2004
Beispiele für Kennzeichnung nach IEC 61241-0 bzw. 60079-0
Kennzeichnung nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG
Gas - Ex
Kennzeichnung
Nummer des
IECEx Certificate of
Conformity
Kennzeichnung
… nach Norm
EN 61241:2006
… nach Norm
EN 60079-0:2009
… nach Norm
EN 60079-0:2009
Alternative
Zulassungsstelle
in USA: hier UL;
c für Kanada;
us für USA
➞
U
Listed
CD-No: 12345678
➞ Controldrawing-No. (Kontrolldokument)
A: Acetylen
Kann in Div 2*
B: Wasserstoff
eingesetzt werden
C: Ethylen
für Class I: Gase
D: Propan
Elektrisches
Betriebsmittel
PTB 00 ATEX 0000 X
Ex tD A21 IP 65 T80°C
Ex tb IIIC T80°C Db
Ex tb IIIC T80°C
Suitable for Class I, Div. 2, Groups A, B, C
and D installation;
Zugehöriges
elektrisches
Betriebsmittel
TÜV 00 ATEX 0000
[Ex iaD]
[Ex ia Da] IIIC
[Ex ia] IIIC
providing intrinsically safe circuits for use in
Class I, Div. 1, Groups A, B, C and D;
Class II, Div. 1, Groups E, F and G; and
In Europa setzt sich die Kennzeichnung von Betriebsmitteln, Komponenten und Schutzsystemen aus der Richtlinien- und der
Normenkennzeichnung zusammen.
26 Phoenix CONTACT
Kennzeichnung von Ex-Produkten 1.4
Class III, Hazardous Locations
➞
➞ Gase
➞ Stäube
➞ Fasern
geeignet für
Stromkreise in Div 1*
* nach NEC 500
Phoenix CONTACT 27
2
Errichtung von Anlagen in
explosionsgefährdeten Bereichen
Die Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen erfordert ein besonderes Maß an Vorkehrungen.
Der Arbeitgeber/Betreiber
• teilt Bereiche, in denen explosionsfähige
Atmosphären vorhanden sein können, in
Zonen ein.
• stellt sicher, dass die Mindestvorschriften
angewendet werden.
• kennzeichnet die Zugänge zu explosionsgefährdeten Bereichen.
Bei der Auswahl der Betriebsmittel, Kabel/
Leitungen und Konstruktion sind besondere
Anforderungen zu beachten.
Auszug aus RL 1999/92/EG:
…
(1) Artikel 137 des Vertrags sieht vor, dass der Rat durch
Richtlinien Mindestvorschriften erlassen kann, die die Verbesserung insbesondere der Arbeitsumwelt fördern, um die
Sicherheit und die Gesundheit der Arbeitnehmer verstärkt
zu schützen.
…
(7) In der Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments
und des Rates vom 23. März 1994 zur Angleichung der
Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten für Geräte und
Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in
explosionsgefährdeten Bereichen (5) ist festgelegt, dass
eine ergänzende Richtlinie nach Artikel 137 des Vertrags
vorgesehen ist, die sich insbesondere mit der Gefahr durch
Explosionen aufgrund der Verwendung und/oder der Art
und Weise der Installation der Geräte befasst.
…
Risikoanalyse
Der Betreiber einer Anlage hat eine
genaue Beurteilung durchzuführen.
Grundlage dafür sind z.B. die Normen EN 60079-10, EN 60079-14 und
EN 1127-1 (siehe auch Normenübersicht
auf Seite 12). Auf Grund dieser Beurteilung werden die Zonen festgelegt und
die zulässigen Betriebsmittel ausgewählt.
Jede Anlage ist auf ihre Besonderheiten
hin zu untersuchen. Sollte es dennoch
zur Explosion kommen, ist bereits im
Vorfeld das mögliche Gefahrenszenario
zu betrachten. Können z.B. Kettenreaktionen eintreten, wie sind die Gebäudeschäden und welche Auswirkung hat die
Explosion auf weitere Anlagenteile? Es
kann sein, dass Wechselwirkungen mit
benachbarten Anlagen auftreten, die bei
der einzelnen Anlage alleine nicht vorkommen können.
Die Risikobeurteilung erfolgt in der
Regel in einem Team, welches alle relevanten Aspekte der Anlage abdeckt. Im
Zweifelsfall empfiehlt es sich, weitere
Experten zu Rate zu ziehen. Die Risikobeurteilung ist die Grundlage aller weiteren Maßnahmen bis hin zum Betrieb der
Anlage.
Im Explosionsschutzdokument sind diese
Beurteilungen festzuhalten.
Der Leitfaden nach Artikel 11 der Richtlinie 1999/92/EG enthält folgende
methodische Vorgehensweisen (anlehnende Darstellung):
Beurteilungsverlauf zur Erkennung und Verhinderung von
Explosionsgefahren:
1 Sind brennbare Stoffe vorhanden?
Nein
Keine Explosionsschutz
maßnahmen erforderlich.
Ja
2
Kann durch ausreichende Verteilung in Luft eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen?
Ja
Nein
Nein
Ja
Keine weiteren Explosionsschutzmaßnahmen
erforderlich.
Ja
Keine weiteren Explosionsschutzmaßnahmen
erforderlich.
3 Wo kann explosionsfähige Atmosphäre auftreten?
4
5
6
Ist die Bildung einer sog. „gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre“
möglich?
Ja
Weitere Maßnahmen erforderlich!
Verhinderung von Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphären.
(Primärer Explosionsschutz)
Ist die Bildung von gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären zuverlässig verhindert?
Nein
7
In welche Zonen lassen sich die Bereiche mit gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären einteilen?
8
Vermeiden von wirksamen Zündquellen in Bereichen mit gefährlichen
explosionsfähigen Atmosphären. (Sekundärer Explosionsschutz)
9
Ist die Entzündung von gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären
zuverlässig vermieden?
Nein
Begrenzung der Auswirkungen einer Explosion durch konstruktive und
10 organisatorische Maßnahmen. (Tertiärer Explosionsschutz)
Explosionsschutzdokument
Die Dokumentation ist wesentlich für
den sicheren Betrieb der Anlage im
explosionsgefährdeten Bereich. Sie wird
vor dem Errichten erstellt und ist immer
auf dem aktuellen Stand zu halten. Bei
Veränderungen an der Anlage müssen alle beschriebenen Einflussgrößen
berücksichtigt werden.
28 Phoenix CONTACT
Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen 2
Beispiel für Aufbau der Dokumentation
Verantwortlicher für das Objekt
Namentlich benannt
Beschreibung der baulichen und geo
Lageplan, Gebäudeplan, Be- /Entlüftung
grafischen Gegebenheiten
Verfahrensbeschreibung
Beschreibung der Anlage bezogen
auf Explosionsschutz
Stoffdaten
Auflistung der Daten mit explosions
relevanten Kennwerten
Risikobeurteilung
siehe obenstehenden Leitfaden
Schutzkonzepte
Zoneneinteilung, angewendete Zündschutzarten
Organisatorische Maßnahmen
Unterweisung, schriftliche
Anweisungen, Arbeitsfreigaben
2 Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen
Phoenix CONTACT 29
2.1 Installation eigensicherer
Stromkreise
Eigensichere Stromkreise mit mehr
als einer Energiequelle
Die beschriebene Dimensionierung eines
eigensicheren Stromkreises ist aber nur
dann zulässig, wenn maximal ein konzentrierter Energiespeicher Ci oder Li im
Stromkreis vorhanden ist.
Auslegung von eigensicheren Stromkreisen
Installation in Zündschutzart
Eigensicherheit
Der gesamte eigensichere Stromkreis
muss gegen das Eindringen von Energie
aus anderen Quellen, elektrischen oder
magnetischen Feldern geschützt sein.
Verantwortlich für den Nachweis der
Eigensicherheit ist der Errichter oder
Betreiber, nicht der Hersteller.
Einfache eigensichere Stromkreise
Einfache eigensichere Stromkreise enthalten nur eine Energiequelle. Zur Planung und Installation empfiehlt es sich,
die Betriebsanleitungen und die
EG-Baumusterprüfbescheinigung (bzw.
die Zertifikate) der eingesetzten
Betriebsmittel bereitzuhalten. Diesen
werden die notwendigen Parameter entnommen. Im ersten Schritt werden die
Kriterien entsprechend der folgenden
Tabelle geprüft.
Überprüfung des Einsatzes im explosionsgefährdeten Bereich
Kriterien
Gerätegruppe, Einsatzbereich
Kategorie
Gruppe
Zone
Zündschutzart
Temperaturklasse
Elektrische
Betriebsmittel
II, G, D
Zugehörige elektrische
Betriebsmittel
II, G, D
1, 2, 3
IIA, IIB, IIC
0, 1, 2
Ex ia, Ex ib
T1…T6
(1), (2), (3)
IIA, IIB, IIC
0, 1, 2
[Ex ia], [Ex ib]
--
Als nächster Schritt werden die elektrischen Daten des eigensicheren Stromkreises (Spannung, Strom, Leistung,
Kapazität und Induktivität) gemäß der
folgenden Abbildung überprüft.
Im eigensicheren Stromkreis sind alle
auftretenden Kapazitäten und Induktivitäten zu berücksichtigen und mit der
Kapazität Co und Induktivität Lo des
zugehörigen Betriebsmittels zu ver-
Für den Einsatz in Zone 0 ist die
Zusammenschaltung von mehreren zugehörigen elektrischen Betriebsmitteln
nicht zulässig.
gleichen. In der Praxis ist besonders
auf die Kapazität zu achten, da durch
diese Kabel oder Leitungen in der Länge
erheblich eingeschränkt werden. Als
Richtwerte können die Kapazität Cc mit
ca. 140…200 nF/km und die Induktivität
Lc mit ca. 0,8…1 mH/km angenommen
werden. Im Zweifel ist immer vom worst
case auszugehen.
Dimensionierung eigensicherer Stromkreise mit einem zugehörigen Betriebsmittel
Explosionsgefährdeter
Bereich
30 Phoenix CONTACT
Sicherer Bereich
SPS
4…20mA
Beim Auftreten von mehreren konzentrierten Energiespeicher Ci und Li ist
die maximal zulässige Kapazität Co und
Induktivität Lo vor dem Vergleich mit Ci
+ Cc und Li + Lc zu halbieren. Ci bzw. Li
sind als konzentrierter Energiespeicher
zu sehen, wenn ihr jeweilige Wert 1%
der maximal zulässigen äußeren Kapazität Co bzw. Induktivität Lo überschreitet. Die Kabel-/Leitungskapazität Cc bzw.
die Kabel-/Leitungsinduktivität Lc gelten
nicht als konzentrierte Kapazitäten bzw.
konzentrierte Induktivitäten.
Gebräuchliche Bezeichnungen Europa
für Feldgerät:
USA
max. Eingangsspannung
max. Eingangsleistung
max. innere Kapazität
max. innere Induktivität
für zugehörige Betriebsmittel
Ui
Ii
Ci
Li
Vmax
Imax
Ci
Li
max. Ausgangsspannung
max. Ausgangsleistung
max. äußere Kapazität
max. äußere Induktivität
für Kabel/Leitung:
Uo
Io
Co
Lo
Voc
Isc
Ca
La
Kabel-/Leitungskapazität
Kabel-/Leitungsinduktivität
Cc
Lc
Ccable
Lcable
Installation eigensicherer Stromkreise 2.1
Besteht der eigensichere Stromkreisen für Anwendungen in Zone 1 und
Zone 2 aus mehr als einem zugehörigen
Betriebsmittel, muss durch theoretische Berechnungen oder Prüfungen mit
dem Funkenprüfgerät (entsprechend
EN 60079-11) ein Nachweis erfolgen.
Dabei ist zu beachten, ob eine Stromaddition vorliegt. Daher wird die Beurteilung durch einen Sachverständigen
empfohlen.
Für die Zusammenschaltung mehrerer
eigensicherer Stromkreise mit linearen
Strom-Spannungskennlinien werden
im Anhang A und B der EN 60079-14
Beispiele aufgeführt. Bei der Zusammenschaltung zugehöriger Betriebsmittel
mit nichtlinearen Kennlinien führt die
Bewertung an Hand der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstroms nicht
zum Ergebnis. Die Berechnungen kann
aber auf Grundlage des PTB-Berichts
PTB-ThEx-10 „Zusammenschaltung
nichtlinearer und linearer eigensicherer
Stromkreise“ durchgeführt werden. Dieser ist in die EN 60079-25 (Eigensichere
Systeme) einbezogen worden. Hier werden grafische Methoden zur Beurteilung
der Eigensicherheit bis in die Zone 1
beschrieben.
2.1 Installation eigensicherer Stromkreise
Erdung in eigensicheren
Stromkreisen
Bei der Erdung eigensicherer Stromkreise kann es zu Potentialdifferenzen kommen. Diese müssen in der Betrachtung
der Stromkreise berücksichtigt werden.
Eigensichere Stromkreise dürfen gegen
Erde isoliert sein. Die Gefahr der elektrostatischen Aufladung ist zu beachten.
Die Verbindung über einen Widerstand
R = 0,2…1 MΩ zur Ableitung elektro
statischer Aufladung gilt nicht als Erdverbindung.
Ein eigensicherer Stromkreis darf an das
Potentialausgleichssystem angeschlossen sein, wenn dies nur an einer Stelle
innerhalb eines eigensicheren Stromkreises geschieht. Wenn ein eigensicherer
Stromkreis aus mehreren galvanisch
getrennten Teilstromkreisen besteht,
kann jeder Teil einmal mit Erde verbunden werden.
Ist eine funktionsbedingte Erdung für
einen in Zone 0 befindlichen Sensor/
Aktor notwendig, so ist diese unmittelbar außerhalb der Zone 0 zu realisieren.
Anlagen mit Zener-Barrieren müssen an
diesen geerdet sein. Gegebenenfalls ist
sogar ein mechanischer Schutz gegen
Beschädigung vorzusehen. Diese Stromkreise dürfen nicht an einer weiteren
Stelle geerdet werden.
Alle elektrischen Betriebsmittel, die die
Spannungsprüfung mit mindestens 500 V
gegen Erde nicht bestehen, gelten als
geerdet.
Bei der galvanischen Trennung von
Versorgungs- und Signalstromkreisen
müssen die Fehler und/oder transiente
Ströme in Potentialausgleichsleitungen
berücksichtigt werden.
Wartung und Instandhaltung
Eine Wartung der eigensicheren Stromkreise ist ohne besondere Genehmigung
(z.B.: Feuerschein) möglich. Die Leitungen der eigensicheren Stromkreise
können kurzgeschlossen oder unterbrochen werden, ohne die Zündschutzart
zu gefährden. Es dürfen eigensichere
Betriebsmittel ausgebaut (bzw. Steckmodule gezogen) werden, ohne dass die
Anlage spannungsfrei geschaltet werden
muss. In eigensicheren Stromkreisen
treten üblicherweise keine berührgefährlichen Ströme und Spannungen auf, so
dass sie für Personen sicher sind. Das
Messen von eigensicheren Stromkreisen erfordert zugelassene eigensichere
Messgeräte. Werden die Daten dieser
Messgeräte nicht berücksichtigt, kann
zusätzliche Energie in den eigensicheren Stromkreis gelangen. Die zulässigen
Höchstwerte werden ggf. überschritten
und die Anforderungen an die Eigensicherheit nicht mehr erfüllt. Gleiches gilt
für alle Prüfgeräte, die eingesetzt werden
sollen.
Zulässige Leiterquerschnitte für Erdverbindung
Anzahl der Leiter
mind. 2 getrennte Leiter
Leiterquerschnitt*
min. 1,5 mm2
ein Leiter
min. 4 mm2
Bedingung
jeder einzelne Leiter
kann den größtmöglichen
Strom führen
* Leiter aus Kupfer
Phoenix CONTACT 31
Bei der Installation von Kabeln/Leitungen
sollen diese gegen mechanische Beschädigungen, Korrosion, chemische und
thermische Einwirkungen geschützt sein.
In der Zündschutzart Eigensicherheit ist
dies verbindlich gefordert.
In Schächten, Kanälen, Rohren und Gräben muss das Ansammeln von explosionsfähiger Atmosphäre verhindert werden. Ebenso dürfen sich brennbare Gase,
Dämpfe, Flüssigkeiten oder Stäube nicht
darüber ausbreiten können.
Innerhalb des explosionsgefährdeten
Bereichs sollen Kabel/Leitungen möglichst unterbrechungsfrei geführt werden.
Ist dies nicht realisierbar, so dürfen die
Kabel/Leitungen nur in einem Gehäuse,
das in einer für die Zone zugelassenen
Schutzart ausgeführt ist, verbunden werden. Muss aus Gründen der Installation
davon abgewichen werden, so sind die
Bedingungen aus der Norm EN 60 07914 einzuhalten.
Bei eigensicheren Stromkreisen, auch
außerhalb des explosionsgefährdeten
Bereichs, gilt ferner:
• Schutz gegen das Eindringen äußerer
Energie.
• Schutz gegen äußere elektrische oder
magnetische Felder. Mögliche Ursache:
Hochspannungsfreileitung oder einphasige Hochspannungsleitungen.
• Aderleitungen von eigensicheren und
nichteigensicheren Stromkreisen dürfen nicht in derselben Leitung geführt
werden.
Kabel/Leitungen für die Zone 1 und 2
Kabel/Leitung
ortsfeste Betriebsmittel
Anforderung
Mantel
ortsveränderliche,
transportable
Betriebsmittel
Außenmantel
Mindestquerschnittsfläche
flexible Kabel
und Leitungen
Ausführung
Kenndaten
32 Phoenix CONTACT
Thermoplast, Duroplast, Elastomer oder
metallisoliert mit Metallmantel
Schwerem Polychloropren, synthetischem
Elastomer, schwere Gummischlauchleitung
oder vergleichbarer robuster Aufbau
• leichte Gummischlauchleitung ohne/mit
Polychloroprenummantelung
• schwere Gummischlauchleitung ohne/mit
Polychloroprenummantelung
• kunststoffisolierte Leitung, vergleichbar
schwere Gummischlauchleitung
Im Schaltschrank sollen die eigensicheren
Stromkreise eindeutig gekennzeichnet
sein. Die Norm schreibt kein einheitliches Verfahren vor, weist lediglich darauf
hin, dass die Kennzeichnung bevorzugt
durch eine hellblaue Farbe erfolgen soll.
Meist werden die Neutralleiter von
(Cc und Lc)
oder (Cc und Lc/Rc)
im Zweifel: worst-case
Grund
Schirm hat hohen Widerstand, zusätzliche Abschirmung gegen induktive
Störeinflüsse
Bedingungen
Robuster Erdleiter (min. 4 mm2), isolierter Erdleiter und Schirm:
Isolationsprüfung 500 V, beide an einem Punkt geerdet, Erdleiter erfüllt die
Anforderungen der Eigensicherheit und wird beim Nachweis berücksichtigt
b
Potentialausgleich zwischen beiden
Enden
Es ist im höchsten Maß sichergestellt, dass ein Potentialausgleich über den
gesamten Bereich besteht, in dem der eigensichere Stromkreis installiert ist.
c
Mehrfacherdung über kleine Kondensatoren
Gesamtkapazität nicht über 10 nF
a
1,0 mm2
• In mehradrigen Kabeln oder Leitungen
dürfen mehrere eigensichere Stromkreise geführt werden.
• Bei bewehrten, metallummantelten
oder geschirmten Kabeln/Leitungen
können eigensichere und nichteigensichere Stromkreise in ein und demselben Kabelkanal verlegt werden.
Auswahlkriterien für Kabel/Leitungen bei Zündschutzart
Eigensicherheit
Kriterium
Bedingung
Anmerkung
isolierte
Prüfspannung ≥ 500 V AC Leiter-Erde, Leiter-Schirm
≥ 750 V DC und Schirm-Erde
Kabel/Leitungen
Durchmesser
≥ 0,1mm
auch bei feindrahtigen
einzelner Leiter
Leitern
feindrahtige
gegen Aufspleißen
z.B. durch Aderendhülsen
Leitungen
schützen
mehradrige Kabel/
zulässig
Bedingungen der FehlerbeLeitungen
trachtung berücksichtigen
aus EN 60079-14
Sonderfälle zur Erdung leitender Schirme in eigensicheren Stromkreisen
Energiekabeln auch mit blauer Farbe
gekennzeichnet. Dann sollte eine andere
Kennzeichnung von eigensicheren Stromkreisen verwendet werden, um eine Verwechslung auszuschließen. Von Vorteil ist
die übersichtliche Anordnung und räumliche Trennung im Schaltschrank.
Die Erdung leitender Schirme darf nur
an einer Stelle erfolgen, die sich üblicherweise im nichtexplosionsgefährdeten Bereich befindet. Siehe hierzu auch
den Abschnitt „Erdung in eigensicheren
Stromkreisen“ (Seite 31) und die Tabelle
Seite 33.
Abstand
zwischen
nicht-Ex i
und Ex i
Stromkreise
zur SPS im
sicheren
Bereich
Eigensichere
Stromkreise
Abstände an Anschlussklemmen
Zwischen verschiedenen eigen
sicheren Stromkreisen
Die Luftstrecken zwischen Klemmen
verschiedener eigensicherer Stromkreise
müssen mindestens 6 mm betragen. Die
Luftstrecken zwischen den leitenden Teilen der Anschlussklemmen und leitenden
Teilen, die geerdet sein können, muss
mindestens 3 mm betragen. Eigensichere
Stromkreise müssen deutlich gekennzeichnet sein.
Zwischen eigensicheren und
anderen Stromkreisen
Der Abstand an Reihenklemmen zwischen den leitenden Teilen von eigensicheren Stromkreisen und den leitenden
Teilen von nicht eigensicheren Stromkreisen muss mindestens 50 mm betragen. Der Abstand kann auch durch eine
Trennplatte aus Isolierstoff oder durch
eine geerdete Metallplatte hergestellt
werden.
Kabel/Leiter von eigensicheren Stromkreisen dürfen selbst dann, wenn sie sich
an der Reihenklemme lösen sollten, nicht
mit einem nicht-eigensicheren Stromkreis in Kontakt kommen. Bei der Installation sind die Kabel/Leiter entsprechend
einzukürzen.
Abstände nach EN 60079,Abschnitt 6.2.1 bzw. Bild 1.
Spezielle Anforderungen in
Zone 0, Europa
Die Norm EN 60079-26 „Spezielle
Anforderungen an Konstruktion, Prüfung und Kennzeichnung elektrischer
Betriebsmittel für Gerätegruppe II, Kategorie 1G“ ergänzt die EN 60079-Reihe.
Hier werden weitere Anforderungen
beschrieben, um Betriebsmittel auch in
anderen Zündschutzarten als Eigensicherheit in der Zone 0 einzusetzen.
Hellblaues
Kabel in
Ex-Zone
Installation eigensicherer Stromkreise 2.1
2.1 Installation eigensicherer Stromkreise
Phoenix CONTACT 33
2.2 Überspannungsschutz im Ex-Bereich
Überspannungsschutz eigensicherer Stromkreise
Überspannungen, meist verursacht durch
Schalthandlungen, Sicherungsauslösungen, Frequenzumformern oder Blitzeinwirkungen, sind ein wichtiges Thema,
wenn es um den Funktionserhalt und die
Verfügbarkeit von elektrischen Anlagen
geht.
Bei diesen Störgrößen handelt es sich
um zeitlich schnell veränderliche Störimpulse (Transienten), die in wenigen Mikrosekunden Amplituden von mehreren
Kilovolt erreichen.
Kommt es zu Überspannung entstehen
gefährliche Potenzialdifferenzen, die u.a.
Fehlsteuerungen, kurzzeitige Funktionsunterbrechungen oder im ungünstigsten Fall auch Zerstörungen zur Folge
haben. Nur der konsequente Einsatz
von Überspannungsschutzableitern (kurz
SPD, Surge Protective Device) an den
zu schützenden Geräten, sorgt für eine
Begrenzung der hervorgerufenen Potenzialdifferenzen auf ungefährliche Werte.
SPDs in EX-Zonen müssen zur Vermeidung gefährlicher Potenzialdifferenzen
aufgrund von Überspannungen den
Anforderungen der DIN EN 60079-14
genügen. Hierin ist gefordert, dass
mindestens 10 Impulse der Impulsform
8/20 µs mit einem MindestableitstoßGDT 2
1
Überspannungsschutzgerät
PLUGTRAB PT
2xEX(I)
ÜSG SURGETRAB
(Durchgangs- oder
Parallelverdrahtung
S-PT-EX(I)-24DC
S-PT-EX-24DC
(Kennzeichnung
nach ATEX)
strom von 10 kA sicher beherrscht
werden müssen, wenn gefährliche Potenzialdifferenzen in die EX-Zone 0 eingekoppelt werden können.
Diese Anforderung wird durch die Nutzung von Gasentladungsableitern (GDT)
erreicht (Abbildung: Schutzbeschaltung
des SPD SP-PT-EX(I)-24DC). Die geforderte Isolationsfestigkeit von 500 V
gegen Erde nach DIN EN 60079-11 wird
durch den speziell bemessenen GDT 2
erreicht.
Betriebsmittel besitzen meist eine Isolationsfestigkeit von 1,5 kV gegen Erde, die
Spannungsfestigkeit zwischen den Adern
beträgt oft nur ein paar hundert Volt
oder weniger. Während zur Aufrechterhaltung der Isolationsfestigkeit bei
Transienten ein GDT ausreicht, müssen
zusätzliche Suppressordioden für die
Spannungsfestigkeit zwischen den Adern
ΔU
GDT 1
UG
US
Suppressordiode
2
Entkopplungs
widerstand
IN
sorgen. Diese Halbleiterbauelemente
zeichnen sich durch ein sehr schnelles
Ansprechen bei Transienten und einer
engen Spannungsbegrenzung aus – ihr
Ableitvermögen beträgt aber nur ein
paar hundert Ampere. Mehrstufig aufgebaute SPDs, wie der SURGETRAB
sind daher zu empfehlen. Im Falle einer
Transiente begrenzt die Suppressordiode
so lange, bis die Summe aus Restspannung der Suppressordiode US und dem
Spannungsabfall an den Entkopplungswiderständen ∆U, der Ansprechspannung
des GDT 1 UG entspricht (Kirchhoffsche
Regel). Während also die Supressordiode
zwischen den Adern für ein schnelles
Ansprechen bei gleichzeitig niedrigen
Schutzpegel sorgt, wird mit dem GDT
ein hohes Ableitvermögen von 10 kA
erreicht.
In der Praxis ist es vorteilhaft noch am
Einbauort entscheiden zu können, ob
der Schirm direkt oder indirekt über
einen GDT mit der Erde kontaktiert
werden soll. Dieses kann, wie im Fall des
SURGETRAB durch das Heraustrennen
einer vorinstallierten Brücke am GDT 3
erfolgen (vgl. Schaltbild).
OUT
Brücke
Schirm
GDT = Gasentladungsableiter
Schutzbeschaltung des SPD S-PT-EX(I)-24DC
34 Phoenix CONTACT
Überspannungsschutz im Ex-Bereich 2.2
Beispiel Hochtanklager
Eine Füllstandsmessung an einem Tank
ist oftmals über lange Leitungswege von
z.B. 100 m mit der Messwarte verbunden.
Im Inneren des Tanks liegt aufgrund der
dauerhaft vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre die EX-Zone 0 vor. Die
Messwerte werden aufgrund der Unempfindlichkeit gegen äußere Einkopplungen
als Stromsignal (4-20 mA) an die Messwarte übertragen. Um die unzulässig
hohen Potentialdifferenzen der Erdungsanlage zu vermeiden, wird zunächst ein
Potentialausgleich zwischen Messwarte
und den Hochtanks errichtet.
Für das hier gezeigte Fallbeispiel wird
ein Blitzeinschlag von 30 kA mit einem
10/350 µs Impuls* angenommen. Während eine Hälfte des Stromes über die
Erde abfließt gelangt die Andere unmittelbar in die Anlage. Somit wird angenommen, dass 15 kA über die Potentialausgleichsleitung zur Messwarte hin
fließen. Bei einem Kupferquerschnitt der
Potentialausgleichsleitung von 95 mm2
ergibt sich die nachfolgende Berechnung
für den ohmschen Spannungsfall zwischen Messwarte und Hochtank:
ÛR =
îB
I
• RCU mit RCU = ∂ •
und
2
A
∂ =17,3
mΩ • mm
m
2
30 kA
mΩ • mm2 100 m
ÛR =
• 17,3
•
2
m
95 mm2
ÛR = 273 V
100 m
OUT
0
50
Die Leitung besitzt neben einem
Widerstandsbelag jedoch auch einen
Induktivitätsbelag L‘. Für einen runden
Kupferleiter wird in der Praxis ein querschnittsunabhängiger Induktivitätsbelag
von L’ ≈ 1 µH/m angenommen. Fließt der
zuvor definierte Blitzstrom in Höhe von
15 kA der Impulsform 10/350 µs entlang
des Potentialausgleichleiters in Richtung
Messwarte wird nach dem Induktionsge-
2.2 Überspannungsschutz im Ex-Bereich
IN
IN
OUT
100
%
IN
S-PT-EX(I)-24 DC
Ci2= 2 nF
Li2 = 1 μH
Ui = 30 V
Ii = 350 mA
Pi = 3 W
Ui =30 V
Ii =200 mA
Pi =1 W
Ci1=0 nF
Li1=20 nH
Nachweis der
1. Uo ≤ Ui
2. Ci1 + Ci2
3. Lo1 + Li2
RCU
OUT
4…20 mA
//
CLeitung= 20 nF
LLeitung = 100 μF
Eigensicherheit
Io ≤ Ii
Co ≤ Ci
+ CLeitung + Ci3 ≤ Co
+ LLeitung + Li3 ≤ Lo
SPS
PT 2x EX(I)-24DC
Ci3= 1,3 nF
Li3 = 1 μH
Ui = 30 V
Ii = 325 mA
Pi = 3 W
MACX Analog Ex
RPSSI/I
Uo= 28 V
Io = 93 mA
Po = 650 mW
Co= 83 nF
Lo = 4,3 mH
//
L
Füllstandsmessung: Schutz durch SURGETRAB S-PT-EX(I)-24DC in Durchgangsverdrahtung und
PLUGTRAB PT-2xEX(I)-24DC
100 m
0
50
//
S-PT-EX-24 DC
Ci2= 1,65 nF
Li2 = 1 μH
Ui = 36 V
Ii = 350 mA
Pi = 3 W
100
%
IN
OUT
4…20 mA
IN
OUT
//
CLeitung= 20 nF
LLeitung = 100 μF
Ci =30V
Ii =200 mA
Pi =1 W
Ci1=0 nF
Li1=20 nH
Nachweis der
1. Uo ≤ Ui
2. Ci1 + Ci2
3. Li1 + Li2
RCU
Eigensicherheit
Io ≤ Ii
Po ≤ Pi
+ CLeitung + Ci3 ≤ Co
+ LLeitung + Li3 ≤ Lo
L
SPS
PT 2x EX(I)-24DC
Ci3= 1,3 nF
Li3 = 1 μH
Ui = 30 V
Ii = 325 mA
Pi = 3 W
MACX MCR-EX-SLRPSSI-I-UP
Uo= 28V
Io = 93 mA
Po = 650 mW
Co= 83 nF
Lo = 4,3 mH
//
Füllstandsmessung: Schutz durch SURGETRAB S-PT-EX-24DC in Parallelverdrahtung und
PLUGTRAB PT 2xEX(I)-24DC
setz ein induktiver Spannungsfall in Höhe
von 150 kV generiert:
UL (t) = - L •
Die Kombination aus Potentialausgleichsleitungen und der normativen geforderten Isolationsfestigkeit von 500 V scheint
auf den ersten Blick einen ausreichenden
Schutz vor Blitzteilströmen in eigensicheren Systemen zu bieten.
//
diB(Teil)
dt
ÛL (t) ≈ - L‘• I •
ÛL ≈ -1
ΔiB(Teil)
Δt
μH
15 kA
• 100 m •
m
10 μs
ÛL ≈ -150 kV
Eigensichere Stromkreise, die zwischen
Hochtank und Messwarte verlaufen,
werden somit zerstört. Nur durch den
konsequenten Einsatz von Überspannungsschutzgeräten kann dieser Effekt
vermieden werden.
Der Installationsort eines SPD sollte sich
dabei so nah wie praktisch möglich an
der Einführung in die Zone 0 befinden.
Der Abstand von 1 m sollte nicht überschritten werden.
Die Leitungen zwischen dem Messwertaufnehmer und dem SPD müssen so
ausgeführt sein, dass sie gegen direkte
Blitzbeeinflussung geschützt sind. Eine
Leitungsverlegung in einem Metall-Installationsrohr ist hier eine Möglichkeit.
Für den Überspannungsschutz von Sensorköpfen sind SPDs wie der SURGETRAB empfehlenswert, welche speziell
für diese Anwendung entwickelt wurden.
Sie werden direkt in den Leitungszug
eingebunden und in den zu schützenden
Sensorkopf eingeschraubt.
* 10/350 µs = Impuls-Anstiegszeit 10 µs, Rückhalbwertszeit 350 µs
Phoenix CONTACT 35
2.3 Verbindungstechnik
Typenschild
Kennzeichnungsanforderung nach EN/IEC 60079-0 für ATEX und IECEx
Name oder Warenzeichen des
oder
Herstellers
Typenbezeichnung
QTC 2,5
Kennzeichnung der Zündschutzart
Ex e II
EG-Baumusterprüfbescheinigungsnummer
KEMA 05 ATEX 2148 U
nach ATEX
Zertifikatsnummer nach IECEx
IECEx KEM 07.0010 U
Reihenklemmen
Reihenklemmen bei Erhöhter
Sicherheit Ex e
Reihenklemmen müssen den Anforderungen für den Anschluss äußerer Leiter
entsprechen.
Die Grundlage für die Prüfung bilden
die Normen für die Erhöhte Sicherheit
EN 60079-7.
Neben den Typprüfungen der Produktnorm lassen sich die zusätzlichen Anforderungen für die erhöhte Sicherheit wie
folgt zusammenfassen:
• ausreichend große Luft- und Kriechstrecken temperatur- und alterungsbeständige Isolierstoffe
• Schutz vor Ausweichen des Leiters
während des Anschlusses
• gegen Selbstlockern gesichert
• Anschluss frei von Leiterbeschädigungen
• dauerhaft ausreichender Kontaktdruck
• Kontaktsicherheit bei wechselnden
Temperaturen
• keine Kontaktdruckübertragung über
Isolierstoff
• Mehrleiteranschluss nur bei geeigneten
Klemmstellen
• elastisches Zwischenglied bei mehrdrähtigen Leitern ab 4 mm²
• festgelegtes Drehmoment bei Schraubanschlussklemmen
Verpackungsetikett
Die technischen Daten für Reihenklemmen im Ex-Bereich werden durch die
Baumusterprüfung festgelegt und in der
Bescheinigung dokumentiert. Die grundlegenden Daten für die Anwendung von
Reihenklemmen und Zubehör sind:
• Bemessungsisolationsspannung,
• Bemessungsspannung,
• anschließbare Leiterquerschnitte,
• Einsatztemperaturbereich,
• Temperaturklasse.
Reihenklemmen werden als bescheinigte
Komponenten im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt. Sie finden
Anwendung in Anschlussräumen von ExBetriebsmitteln.
Damit ist der Einsatz in Zone 1 und 2
bei Gasen bzw. 21 und 22 bei Stäuben
erlaubt. Die Anforderungen für den IPSchutz werden entsprechend der jeweiligen Zündschutzart durch den Anschlussraum erfüllt.
Die Bescheinigung von Komponenten
dient als Grundlage zur Zertifizierung
eines Gerätes oder Schutzsystems.
Durch die Bescheinigungsnummer
(Zusatz „U“ nach europäischer Norm)
bzw. dem Zulassungszeichen (z.B. UL:
Recognition Mark ) wird die Reihenklemme als Komponente ausgewiesen.
Für Reihenklemmen der Zündschutzart
Erhöhte Sicherheit Ex e besteht eine
Kennzeichnungspflicht.
Kennzeichnungsanforderung lt. ATEX-Richtlinie 94/9/EG, Anhang II
Name und Anschrift des Herstellers
Am Beispiel der Type QTC 2,5 werden die Elemente der Kennzeichnung
beschrieben.
Typenbezeichnung
Herstellungsdatum
Kenn-Nr. der benannten Stelle (KEMA)
Baumustergeprüft nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG
13.09.2010 (Beispiel)
0344
X
Kategorie
2
Gerätegruppe
II
Kennbuchstabe für den Gasexplosionsschutz
G
Kennbuchstabe für den Staubexplosionsschutz
D
Wichtige Hinweise:
Reihenklemmen sind für den Einsatz in
der Temperaturklasse T6 vorgesehen.
Angaben zu anderen Temperaturklassen
sowie dem Einsatztemperaturbereich
enthält die EG-Baumusterprüfbescheinigung und die Installationsanweisung.
Für die Anwendung der Klemmen ist die
Installationsanweisung auch bezüglich der
Verwendung von Zubehör zu beachten!
Reihenklemme in Ex e
36 Phoenix CONTACT
D-32825 Blomberg
QTC 2,5
Verbindungstechnik 2.3
2.3 Verbindungstechnik
Reihenklemme im Ex e-Gehäuse
Phoenix CONTACT 37
Reihenklemmen bei Eigensicherheit Ex i
Bei der Zündschutzart Eigensicherheit werden an Leiteranschlüsse keine
besonderen Anforderungen bezüglich
gesicherter Schrauben, Lötverbindungen, Steckverbindungen usw. gestellt.
Es besteht keine Explosionsgefahr, weil
in nachweislich eigensicheren Kreisen
Strom, Spannung und Leistungswerte
ausreichend gering sind.
Reihenklemmen und Steckverbinder
gelten in der Eigensicherheit als passive
Bauelemente. Daher sind für sie keine
speziellen Typprüfungen vorgesehen.
Dennoch werden strenge Anforderungen an die Luftstrecken zwischen
benachbarten Klemmen und zwischen
Klemmen und geerdeten Metallteilen
gestellt. Die Luftstrecke zwischen den
äußeren Anschlüssen von zwei benachbarten eigensicheren Stromkreisen muss
mindestens 6 mm betragen. Die Mindestluftstrecke zwischen nicht isolierten
Anschlüssen und geerdeten Metall- oder
anderen leitenden Teilen braucht dagegen nur 3 mm zu betragen.
Luft- und Kriechstrecken, sowie Abstände durch feste Isolierung sind z.B. in der
EN 60079-11, Abschnitt 6.3 und Tabelle 5 festgelegt.
Für passive Bauelemente wie z.B. Reihenklemmen und Steckverbinder ist
keine spezielle Kennzeichnung vorgesehen.
Allerdings ist zur deutlichen Kennzeichnung von eigensicheren Stromkreisen
eine blaue Einfärbung der Klemmgehäuse
üblich.
Ex e- und Ex i-Reihenklemmen im
gleichen Gehäuse
In elektrischen Betriebsmitteln, wie z.B.
Klemmenkästen, können sowohl eigensichere (Ex i) als auch Stromkreise der
erhöhten Sicherheit (Ex e) kombiniert
werden.
Eine sichere mechanische und gegebenenfalls auch optische Trennung ist hier
vorgeschrieben. Es muss dabei berücksichtigt werden, dass beim Lösen der
Verdrahtung von der Reihenklemme
einzelne Leiter nicht mit leitenden Teilen der jeweils anderen Stromkreise in
Berührung kommen. Der Abstand zwischen den Reihenklemmen muss mindestens 50 mm betragen.
Hierbei sind auch die üblichen Verdrahtungsverfahren zu beachten, damit eine
Berührung zwischen den Stromkreisen
auch dann, wenn sich ein Leiter löst,
unwahrscheinlich ist. In Schaltschränken
mit einer höheren Verdrahtungsdichte
wird diese Trennung durch entweder
isolierende oder geerdete metallische
Trennwände erreicht. Auch hierbei muss
der Abstand zwischen eigensicheren und
nicht eigensicheren Stromkreisen 50 mm
betragen. Gemessen wird dabei in alle
Richtungen um die Trennwand. Der
Abstand darf geringer sein, wenn die
Trennwände bis mindestens 1,5 mm an
die Gehäusewand heranreichen. Metallische Trennwände müssen geerdet sein
und eine genügende Festigkeit und Steifigkeit besitzen. Sie müssen mindestens
0,45 mm dick sein. Nichtmetallische isolierende Trennwände müssen mindestens
0,9 mm dick sein.
Die Ex e-Stromkreise müssen im Gehäuse zusätzlich durch eine Abdeckung
(mindestens IP30) geschützt sein, wenn
während des Betriebes der Deckel geöffnet werden darf. Ansonsten ist das Öffnen nur zulässig, wenn die Ex e-Stromkreise abgeschaltet sind. Entsprechende
Warnschilder sind anzubringen.
2.4 Gehäuseeinführungen
Kabel-/Leitungseinführung und Conduit System
Weltweit finden zwei Installationstechniken Anwendung.
In Europa sind Kabel-/Leitungseinführungen in den Zündschutzarten Druckfeste
Kapselung oder Erhöhte Sicherheit am
weitesten verbreitet. In den USA und
Kanada wird traditionell das Rohrleitungssystem (Conduit System) eingesetzt.
Luftstrecke durch Trennplatte zwischen eigensicheren und anderen Stromkreisen.
Kabel-/Leitungseinführung
Die Kabel-/Leitungseinführungen sind
am häufigsten in den Zündschutzarten
druckfeste Kapselung Ex d oder Erhöhter Sicherheit Ex e ausgeführt.
Druckfest gekapselte Kabel-/Leitungsführungen sind zünddurchschlagsicher
und werden in Verbindung mit druckfest
gekapselten Gehäusen verwendet.
Kabel-/Leitungsführungen in Erhöhter
Sicherheit werden in Verbindung mit
Gehäusen in der Zündschutzart Erhöhte
Sicherheit verwendet. Bei der Auswahl
der Kabel-/Leitungsführung sind die
Anforderungen an den IP-Schutz des
Gehäuses zu berücksichtigen.
Conduit System
In den USA wird insbesondere Wert auf
hohen mechanischen Schutz der Kabel/
Leitungen gelegt. Daher hat sich hier ein
Rohrleitungssystem (conduit: englisch
Isolierrohr für Leitungsdrähte) stark verbreitet.
tion der Öffnung für die Vergussmasse
entscheidend. Zudem kann sich in dem
Rohrleitungssystem sehr leicht Kondenswasser bilden, das Erdschlüsse und
Kurzschlüsse als Folge von Korrosion
verursachen kann.
Die Kabel-/Leitungseinführung hingegen
ist so aufgebaut, dass die Montage unabhängig von dem jeweiligen Monteur ist.
Vergleich Kabel-/Leitungseinführung mit Conduit System
Die Installation von Conduit Systemen
ist im Vergleich zu der Montage von
Kabel/Leitungen bzw. Kabel-Leitungseinführungen aufwändiger.
Bei der Installation von Conduit Systemen ist darauf zu achten, dass die
Zündsperre ordentlich vergossen ist, da
ansonsten der Schutz nicht gewährleistet
wird. Hierbei ist unter anderem die Posi-
Auch bei mehreren Tragschienen müssen
Luftstrecken zu eigensicheren und anderen
Stromkreisen eingehalten werden.
Leitungen (Einzeladern)
Vergussmasse
Mineralfaserwolle (asbestfrei)
Leitungschutzrohr (Ex d)
Blaue Einfärbung der Klemmgehäuse
für eigensichere Stromkreise
38 Phoenix CONTACT
Trennplatte zwischen Tragschiene, um Luftstrecke zu gewährleisten.
Verbindungstechnik 2.3
Kabelsystem mit indirekter Einführung
2.4 Gehäuseeinführungen
Kabelsystem mit direkter Einführung
Conduit System (Rohrleitungssystem)
mit Zündsperre (seal)
Phoenix CONTACT 39
2.5 Installationsbeispiele
Installationsanforderungen
Die Abbildung stellt eine Auswahl an
Möglichkeiten für die Installation von
elektrischen Geräten im gasexplosionsgefährdeten Bereich dar. Spezielle Anforderungen an die Projektierung, Auswahl
und Errichtung von elektrischen Anlagen
in gasexplosionsgefährdeten Bereichen
sind in der EN 60079-14 enthalten.
Für die Installation von elektrischen
Betriebsmitteln in Bereichen mit brennbarem Staub ist die EN 61241-14 zu
beachten. Weitere wichtige Bestandteile
beim Betrieb von Anlagen in explosions-
gefährdeten Bereichen sind die Prüfung,
Instandhaltung und Reparatur. Festlegungen dazu sind in der EN 60079-17 und
EN 60079-19 zu finden.
Beispiel für die Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung
Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung
In Anlagen mit explosionsgefährdeten
Bereichen ergeben sich für elektrische
Betriebsmittel je nach Anwendung
unterschiedliche Einsatzanforderungen.
Es können sich z.B. bei analoger Signalübertragung folgende Einsatzbereiche für
elektrische Betriebsmittel ergeben:
• Sensoren/Aktoren können sich in
Zone 0, Zone 1 oder Zone 2 befinden
• Signalübertrager können sich in der
Zone 1, Zone 2 oder im sicheren
Bereich befinden.
• Steuerung, z.B. SPS, im sicheren
Bereich
Beispiele für die Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung
sind in der Abbildung auf Seite 41 zu
sehen.
Eigensichere Signalübertragung im
explosionsgefährdeten Bereich
Für die Installation von Sensoren/Aktoren in der Zone 0 werden diese vorwiegend in der Zündschutzart Eigensicherheit Ex ia ausgeführt. Die eigensicheren
Sensoren/Aktoren werden an zugehörige
Betriebsmittel in der Zündschutzart
Eigensicherheit [Ex ia] wie z.B. MACX
MCR-Ex Trenner angeschlossen. In der
EG-Baumusterprüfbescheinigung des
Ex i-Trenners sind die für die Auslegung
des eigensicheren Stromkreises erforderlichen sicherheitstechnischen Daten
angegeben. Die MACX MCR-Ex Trenner
sorgen zusätzlich für eine galvanische
Trennung des Stromkreises zu einer
Steuerung vom Sensor-/Aktorstromkreis.
Sind Ex i-Trenner nur in der Zündschutzart [Ex ia] ausgelegt, dürfen sie
nur außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches installiert werden. Wenn
eine Installation der Ex i-Trenner im
40 Phoenix CONTACT
explosionsgefährdeten Bereich erforderlich ist, sind sie geschützt durch eine
weitere Zündschutzart wie z.B. Druckfeste Kapselung zu installieren. Wird
ein Ex i-Trenner in einem druckfest
gekapselten Gehäuse montiert, ist die
Installation auch in der Zone 1 möglich.
Ex i-Trenner können aber auch zusätzlich
zur Eigensicherheit [Ex ia] in einer weiteren Zündschutzart ausgelegt sein, z.B.
in der Zündschutzart „n“. Dann dürfen
sie unter Berücksichtigung besonderer
Bedingungen auch direkt in der Zone 2
installiert werden.
Die Bedingungen für die Installation sind
in der Betriebsanleitung der Ex i-Trenner
aufgeführt und können z.B. die Verwendung eines geeigneten und zugelassenen
Gehäuses (EN 60079-15 und EN 600790) mit mind. Schutzklasse IP54 enthalten.
Besondere Bedingungen für die Installation in ein Gehäuse sind aber meistens
nur dann erforderlich, wenn das Gehäuse des Ex i-Trenners die Anforderungen
der EN 60079-15 und EN 60079-0 selbst
nicht erfüllt.
Die Ex i-Trenner können auch für Sensoren/Aktoren, die in der Zündschutzart
Ex ib bzw. Ex ic ausgelegt und für die
Zone 1 bzw. 2 zugelassen sind, eingesetzt werden.
Nichteigensichere Signalübertragung im explosionsgefährdeten
Bereich
Neben der eigensicheren Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich
gibt es auch Sensoren/Aktoren, die in
anderen Zündschutzarten ausgelegt sind,
z.B. in Druckfester Kapselung oder in
der Zündschutzart „n“. Hierfür ist die
Verwendung von nichteigensicheren
Trennern z.B. MINI-Analog zulässig.
Auch nichteigensichere Trenner müssen
beim Einsatz in der Zone 2 in einer
geeigneten Zündschutzart ausgelegt sein.
Die MINI-Analog Familie ist hierzu in der
Zündschutzart „n“ ausgelegt und muss
in der Zone 2 in ein geeignetes und
zugelassenes Gehäuse (EN 60079-15 und
EN 60079-0) mit mind. Schutzklasse IP54
installiert werden.
Ein Sensor/Aktor der Zündschutzart „n“
kann in der Zone 2 z.B. mit einem MINITrenner oder mit einem Ex i-Trenner
verbunden werden. Wird er mit einem
Ex i-Trenner verbunden, kommt das
Schutzprinzip der Eigensicherheit nicht
mehr zum Tragen. Der Ex i-Trenner ist
als nichteigensicherer Trenner zu kennzeichnen, um sicherzustellen, dass er
nicht mehr in eigensichere Stromkreise
eingesetzt wird.
Bei der Auswahl der geeigneten Geräte
für die Zone 2 ist darauf zu achten, dass
die elektrischen Daten der Sensoren/
Aktoren nicht überschritten werden.
Werden die Sensoren/Aktoren in einem
druckfest gekapselten Gehäuse montiert oder haben sie selbst ein druckfest
gekapseltes Gehäuse, ist die Installation
auch in der Zone 1 möglich. Für den
Einsatz von Sensoren/Aktoren in der
Zone 2 ist auch die Zündschutzart „n“
geeignet.
Zone 0
Zone 1
Zone 2
MACX-Ex
[Ex ia]
Ex n
Sensor/
Aktor
Ex ia
MACX-Ex
[Ex ia]
Ex n
Sensor/
Aktor
Ex ic
MACX-Ex
[Ex ia]
Ex n
Sensor/
Aktor
Ex ia
MACX-Ex
[Ex ia]
Ex n
Sensor/
Aktor
Ex ib
Gehäuse
IP 54*
Gehäuse
z.B. Ex d
Sensor/
Aktor
Ex ia
MACX-Ex
[Ex ia]
Ex n
Gehäuse
z.B. Ex d
MINI
Ex n
Sensor/
Aktor
Sensor/
Aktor
Ex n
MINI
Ex n
Gehäuse
IP 54*
Sensor/
Aktor
Ex n
MINI
Ex n
Sicherer Bereich
* Verwendung eines geeigneten, für den Einsatz in Zone 2 zugelassenen Gehäuses
Installationsbeispiele 2.5
2.5 Installationsbeispiele
Phoenix CONTACT 41
2.6 Nachweis der Eigensicherheit
Analog IN
Funktion:
Die Geräte übertragen analoge Signale
von Sensoren aus dem Feld galvanisch
getrennt an eine Steuerung.
Eingangstrenner:
Der Sensor im Feld wird vom Eingangs
trenner nicht mit Energie versorgt.
Allgemeine Betrachtungen
Der Betreiber legt auf Grund der durchgeführten Risikoanalyse die Zone, die
Gruppe und die Temperaturklasse für
das Feldgerät fest.
Bei der Auswahl der geeigneten Geräte
für den vorgesehenen Anwendungsfall
sind folgende Vergleiche durchzuführen.
Vergleich der Kennzeichnung eines eigensicheren Feldgerätes in der Zone 0 und eines
zugehörigen Betriebsmittels
Feldgerät
Bewertung der Ex-Kennzeichnung
X II 1 G Ex ia IIB T6
Kategorie des Feldgerätes entspricht der festgelegten Zone
Beschreibung sicherheitstechnischer
Daten
Beschreibung
für Feldgerät:
max.
max.
max.
max.
Eingangsspannung
Eingangsleistung
innere Kapazität
innere Induktivität
für zugehörige Betriebsmittel:
max.
max.
max.
max.
Ausgangsspannung
Ausgangsleistung
äußere Kapazität
äußere Induktivität
für Kabel/Leitung:
Kabel-/Leitungskapazität
Kabel-/Leitungsinduktivität
42 Phoenix CONTACT
Kurzzeichen
Zugehöriges
Betriebsmittel
Zündschutzart ist in der festgelegten Zone zulässig
Das Gerät für die Verwendung in der vorhandenen
Gasatmosphäre zulässig
Zugehöriges Betriebsmittel ist als solches mit
Klammern gekennzeichnet
X II (1) G [Ex ia] IIC
Kategorie des zugehörigen Betriebsmittels entspricht mindestens der Kategorie des Feldgerätes
Zündschutzart des zugehörigen Betriebsmittels
passt zu der des Feldgerätes
Das zugehörige Betriebsmittel ist für die gleiche
oder eine höherwertige Gasgruppe zugelassen.
Cc
Lc
Sicherer Bereich
SPS
Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z.B.
MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I
Feldgerät
Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung
für einen Speisetrenner
Feldgerät*
Hart-Speisetrenner:
Zusätzlich aufmoduliertes digitales
Datensignal wird übertragen.
Kabel/Leitung
Zugehöriges
Betriebsmittel
Beispiel
Ui
≥
Uo
25,2 V
Ii
≥
Io
93 mA
587 mW
≥
Po
Ci
+ Cc (ca. 140…200 nF/km)
≤
Co
IIC: 107 nF
Li
+ Lc (ca. 0,8…1 mH/km)
≤
Lo
IIC: 2 mH
Pi
* Die Werte für das Feldgerät sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu entnehmen.
Dieser Vergleich basiert auf der Annahme, das Ci < 1% vom Co ist und Li < 1% von Lo ist.
Analog OUT
Funktion:
Die Geräte übertragen analoge Signale
von einer Steuerung galvanisch getrennt
an einen Aktor im Feld.
Beispiel einer Schaltung
Ausgangstrenner:
Der Ausgangstrenner kann auch smartfähig sein. Somit können Aktoren im
Feld durch HART-Protokoll konfiguriert
werden.
Dimensionierung eigensicherer Stromkreise
Speisetrenner:
Stellt dem Sensor zusätzlich die benötigte Energie zur Verfügung.
Sicherer Bereich
Ui
Ii
Ci
Li
Uo
Io
Co
Lo
Sicherer Bereich
SPS
Feldgerät
MACX MCR-EX-SL-IDSI-I
Feldgerät*
SPS
Feldgerät
Ui
Ii
Pi
Ci
Li
MACX MCR-EX-SL-RPSS EI
+ Cc
+ Lc
≥
≥
≥
≤
≤
Kabel/Leitung
Beispiel
MACX MCR-EX-SL-IDSI-I
Ui
≥
Uo
27,7 V
Ii
≥
Io
92 mA
≥
Po
636 mW
Ci
+ Cc (ca. 140…200 nF/km)
≤
Co
IIC = 85 nF
Li
+ Lc (ca. 0,8…1 mH/km)
≤
Lo
IIC = 2 mH
Pi
Uo
Io
Po
Co
Lo
Zugehöriges
Betriebsmittel
Nachweis der Eigensicherheit 2.6
Phoenix CONTACT 43
Dimensionierung
Digital IN
RI
NAMUR-Trennschaltverstärker
Die Geräte übertragen binäre Signale
von Sensoren aus dem Feld über eine
galvanische Trennung an die Steuerung.
Dieses Signal wird im Feld von einem
Schalter oder einem NAMUR-Sensor
erzeugt. Das Signal wird auf der Ausgangsseite des Trennschaltverstärkers
entweder durch ein Relais oder durch
einen Transistor als binäres Signal an die
Steuerung weitergegeben.
Durch eine zusätzliche Widerstandsbeschaltung kann auch bei einfachen Schaltern eine Drahtbrucherkennung realisiert
werden.
1
1
mit Drahtbruch
erkennung
3
ohne Drahtbruch
erkennung
Über den Widerstand wird gewährleistet, dass ein minimaler Strom ständig
fließt, auch wenn der Schalter geöffnet
ist. So kann ein Leitungsbruch identifiziert werden.
44 Phoenix CONTACT
1. Prüfung der sicherheitstechnischen Daten
ISV
Magnetventil
Ventiltrenner
RSV
UV
Vergleich der sicherheitstechnischen Daten aus der Ex-Zulassung
USV
Feld
gerät*
SPS
Feldgerät
MACX MCR-EX-SL-NAM-R
Feldgerät*
Kabel/Leitung
Zugehöriges
Betriebsmittel
Beispiel
MACX MCR-EX-SL-NAM-R
Ui
≥
Uo
9,6 V
Ii
≥
Io
10 mA
≥
Po
25 mW
Ci
+ Cc (ca. 140…200 nF/km)
≤
Co
IIC = 510 nF
Li
+ Lc (ca. 0,8…1 mH/km)
≤
Lo
IIC = 100 mH
* Die Werte für das Feldgerät sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu entnehmen oder
bei einfachen elektrischen Betriebsmitteln besonders zu ermitteln.
Bei einfachen elektrischen Betriebsmitteln, z.B. einfachen Schaltern, fließen nur
die Induktivitäts- und Kapazitätswerte
der Kabel/Leitungen in den Vergleich der
sicherheitstechnischen Daten ein.
Weitere Anforderungen an "einfache
elektrische Betriebsmittel" siehe
Seite 21.
Digital OUT
Ventilsteuerbaustein
Ventilbausteine verbinden einen im sicheren Bereich installierten Schalter bzw.
eine Spannungsquelle galvanisch getrennt
mit einem Feldgerät.
Es können eigensichere Magnetventile,
Alarmbausteine oder andere eigensichere Geräte angeschlossen sowie einfache
elektrische Betriebsmittel wie z.B. LEDs
betrieben werden.
RC
Sicherer Bereich
Pi
3
IV
Beispiel für den Ventilsteuerbaustein MACX MCR-EX-SL-SD-24-48-LP
Sicherer Bereich
Ri = Innenwiderstand des Ventiltrenners
Uv = Garantierte Spannung des Ventil
trenners ohne Last
Rc = Maximal zulässiger Leitungswiderstand bei der Zusammenschaltung
von Ventiltrenner und Ventil
Rsv= Wirksamer Spulenwiderstand des
Magnetventils (Der Kupferwiderstand der Wicklung ist von der
Umgebungstemperatur abhängig)
Iv = Maximaler Strom, den der Ventil
trenner liefern kann
Isv = Strom, den die Magnetspule benötigt, damit das Ventil anziehen kann
bzw. gehalten werden kann
Usv= Spannung, die bei ISV an der Spule
anliegt (Kupferwiderstand der
Wicklung ist von der Umgebungstemperatur abhängig)
Die Dimensionierung erfolgt in mehreren Schritten.
1.Prüfung der sicherheitstechnischen
Daten
Ui ≥Uo
Ii ≥Io
Pi ≥Po
2.Prüfung der Funktionsdaten
Iv ≥Isv
3.Ermittlung des max. zulässigen Leitungswiderstands
Uv
Rc =
- Ri - Rsv
Isv
Rc>0 Ω, ansonsten ist die Funktion
nicht gewährleistet.
Beispiel Ventil
Kabel/
Leitung
Beispiel
100 m
Zugehöriges
Betriebsmittel
Beispiel MACX
MCR-EX-SL-SD-24-48-LP
Ui
28 V
≥
Uo
27,7 V
Ii
115 mA
≥
Io
101 mA
Pi
1,6 W
≥
Po
697 mW
Ci
vernachlässigbar
klein
+Cc
+ 18 nF
≤
Co
80 nF
Li
vernachlässigbar
klein
+Lc
+ 0,08
mH
≤
Lo
5,2 mH
2. Prüfung der Funktionsdaten
Ventiltrenner
UV = 21 V, Ri = 133 Ω, IV = 45 mA
Ventil
RSV 65 °C = 566 Ω, Isv = 23 mA
Iv ≥ Isv
Daraus folgt, dass der maximale Strom,
den der Ventilsteuerbaustein liefern
kann, für den Betrieb der Magnetspule
ausreicht.
3. Ermittlung von RC
Rc=
21,9 V
Uv
- Ri - Rsv =
- 566 Ω - 133 Ω = 253,2 Ω
Isv
0,023 A
Aus der Berechnung ergibt sich, dass für
die Leitung ein Widerstand von 253,5 Ω
zur Verfügung steht.
Empfehlung: Für die Funktion des Ventils
sollte der tatsächliche Leitungswiederstand eine Reserve von 25 Ω haben.
Bei einem Leistungsquerschnitt von
0,5mm2 beträgt die maximal mögliche
Leitungslänge 3,17 km, bei einer Reserve
von 25 Ω. Da aber sicherheitstechnische
Daten aus der Ex-Zulassung ebenfalls zu
berücksichtigen sind, beträgt die maximal zulässige Leitungslänge im Beispiel
444 m.
Richtwert für Kabel/Leitungen
SPS
Feldgerät
MACX MCR-EX-SL-SD-24-48-LP
Leiterwiderstand
(Hin-/Rückleitung)
Kabelkapazität
Kabelinduktivität
0,5 mm2 : 72 Ω/km
0,75 mm2 : 48 Ω/km
1,5 mm2 : 24 Ω/km
ca. 180 nF/km
ca. 0,8 mH/km
Phoenix CONTACT 45
Temperaturmessung
Temperaturmessumformer
Temperaturmessumformer wandeln
Messsignale von veränderlichen Widerständen (z.B. Pt100 usw.) oder Thermoelementen (z.B. J, K) in Standardsignale
0…20 mA, 4…20 mA um.
Bei Pt100-Widerständen kann die 2-, 3-,
oder 4-Leiter-Messtechnik Anwendung
finden.
Temperaturmessung
Die Temperatur im Inneren eines Heizöltanks soll überwacht werden. Die
Messung erfolgt mit einem Pt100-Widerstand. Dieser kann gemäß EN 60079-11
als einfaches elektrisches Betriebsmittel
betrachtet werde, da er passiv ist. Einfache elektrische Betriebsmittel müssen
die Anforderungen der EN 60079-11
erfüllen und dürfen die Eigensicherheit
des Stromkreises, in dem sie eingesetzt
werden, nicht beinträchtigen.
Der Prüfungsaufwand reduziert sich,
wenn zertifizierte, eigensichere Sensoren
verwendet werden.
Um das Messsignal in ein Standardsignal
für die Steuerung umzusetzen, gibt es
zwei Möglichkeiten.
Fall I
Das Messsignal des Pt100-Widerstandes
wird über eine Signalleitung zu dem
Temperaturmessumformer MACX MCREX-SL-RTD-I geführt. Im Messumformer
wird das Temperatursignal in ein Standardsignal gewandelt und gleichzeitig
erfolgt die Trennung zwischen eigensicheren und nichteigensicheren Stromkreis. Der Messumformer ist ein zugehöriges Betriebsmittel der Zündschutzart
Eigensicherheit Ex ia. Er wird in einem
Schaltschrank im sicheren Bereich installiert. In diesem Fall erfordert die SchalBeispiel einer Schaltung
tung keinen weiteren Aufwand bei der
elektrischen Dimensionierung.
Zu prüfen ist dennoch, ob die Summe
aller Kabel-/Leitungskapazitäten und
-induktivitäten im eigensicheren Stromkreis die von dem Messumformer vorgegebenen Daten nicht überschreiten.
Sicherer Bereich
stand und den Kopfmessumformer sind,
wie im ersten Fall, keine besonderen
Bedingungen einzuhalten. Zu vergleichen
sind die sicherheitsrelevanten Daten des
elektrischen Betriebsmittels, des eigensicheren Temperaturkopfmessumformers
und des Speisetrenners als zugehöriges
Betriebsmittel.
Zusätzlich ist zu prüfen, ob die Summe
aller Kapazitäten und Induktivitäten im
eigensicheren Stromkreis die von dem
Speisetrenner vorgegebenen Daten nicht
überschreitet. Dazu gehören auch die
technischen Daten von Kabeln und Leitungen des eigensicheren Stromkreises.
Spannung, Strom und Energie des Speisetrenners müssen kleiner sein, als die
zugelassenen Eingangswerte des eigensicheren Temperaturkopfmessumformers.
Sicherer Bereich
ϑ
ϑ
SPS
Einfaches elektrisches
Betriebsmittel
MACX MCR-EX-SL-RTD-I
Beispiel für Fall I
SPS
Betriebsmittel
Eigensicherer Temperaturkopfmess
umformer, z.B.
MCR-FL-HT-TS-I-Ex
Beispiel für Fall II
Pt100Widerstand*
Pt100Widerstand*
Kabel/Leitung
Zugehöriges
Betriebsmittel
Beispiel
MACX MCR-EX-SL-RTD-I
–
Uo
6V
–
Uo
Ui = 30 V
>
Uo
25,2 V
–
Io
6,3 mA
–
Io
Ii = 100 mA
>
Io
93 mA
–
Po
9,4 mW
–
Po
Pi = 750 mW
<
Po
587 mW
+ Cc (ca. 140…200 nF/km)
<
Co
IIB = 6,9 μF
IIC= 1,4 μF
+ Cc
<
Co
Ci ≈ 0
+ Cc
<
Co
IIC= 107 μF
+ Lc (ca. 0,8…1 mH/km)
<
Lo
IIB = 100 mH
IIC = 100 mH
+ Lc
<
Lo
Li ≈ 0
+ Lc
<
Lo
IIC = 2 mH
* passiv laut EN 60079-11
46 Phoenix CONTACT
Fall II
Im zweiten Fall findet die Umwandlung
des Temperatursignals in ein Standardsignal in der Nähe der Messstelle, also
im explosionsgefährdeten Bereich statt.
Dazu wird der Temperaturkopfmessumformer MCR-FL-HT-TS-I-Ex verwendet.
Das Standardsignal wird dann zu dem
Speisetrenner MACX MCR-EX-SLRPSSI-I geleitet. Dieser wird im sicheren
Bereich installiert. Im Speisetrenner
erfolgt die Trennung zwischen eigensicherem und nichteigensicherem Stromkreis. Bezogen auf den Pt100-Wider-
Kabel/
Leitung
Zugehöriges
Betriebsmittel
Beispiel
MCR-FL-HT-TS-I-Ex
Kabel/
Leitung
Zugehöriges
Betriebsmittel
Beispiel
* passiv laut EN 60079-11
Phoenix CONTACT 47
3
Technisches Basiswissen
NEMA-Klassifikation
NEMA-Klassifikation
NEMA
Neben der Kenntnis der grundlegenden
Zusammenhänge zum Explosionsschutz gibt
es noch eine Reihe weiterer Grundlagen
der MSR Technik, die nicht spezifisch dem
Explosionsschutz zugeordnet werden, für
diesen aber dennoch genauso von Bedeutung sind. Neben den IP- Schutzklassen,
der Funktionsweise von NAMUR- Sensoren
und dem Übertragungsprinzip des HARTProtokolls trifft dies besonders auf das
Thema der Funktionalen Sicherheit zu.
Verwendung
Bedingung (angelehnt an NEMA-Standard 250)
1
In Innenräumen
Schutz gegen zufälligen Kontakt und einer begrenzter Menge Schmutz
2
In Innenräumen
Eindringen von Tropfwasser und Schmutz
3
Im Freien
3R
IP-Schutzart
➞
IP20
Schutz gegen Staub und Regen; keine Beschädigung bei Eisbildung
am Gehäuse
➞
IP64
Im Freien
Schutz gegen fallenden Regen; keine Beschädigung bei Eisbildung
am Gehäuse
➞
IP22
3S
Im Freien
Schutz gegen Staub, Regen und Hagel; außenliegende Mechanismen
bleiben bei Eisbildung betriebsbereit
➞
IP64
4
In Innenräumen
oder im Freien
Schutz gegen Spritzwasser, Staub und Regen; keine Beschädigung bei
Eisbildung am Gehäuse
➞
IP66
4X
In Innenräumen
oder im Freien
Schutz gegen Spritzwasser, Staub und Regen; keine Beschädigung bei
Eisbildung am Gehäuse; korrosionsgeschützt
➞
IP66
6
In Innenräumen
oder im Freien
Schutz gegen Staub, Wasserstrahl und Wasser während vorübergehenden Untertauchens; keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse
➞
IP67
6P
In Innenräumen
oder im Freien
Schutz gegen Wasser während längeren Untertauchens; korrosionsgeschützt
11
In Innenräumen
Schutz gegen Tropfwasser; korrosionsgeschützt
12,
12K
In Innenräumen
Schutz gegen Staub, Schmutz und tropfende, nicht korrodierenden
Flüssigkeiten
➞
IP55
13
In Innenräumen
Schutz gegen Staub und Spritzwasser, Öl und nichtkorrodierende
Flüssigkeiten
➞
IP65
Wichtige Hinweise:
• Die Prüfbedingungen und Anforderungen von NEMA-Klassifikation und
IP-Schutz (EN 60529) sind nicht exakt miteinander vergleichbar.
• Es können nicht IP-Schutzarten in NEMA-Klassifikationen umgewandelt
werden.
48 Phoenix CONTACT
Technisches Basiswissen 3
3 Technisches Basiswissen
Phoenix CONTACT 49
IP-Schutzart (entsprechend EN 60529)
IP 5
Erste
Kennziffer
0
1
2
3
4
5
6
Schutzgrade gegen Zugang zu gefährlichen Teilen und feste Fremdkörper
Kurzbeschreibung
Definition
Nicht geschützt
Geschützt gegen den Zugang zu gefährliDie Zugangssonde, Kugel 50 mm Durchmesser, muss ausreichenchen Teilen mit dem Handrücken.
den Abstand von gefährlichen Teilen haben.
4
Zweite
Kennziffer
0
1
Schutzgrad gegen Wasser
Kurzbeschreibung
Nicht geschützt
Geschützt gegen Tropfwasser.
Definition
Senkrecht fallende Tropfen dürfen keine schädlichen Wirkungen
haben.
Geschützt gegen feste Fremdkörper mit
50 mm Durchmesser und größer.
Die Objektsonde, Kugel 50 mm Durchmesser, darf nicht voll eindringen*.
2
Geschützt gegen Tropfwasser, wenn das
Gehäuse bis zu 15° geneigt ist.
Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Finger.
Der gegliederte Prüffinger, 12 mm Durchmesser, 80 mm Länge,
muss ausreichend Abstand von gefährlichen Teilen haben.
3
Geschützt gegen Sprühwasser.
12,5 mm Durchmesser und größer.
Die Objektsonde, Kugel 12,5 mm Durchmesser, darf nicht voll
eindringen*.
4
Geschützt gegen Spritzwasser.
Wasser, das aus jeder Richtung gegen das Gehäuse spritzt, darf
keine schädlichen Wirkungen haben.
Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Werkzeug.
Die Zugangssonde, 2,5 mm Durchmesser, darf nicht eindringen.
4K
Geschützt gegen Spritzwasser mit erhöhtem Druck.
Wasser, das aus jeder Richtung mit erhöhtem Druck gegen das
Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt
nach DIN 40 050 Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge).
Die Objektsonde, 2,5 mm Durchmesser, darf überhaupt nicht
eindringen*.
Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Draht.
5
Geschützt gegen Strahlwasser.
Wasser, das aus jeder Richtung als Strahl gegen das Gehäuse
spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben.
Die Objektsonde, 1,0 mm Durchmesser, darf überhaupt nicht
eindringen*.
6
Geschützt gegen starkes Strahlwasser.
Wasser, das aus jeder Richtung als starker Strahl gegen das
Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben.
6K
Geschützt gegen starkes Strahlwasser mit
erhöhtem Druck.
Wasser, das aus jeder Richtung als Strahl mit erhöhtem Druck
gegen das Gehäuse gerichtet ist, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt nach DIN 40 050 Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge).
Staubgeschützt
Eindringen von Staub ist nicht vollständig verhindert, aber Staub
darf nicht in einer solchen Menge eindringen, dass das zufriedenstellende Arbeiten des Gerätes oder die Sicherheit beeinträchtigt
wird.
7
Geschützt gegen die Wirkungen beim
zeitweiligen Untertauchen in Wasser.
Wasser darf nicht in einer Menge eintreten, die schädliche Wirkungen verursacht, wenn das Gehäuse unter genormten Druckund Zeitbedingungen zeitweilig in Wasser untergetaucht ist.
8
Geschützt gegen die Wirkungen beim
dauernden Untertauchen in Wasser.
Wasser darf nicht in einer Menge eintreten, die schädliche Wirkungen verursacht, wenn das Gehäuse dauernd unter Wasser
getaucht ist unter Bedingungen, die zwischen Hersteller und
Anwender vereinbart werden müssen. Die Bedingungen müssen
jedoch schwieriger sein als für die Kennziffer 7.
9K
Geschützt gegen Wasser bei Hochdruck-/
Dampfstrahl-Reinigung.
Wasser, das aus jeder Richtung unter stark erhöhtem Druck
gegen das Gehäuse gerichtet ist, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt nach DIN 40 050 Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge).
Staubdicht
Kein Eindringen von Staub.
* Der volle Durchmesser der Objektsonde darf nicht durch eine Öffnung des
Gehäuses hindurchdringen.
Anmerkung
Wo eine Kennziffer nicht angegeben werden muss, ist sie durch den Buchstaben „X“ zu ersetzen.
Geräte, die mit der zweiten Ziffer 7 oder 8 bezeichnet sind, brauchen die Anforderungen der zweiten Ziffern 5 oder 6
nicht zu erfüllen, es sei denn, sie sind mit einer Doppelbezeichnung (z.B. IPX6/IPX7) versehen.
50 Phoenix CONTACT
Technisches Basiswissen 3
3 Technisches Basiswissen
Senkrecht fallende Tropfen dürfen keine schädlichen Wirkungen
haben, wenn das Gehäuse um einen Winkel bis zu 15º beiderseits
der Senkrechten geneigt ist.
Wasser, das in einem Winkel bis zu 60º beiderseits der Senkrechten gesprüht wird, darf keine schädlichen Wirkungen haben.
Phoenix CONTACT 51
Passive Trennung
Passive Trennung,
eingangsseitig gespeist
Speisung über
Signal
Eingangssignal
Aktive Trennung
3-Wege-Trennung
Eingangssignal
IN
Eingangstrennung
OUT
Ausgangssignal
Eingangssignal
IN
Speisetrennung
OUT
Ausgangssignal
POWER
POWER
Bei Modulen mit dieser Trennungstechnik sind alle Komponenten, die
an Eingang, Ausgang oder Versorgung
angeschlossen sind, gegeneinander vor
Störungen geschützt.
Entsprechend sind alle 3-Wege (Eingang,
Ausgang und Versorgung) galvanisch voneinander getrennt.
Die 3-Wege-Trennung sorgt sowohl
für eine galvanische Trennung zwischen
Messaufnehmer und Steuerung als auch
zwischen Steuerung und Stellglied.
Eingangsseitig benötigen die Module
aktive Signale. Ausgangsseitig stellen sie
ein gefiltertes und verstärktes Signal zur
Verfügung.
Bei Modulen mit dieser Trennungstechnik soll die ausgangsseitig angeschlossene
Elektronik (z.B. Steuerung) vor Störungen aus dem Feld geschützt werden.
Daher ist nur der Eingang von den auf
gleichem Potential liegenden Ausgang
und Versorgung galvanisch getrennt.
Die Module benötigen eingangsseitig
aktive Signale (z.B. von Messaufnehmern). Ausgangsseitig stellen sie ein
gefiltertes und verstärktes Signal zur
Verfügung (z.B. der Steuerung).
Problem: Störeinstrahlung
Speisung
des Mess
umformers
Eingangssignal
IN
OUT
Ausgangssignal
I
RE
RE
Lösung:
PErde 1
Erdstromschleife
PErde 2
I
Ausgangssignal
Die Module beziehen die zur Signalübertragung und galvanischen Trennung
benötigte Energie aus dem aktiven Eingangskreis.
Ausgangsseitig steht ein aufbereitetes
Stromsignal für die Steuerung oder für
Stellglieder zur Verfügung.
Diese passive Trennung ermöglicht
die Signalaufbereitung (auftrennen von
Erdschleifen) und -filterung ohne eine
zusätzliche Versorgung.
Eingangssignal
Speisung über
Signal
IN
OUT
Ausgangssignal
benötigte Energie aus dem aktiven Ausgangskreis, idealerweise von einer versorgenden SPS-Eingangskarte.
Ausgangsseitig arbeiten die Looppowered- Module mit einem 4...20 mANormsignal. Eingangsseitig verarbeitet
der Passivtrenner aktive Signale.
Beim Einsatz dieser Trennungstechnik
muss beachtet werden, dass die ausgangsseitig angeschlossene aktive Signalquelle (z.B. aktive SPS-Eingangskarte)
sowohl den Passivtrenner versorgen, als
auch ihre Bürde treiben kann.
Speisung
des Mess
umformers
Eingangssignal
IN
Speisung
über Signal
OUT
Ausgangssignal
benötigte Energie aus dem aktiven Ausgangskreis.
Diese aus dem Ausgangskreis gezogene
Energie stellt der passive Speisetrenner
außerdem einem eingangsseitig angeschlossenen passiven Messaufnehmer zur
Verfügung.
Der Messaufnehmer liefert mit Hilfe
der zur Verfügung gestellten Energie ein
Signal, das der passive Speisetrenner
galvanisch trennt und ausgangsseitig zur
Verfügung stellt.
Daher verlaufen Signal- und Energiefluss
bei einer passiven Speisetrennung grundsätzlich gegensätzlich zueinander.
NAMUR Sensor/Schaltverstärker
Bei NAMUR-Sensoren handelt es sich
um eine spezielle Art von 2-LeiterNäherungssensoren, deren Stromausgangskennlinie in der Norm EN 609475-6 festgeschrieben ist. Für den Betrieb
müssen diese Sensoren von der auswertenden Elektronik mit einer Speisespannung von typischerweise 8,2 V DC
versorgt werden. Abhängig davon, ob
der Abstand eines zu detektierenden
Gegenstandes über oder unter der
Schaltschwelle liegt, sind für den Näherungssensor die Schaltzustände „leitend“ oder „sperrend“ definiert. Je nach
Anwendung kann diese Zuordnung auch
invertiert sein.
Laut Norm ist für den Zustand „sperrend“ ein Sensorstroms von 0,4 bis
Schaltpunkte
I
3
mA
2
Schaltwegdifferenz
I
3
Schaltstromdifferenz
mA
2,1
2
2,1
1
1,2
1
1,2
∆s
∆s
0
Abstand S
Beispiel einer stetigen Kennlinie eines
Näherungssensors
1,0 mA definiert, für den Zustand „leitend“ mindestens 2,2 mA bei mindestens
400 Ω Sensorinnenwiderstand. Diese
Sensorströme sind von einem nachgeschalteten Schaltverstärker gemäß unten-
Abstand S
0
Beispiel einer nichtstetigen Kennlinie
eines Näherungssensors
stehendem Spannungs-/Stromdiagramm
auszuwerten.
RE
RE
PErde 1
52 Phoenix CONTACT
OUT
POWER
Speisetrenner nutzen die Signaleingangsseite nicht nur zur Messwerterfassung,
sondern stellen den eingangsseitig anzuschließenden passiven Messaufnehmern
auch die benötigte Versorgung zur Verfügung.
Ausgangsseitig stellen sie ein gefiltertes
und verstärktes Signal zur Verfügung
(z.B. der Steuerung).
Die Trennungstechnik dieser Module
entspricht der Eingangstrennung.
Problem: Spannungsdifferenz im Erpotential
Lösung:
IN
Passiver Speisetrenner
∆I1
Prinzipien der Signalübertragung
Passive Trennung, ausgangsseitig
gespeist (Loop-powered)
∆I1
3.1 MSR-Technik
keine Erdstromschleife
PErde 2
MSR-Technik 3.1
3.1 MSR-Technik
Phoenix CONTACT 53
Einteilung von Näherungsschaltern
Smartfähige Geräte - HART Protokoll
1. Stelle/
1 Zeichen
2. Stelle/
1 Zeichen
3. Stelle/
3 Zeichen
4. Stelle/
1 Zeichen
5. Stelle/
1 Zeichen
6. Stelle/
1 Zeichen
8. Stelle/
1 Zeichen
Erfassungsart
Mechanische Einbaubedingungen
Bauform und
Größe
Schaltelement
funktion
Ausgangsart
Anschlussart
NAMUR-Funktion
I = induktiv
1 = bündig ein
baubar
FORM (1 Großbuchstabe)
A= Schließer
D= 2 Anschlüsse
DC
1 = integrierte
Anschlussleitung
N= NAMUR
Funktion
S = andere
2 =Steckanschluss
C= kapazitiv
U= Ultraschall
D= photoelektrisch diffus reflektiertes Lichtbündel
2 = nicht bündig
einbaubar
A= zylindrische
Gewindehülse
3 = nicht fest
gelegt
B= glatte zylindrische Hülse
R = photoelektrisch reflektiertes
Lichtbündel
C= rechteckig
mit quadratischem
Querschnitt
T= photoelektrisch direktes
Lichtbündel
D= rechteckig
mit rechteckigem
Querschnitt
B= Öffner
P = programmierbar durch Anwender
3 = Schraubanschluss
9 = andere
S = andere
GRÖSSE
(2 Ziffern) für
Durchmesser oder
Seitenlänge
Diese Tabelle ist eine Erweiterung der Tabelle 1 von EN 60947-5-2.
NAMUR-Sensor
Sicherer Bereich
SPS
Netz
spannung
MACX MCR-EX-SL-NAM
Namur-Sensor im Feld
Schaltungsaufbau mit einem NAMUR-Sensor im Ex-Bereich.
Namur-Schaltverstärker
Bei den NAMUR-Schaltverstärkern können folgende Signale und Eigenschaften
des NAMUR-Sensors ausgewertet werden:
aAnsprechbereich für Änderung des
Schaltzustandes ΔI1: 1,2 mA bis
2,1 mA
bAnsprechbereich für Unterbrechung
im Steuerstromkreis ΔI1: 0,05 mA bis
0,35 mA,
cÜberwachungsbereich für Unterbrechung I ≤ 0,05 mA,
dAnsprechbereich für Kurzschluss im
Steuerkreis ΔR: 100 Ω bis 360 Ω,
eÜberwachungsbereich für Kurzschluss
R≤100 Ω.
54 Phoenix CONTACT
U
V
13 c
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
b
Steuereingang des
NAMUR-Schaltverstärkers
a
R=
360
Analoges Signal überlagert von
digitalem HART-Signal
Aufbau mit HART-Signalein
speisung
Sicherer Bereich
Smart Trans
mitter Ex ia
20 mA
2200
Hz
"0"
1200
Hz
"1"
z
1200 H
"1"
2200 Hz
"0"
2200
Hz
ϑ
"0"
Speisetrenner [Ex ia]
1.2-2.2 kHz
i
I
i
4-20 mA
4 mA
t
Der Anschluss der Geräte ist sowohl im
Punkt-zu-Punkt-Betrieb als auch im Multi-Drop-Betrieb (mit bis zu 15 Teilnehmern parallel) möglich. Beim Punkt-zuPunkt-Betrieb steht das 4...20 mA Signal
wie gewohnt weiter als Prozesssignal zur
Verfügung. Für den Multi-Drop-Betrieb
wird ein eingeprägter Mindeststrom von
4 mA als Träger für die HART-Kommunikation benötigt.
Dabei kommt es aber auf die technische
Infrastruktur der Installation der Anlage
an, mit welchem Hilfsmittel diese Funktionalität genutzt wird. Mit Hilfe eines
Handheld-Gerätes lassen sich direkt im
Feld an den Klemmen der InterfaceGeräte die Diagnose und Konfiguration
der Feldgeräte durchführen. Werden
die HART-Informationen mittels HARTMultiplexern oder über E/A-Module
der Steuerungsebene an übergeordnete
Engineering-Werkzeuge weitergeleitet,
dann können diese z.B. auch von Asset
Management Systemen genutzt werden.
Asset Management Systeme bieten die
Möglichkeit, Konfigurations- und Diagnosefunktionen auch automatisch durchzuführen und darüber hinaus den technischen Rahmen zur Archivierung der
Feldgerätedaten (z.B. Einstellparameter).
HART-Konfigurationsgerät
Je nach physikalischem Aufbau kann auch
die Steuerungsebene die HART- Kommunikation nutzen, um aus der Steuerung
heraus Einfluss auf das Feldgerät (z.B.
Sollwert, Messbereichsänderung) zu nehmen oder zusätzliche Information (z.B.
Prozesssignale) abzufragen.
Wie in der normalen Installation (ohne
HART-Kommunikation) auch, stellen
Interface-Geräte die Schnittstelle
zwischen den Feldgeräten (Sensoren
und Aktoren) und der E/A-Ebene der
Steuerung dar. Um die auf dem analogen 4-20 mA Signal aufmodulierten
Informationen sicher und ohne Störung
übertragen zu können, müssen die dazu
eingesetzten Interface-Geräte „Smart“fähig sein. Das heißt, im Betrieb dürfen
keine Einwirkungen auf das HART-Signal,
z.B. durch Filter, auftreten.
Bei Interface-Geräten zur Signalanpassung mit galvanischer Trennung wird das
HART-Signal im Interface-Gerät ausgekoppelt und separat übertragen.
Darüber hinaus ist auch die angeschlossene Bürde im Stromkreis zu berücksichtigen, da das HART-Signal einen
Abschlusswiderstand von 250 Ω erfordert.
Ω
R = 100
d
In der Prozessindustrie muss für eine
große Anzahl von analogen Feldgeräten
bei der Inbetriebnahme und Wartung,
aber auch während des laufenden Betriebes, eine Konfiguration durchgeführt
bzw. Diagnose-Daten ermittelt werden.
Um eine solche Kommunikation zum
Feldgerät zu ermöglichen, werden dem
analogen Signal digitale Informationen
überlagert. Dazu müssen alle beteiligten
Geräte „Smart“-fähig sein.
In der Praxis hat sich für diese Art der
Kommunikation das HART-Protokoll
durchgesetzt.
Da diese Technologie die zur Zeit am
weitesten verbreitete ist, soll anhand
dieser die „Smart“-Thematik erläutert
werden.
Bei dem HART-Protokoll wird die Übertragung der digitalen Information mit
Hilfe der Frequenzumtastung (FSK –
Frequency Shift Keying) auf das analoge
4-20 mA Signal aufmoduliert.
Grundsätzlich wird zwischen zwei möglichen Betriebsarten unterschieden:
Dem „Punkt-zu-Punkt“-Betrieb, mit
der Kommunikation nur zu einem im
4-20 mA Stromkreis angeschlossenen
Feldgerät und dem „Multi-Drop“Betrieb, in dem bis zu 15 Feldgeräte in
dem Stromkreis parallel geschaltet werden können. Diese beiden Betriebsarten
unterscheiden sich im wesentlichen
dadurch, dass im „Punkt-zu-Punkt“Betrieb das analoge 4-20 mA Signal wie
gewohnt weiter genutzt werden kann
und das gewünschte Prozesssignal überträgt. Dabei können zusätzliche Daten in
digitaler Form übertragen werden. Beim
„Multi-Drop“-Betrieb wird im Feldgerät
ein Stromsignal von 4 mA als TrägerMedium genutzt, um die ausschließlich
digitalen Informationen von und zu den
angeschlossenen Feldgeräten weiter zu
leiten.
Ω
e
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 l/mA
∆I1
MSR-Technik 3.1
3.1 MSR-Technik
Phoenix CONTACT 55
3.2 SIL Grundlagen
(Funktionale Sicherheit)
Normative Grundlagen
Sicherheitsgerichtete Funktion für
den Ex-Bereich
Der Begriff SIL (Safety Integrity Level)
prägt zunehmend die Prozesstechnik.
Damit werden Anforderungen definiert,
die an ein Gerät bzw. System gestellt
werden, um die Ausfallwahrscheinlichkeit
zu beschreiben. Ziel ist es, möglichst
hohe Betriebssicherheit zu erreichen.
Fällt das Gerät oder System aus, so wird
ein definierter Zustand erreicht. Die
Betrachtungen an Hand der Normen
erfolgt auf statistischer Wahrscheinlichkeit.
Anwendung von SIL auf Basis von
IEC 61508 und IEC 61511
Für einen weiten Bereich von Industrien
innerhalb der Prozessindustrie, einschließlich Chemieindustrie, Raffinerien,
Öl- und Gasförderung, Papierherstellung,
SIL Betrachtung
Bei der Betrachtung von SIL ist die
Gesamtheit des Signalwegs zu beachten.
In dem Beispiel wird dargestellt, wie sich
in einer typischen sicherheitstechnischen
Applikation die Berechnung an Hand von
mittleren Ausfallwahrscheinlichkeiten der
einzelnen Geräte ergibt.
In der Norm IEC 61508-1, Tabelle 2 ist
der Zusammenhang zwischen der mittleren Ausfallwahrscheinlichkeit und dem
erreichbaren SIL-Level beschrieben. An
Hand des geforderten Levels kann dabei
das Gesamtbudget für die Summe aller
PFD-Werte abgelesen werden.
56 Phoenix CONTACT
konventioneller Stromerzeugung, wird
die SIL-Norm angewendet. Neben der
Funktionalen Sicherheit sind bei Anlagen
im explosionsgefährdeten Bereich auch
die Ex-Normen EN 60079-0 ff anzuwenden.
IEC 61508: Norm
"Funktionale Sicherheit für sicherheitsbezogene elektrische, elektronische oder programmierbare
elektronische Systeme"
Diese Norm beschreibt die Anforderungen, die der Hersteller für seine Geräte
bzw. Systeme zu berücksichtigen hat.
Betrieb von Anlagen mit Funktionaler
Sicherheit.
Die Einhaltung der Norm wird durch
den Betreiber, Eigentümer und Planer
auf Grund von Sicherheitsplanungen
und nationalen Vorschriften festgelegt.
Daneben wird auch die Anforderung an
ein Gerät beschrieben, um es durch die
Betriebsbewährtheit (proven-in-use) in
einer Applikation einsetzen zu können.
Beispiel:
Sensor und Aktor sind im Feld montiert
und werden chemisch und physikalisch
belastet (Prozessmedium, Druck, Temperatur, Vibration usw.). Entsprechend
hoch ist das Fehlerrisiko dieser Komponenten. Deshalb sind für den Sensor
25 % und für den Aktor 40 % des
Gesamt-PFD vorgesehen.
Für die fehlersichere Steuerung bleiben
15 % und für die Interfacebausteine je
10 %. Beide haben keinen Kontakt zum
Prozessmedium und sind in der Regel in
einem geschützten Schaltschrank untergebracht.
Die Werte werden typischerweise der
Berechnung zu Grunde gelegt.
4
3
2
1
Betriebsart mit niedriger
Anforderungsrate
(mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der entworfenen
Funktion bei Anforderung)
≥
≥
≥
≥
10-5
10-4
10-3
10-2
bis
bis
bis
bis
<
<
<
<
10-4
10-3
10-2
10-1
PFD1
Safety Integrity Level
(Sicherheits-Integritätslevel)
Eine von vier diskreten Stufen
zur Spezifizierung der Anforderungen für die Sicherheitsintegrität der sicherheitstechnischen
Funktionen, die dem E/E/PEsicherheitstechnischen System
zugeordnet werden, wobei
der Sicherheits-Integritätslevel
4 die höchste Stufe und der
Sicherheits-Integritätslevel 1
die niedrigste Stufe der Sicherheitsintegrität darstellt.
+
35%
Sensorik und Signalweg
PFD3
+
Aktor
+
PFD4
PFD5
10%
Signalweg
15%
SSPS
PFDavgAverage Probability of
Failure on Demand
Mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der Funktion im Anforderungsfall.
50%
Aktor und Signalweg
EUC
E/E/PESElektrische/elektronische/
programmierbare elektronische Systeme
Ein Begriff, der verwendet
wird, um alle elektrischen
Geräte oder Systeme zu erfassen, die zur Durchführung
einer sicherheitstechnischen
Funktion verwendet werden
können. Er beinhaltet somit
einfache elektrische Geräte
und speicherprogrammierbare
Steuerungen (SPS) jeder Art.
Equipment under control
Einrichtung, Maschine, Apparat
oder Anlage, verwendet zur
Fertigung, Stoffumformung,
zum Transport.
Probability of Failure on
Demand
Die Wahrscheinlichkeit eines
Ausfalls bei Anforderung.
Beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein sicherheitstechnisches System seine Funktion im
Bedarfsfall nicht ausführt.
3.2 SIL Grundlagen (Funktionale Sicherheit)
Safety Instrumented
Function
Beschreibt die sicherheitstechnische Funktion.
SIS
Safety Instrumented
System
Ein SIS (sicherheitstechnisches
System) besteht aus einer oder
mehreren sicherheitstechnischen Funktionen. Für jede
dieser sicherheitstechnischen
Funktionen gilt eine SIL-Anforderung.
PFH
PFD
Rate der sicheren Fehler plus
der Rate der diagnostizierten
bzw. erkannten Fehler in Bezug
zur gesamten Ausfallrate des
Systems.
SIF
MTBF Mean Time Between Failures
Es ist die erwartete mittlere
Zeit zwischen Fehlern.
SIL Grundlagen (Funktionale Sicherheit) 3.2
PFD2
10%
Signalweg
Sicherheits-Integritätslevel: Ausfallgrenzwerte für
eine Sicherheitsfunktion, die in der Betriebsart
mit niedriger Anforderungsrate betrieben wird.
+
Steuerung
Aktor
Übersicht von Begriffen aus den Normen EN 61508 und EN 61511
SIL
Als Beispiel wird hier eine Anlage mit
einkanaliger Struktur mit niedriger
Anforderungsrate angenommen, dann
liegt bei SIL 2 der mittlere PFD-Wert
zwischen 10-3 bis < 10-2.
Sensor
DigitalEingang
AnalogEingang
Mögliche Verteilung der PFD-Werte in einem Sicherheitsregelkreis
IEC 61511: Norm
"Funktionale Sicherheit - Sicherheitstechnische Systeme für die
Prozessindustrie"
Die Norm IEC 61511 beschreibt die
Anforderungen zur Errichtung und
SicherheitsIntegritätslevel
SIL
DigitalEingang
AnalogEingang
Sensor
Probability of dangerous
Failure per Hour
Beschreibt die Wahrscheinlichkeit eines Gefahr bringenden
Ausfalls pro Stunde.
SFF
Safe Failure Fraction
Beschreibt den Anteil ungefährlicher Ausfälle. Sie ergibt
sich aus dem Verhältnis der
Phoenix CONTACT 57
3.3 Begriffe und Abkürzungen
Anmerkung zu Ui, Ii und Pi:
In der EG-Baumusterprüfbescheinigung
sind oftmals nur ein oder zwei Angaben
für Ui, Ii oder Pi zu finden. Hierdurch
sind dann bei den nicht aufgeführten
Begriffen keine Einschränkungen vorhanden, da in diesem Betriebsmittel eine
weitere innere Begrenzung bereits vorgenommen wurde.
Uo = Maximale Ausgangsspannung
Begriffe aus dem Explosionsschutz
(kurz: Ex-Bereich)
Ein Bereich, in dem eine explosionsgefährdete Atmosphäre in solchen Mengen
vorhanden ist oder erwartet werden
kann, dass spezielle Vorkehrungen bei
der Konstruktion, der Errichtung und
dem Einsatz von elektrischen Betriebsmitteln erforderlich sind.
Ex-Bauteil
Ein Teil eines elektrischen Betriebsmittels für explosionsgefährdete Bereiche
oder ein Modul (ausgenommen ExKabel-/Leitungseinführung), gekennzeichnet mit dem Symbol „U“, das in solchen
Bereichen nicht für sich allein verwendet
werden darf und das einer zusätzlichen
Bescheinigung beim Einbau in elektrische
Betriebsmittel oder Systeme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen bedarf.
„U“-Symbol
„U“ ist das Symbol, welches als Ergänzung hinter der Bescheinigungsnummer
verwendet wird, um ein Ex- Bauteil zu
kennzeichnen.
„X“-Symbol
„X“ ist das Symbol, welches als Ergänzung hinter der Bescheinigung benutzt
wird, um besondere Bedingungen für die
sichere Anwendung zu kennzeichnen.
Anmerkung:
Die Symbole „X“ und „U“ werden nicht
gleichzeitig verwendet.
Eigensicherer Stromkreis
Ein Stromkreis, in dem weder ein Funke
noch ein thermischer Effekt eine Zündung einer bestimmten explosionsfähigen
Atmosphäre verursachen kann.
58 Phoenix CONTACT
Elektrisches Betriebsmittel
Die Gesamtheit von Bauteilen, elektrischen Stromkreisen oder Teilen von
elektrischen Stromkreisen, die sich üblicherweise in einem einzigen Gehäuse
befinden.
Eigensicheres elektrisches
Betriebsmittel
Ein Betriebsmittel, in dem alle Stromkreise eigensicher sind.
Zugehöriges Betriebsmittel
Ein elektrisches Betriebsmittel, das
sowohl eigensichere als auch nichteigensichere Stromkreise enthält, und so aufgebaut ist, dass die nicht-eigensicheren
Stromkreise die eigensicheren nicht
beeinträchtigen können.
Anmerkung:
Dieses ist auch an den eckigen Klammern und den runden Klammern der
Kennzeichnung zu erkennen. Zugehörige
Betriebsmittel müssen außerhalb des
explosionsgefährdeten Bereichs montiert
werden, sofern sie nicht einer anderen
geeigneten Zündschutzart entsprechen.
Betriebsmittel
Ein elektrisches Betriebsmittel oder
eine Kombination von Bauteilen einfacher Bauart, mit genau festgelegten
elektrischen Parametern, das (die) die
Eigensicherheit des Stromkreises, in dem
es (sie) eingesetzt werden soll, nicht
beeinträchtigt.
Abkürzungen:
Anmerkung:
Der Index i bedeutet „in“, der
Index o steht für „out“.
Ui = Maximale Eingangsspannung
Die höchste Spannung (Spitzenwert der
Wechselspannung oder Gleichspannung),
die an die Anschlussteile eigensicherer
Stromkreise angelegt werden kann, ohne
die Eigensicherheit zu beeinträchtigen.
Das heißt, an diesem eigensicheren
Stromkreis darf keine höhere Spannung
als der Wert des zugehörigen Ui angeschlossen werden.
Es muss auch eine mögliche Spannungsaddition betrachtet werden.
Siehe auch EN 60079-14 Anhang B.
Ii = Maximaler Eingangsstrom
Der höchste Strom (Spitzenwert des
Wechselstroms oder Gleichstroms),
der über die Anschlussteile der eigensicheren Stromkreise eingespeist werden
kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben.
Das heißt, in diesen eigensicheren
Stromkreis darf kein höherer Strom als
der Wert des zugehörigen Ii eingespeist
werden.
Es muss auch hier eine mögliche Stromaddition betrachtet werden.
Siehe auch hier EN 60079-14 Anhang B.
Pi = Maximale Eingangsleistung
Die höchste Eingangsleistung in einem
eigensicheren Stromkreis, die innerhalb
eines elektrischen Betriebsmittels umgesetzt werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben.
Das heißt, es darf hier kein eigensicherer
Stromkreis mit höherer Leistung als Pi
angeschlossen werden.
Begriffe und Abkürzungen 3.3
Die höchste Ausgangsspannung (Spitzenwert der Wechselspannung oder Gleichspannung) in einem eigensicheren Stromkreis, die unter Leerlaufbedingungen an
den Anschlussteilen des elektrischen
Betriebsmittels bei jeder angelegten
Spannung bis zur maximalen Spannung
einschließlich Um und Ui auftreten kann.
Das heißt, Uo ist die höchste Leerlaufspannung, die im Fehlerfall bei der
maximalen Versorgungsspannung an den
Klemmen anliegen kann.
Io = Maximaler Ausgangsstrom
Der höchste Strom (Spitzenwert des
Wechselstroms oder Gleichstroms) in
einem eigensicheren Stromkreis, der
den Anschlussklemmen des elektrischen
Betriebsmittels entnommen werden
kann.
Das heißt, Io entspricht dem an den
Anschlussklemmen maximal möglichen
Kurzschlussstrom Ik.
Po = Maximale Ausgangsleistung
Die höchste elektrische Leistung in
einem eigensicheren Stromkreis, die dem
Betriebsmittel entnommen werden kann.
Das heißt, bei einem Sensor oder Aktor,
der an diesen eigensicheren Stromkreis
angeschlossen wird, muss mit dieser
Leistung z.B. bei der Erwärmung oder
bei der Belastung in Bezug auf die zugehörige Temperaturklasse gerechnet
werden.
Ci = Maximale innere Kapazität
An den Anschlussteilen wirksame Ersatzkapazität für die internen Kapazitäten
des Betriebsmittels.
Li =Maximale innere Induktivität
An den Anschlussteilen wirksame Ersatzinduktivität für die internen Induktivitäten des Betriebsmittels.
3.3 Begriffe und Abkürzungen
Co = Maximale äußere Kapazität
Der höchste Wert der Kapazität in
einem eigensicheren Stromkreis, der
an die Anschlussteile des elektrischen
Betriebsmittels angeschlossen werden
kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben.
Das heißt, dieses ist der Wert, den
maximal alle außerhalb des Betriebsmittels wirkenden Kapazitäten erreichen
dürfen. Die äußeren Kapazitäten setzen
sich aus den Kabel- bzw. Leitungskapazitäten und den inneren Kapazitäten der
angeschlossenen Betriebsmittel zusammen. Der Wert von Co ist bei einer
linearen ohmschen Strombegrenzung
abhängig von Uo. Siehe auch EN 6007911, Anhang A, Tabelle A2 und Bild A2
und A3.
Lo = Maximale äußere Induktivität
Der höchste Wert der Induktivität in
einem eigensicheren Stromkreis, der an
Anschlussteile des elektrischen Betriebsmittels angeschlossen werden kann, ohne
die Eigensicherheit aufzuheben.
Das heißt, dieses ist der Wert, den alle
außerhalb des Betriebsmittels wirkenden Induktivitäten in Summe maximal
erreichen dürfen. Die äußeren Induktivitäten setzen sich aus den Kabel- bzw.
Leitungsinduktivitäten und den inneren
Induktivitäten der angeschlossenen
Betriebsmittel zusammen.
Bei einer linearen ohmschen Strombegrenzung ist Lo abhängig von Io. Siehe
auch EN 60079-11, Anhang A, Bild A4,
A5, A6.
Cc = Kabel- bzw. Leitungskapazität
Eigenkapazität eines Kabels oder einer
Leitung. Sie ist vom Kabel oder der Leitung abhängig. Sie liegt im allgemeinen
zwischen 140 nF/km und 200 nF/km.
zugehörigen Betriebsmittel angeschlossen werden kann, ohne die Eigensicherheit zu beeinträchtigen. Der Wert
von Um kann an den Anschlüssen eines
Gerätes unterschiedlich sein, sowie für
Wechsel- und Gleichspannung.
Das heißt, es kann z.B. bei der Versorgungsspannung ein Um = 250 V angegeben sein und beim Ausgang eine
Um = 60 V. Gemäß EN 60070-14, Absatz
12.2.1 2. ist ebenfalls darauf zu achten,
dass die Betriebsmittel, die an nichteigensichere Anschlussklemmen eines
zugehörigen Betriebsmittel angeschlossen sind, nicht mit einer Speisespannung
versorgt werden, die größer ist als die
auf dem Typschild des zugehörigen
Betriebsmittels angegebene Um. Dieses
bedeutet für das obige Beispiel:
An die Versorgungsspannung des zugehörigen Betriebsmittels darf ein weiteres
Betriebsmittel mit einer Speisespannung
von bis zu 250 V angeschlossen sein. An
den Ausgang des zugehörigen Betriebsmittels darf nur ein Betriebsmittel mit
einer Speisespannung von bis zu 60 V
angeschlossen werden.
In = Sicherungsbemessungsstrom
Der Bemessungsstrom einer Sicherung
nach EN 60127 oder nach Angabe des
Herstellers. Dieses ist der Nennstrom,
der bei einer Sicherung angegeben ist.
Ta bzw. Tamb = Umgebungstemperatur
Die Umgebungstemperatur Ta oder
Tamb muss auf dem Typschild angegeben werden und in der Bescheinigung
festgelegt sein, wenn sie außerhalb des
Bereichs von -20°C und + 40°C liegt.
Andernfalls wird die Bescheinigungsnummer um das Symbol „X“ ergänzt.
Lc = Kabel- bzw. Leitungsinduk
tivität
Eigeninduktivität eines Kabels oder einer
Leitung. Sie ist vom Kabel oder der Leitung abhängig und liegt im allgemeinen
zwischen 0,8 mH/km und 1 mH/km.
Um = Maximaler Effektivwert der
Wechselspannung oder maximale
Gleichspannung
Die höchste Spannung, die an die
nichteigensicheren Anschlussteile der
Phoenix CONTACT 59
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