Explosionsschutz in Europa Elektrische Betriebsmittel Grundlagen, Richtlinien, Normen Jürgen Kuhlmei
Das in der JUMO-Literaturreihe erhältliche Buch „Explosionsschutz - Grundlagen für die Praxis“ wurde überarbeitet und ist unter dem Titel „Explosionsschutz in Europa“ neu erschienen. Die Überarbeitung war erforderlich, da sich durch neue Richtlinien der Europäischen Union die gesetzlichen Grundlagen und damit auch die Normen geändert haben. Diese Änderungen sind für alle Mitgliedsstaaten der Europäischen Union verbindlich. Die wesentlichen Grundlagen für die Explosion und den Explosionsschutz sind jedoch gleich geblieben. Das Buch soll eine Hilfestellung für den Einstieg in den Explosionsschutz geben. Es gibt Hinweise auf Richtlinien, Vorschriften und Normen, in denen Details zum Explosionsschutz festgeschrieben sind.
Fulda, im Mai 2008 Jürgen Kuhlmei
JUMO GmbH & Co. KG Moritz-Juchheim-Straße 1 36039 Fulda, Germany Telefon: +49 661 6003-375 Telefax: +49 661 6003-500 E-Mail:
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Nachdruck mit Quellennachweis gestattet! Teilenummer: 00324966 Buchnummer: FAS 547 Druckdatum: 05.08 ISBN-13: 978-3-935742-08-5
Inhalt 1
Voraussetzungen für eine Explosion ............................................... 7
1.1
Brennbare Stoffe (Beispiele) ............................................................................... 7
1.2
Sauerstoff ............................................................................................................. 7
1.3
Zündquellen (Beispiele) ....................................................................................... 7
1.4
Explosionsgefährdete Bereiche ......................................................................... 8
1.5
Explosionsfähige Atmosphäre ............................................................................ 8
1.6
Gefahrdrohende Menge ...................................................................................... 8
1.7
Flammpunkt ......................................................................................................... 8
1.8
Zündtemperatur von Gasatmosphäre ............................................................... 8
1.9
Zündtemperatur von Staub ................................................................................. 9
1.10
Glimmtemperatur von Staub .............................................................................. 9
1.11
Zusammenfassung .............................................................................................. 9
2
Gesetzliche Grundlagen ................................................................. 10
2.1
EU-Richtlinie 94/9/EG ........................................................................................ 10
2.2
EU-Richtlinie 1999/92/EG .................................................................................. 10
2.3
Zusammenfassung ............................................................................................ 11
3
Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln .................... 13
3.1
Qualitätssicherung in der Produktion .............................................................. 15
3.2 3.2.1
EG Baumusterprüfung ....................................................................................... 16 Betriebsanleitung ................................................................................................. 18
3.3
Kennzeichnung .................................................................................................. 19
3.4
Konformitätserklärung ...................................................................................... 21
3.5
Benannte europäische Prüfstellen ................................................................... 22
4
Pflichten der Hersteller und Betreiber .......................................... 23
4.1
Hersteller ............................................................................................................ 23
4.2
Betreiber ............................................................................................................. 23
5
Explosionsschutzmaßnahmen ....................................................... 24
5.1
Primärer Explosionsschutz ............................................................................... 24
5.2
Sekundärer Explosionsschutz .......................................................................... 25
5.3
Konstruktiver Explosionsschutz ...................................................................... 25
Explosionsschutz in Europa
Inhalt 6
Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel .......................... 26
6.1
Zündschutzarten bei Gase, Nebel, Dämpfen .................................................. 27
6.2
Zündschutzarten bei brennbarem Staub ......................................................... 29
6.3
Betriebsmittel mit Zündschutzart „ia“/„ib“/„ic“ ............................................ 30
6.4
Explosionsgruppen ............................................................................................ 31
6.5 6.5.1 6.5.2
Oberflächentemperatur - Temperaturklassen ................................................ 32 Explosionsgruppe I .............................................................................................. 32 Explosionsgruppe II ............................................................................................. 32
6.6
Zuordnung brennbarer Gase und Dämpfe in Explosionsgruppen und Temperaturklassen .............................................. 33
7
Einteilung in Zonen ......................................................................... 34
8
Einteilung in Gerätegruppen und Kategorien ............................... 38
9
Anforderung an elektrische Betriebsmittel .................................. 39
9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3
Gas-Zonen (EN 60079-14) ................................................................................. Ex-Zone 0 ............................................................................................................ Ex-Zone 1 ............................................................................................................ Ex-Zone 2 ............................................................................................................
39 39 39 40
9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3
Staub-Zonen (EN 61 241-0) ............................................................................... Ex-Zone 20 .......................................................................................................... Ex-Zone 21 .......................................................................................................... Ex-Zone 22 ..........................................................................................................
41 41 41 41
9.3
Temperaturbegrenzung bei Staub in Ex-Zonen .............................................. 42
10
Zusammenhang Zone - Kategorie ................................................ 43
11
Schutzarten ..................................................................................... 44
12
Einfache elektrische Betriebsmittel .............................................. 45
13
Zündschutzart Ex „i“ Eigensicherheit .......................................... 46
13.1
Begriffsdefinition nach EN 60 079-11 ............................................................... 47
Explosionsschutz in Europa
Inhalt 14
Eigensichere elektrische Betriebsmittel ....................................... 48
14.1
Verdrahtung ........................................................................................................ 48
14.2
Montage der Bauteile ........................................................................................ 48
14.3
Gehäuse .............................................................................................................. 48
14.4
Anschlussklemmen ........................................................................................... 48
14.5
Steckverbinder ................................................................................................... 48
14.6
Leiterbahnen ...................................................................................................... 49
14.7
Luftstrecken, Kriechstrecken und Abstände im Verguss .............................. 50
14.8
Erdung ................................................................................................................ 50
14.9
Isolation .............................................................................................................. 51
14.10
Bauteile, von denen die Eigensicherheit abhängt .......................................... 51
15
Speisetrenner .................................................................................. 52
16
Sicherheitsbarrieren ....................................................................... 53
16.1
Kurzbeschreibung ............................................................................................. 53
16.2
Funktionsprinzip von Sicherheitsbarrieren ..................................................... 54
16.3
Sicherheitsbarrieren mit galvanischer Trennung ............................................ 55
17
Typprüfung eigensicherer Betriebsmittel ..................................... 56
17.1
Zündgrenzkurven (Referenzkurven) ................................................................. 57
17.2
Nachweis der Eigensicherheit .......................................................................... 58
18
Anschlussbeispiele ......................................................................... 59
19
JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX .............................. 61
20
Normen und Quellenverzeichnis ................................................... 65 Index ................................................................................................. 69
Explosionsschutz in Europa
1 Voraussetzungen für eine Explosion In industriellen Betrieben, wie z. B. chemischen Fabriken, Lackierereien, Kläranlagen, Kraftwerken, aber auch im Bergbau, Getreidemühlen, Silos und holzverarbeitenden Werken, kann es unter bestimmten Voraussetzungen zu einer Explosionsgefährdung kommen. Es müssen hierfür drei Faktoren gleichzeitig vorhanden sein: Brennbare Stoffe
Abbildung 1:
Sauerstoff
Zündquelle
Explosion
Bedingungen für eine Explosion
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Konzentration von brennbarem Stoff und dem SauerstoffLuftgemisch. Die Explosion ist eine schnell ablaufende Verbrennung, bei der sich die Flamme mit einer Geschwindigkeit von 1 ... 999m/s ausbreitet.
1.1
Brennbare Stoffe (Beispiele)
- Gase
(Wasserstoff, Methan, Butan, Propan, Erdgas ...),
- Flüssigkeiten (Benzin, Äther, Benzol, Toluol, Methanol ...), - Dämpfe
(ausgasende Flüssigkeiten - Lösungsmittel ...),
- Feststoffe
(Stäube - Kohle, Mehl, Aluminium ...).
1.2
Sauerstoff
Sauerstoff befindet sich in unserer Umgebungsluft und ist somit immer vorhanden.
1.3
Zündquellen (Beispiele)
Zündquellen stellen die Energie für den Start der Verbrennung zur Verfügung. - Flammen (Schweißbrenner, Heizungen), - Heiße Oberflächen (Rohrleitungen, Wärmeschränke, heißgelaufene Lager), - Funken (Lichtbögen, Kurzschluss, elektrostatische Entladung), - Elektrische Anlagen, - Blitzschlag, - Chemische Reaktionen.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
7
1 Voraussetzungen für eine Explosion
1 Voraussetzungen für eine Explosion 1.4
Explosionsgefährdete Bereiche
Auf Grund der örtlichen und betrieblichen Verhältnisse kann eine explosionsfähige Atmosphäre in Gefahr drohender Menge auftreten. Besteht die Möglichkeit, dass eine explosionsfähige Atmosphäre entsteht, so sind Explosionsschutzmaßnahmen zwingend erforderlich.
1.5
Explosionsfähige Atmosphäre
Ein Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben einschließlich üblicher Beimengungen, wie z. B. Feuchte, bildet eine explosionsfähige Atmosphäre. In diesem Gemisch kann sich unter atmosphärischen Bedingungen eine Reaktion nach erfolgter Zündung selbstständig auf das gesamte unverbrannte Gemisch ausbreiten. Als atmosphärische Bedingungen gelten hier Gesamtdrücke von 0,8 ... 1,1bar und Gemischtemperaturen von -20 ... +60°C.
1.6
Gefahrdrohende Menge
Man spricht bei Gasen, Nebeln und Dämpfen von einer Gefahr drohenden Menge, wenn sich 10 Liter explosionsfähige Atmosphäre als zusammenhängende Menge in einem abgeschlossenen Raum befinden. Die Raumgröße ist nicht ausschlaggebend. Bei Räumen unter 100m3 wird 1/10.000 des Raumvolumens explosionsfähige Atmosphäre als Gefahr drohende Menge betrachtet. Bei Staub liegt die Konzentration im zündfähigen Bereich bei ca. 40g/m3 bis 4kg/m3 und einer Teilchengröße < 400µm.
1.7
Flammpunkt
Der Flammpunkt ist in der Norm EN 1127-1 definiert. Er ist die niedrigste Temperatur einer Flüssigkeit, bei der sich brennbare Gase oder Dämpfe in solchen Mengen entwickeln, dass bei Kontakt mit einer wirksamen Zündquelle sofort eine Flamme auftritt (siehe auch DIN 51 755, EN ISO 2719 und EN ISO 1523). Für Prüfungen bzw. Bestimmungen des Flammpunktes sind genaue Bedingungen festgelegt. Liegt die Temperatur der Flüssigkeit sicher und dauerhaft um 5 bis 15K unterhalb des Flammpunktes, ist kein Explosionsschutz erforderlich.
1.8
Zündtemperatur von Gasatmosphäre
Die Zündtemperatur von brennbaren Gasen oder Flüssigkeiten wird in einem Prüfgerät ermittelt. Sie ist die niedrigste Temperatur einer erwärmten Oberfläche, an der sich der brennbare Stoff als Gas/Luft- oder Dampf/Luft-Gemisch gerade noch entzündet. Die brennbaren Gase und die Dämpfe brennbarer Flüssigkeiten sind nach ihren Zündtemperaturen, die Betriebsmittel nach der Oberflächentemperatur, in Temperaturklassen eingeteilt. Es muss sichergestellt werden, dass die Oberflächentemperaturen der Betriebsmittel unterhalb der Zündtemperatur liegen, um eine Zündung zu vermeiden.
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8
1 Voraussetzungen für eine Explosion
1 Voraussetzungen für eine Explosion 1.9
Zündtemperatur von Staub
Die unter vorgeschriebenen Versuchsbedingungen ermittelte niedrigste Temperatur einer heißen inneren Wand eines Ofens, bei der sich das zündwilligste Gemisch des Staubes mit Luft (Staubwolke) im Ofen entzünden kann.
1.10 Glimmtemperatur von Staub Eine Staubschicht auf einem Betriebsmittel kann sich entzünden. Die niedrigste Temperatur der Oberfläche des Betriebsmittels bei der das passieren kann, nennt man Glimmtemperatur. Die Dicke der Staubschicht muss festgelegt sein (EN 61 241-T14).
1.11 Zusammenfassung Hersteller von Betriebsmitteln für den explosionsgefährdeten Bereich, Errichter und Betreiber von Anlagen in Betrieben und Bereichen, in denen Explosionsgefahr besteht, müssen unter Beachtung der einschlägigen europaweit geltenden Gesetze und Vorschriften alle Vorkehrungen treffen, um eine Explosion zu vermeiden. Internationale Normen dürfen grundsätzlich in Europa nicht mehr für die Installation angewendet werden.
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9
1 Voraussetzungen für eine Explosion
2 Gesetzliche Grundlagen Errichter und Betreiber von Anlagen, sowie Hersteller von Betriebsmitteln sind durch Gesetze zur Einhaltung von Explosionsschutzmaßnahmen verpflichtet. Zwei EU-Richtlinien sind für den Explosionsschutz europaweit ausschlaggebend und haben gesetzlichen Charakter. Alle EU-Mitgliedstaaten sind verpflichtet, diese Richtlinien in nationales Recht umzusetzen. Ab dem 01.07.2003 dürfen für den Explosionsschutz Geräte und Schutzeinrichtungen nur noch in Verkehr gebracht und Anlagen in Betrieb genommen werden, die den folgenden EU-Richtlinien entsprechen:
2.1
EU-Richtlinie 94/9/EG
„Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen“ Die Richtlinie wendet sich an Hersteller von Geräten und Schutzsystemen, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Sie wurde auch unter dem Namen ATEX 100a (95a) bekannt. ATEX steht für ATmosphéres EXplosibles. Ziel der Richtlinie ist der Schutz der Gesundheit von Personen, Haustieren und Gütern. Arbeitskräfte sind insbesondere vor der Gefahr zu schützen, die von den Geräten und den Schutzsystemen in explosionsgefährdeten Bereichen ausgeht. Was versteht man unter Geräten:
Maschinen, Betriebsmittel, stationäre oder ortsbewegliche Vorrichtungen, Steuerungs- und Ausrüstungsteile, Mess- und Regeleinrichtungen.
Schutzsystemen:
Vorrichtungen, die anlaufende Explosionen umgehend stoppen, z. B. Flammendurchschlagssicherung, Feuerlöschsperre.
Weitere Erläuterungen finden sie in den „Leitlinien zur Anwendung der EU-Richtlinie 94/9/EG“.
2.2
EU-Richtlinie 1999/92/EG
„Richtlinie über Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können“ Diese Richtlinie wendet sich an Betreiber von Geräten, Anlagen und Schutzeinrichtungen, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Sie wurde auch unter dem Namen ATEX 118 (137) bekannt. Es werden Anforderungen an Montage und Instandhaltung der Geräte, sowie an Schutzvorrichtungen im explosionsgefährdeten Bereich gestellt. Sie verfolgt sinngemäß die gleichen Schutzziele wie die EU-Richtlinie 94/9/EG.
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10
2 Gesetzliche Grundlagen
2 Gesetzliche Grundlagen 2.3
Zusammenfassung EU-Richtlinie - ATEX AT mosphéres EX plosibles
94/9/EG ATEX 100a/95a Hersteller
1999/92/EG ATEX 118a/137 Betreiber
In Deutschland ist die Europäische Richtlinie 94/9/EG durch das Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (GPSG) in nationales Recht umgesetzt worden. Das Gesetz trat am 01.05.2004 in Kraft. In der dazugehörenden Explosionsschutzverordnung (ExVo) wird das Inverkehrbringen von Geräten und Schutzsystemen für explosionsgefährdete Bereiche geregelt und technische Rahmenbedingungen festgelegt. Die Europäische Richtlinie 1999/92/EG ist in Deutschland im Arbeitsschutzrecht (ArbSch) verankert. Die damit verbundene Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) vom 03.10.2002 legt die Anforderungen an die Bereitstellung und Benutzung von Arbeitsmitteln sowie den Betrieb von Anlagen fest. Für die Umsetzung deutscher staatlicher Arbeitsschutzvorschriften für explosionsgefährdete Bereiche geben die Explosionschutz-Regeln EX-RL (BGR 104) der Berufsgenossenschaft Hilfestellung. Prinzipiell gilt jedoch, dass bestehende Anlagen, die den Vorschriften zum Zeitpunkt der Errichtung entsprachen, weiterhin betrieben werden dürfen - es sei denn, es besteht für bestimmte Teile oder Bereiche eine besondere Nachrüstpflicht. Durch die Europäischen Richtlinien wird auch der Staub-Explosionsschutz europaweit gesetzlich verankert. Der Staub-Explosionsschutz beschäftigt sich speziell mit den Bereichen, die durch Auftreten von Stäuben gefährdet sind, z. B. das Innere von Behältern, Silos und Apparaturen (Mühlen, Mischern etc.) oder deren Umgebungsbereiche mit Staubablagerungen. Bereits 1785 ereignete sich in Italien die erste, als solche erkannte Staubexplosion. 1979 kam es in Deutschland in der Bremer Rolandmühle zu einer verheerenden Staubexplosion. 14 Tote, 17 Verletzte und ein Sachschaden von ca. 50 Mio. Euro waren die Folge. Hohe Sicherheitsanforderungen und strenge Vorschriften zum Gas- und Staub-Explosionsschutz wurden in Deutschland schon immer beachtet. Die Neuerungen durch die EU-Richtlinien lassen sich daher gut umsetzen.
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11
2 Gesetzliche Grundlagen
2 Gesetzliche Grundlagen
Abbildung 2:
Mühle nach einer Staubexplosion
International
International Electronic Commission (IEC) erstellt Publikationen Publikation 79 elektrische Betriebsmittel für explosionsfähige Atmosphären Europa Europäisches Parlament und Rat der Europäischen Union erlässt auf Vorschlag der Kommission Richtlinien 94/9/EG Verwendung von Geräten und Schutzsystemen in explosionsgefährdeten Bereichen 1999/92/EG Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphäre gefährdet sind Europäisches Komitee für elektrotechnische Normung CENELEC verfasst Europanormen (siehe Anhang) EN 1127-1 Explosionsschutz EN 60079-0 ff. Elektrische Betriebsmittel für explosiongefährdete Bereiche EN 60079 ff. Elektrische Betriebsmittel für gasexplosiongefährdete Bereiche EN 61241 ff. Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Deutschland Bundesregierung setzt EU-Recht in nationales Recht um Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (GPSG) Arbeitsschutzrecht (ArbSch) Verordnungen Deutsche Elektrotechnische Kommission für Normung DKE (DIN/VDE) harmonisiert deutsche Normen mit europäischen Normen Gleiches gilt sinngemäss auch für die anderen europäischen Mitgliedstaaten und der Schweiz (VGSEG Verordnung über Geräte und Schutzsysteme in explosionsgefährdeten Bereichen).
Tabelle 1:
Zusammenhang der Rechtsgrundlagen für den Explosionsschutz
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12
2 Gesetzliche Grundlagen
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln Bisher wurden elektrische Betriebsmittel für den Explosionschutz von autorisierten Prüfstellen (z. B. PTB, BVS) geprüft. Diesen Prüfstellen stellten eine Konformitätsbescheinigung aus. Der Hersteller konnte dann seine Produkte fertigen und ausliefern. Die seit 1995 ausgestellten Konformitätsbescheinigungen werden der so genannten „D“- bzw. „E“Normen-Generation zugeordnet (Abbildung 3). „D“ bzw. „E“ steht für die jeweils gültigen Prüfanforderungen.
Zertifikat Nummer PTB Nr. Ex-98.E.2017 X PTB Prüfstelle Ex Ex-Schutz 98 Jahr der Ausstellung E Vorschriftengeneration 2017 Laufende Nummer X Besondere Bedingungen
Normen EN 50014 EN 50020 Kennzeichnung EEx ia IIC T6 EEx ia IIC T6
Abbildung 3:
Europäischer Ex-Schutz Zündschutzart Explosionsgruppe Temperaturklasse
Konformitätsbescheinigung PTB Nr. Ex-98.E.2017 X nach „altem“ Recht
Bereits seit 1994 konnten Betriebsmittel nach der EU-Richtlinie 94/9/EG und dem neuen Recht in Verkehr (in den Handel) gebracht und in Betrieb genommen werden.
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13
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln Die Richtlinie schreibt europaweit gültige Verfahren für das „Inverkehrbringen“ von Produkten vor. In den folgenden Abschnitten wird ein mögliches der Verfahren beschrieben: 1.
Der Hersteller unterhält ein zugelassenes Qualitätssicherungssystem für die Herstellung, Endabnahme und Prüfung seiner Produkte, die für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich bestimmt sind.
2.
Der Hersteller oder sein in der Gemeinschaft ansässiger Bevollmächtigter beantragt bei einer Prüfstelle eine EG-Baumusterprüfung (Kapitel 3.2 „EG Baumusterprüfung“) für sein Produkt. Die Prüfstelle muss von der Regierung für diese Prüfung autorisiert sein. Autorisierte Prüfstellen nennt man auch „Benannte Stelle“.
3.
Der Hersteller oder sein in der Gemeinschaft ansässiger Bevollmächtigter stellen eine Konformitätserklärung (Kapitel 3.4 „Konformitätserklärung“) aus und nimmt die CE-Kennzeichung des Produktes vor (siehe EU Richtlinie 94/9/EG - Anhang).
Benannte Prüfstelle z. B. PTB, TÜV Nord, DMT, Zelm, SNCH (SEE)
- prüft das Produkt, - erstellt einen Prüfbericht und stellt eine EG-Baumusterprüfbescheinigung aus
- reicht Produkt zur Prüfung ein
Hersteller JUMO
- unterhält ein zugelassenes Qualitätssicherssystem - Herstellung, Endabnahme und Prüfung
Abbildung 4:
- führt eine Konformitätsbewertung durch - stellt die Konformitätserklärung aus - nimmt CE-Kennzeichnung vor
Prüfverfahren und Inverkehrbringen
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14
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln 3.1
Qualitätssicherung in der Produktion
Der Hersteller ist verpflichtet sein Qualitätssicherungssystem für den Produktionsbereich von Betriebsmitteln für den Explosionsschutz durch eine benannte Stelle (Zertifizierungsstelle) seiner Wahl bewerten zu lassen. Es soll damit sichergestellt werden, dass die Produkte, für die eine Baumusterprüfbescheinigung ausgestellt wurde, auch mit gleichbleibender Qualität und Sicherheit produziert werden. Die Zertifizierung eines Betriebes nach DIN EN ISO 9001 (Ausgabe 2000) kann Grundlage dafür sein. Nach der gesetzlichen Vorgabe reicht diese Zertifizierung aber alleine nicht aus. Für die Produktion der Betriebsmittel für den Explosionsschutz bestehen weitere Anforderungen. Eine zusätzliche Zertifizierung des Produktionsbereiches ist daher vorgeschrieben.
Abbildung 5:
Zertifikat TÜV 99 ATEX 1454 Q „Anerkennung des Qualitätssicherungssystems“
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15
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln 3.2
EG Baumusterprüfung
Für Geräte und Schutzsysteme, die in der Explosionsschutz-Zone 0 und / oder -Zone 1 bzw. Zone 20 und / oder -Zone 21 (Kapitel 7 „Einteilung in Zonen“) eingesetzt werden sollen, sind Baumusterprüfungen durch eine benannte Stelle (Kapitel 3.5 „Benannte europäische Prüfstellen“) vorgeschrieben. Die benannte Stelle prüft die technischen Unterlagen und die repräsentativen Muster der betreffenden Produkte. Sie verfasst einen Prüfbericht und stellt eine Baumuster-Prüfbescheinigung aus.
Abbildung 6:
Beispiel einer EG-Baumusterprüfbescheinigung SEE 01 ATEX 3225 für Widerstandsthermometer
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16
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
Kennzeichnung PTB 01 ATEX 2124 PTB Prüfstelle 01 Jahr der Ausstellung ATEX geprüft nach neuer Europäischer Richtlinie 2124 laufende Nr.
Normen Neue Kennzeichnung EX II 1 G / II 2 G EX II 1G
Ex-Schutz Gerätegruppe Kategorie
Kennzeichnung EEx ia IIC T6/T5/T4 EEx
Europäischer Ex-Schutz ia Zündschutzart IIC Explosionsgruppe T6/T5/ TemperaturT4 klassen
Abbildung 7:
Beispiel einer EG-Baumusterprüfbescheinigung PTB 01 ATEX 2124 für Messumformer nach gültigem Recht
Prüfungsgrundlage bilden die Europäischen Normen EN, auf die in den folgenden Kapiteln hingewiesen wird. Grundsätzlich dürfen internationale Normen (IEC) in Europa nicht angewendet werden.
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17
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln 3.2.1 Betriebsanleitung Die Betriebsanleitung ist Bestandteil der Baumusterprüfung. Zu jedem Gerät oder Schutzsystem muss eine Betriebsanleitung vorhanden sein, die folgende Mindestangaben enthält: - Gleiche Angaben wie bei der Kennzeichnung des Gerätes oder Schutzsystems (ausgenommen Seriennummer, Baujahr), - Angaben zur - Inbetriebnahme, - Verwendung, - Montage, Demontage, - Instandhaltung, - Installation, - Markierung von gefährdeten Bereichen vor Druckentlastungseinrichtungen (falls erforderlich), - Einarbeitung, - Angaben, die zweifelsfrei die Entscheidung ermöglichen, ob die Verwendung eines Gerätes oder Schutzsystems in dem vorgesehenen Bereich unter den zu erwartenden Bedingungen gefahrlos möglich ist (Kategorie beachten), - Elektrische Kenngrößen und Drücke, höchste Oberflächentemperatur sowie andere Grenzwerte, - Erforderlichenfalls besondere Bedingungen für die Verwendung, - Hinweis auf sachwidrige Verwendung, die erfahrungsgemäß vorkommen kann, - Erforderlichenfalls Merkmale der Werkzeuge, die an dem Gerät oder Schutzsystem angebracht werden können. Die Betriebsanleitung muss in einer der EU-Gemeinschaftssprachen erstellt werden. Sie muss im Orginal und in der Landessprache des Landes, indem das Gerät oder Schutzsystem in Betrieb genommen wird, verfügbar sein.
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18
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln 3.3
Kennzeichnung
Auf Grund der zertifizierten Qualitätssicherung in der Produktion und der Baumuster-Prüfbescheinigung bringt der Hersteller an seinem Produkt die für den Explosionsschutz relevanten Kennzeichen und ein CE-Zeichen an (Abbildung 8). Dem CE-Zeichen wird die Nummer der benannten Stelle, die das Qualitätssicherungsystem auditiert hat, hinzugefügt.
**
JUMO GmbH & Co. KG, D-36039 Fulda ® dTRANS T01 HART Typ 707016/ . . . VARTN 70/00391004 programmierbar 4 . . . 20mA DC 10 . . . 30V F-Nr. 0041367101099490014 0044
*
**
Betriebsspannung
Fabrikationsnummer (beinhaltet auch das Herstellungsjahr)
Typenbezeichnung und Verkaufs-Artikel-Nummer Hersteller-Name
CE-Kennzeichen mit PrüfstellenKennziffer
Kennzeichen für den Explosionsschutz Gerätegruppe Kategorie Explosionsschutz Zündschutzart Explosionsgruppe Temperaturklasse Umgebungstemperatur
II IG Ex ia IIC T6/5/4 Ta = -20 . . . 40/50/60°C II 2G Ex ia IIC T6/5/4 Ta = -40 . . . 55/70/85°C PTB 01 ATEX 2124 U i < 30V I i < 100mA P i < 750mW C i = 0 Li= 0 Uo < 5V Io< 5,4mA Po < 6,6mW Co = 2µF Lo= 100mH Maximale Spannungs-, Strom-, Leistungs-, kapazitive und induktive Anschlusswerte Abbildung 8:
Typenschilder eines Messumformers für den Ex-Bereich
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19
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln JUMO Mess- und Regeltechnik AG CH-8712 Stäfa
JUMO Mess- und Regeltechnik AG CH-8712 Stäfa
Widerstandstherm. 90.2820.7045
Widerstandstherm. 90.2820.7040 II 1D T80°C IP65
II 1/2 G Ex ia IIC T6 Auftr.Nr. 14363 / 020 Herstelldatum 47/2002 Schutzrohrkonstante 63,4 KW
Pi ≤ 15mW / Ui ≤ 30V / Ii ≤ 100mA Auftr.Nr. 14574 / 030 Herstelldatum 50/2002
SEE 01 ATEX 3224 /
SEE 01 ATEX 3224 /
0499
Bedienungsanleitung und Datenblatt / Zeichnung beachten!
Bedienungsanleitung und Datenblatt / Zeichnung beachten!
Gas-Ex Abbildung 9:
0499
Staub-Ex Typenschilder von Widerstandsthermometern für den Ex-Bereich (NL Schweiz)
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20
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln 3.4
Konformitätserklärung
Die Konformitätserklärung muss folgende Angaben beinhalten: - Name und Anschrift des Herstellers oder seines in der Gemeinschaft ansässigen Bevollmächtigten, - Beschreibung des Produktes, - Bestimmungen, denen das Produkt entspricht, - Nummer der EG-Baumusterprüfbescheinigung, - Name, Kenn-Nummer und Anschrift der benannten Stelle, - Angewendete Normen, - Rechtsverbindliche Unterschrift. Die Konformitätserklärung muss jeder Produktlieferung beigelegt werden.
Abbildung 10:
Beispiele von EG-Konformitätserklärungen
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln 3.5
Benannte europäische Prüfstellen
In Deutschland, sowie in den anderen EU-Mitgliedsstaaten, gibt es „Benannte Prüfstellen“, die für den explosionsgefährdeten Bereich bestimmte elektrische Betriebsmittel oder Anlagen prüfen bzw. abnehmen dürfen. Die von einer dieser Prüfstellen ausgestellte EG-Baumusterprüfbescheinigung muss von allen Mitgliedsstaaten, auch ohne Nachprüfung, anerkannt werden. Name
Land
Kennziffer
ISSEP Institut Scientifique des Services Publics
Belgien
0492
DEMKO Denmarks Elektriske Materialkontrol
Dänemark
0539
PTB Physikalisch-Technische-Bundesanstalt
Deutschland
0102
DEKRA EXAM
Deutschland
0158
TÜV Nord Technischer Überwachungsverein Hannover
Deutschland
0044
TÜV Produkt-Service Technischer Überwachungsverein Produkt-Service
Deutschland
0123
Zelm Ex Prüf- und Zertifizierungsstelle Firma Zelm
Deutschland
0820
INERIS Institut National de L' Environnement Industriel et des Risques
Frankreich
0080
LCIE Laboratoire Central des Industries Électriques
Frankreich
0081
EECS Electrical Equipment Certification Service Health and Safety Executive
Großbritannien
0600
SCS Sira Certification Service
Großbritannien
0518
CESI Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano
Italien
0722
SNCH Société Nationale de Certification et d' Homologation
Luxemburg
0499
KEMA KEMA Registered Quality BV
Niederlande
0344
NEMKO Norges Elektriske Materiellkontroll
Norwegen
0470
TÜV-A Technischer Überwachungsverein-Austria
Österreich
0408
SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut
Schweden
0402
LOM Laboratorio Oficial José Maria de Madariaga
Spanien
0163
electrosuisse
Schweiz
1258
Tabelle 2:
Benannte Prüfstellen (Auszug)
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
22
3 Inverkehrbringen von elektrischen Betriebsmitteln
4 Pflichten der Hersteller und Betreiber 4.1
Hersteller
Das Produkt, das zur Auslieferung kommt, muss mit dem Prototyp übereinstimmen, für den eine Baumuster-Prüfbescheinigung vorliegt. Ferner muss das Produkt einer Stückprüfung unterzogen worden sein. Bei der Stückprüfung ist besonders zu beachten, dass jedes gefertigte Teil und jedes Endgerät, welches den Explosionsschutz beeinflusst, geprüft wird. Stichproben sind nicht zulässig. Der Hersteller bestätigt dieses durch die Ausstellung einer Konformitätserklärung und das Anbringen des CE-Zeichens. Der Hersteller gewährt der beauftragten Prüfstelle zu Inspektionszwecken den Zugang zu den Abnahme-, Prüf- und Lagereinrichtungen. Er stellt auf Anforderung alle relevanten Unterlagen zur Verfügung. Nach dem letzten Fertigungsdatum des Produktes bewahrt der Hersteller mindestens zehn Jahre lang die technischen Unterlagen und die Konformitätserklärung auf.
4.2
Betreiber
Der Betreiber von elektrischen Betriebsmitteln und Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen hat ebenfalls Verpflichtungen nach der EU-Richtlinie 1999/92/EG. Er muss Maßnahmen treffen, damit ein gefahrloses Arbeiten möglich ist. Hierzu gehört die Erstellung eines Explosionsschutzdokumentes. Dieses Dokument beinhaltet die Zoneneinteilung des Betriebes, eine Risikobewertung und die getroffene Schutzmaßnahmen. Der Betreiber ist dafür verantwortlich, dass in einem explosionsgefährdeten Bereich nur dafür zugelassene und bescheinigte Betriebsmittel eingesetzt werden. Es ist erforderlich, dass die Geräte und Anlagen vor der ersten Inbetriebnahme und in bestimmten Zeitabständen durch eine Fachkraft bzw. eine befähigte Person überprüft werden. Aufgetretene Explosionen müssen der Aufsichtsbehörde umgehend gemeldet werden. Bestehen gewisse Mängel oder Defekte, durch die Beschäftigte oder Dritte gefährdet werden, darf die Anlage nicht mehr betrieben werden.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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4 Pflichten der Hersteller und Betreiber
5 Explosionsschutzmaßnahmen Prinzipiell gilt, dass man in explosionsgefährdeten Bereichen Schutzmaßnahmen ergreifen muss, um eine Explosion zu vermeiden oder deren Folgen zu minimieren. Ziel ist es zu verhindern, dass eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre entsteht (Primärer Explosionsschutz) oder dass eine Zündung stattfindet (Sekundärer Explosionsschutz). Wenn primäre und sekundäre Schutzmassnahmen nicht sinnvoll oder verlässlich genug realisiert werden können, müssen weitere konstruktive Maßnahmen (Konstruktiver Explosionsschutz) getroffen werden. Explosionsschutzmaßnahmen
Primärer Explosionsschutz Sekundärer Explosionsschutz Konstruktiver Explosionsschutz Abbildung 11:
5.1
Explosionsschutzmaßnahmen
Primärer Explosionsschutz
Die Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre kann prinzipiell wie folgt vermieden werden: Schutzmaßnahmen: - Vermeiden, Ersetzen oder Einschränken von brennbaren Stoffen, - Einsatz von Stoffen mit höherem Flammpunkt, - Verhindern der Flammpunktüberschreitung durch Temperaturbegrenzung, - Konzentrationsbegrenzung oder -überwachung, - Einsatz von Gaswarngeräten, - Inertisierung durch unbrennbare Gase, z. B. Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase, - Lüftungsmaßnahmen (natürliche oder technische Belüftung), - Konstruktive Maßnahmen (explosionsdruckfeste Bauweise, Explosionsunterdrückung, Dichtheit etc.). Speziell für Staub: - Flächen, auf denen sich Staub ablagern kann, regelmäßig reinigen, - Bei Reinigung saugende Verfahren bevorzugen, - Abgelagerten Staub nicht mit Druckluft abblasen, - Durch Erdung elektrostatische Aufladung vermeiden, - Schweißarbeiten nicht im Bereich staubführender Apparaturen und Rohrleitungen durchführen.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
24
5 Explosionsschutzmaßnahmen
5 Explosionsschutzmaßnahmen 5.2
Sekundärer Explosionsschutz
Maßnahmen zum sekundären Explosionsschutz sind dann zu treffen, wenn die primären Schutzmaßnahmen nicht oder nur teilweise eingesetzt werden und dadurch keine ausreichende Sicherheit gegeben ist. Sekundärer Explosionsschutz befasst sich mit der Vermeidung einer Zündung durch entsprechende Zündquellen. Schutzmaßnahmen: - Vermeidung von Zündquellen (Flammen, Funken, heißen Oberflächen etc.), - Einsatz von elektrischen Geräten, die keine Zündquelle bilden, - Abkapselung der Zündquelle von der umgebenden Atmosphäre.
5.3
Konstruktiver Explosionsschutz
Bieten primäre und sekundäre Maßnahmen nicht den sicheren Schutz, müssen konstruktive Maßnahmen getroffen werden. Schutzmaßnahmen: - Explosionsfeste Bauweise, - Explosionsdruckentlastung, - Explosionsunterdrückung, - Verhinderung von Flammen- und Explosionsübertragung.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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5 Explosionsschutzmaßnahmen
6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel Elektrische Betriebsmittel werden in den unterschiedlichsten explosionsgefährdeten Bereichen mit wechselnden Anforderungen an das Gerät eingesetzt. Es ist eine detaillierte Angabe erforderlich, ob das Betriebsmittel für den Einsatzort geeignet ist. Um dies erkennen zu können, werden die elektrischen Betriebsmittel in Gruppen eingeteilt und exakt gekennzeichnet (Abbildung 12) gemäß EU-Richtlinie 94/9/EG.
Beispiel:
II 1 G D Ex ia II C T6
Kennzeichen für Explosionsschutz Gerätegruppe Gerätekategorie für Gas- und/oder Staub-Bereich Explosionsschutz Zündschutzart Explosionsgruppe Weitere Unterteilung der Explosionsgruppe bei druckfester Kapselung und Eigensicherheit Temperaturklasse Abbildung 12:
Kennzeichnung der Betriebsmittel
Bei Betriebsmitteln für den Einsatz im Staub-Bereich wird an Stelle der Temperaturklasse T1 ... T6 die max. Oberflächentemperatur Tx des Betriebsmittels sowie die Schutzart IPXX angegeben. Die einzelnen Auswahlkriterien wie Zündschutzarten, Kategorien, Explosionsgruppen und Temperaturklassen werden im folgenden Kapitel beschrieben.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel
6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel 6.1
Zündschutzarten bei Gase, Nebel, Dämpfen
Zündschutzart
Bild (Ex-Bereich grau) Beschreibung der Zündschutzart
Ölkapselung „o“ EN 60 079-6
Das elektrische Betriebsmittel oder Teile des elektrischen Betriebsmittels sind derart in eine Schutzflüssigkeit eingetaucht, dass eine explosionsfähige Atmosphäre, die sich oberhalb der Flüssigkeit oder außerhalb der Kapselung befinden kann, nicht entzündet werden kann.
Überdruckkapselung „p“ EN 60 079-2
Das Eindringen einer umgebenden Atmosphäre in das Gehäuse von elektrischen Betriebsmitteln wird dadurch verhindert, dass ein Zündschutzgas oder Luft in seinem Inneren unter einem Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre gehalten wird. Der Überdruck wird mit oder ohne laufende Zündschutzgas-Durchspülung aufrecht erhalten.
P Sandkapselung „q“ EN 50 017
Die Teile eines Betriebsmittels, die zu einer Zündquelle werden können sind fest in ihrer Position angeordnet und vollständig vom Füllgut umgeben, um die Zündung einer äußeren explosionsfähigen Atmosphäre zu verhindern. Anmerkung: Die Zündschutzart vermag nicht in jedem Fall das Eindringen der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre in das Betriebsmittel oder die Ex-Bauteile und die Entzündung durch die Stromkreise zu verhindern. Ein äußere Explosion ist jedoch durch die kleinen freien Volumina im Füllgut und durch die Unterdrückung einer möglicherweise durch die Kanäle im Füllgut fortschreitenden Flamme verhindert.
Druckfeste Kapselung „d“ EN 60 079-1
S Erhöhte Sicherheit „e“ EN 60 079-7
keine Zündquelle
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
Die Teile, die eine explosionsfähige Atmosphäre zünden können, sind in einem Gehäuse angeordnet, das bei einer Explosion eines explosionsfähigen Gemisches im Innern deren Druck aushält und eine Übertragung der Explosion auf die das Gehäuse umgebende explosionsfähige Atmosphäre verhindert. Hierbei werden Maßnahmen getroffen, um mit einem erhöhten Grad an Sicherheit die Möglichkeit unzulässig hoher Temperaturen und das Entstehen von Funken oder Lichtbogen im Innern oder an äußeren Teilen elektrischer Betriebsmittel zu verhindern, bei denen diese im normalen Betrieb nicht auftreten.
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6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel
6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel Zündschutzart
Bild (Ex-Bereich grau) Beschreibung der Zündschutzart
Eigensicherheit „i“ EN 60 079-11
R
L C=
Vergusskapselung „m“ EN 60 079-18
R, C, L
Eigensichere Systeme „i -SYST“ EN 60 079-25
Nicht zündend „n“ EN 60 079-15
Tabelle 3:
L N
L N
Diese Zündschutzart hat durch die Entwicklung der Mess- und Regeltechnik eine erhebliche Bedeutung erlangt. Sie bezieht sich nicht auf einzelne Geräte oder Betriebsmittel, sondern auf Stromkreise. Diese bestehen aus eigensicheren elektrischen Betriebsmitteln und zugehörigen elektrischen Betriebsmitteln, an die klar getrennte Anforderungen gestellt werden. Die Teile, die eine explosionsfähige Atmosphäre durch Funken oder durch Erwärmung zünden könnten, sind in eine Vergussmasse so eingebettet, dass die explosionsfähige Atmosphäre nicht entzündet werden kann.
Diese Norm stellt eine Ergänzung zu der EN 60 07911 Eigensicherheit „i“ dar, deren Bestimmungen mit Ausnahme der im Abschnitt 10 festgelegten Kennzeichnung auf elektrische Betriebsmittel in eigensicheren elektrischen Systemen anzuwenden sind. Darunter versteht man die Gesamtheit der miteinander verbundenen elektrischen Betriebsmittel, die mit einer Systembeschreibung dokumentiert ist und bei denen die Stromkreise, die ganz oder zum Teil im explosionsgefährdeten Bereich benutzt werden sollen, eigensichere Stromkreise sind. Diese Norm wird für elektrische Geräte und Bauteile der Gruppe II Kategorie 3 G (Zone 2) angewendet. Das Betriebsmittel ist nicht in der Lage eine umgebende explosionsfähige Atmosphäre im normalen Betrieb zu zünden.
Übersicht der Zündschutzarten für Gase, Nebel, Dämpfe
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel
6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel 6.2
Zündschutzarten bei brennbarem Staub
Zündschutzart
Bild (Ex-Bereich gepunktet)
Schutz durch Gehäuse „tD“ EN 61 241-1
Überdruckkapselung „pD“ EN 61 241-4
Beschreibung der Zündschutzart Der Zündschutz durch Gehäuse beruht auf Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur und dem Eintritt von Staub in das Gehäuse. Es werden „staubdichte“ oder „staubgeschützte“ Gehäuse verwendet.
Die Bildung einer explosionsfähigen Staubatmosphäre im Inneren des Gehäuses wird durch einen inneren Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre verhindert.
O
P Geräteschutz durch Eigensicherheit „iD“ EN 61 241-11
R
L C=
Innerhalb der elektrischen Betriebsmittel und den Verbindungslinien wird die elektrische Energie so begrenzt, dass eine umgebende explosionsfähige Atmosphäre weder durch Funkenbildung, noch durch Erwärmung gezündet werden kann.
Teile werden so in eine Vergussmasse eingebettet, dass sie weder durch Funkenbildung, noch durch Erwärmung eine Staubwolke oder Staubalagerung zünden können.
Schutz durch Vergusskapselung „mD“ EN 61 241-18 R, C, L
Tabelle 4:
Übersicht der Zündschutzarten Stäube
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6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel
6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel 6.3
Betriebsmittel mit Zündschutzart „ia“/„ib“/„ic“
Eigensichere elektrische Betriebsmittel (Kapitel 17 „Typprüfung eigensicherer Betriebsmittel“) und eigensichere Teile von zugehörigen elektrischen Betriebsmitteln müssen nach EN 60 079-11 einem Schutzniveau „ia“, „ib“ oder „ic“ zugeordnet werden. Schutzniveau „ia“
Schutzniveau „ib“
Schutzniveau „ic“
Eigensichere Stromkreise elektrischer Betriebsmittel des Schutzniveaus „ia“. Sie dürfen im ungestörten Betrieb und ungünstigsten Bedingungen bei zwei zählbaren Fehlern keine Zündung verursachen.
Eigensichere Stromkreise elektrischer Betriebsmittel des Schutzniveaus „ib“. Sie dürfen im ungestörten Betrieb und ungünstigsten Bedingungen von einem zählbaren Fehler keine Zündung verursachen.
Eigensichere Stromkreise elektrischer Betriebsmittel des Schutzniveaus „ic“. Sie dürfen im ungestörten Betrieb keine Zündung verursachen. Das Fehlerkonzept trifft nicht zu.
Bei der Funkenzündung gilt bei „ia“ und „ib“ der Sicherheitsfaktor 1,5, bei „ic“ der Sicherheitsfaktor 1,0 bezogen auf die Spannung oder den Strom oder eine Kombination von beidem.
Tabelle 5:
Zuordnung eigensicherer Betriebsmittel zu einem Schutzniveau
Voraussetzung für den Einsatz der Betriebsmittel in der Explosionszone 0 ist die Kategorie „ia“. Betriebsmittel der Kategorie „ia“ oder „ib“ können in der Explosionszone 1 und 2 eingesetzt werden. Für die Explosionszone 2 können Betriebsmittel mit Schutzniveau „ia“, „ib“ oder „ic“ verwendet werden. Die Einteilung in Explosionszonen wird in Kapitel 7 „Einteilung in Zonen“ erläutert.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel
6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel 6.4
Explosionsgruppen
Wegen örtlich unterschiedlichen Umgebungsbedingungen teilt man die elektrischen Betriebsmittel für explosionsgefährdete Bereiche in Gruppen ein. Man unterscheidet hier zwischen der Explosionsgruppe I und II. Explosionsgruppe I
Explosionsgruppe II
Elektrische Betriebsmittel für schlagwettergefährdete Grubenbaue, z. B. Bergbau: Kohlestaub, Methangas
Elektrische Betriebsmittel für alle explosionsgefährdeten Bereiche, außer schlagwettergefährdete Grubenbaue, z. B. chemische Industrie: Farbstoff, Acytylen
Tabelle 6:
Explosionsgruppen
Für die Zündschutzarten „Druckfeste Kapselung d“ und „Eigensicherheit i“ sowie der Zündschutzart n (nC, nL) wird die Gruppe II unterteilt. Bedingt durch das große Einsatzgebiet der unterschiedlichen brennbaren Stoffe und Gase mit verschiedenen Zündenergien ergibt sich eine Unterteilung in die Gruppen IIA, IIB, und IIC. Explosionsgruppe
IIA
IIB
IIC
Typisches Prüfgas
Propan
Ethylen
Wasserstoff
Erforderliche Zündenergie (Milli-Watt-Sekunden)
hoch 0,26 mWs
mittel 0,06 mWs
niedrig 0,019 mWs
Tabelle 7:
Explosionsgruppen IIA, IIB und IIC
Mit steigendem Kennbuchstaben wird die wachsende Explosionsgefahr der Gase gekennzeichnet. Wasserstoff benötigt die geringste Zündenergie und somit besteht hier die größte Gefahr der Explosion. Betriebsmittel für die Explosionsgruppe IIC eignen sich automatisch für Verwendungen in der Gruppe IIA oder IIB. Die Explosionsgruppe IIB kann auch in IIA eingesetzt werden. Bei der „Druckfesten Kapselung“ (EN 60079-1) sind die Gase und Dämpfe auf Grund einer so genannten Grenzspaltweite (MESG - Maximum Experimental Save Gap) unterteilt. Die Betrachtungsweise beruht darauf, dass bei einer erfolgten Zündung nur eine geringe Energie durch einen Spalt im Gehäuse austreten kann. Diese austretende Energie liegt unterhalb der Mindestzündenergie der umgebenden gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre. Explosionsgruppe
IIA
IIB
IIC
Grenzspaltweite MESG
> 0,9mm
0,5 ... 0,9mm
< 0,5mm
Tabelle 8:
Grenzspaltweite
Bei der „Eigensicherheit“ (EN 60 079-11) sind die Gase und Dämpfe auf Grund des Verhältnisses ihres Mindestzündstromes zum Mindestzündstrom von Laboratoriumsmethan (MIC - Minimum Ignition Current) unterteilt. Das Verfahren zum Bestimmen des MIC-Verhältnisses wird im Anhang B der Europäischen Norm EN 60 079-11 beschrieben. Im Anhang A der EN 60 079-0 sind konkrete Angaben zur Unterteilung der Gase und Dämpfe enthalten. Explosionsgruppe
IIA
IIB
IIC
MIC-Verhältnis
> 0,8
0,45 ... 0,8
< 0,45
Tabelle 9:
Mindestzündstrom
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel
6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel 6.5
Oberflächentemperatur - Temperaturklassen
In einer explosionsfähigen Atmosphäre kann es durch ein elektrisches Betriebsmittel mit einer hohen Oberflächentemperatur zu einer Wärmezündung kommen.
6.5.1 Explosionsgruppe I Für elektrische Betriebsmittel der Explosionsgruppe I wird generell eine maximale Oberflächentemperatur festgelegt: 150°C bei schichtweiser Kohlestaub-Ablagerung, 450°C ohne Kohlestaub-Ablagerung.
6.5.2 Explosionsgruppe II Für die Explosionsgruppe II hat man die Zündtemperatur von brennbaren Stoffen ermittelt und in Temperaturklassen eingeteilt. Die elektrischen Betriebsmittel werden nach ihrer maximalen Oberflächentemperatur den Temperaturklassen zugeordnet (EN 60 079-0). Temperaturklasse
Höchstzulässige Oberflächentemperatur der Betriebsmittel
Zündtemperatur der brennbaren Stoffe
T1
450°C
> 450°C
T2
300°C
> 300 ≤ 450°C
T3
200°C
> 200 ≤ 300°C
T4
135°C
> 135 ≤ 200°C
T5
100°C
> 100 ≤ 135°C
T6
85°C
> 85 ≤ 100°C
Tabelle 10:
Explosionsgruppe II
- Die Angaben sind bezogen auf eine Umgebungstemperatur des elektrischen Betriebsmittels von +40°C. - Die niedrigste Zündttemperatur der entsprechenden explosionsfähigen Atmosphäre muss höher sein, als die maximale Oberflächentemperatur des elektrischen Betriebsmittels. - Die Grenztemperatur des elektrischen Betriebsmittels darf auch im Fehlerfall nicht überschritten werden. - Es ist ein Sicherheitsabstand bei T1 und T2 von mindestens 10K, bei T3 bis T6 von mindestens 5K zu berücksichtigen. Beispiel 1: Benzin hat eine Zündtemperatur von 220 ... 300°C, somit lassen sich in dieser Atmosphäre nur elektrische Betriebsmittel der Temperaturklasse T3 ... T6 einsetzen. Beispiel 2: Ein elektrisches Betriebsmittel hat im Fehlerfall eine Oberflächentemperatur von 140°C. Daher darf es nur für die Temperaturklassen T1 ... T3 eingesetzt werden. Der Betrieb in einer Atmosphäre mit z. B. Schwefelkohlenstoff oder Äthylether ist nicht möglich (Kapitel 6.6 „Zuordnung brennbarer Gase und Dämpfe in Explosionsgruppen und Temperaturklassen“).
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel
6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel 6.6
Zuordnung brennbarer Gase und Dämpfe in Explosionsgruppen und Temperaturklassen
Explosionsgruppe T1 (450°C)
Temperaturklassen T2 (300°C)
T3 (200°C)
T4 (135°C)
I
Methan
IIA
Aceton (540°C)
1,2-Dichlorethan Benzin (440°C) (220 - 300°C)
Ammoniak (630°C)
Cyclohexanon (430°C)
Dieselkraftstoff (220 - 300°C)
Benzol (555°C)
i-Amylacetat (380°C)
Flugzeugkraftstoff (220 - 300°C)
Äthan (515°C)
n-Butan (365°C)
Heizöl (220 - 300°C)
Ethylacetat (460°C)
n-Butylalkohol (340°C)
n-Hexan (240°C)
Ethylalkohol (425°C)
Ethylglycol (335°C)
Ethylen (425°C)
Schwefelwasserstoff (270°C)
T5 T6 (100°C) (85°C)
Acetaldehyd (140°C)
Essigsäure (485°C) Kohlenoxid (605°C) Methanol (455°C) Propan (470°C) Toluol (535°C) IIB
Stadtgas (560°C)
Ethylether (180°C)
Ethylenoxid (440°C) IIC
Tabelle 11:
Wasserstoff Acetylen (560°C) (305°C)
Schwefelkohlenstoff (95°C)
Temperaturklassen/Gasgruppen (Auszug)
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6 Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel
7 Einteilung in Zonen Da in einem explosionsgefährdeten Bereich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre nicht permanent vorhanden sein wird, teilt man diese Bereiche nach der Wahrscheinlichkeit des Auftretens in sogenannte Zonen ein. Eine Klassifizierung der Zonen ist in der „Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen“ zu finden und auch in den Normen EN 60 079-10 (Gas) und EN 61 241-0 (Staub). Ex-Zonen
Umfasst Bereiche, in denen eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre ...
Hierzu gehört in der Regel ...
Keine wirksame Zündquelle ...
Gase, Dämpfe, Nebel (EN 60 079-10) Zone 0
ständig oder langzeitig vorhanden ist [> 1000 Stunden/Jahr]
nur das Innere von Behältern im störungsfreien Betrieb, oder das Innere von bei seltenen BetriebsApparaturen störungen und bei häufigen Betriebsstörungen
Zone 1
gelegentlich auftritt [10 - 1000 Stunden/Jahr]
im störungsfreien Betrieb die nähere Umgebung der und bei häufigen BetriebsZone 0, von Beschickungsöffnungen, störungen von Füll-/Enleerungseinrichtungen etc.
Zone 2
nur selten und dann nur kurzzeitig auftritt [<10 Stunden/Jahr]
der Bereich, der Zone 0, 1 im störungsfreien Betrieb umgibt, bzw. um Flanschverbindungen
Stäube (EN 61 241-0) Zone 20
in Form einer Wolke brennbaren Staubes in Luft ständig oder langzeitig oder häufig vorhanden ist [> 1000 Stunden/Jahr]
nur das Innere von Apparaturen, Behältern (Mühlen, Trockner, Mischer), Rohrleitungen
im störungsfreien Betrieb, bei seltenen Betriebsstörungen und bei häufigen Betriebsstörungen
Zone 21
gelegentlich durch Aufwirbeln abgelagerten Staubes kurzzeitig auftritt [10 - 1000 Stunden/Jahr]
der Bereich in der Umgebung, z. B. von Staubentnahme- oder Füllstationen, oder Bereiche von Staubablagerungen
im störungsfreien Betrieb für aufgewirbelten Staub und bei seltenen Betriebsstörungen für abgelagerten Staub
Zone 22
nur selten und dann nur kurzzeitig auftritt [< 10 Stunden/Jahr]
Bereiche, in denen Staub aus im störungsfreien Betrieb Undichtheiten austreten und Staubablagerungen bilden kann
Tabelle 12:
Einteilung der Zonen
Der Errichter oder Betreiber einer Anlage muss beurteilen, ob in einem Bereich Explosionsgefahr besteht und eine entsprechende Zoneneinteilung vornehmen.
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7 Einteilung in Zonen
7 Einteilung in Zonen
Abbildung 13:
Beispiel: Gefahrguttransport
Zuluftventilator Filter
¥
Spritzraum ohne Verriegelung
Lufterhitzer
Abscheider
¥ Abluftventilator
Zuluftventilator ¥
Spritzraum mit Verriegelung (z. B. der Lüftung mit Druckluft)
Lufterhitzer
Filter
Abscheider
¥
Zone 2 Abbildung 14:
Abluftventilator Beispiel: Verwendung von Farben oder Lacken
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7 Einteilung in Zonen
7 Einteilung in Zonen
1m
Zone 0 Abbildung 15:
Zone 1
Zone 2
Natürliche oder künstliche Raumlüftung
Beispiel: Abwasserreinigungsanlage - Faulturm mit Treppenhaus
Hauptfabrikationsraum “A”
Reaktorraum “B”
Aufzug
Korridor Sozialräume
Büroräume
Lager
Schaltzentrale Zone 0 Abbildung 16:
Zone 1
Zone 2
Natürliche oder künstliche Raumlüftung
Beispiel: Produktion chemische Industrie
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7 Einteilung in Zonen
7 Einteilung in Zonen Ohne Konzentrationsüberwachung
Mit Konzentrationsüberwachung
Zone 0
Abbildung 17:
Zone 2
Gasspürkopf
Sturmlüftung
Natürliche oder künstliche Raumlüftung
Beispiel: Produktionsanlage mit und ohne Überwachung
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7 Einteilung in Zonen
8 Einteilung in Gerätegruppen und Kategorien Geräte werden nach der EU Richtlinie 94/9/EG noch zusätzlich in Gerätegruppen und Kategorien eingeteilt. Die Zuordnung zu einer Gerätegruppe und Kategorie ist Bestandteil der vorgeschriebenen Kennzeichnung der Geräte (Kapitel 3.3 „Kennzeichnung“). Aus der Angabe ist eindeutig zu sehen, in welcher Zone die Geräte eingesetzt werden dürfen. Gerätegruppe
Kategorie
Einsatzbereich: Ex-Bereiche Über- und Untertage für schlagwettergefährdete Grubenbauen
I
M1
Lang oder dauerhaft durch Grubengas gefährdete Bereiche (Stäube werden mit berücksichtigt).
Sehr hohes Maß an Sicherheit. Sicher bei zwei unabhängigen Fehlern. Zwei redundante Schutzmaßnahmen. Weiterbetrieb muss gewährleistet sein!
I
M2
Bereiche, die durch Grubengas gefährdet werden können (Stäube werden mit berücksichtigt).
Hohes Maß an Sicherheit. Abschaltung der Geräte muss möglich sein!
Gerätegruppe
Kategorie
Einsatzbereich: Ex-Bereiche außer schlagwettergefährdete Grubenbauen
II
1G 1D
Gase, Nebel, Dämpfe Stäube
Sehr hohes Maß an Sicherheit. Zwei unabhängige Fehler. Zwei redundante Schutzmaßnahmen.
II
2G 2D
Gase, Nebel, Dämpfe Stäube
Hohes Maß an Sicherheit.
II
3G 3D
Gase, Nebel, Dämpfe Stäube
Normales Maß an Sicherheit.
Tabelle 13:
Einteilung in Gruppen und Kategorien
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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8 Einteilung in Gerätegruppen und Kategorien
9 Anforderung an elektrische Betriebsmittel In diesem Kapitel wird eine kurze Zusammenfassung über Anforderungen an elektrische Betriebsmittel der einzelnen Ex-Zonen gegeben. Weitere Details sind in den jeweiligen Vorschriften zu finden.
9.1
Gas-Zonen (EN 60079-14)
9.1.1
Ex-Zone 0
- Es dürfen nur elektrische Betriebsmittel eingesetzt werden, die einer genormten Zündschutzart entsprechen (Kapitel 6 „Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel“). - Elektrische Betriebsmittel und Stromkreise dürfen in Zone 0 eingesetzt werden, wenn sie der EN 60 079-11, Schutzniveau „ia“ entsprechen. - Die Leitungen sind gegen mechanische Beschädigungen zu schützen, z. B. durch eine Stahlarmierung. - Kabel und Leitungen der eigensicheren Stromkreise sind zu kennzeichnen. - Innerhalb der Zone 0 ist ein zusätzlicher örtlicher Potenzialausgleich erforderlich. - Eine Zusammenschaltung mehrerer eigensicherer Stromkreise ist nicht ohne eine erneute Bescheinigung durch eine anerkannte Prüfstelle zulässig. - Als Alternative kann durch zweifache Sicherheit (Redundanz zweier unabhängiger Zündschutzarten nach EN 60 079-26) der Exlosionsschutz erreicht werden. - Bei der Zonentrennung mit einer Schutzhülse muss diese mindestens aus 1mm starkem Chromstahl sein.
9.1.2
Ex-Zone 1
- Es dürfen nur elektrische Betriebsmittel eingesetzt werden, ausgenommen Kabel und Leitungen, die einer genormten Zündschutzart entsprechen (Kapitel 6 „Auswahlkriterien für elektrische Betriebsmittel“). - Eigensichere Betriebsmittel müssen mindestens des Schutzniveaus „ib“ entsprechen. - Die zugehörigen elektrischen Betriebsmittel, wie Spannungsversorgung, Sicherheitsbarrieren etc., sind außerhalb der Gefahrenzone zu errichten, sofern sie nicht durch ein andere Zündschutzart explosionsgeschützt sind. - Werden mehrere eigensichere Stromkreise zusammengeschaltet, ist ein rechnerischer Nachweis der Eigensicherheit zu führen. - Zusammenschalten von Betriebsmitteln in eigensicheren Stromkreisen ist zulässig. Die Betriebsmittel dürfen in Bezug auf Strom- oder Spannung nicht überlastet werden. - Eigensichere Anschlussleitungen dürfen nicht mit anderen Anschlussleitungen zusammen verlegt werden. - Kabel und Leitungen der eigensicheren Stromkreise sind zu kennzeichnen.
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9 Anforderung an elektrische Betriebsmittel
9 Anforderung an elektrische Betriebsmittel 9.1.3
Ex-Zone 2
- Es dürfen Betriebsmittel verwendet werden, die für den Einsatz in Zone 0 bzw. 1 geeignet sind. - Ferner elektrische Betriebsmittel, die speziell für Zone 2 (Gerätekategorie 3) konstruiert sind (z. B. Zündschutzart „n“ nach EN 60 079-15). Sie müssen die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen erfüllen. Der Hersteller muss mindestens das Verfahren der internen Fertigungskontrolle anwenden (siehe EU-Richtlinie Anhang II und VIII). - Zulässig sind eigensichere Betriebsmittel, die minstens dem Schutzniveau „ic“ entsprechen. - Betriebsmittel, bei denen betriebsmäßig im Innern Funken oder Lichtbogen oder unzulässige Temperaturen entstehen, dürfen verwendet werden, wenn: - ihre Gehäuse mindestens der Schutzart IP54 entsprechen und ein innerer Unterdruck von 300Pa mehr als 80s benötigt, um auf 150Pa abzusinken (schwadensichere Gehäuse) oder - ihre Gehäuse auf einfache Art überdruckgekapselt sind. - Für elektrische Betriebsmittel müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: - Betriebsmittel mit blanken aktiven Teilen zum Einsatz im Freien müssen mindestens der Schutzart IP54 genügen. In geschlossenen Räumen genügt IP40. - Betriebsmittel mit ausschließlich isolierten Teilen zum Einsatz im Freien müssen mindestens der Schutzart IP44 genügen, in geschlossenen Räumen genügt IP20. - Einfache elektrische Betriebsmittel (siehe EN 60 079-11). Für Betriebsmittel für die Zone 2 müssen u. a. folgende Angaben durch den Hersteller gemacht werden: - Eignung für den Einsatz in Zone 2, - Angabe der betriebsmäßig auftretenden maximalen Oberflächentemperatur; Einstufung in eine Temperaturklasse, - Bei Leuchten: Angabe über Eignung zum Einsatz im Freien und / oder bei mechanischer Gefährdung. Hinweis: Bei einer Messkette dürfen Geräte der Kategorie 3 nicht mit Geräten der Kategorie 1 und 2 verschaltet werden.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
40
9 Anforderung an elektrische Betriebsmittel
9 Anforderung an elektrische Betriebsmittel 9.2
Staub-Zonen (EN 61 241-0)
9.2.1
Ex-Zone 20
- Es dürfen nur elektrische Betriebsmittel eingesetzt werden, die hierfür besonders geprüft und bescheinigt sind (Baumusterprüfung). - Das Gehäuse muss der Staubdichtheit IP6X nach EN 60 529 entsprechen. - Die maximal zulässige Oberflächentemperatur ist anzugeben. - Gerätekennzeichnung II 1D
9.2.2
Ex-Zone 21
- Eine Baumusterprüfung ist erforderlich. - Das Gehäuse muss der Staubdichtheit IP6X nach EN 60 529 entsprechen. - Die maximal zulässige Oberflächentemperatur ist anzugeben. - Gerätekennzeichnung II 2D
9.2.3
Ex-Zone 22
- Elektrische Betriebsmittel dürfen auch ohne besondere Prüfbescheinigungen eingesetzt werden, sofern sie einer genormten Zündschutzart entsprechen und die nachfolgenden Bestimmungen erfüllen. - Das Betriebsmittel muss mindestens dem Staubschutz IP5X. - Gerätekennzeichnung II 3D
Hinweis: Bei elektrisch leitfähigem Staub müssen auch in Zone 22 baumustergeprüfte Geräte mindestens der Kategorie II 2D eingesetzt werden.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
41
9 Anforderung an elektrische Betriebsmittel
9 Anforderung an elektrische Betriebsmittel 9.3
Temperaturbegrenzung bei Staub in Ex-Zonen
Maximal zulässige Oberflächentemperatur des Betriebsmittels in °C
- Die Oberflächentemperatur der Betriebsmittel darf nicht so hoch sein, dass aufgewirbelter Staub oder auf den Betriebsmitteln abgelagerter Staub gezündet werden kann. Dazu müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: a) Die Oberflächentemperatur darf 2/3 der Zündtemperatur in °C des jeweiligen Staub/LuftGemisches nicht überschreiten. b) An Flächen, auf denen eine gefährliche Ablagerung glimmfähigen Staubes nicht wirksam verhindert ist, darf die Oberflächentemperatur, die um 75K verminderte Glimmtemperatur des jeweiligen Staubes nicht überschreiten. Bei Schichtdicken über 5mm ist eine weitere Herabsetzung der Temperatur der Oberflächen erforderlich. c) Maßgeblich ist die niedrigere Temperatur, die nach Punkt a) und b) ermittelt wurde. Anmerkung: Als Oberfläche gilt hier die äußere Oberfläche des Betriebsmittels, (siehe auch EN 50 281-1-2). 400
Glimmtemperatur bei 5 mm Schichtdicke 400 °C £ T5 mm 320 °C £ T5 mm < 400 °C
300
250 °C £ T5 mm < 320 °C 200
100
0
0
10
20
30
40
50
Schichtdicke in mm
Abbildung 18:
Verminderung der maximal zulässigen Oberflächentemperatur bei zunehmender Schichtdicke der Staubauflage
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
42
9 Anforderung an elektrische Betriebsmittel
10 Zusammenhang Zone - Kategorie RL 1999/92/EG
RL 94/9/EG
Zoneneinteilung
Geräteanforderung
Definition
Kategorie
Gas
Staub
explosionsfähige Atmosphäre vorhanden
Gas
Staub
Zone 0
Zone 20
ständig, lanzeitig, häufig
1G
1D
Zone 1
Zone 21
gelegentlich
2G
2D
Zone 2
Zone 22
selten und kurzfristig
3G
3D*
* Bei leitfähigem Staub ist ein elektrisches Betriebsmittel mindestens der Kategorie 2D einzusetzen.
Tabelle 14:
Einteilung Zonen und Kategorien
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
43
10 Zusammenhang Zone - Kategorie
11 Schutzarten Die Gehäuse der elektrischen Betriebsmittel, die in den verschiedenen Zonen eingesetzt werden, müssen bestimmten Schutzarten entsprechen. Die Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen den Kennziffern und den Schutzmaßnahmen. Grundlage bildet die EN 60 529, in der auch die Prüfkriterien beschrieben sind. Beispiel: IP54 5 = staubgeschützt 4 = spritzwassergeschützt IPXX
Erste Ziffer
Kennziffer
Berührungsschutz
Fremdkörper
Wasserschutz
0
kein Schutz
kein Schutz
kein Schutz
1
Berühren mit Handrücken
Fremdkörper 50mm Ø
Senkrecht tropfendes Wasser
2
Berühren mit Fingern
Fremdkörper 12,5mm Ø
Schräg (15°) tropfendes Wasser
3
Berühren mit Werkzeug
Fremdkörper 2,5mm Ø
Sprühwasser schräg bis 60°
4
Berühren mit Draht
Fremdkörper 1,0mm Ø
Spritzwasser aus allen Richtungen
5
Berühren mit Draht
Staubgeschützt
Strahlwasser
6
Berühren mit Draht
Staubdicht
Starkes Strahlwasser
7
-
-
Zeitweiliges Untertauchen in Wasser
8
-
-
Dauerndes Untertauchen in Wasser
Tabelle 15:
Zweite Ziffer
Schutzmaßnahmen von Gehäusen
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
44
11 Schutzarten
12 Einfache elektrische Betriebsmittel Die EN 60 079-11 lässt einfache elektrische Betriebsmittel außerhalb der Ex-Zone 0 unter folgenden Voraussetzungen zu: - Sie müssen die Baubestimmungen nach EN 60 079-11 einhalten, - Sie dürfen keine eigene Spannungsquelle enthalten, - Sie dürfen keine potenzielle Zündquelle beinhalten, - Das Betriebsmittel wird in einem eigensicheren Stromkreis betrieben, - Es muss einer Temperaturklasse zugeordnet sein. Energiequellen
Passive Bauelemente
Energiespeicher
Thermoelement Fotodiode max. Werte 1,5V; 100mA; 25mW
Schalter Widerstände einfache Halbleiterbauelemente Potentiometer
Kondensator Spule
Tabelle 16:
Einfache elektrische Betriebsmittel
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
45
12 Einfache elektrische Betriebsmittel
13 Zündschutzart Ex „i“ Eigensicherheit Die Zündschutzart Ex „i“ gehört zu den sekundären Explosionsschutzmaßnahmen. Sie ist nötig, wenn das Entstehen einer explosionsfähigen Atmosphäre nicht verhindert werden kann. Deshalb muss ausgeschlossen sein, dass die für die Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre notwendige Energie freigesetzt wird. Diese Energie entsteht: - durch Erwärmung der elektrischen Betriebsmittel oder der Leitungen, - durch Funken, die beim Öffnen und Schließen des Stromkreises während des Betriebs oder im Fehlerfall bei Kurzschluss und Erdschluss entstehen, - durch Funken, die durch Entladen von elektrostatischer Energie entstehen. Verhindert werden kann dieses durch die Begrenzung von: - Spannung, - Strom, - Leistung, - Kapazitäten, - Induktivitäten. Die im Betriebszustand oder im Fehlerfall auftretende Energie wird durch die Begrenzung so gering gehalten, dass eine Zündung nicht erfolgt.
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46
13 Zündschutzart Ex „i“ Eigensicherheit
13 Zündschutzart Ex „i“ Eigensicherheit 13.1 Begriffsdefinition nach EN 60 079-11 Eigensicherer Stromkreis Die Energie des Stromkreises ist so begrenzt, dass sie nicht ausreicht, eine Zündung zu verursachen. Das gilt sowohl für eine Funkenbildung, als auch für thermische Effekte. Prüfbedingungen mit bestimmten explosionsfähigen Atmosphären sind festgelegt. Die Prüfungen umfassen den ungestörten Betrieb und festgelegte Fehlerbedingungen. Elektrisches Betriebsmittel Ein elektrisches Betriebsmittel ist die Gesamtheit von elektrischen Bauteilen und Stromkreisen oder Teilen von Stromkreisen, die sich üblicherweise in einem einzigen Gehäuse befinden. Eigensicheres elektrisches Betriebsmittel Ein elektrisches Betriebsmittel, in dem alle Stromkreise eigensicher sind. Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel Ein elektrisches Betriebsmittel, in dem nicht alle Stromkreise eigensicher sind. Konstruktiv bedingt können die nichteigensicheren Stromkreise die eigensicheren Stromkreise jedoch nicht beeinträchtigen. Die Kennzeichnung der zugehörigen Betriebsmittel erfolgt mit Klammern, z. B. II (1) G [Ex ia] II C. Ein zugehöriges elektrisches Betriebsmittel kann bei entsprechendem Schutz (Zündschutzart nach EN 60 079-0) im explosionsgefährdeten Bereich verwendet werden. Bei ungenügendem Schutz muss es außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs eingesetzt werden. Beispiel: Ein Messumformer (JUMO dTRANS T02) befindet sich nicht im explosionsgefährdeten Bereich, ist aber an ein im explosionsgefährdeten Bereich befindliches Thermoelement angeschlossen. Nur der Eingangsstromkreis des Messumformers ist eigensicher. Ungestörter Betrieb Ein eigensicheres oder ein zugehöriges elektrisches Betriebsmittel arbeitet im Normalbetrieb, wenn es elektrisch und mechanisch mit seinen Nennwerten übereinstimmt. Es muss innerhalb der Grenzen verwendet werden, die durch den Hersteller festgelegt wurden. Fehler Defekte Bauteile und Trennungen, Isolierungen oder fehlerhafte Verbindungen zwischen Bauteilen sind als Fehler zu betrachten, wenn von ihnen die Eigensicherheit eines Stromkreises abhängt. Anmerkung: - Führt ein Fehler zu einem oder mehreren Folgefehlern, werden der primäre und der Folgefehler als ein einziger Fehler betrachtet. - Die Anwendung eines Funkenprüfgerätes in einem Stromkreis zum Erzeugen von Unterbrechungen, Kurzschlüssen oder Erdschlüssen ist als Prüfung des ungestörten Betriebes anzusehen. Nicht störanfällige Bauteile/Baugruppen Bauteile und Baugruppen, die im Betrieb oder während der Lagerung nicht in solcher Weise schadhaft werden, dass sie die Eigensicherheit des Stromkreises beeinträchtigt. Sie werden bei den Prüfungen auf Eigensicherheit als nicht störanfällig angesehen.
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47
13 Zündschutzart Ex „i“ Eigensicherheit
14 Eigensichere elektrische Betriebsmittel Die Anforderungen der EN 60 079-11 Eigensicherheit „i“ Abschnitt 6 sind soweit zu beachten, wie sie zur Zündschutzart eigensicherer Betriebmittel und der zugehörigen Betriebsmittel beitragen. Die allgemeinen Bestimmungen nach EN 60 079-0 sind ebenfalls zu berücksichtigen.
14.1 Verdrahtung Durchmesser
Drahtquerschnitt
Max. zulässiger Strom für die Einteilung in Temperaturklassen T1 - T4 und Gruppe I
T5
T6
0,035mm
0,000962mm2
0,53A
0,48A
0,43A
0,050mm
0,00196mm2
1,04A
0,93A
0,84A
0,100mm
0,00785mm2
2,10A
1,90A
1,70A
0,200mm
0,013mm2
3,70A
3,30A
3,00A
0,350mm
0,0962mm2
6,40A
5,60A
5,00A
0,500mm
0,196mm2
7,70A
6,90A
6,70A
Tabelle 17:
Einteilung der Kupferverdrahtung in Temperaturklassen
14.2 Montage der Bauteile Die Bauteile müssen sicher befestigt sein, damit eine Verkleinerung der Abstände verhindert ist. Bei Verwendung einer Vergussmasse muss dafür gesorgt werden, dass die Bauteile oder die Anschlüsse während des Vergießens nicht beschädigt werden.
14.3 Gehäuse Wenn die Eigensicherheit durch Zugang zu leitenden Teilen beeinträchtigt werden kann, ist ein Gehäuse mit einer Schutzart von mindestens IP20 nach EN 60 529 vorzusehen. Bei Bergwerken, Unter- und Übertagebau, ist im allgemeinen die Schutzart IP54 nach EN 60 529 vorgesehen.
14.4 Anschlussklemmen Der Mindestabstand von eigensicheren und nichteigensicheren Anschlussteilen oder blanken Leitern beträgt 50mm. Trennung durch isolierende oder metallische geerdete Wände ist möglich.
14.5 Steckverbinder Sie müssen getrennt zwischen eigensicheren und nichteigensicheren Stromkreisen und gegen Vertauschen sicher geschützt sein.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
48
14 Eigensichere elektrische Betriebsmittel
14 Eigensichere elektrische Betriebsmittel 14.6 Leiterbahnen Mindestbreite der Leiterbahn
Max. zulässiger Strom für die Einteilung in Temperaturklassen T1 - T4 und Gruppe I
T5
T6
A
A
A
0,075
0,8
0,6
0,5
0,1
1,0
0,8
0,7
0,125
1,2
1,0
0,8
0,15
1,4
1,1
1,0
0,2
1,8
1,4
1,2
. . .
. . .
. . .
. . .
2,0
9,9
7,9
6,9
2,5
11,6
9,3
8,1
3,0
13,3
10,7
9,3
4,0
16,4
13,2
11,4
5,0
19,3
15,5
13,5
6,0
22,0
17,7
15,4
in mm
Tabelle 18:
Einteilung der Leiterbahnen auf Leiterplatten in Temperaturklassen (Auszug)
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
49
14 Eigensichere elektrische Betriebsmittel
14 Eigensichere elektrische Betriebsmittel 14.7 Luftstrecken, Kriechstrecken und Abstände im Verguss Luftstrecken, Kriechstrecken und Abstände im Verguss zwischen blanken leitfähigen Teilen - eines eigensicheren und nichteigensicheren Stromkreises, - von zwei verschiedenen eigensicheren Stromkreisen, - des gleichen Stromkreises, - eines Stromkreises und geerdeten metallischen Teilen, werden als nicht störanfällig angesehen, wenn die Bestimmungen aus der Tabelle 19 erfüllt sind. 1
2
Spannung (Spitzenwert)
Luftstrecke
V
mm
Schutzniveau
3
4
5
Trennabstand Trennabstand durch Verguss durch feste Isolierung
mm
6
7
Kriechstrecke Kriechstrecke in Luft unter der Schutzschicht
mm
mm
Kriechstromzahl (CTI)
mm
ia, ib
ic
ia, ib
ic
ia, ib
ic
ia, ib
ic
ia, ib
ic
ia
ib, ic
10
1,5
0,4
0,5
0,2
0,5
0,2
1,5
1,0
0,5
0,3
-
30
2,0
0,8
0,7
0,2
0,5
0,2
2,0
1,3
0,7
0,3
100
100
60
3,0
0,8
1,0
0,3
0,5
0,3
3,0
1,9
1,0
0,6
100
100
90
4,0
0,8
1,3
0,3
0,7
0,3
4,0
2,1
1,3
0,6
100
100
190
5,0
1,5
1,7
0,6
0,8
0,6
8,0
2,5
2,6
1,1
175
175
375
6,0
2,5
2,0
0,6
1,0
0,6
10,0
4,0
3,3
1,7
175
175
550
7,0
4,0
2,4
0,8
1,2
0,8
15,0
6,3
5,0
2,4
275
175
750
8,0
5,0
2,7
0,9
1,4
0,9
18,0
10,0
6,0
2,9
275
175
1000
10,0
7,0
3,3
1,1
1,7
1,1
25,0
12,5
8,3
4,0
275
175
1300
14,0
8,0
4,6
1,7
2,3
1,7
36,0
13,0
12,0
5,8
275
175
1575
16,0
10,0
5,3
*
2,7
*
49,0
15,0
16,3
*
275
175
3,3k
*
18,0
9,0
*
4,5
*
*
32,0
*
*
*
*
4,7k
*
22,0
12,0
*
6,0
*
*
50,0
*
*
*
*
9,5k
*
45,0
20,0
*
10,0
*
*
100,0
*
*
*
*
15,6k
*
70,0
33,0
*
16,5
*
*
150,0
*
*
*
*
Der Nachweis für die Einhaltung der CTI-Anforderungen der Isolierstoffe muss vom Hersteller erbracht werden. Bei Spannungen bis zu 10V braucht keine Kriechstromzahl für Isolierstoffe festgelegt zu werden. * Gegenwärtig werden für diese Spannungen keine Werte vorgeschlagen.
Tabelle 19:
Luft- und Kriechstrecken und Trennabstände (EN 60 079-11)
14.8 Erdung Wenn die Erdung eines eigensicheren Stromkreises aus Funktions- und Sicherheitsgründen erforderlich ist, muss die Art der Erdung so beschaffen sein, dass nachteilige Auswirkungen auf die Eigensicherheit des Stromkreises vermieden werden.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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14 Eigensichere elektrische Betriebsmittel
14 Eigensichere elektrische Betriebsmittel 14.9 Isolation Die Isolation muss gewährleistet sein: - zwischen eigensicherem Stromkreis und Chassis; Prüfwechselspannung minimal 500V eff, 1min. - zwischen eigensicherem und nichteigensicherem Stromkreis; Prüfwechselspannung minimal 1500V eff, 1min.
Ex-Bereich
Nicht Ex-Bereich
~
~
G
G
500 V eff
1500 V eff
Widerstandsthermometer (stark vergrößert dargestellt) Abbildung 19:
Messumformer (zugehörendes Betriebsmittel)
Isolationsanforderungen am Beispiel eines eigensicheren Stromkreises
14.10 Bauteile, von denen die Eigensicherheit abhängt Im Abschnitt 7 der EN 60 079-11 sind die Baubestimmung für Bauteile exakt definiert. Die wichtigsten sind: - Maximale Belastbarkeit der Bauteile 2/3 der Nennwerte von U,I,P, - Steckverbinder dürfen nicht verwechselbar sein, - Halbleiter zur Spannungsbegrenzung müssen den möglichen 1,5fachen Kurzschlussstrom, ohne zu unterbrechen, führen können, - Halbleiter zur Strombegrenzung dürfen nur in der Kategorie „ib“ eingesetzt werden, - Störanfällige Bauteile müssen 2- bzw. 3fach ausgeführt werden, - Bei nicht störanfälligen Bauteilen genügt eine einfache Ausführung. Die Bauteile sind in der EN 60 079-11 Abschnitt 8 definiert.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
51
14 Eigensichere elektrische Betriebsmittel
15 Speisetrenner Um eine sichere galvanische Trennung zwischen den expolsionsgefährdeten Zonen und dem explosionsfreien Bereich zu bekommen, werden Speisetrenner eingesetzt. Sie versorgen z. B. Zweidraht-Messumformer mit einer Betriebsspannung und übertragen das Messsignal galvanisch getrennt zum Ausgang. Die Versorgungsleistung zum Zweidraht-Messumformer ist begrenzt. Bei einer galvanischen Trennung besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen den Stromkreisen. Maßgebend für die Isolationskoordinaten sind die anliegenden Spannungen. Bei sicherer galvanischer Trennung muss doppelte oder verstärkte Isolierung vorhanden sein. Bei dem Speisetrenner besteht die galvanische Trennung zwischen der Hilfsenergie und dem eigensicheren Eingangsstromkreis, der Hilfsenergie und dem Ausgangsstromkreis, sowie zwischen dem Eingangs- und Ausgangsstromkreis. Durch die vorhandene galvanische Trennung lässt sich der Speisetrenner in Verbindung mit Geräten in allen Zonen einsetzen.
Ex-Bereich
Ex-ZweidrahtMessumformer
MessumformerSpeisegerät
+
P
=
Regler
Nicht Ex-Bereich
+
4...20mA
-
-
= = ~ L1
Anzeigegerät
-
+
+
Registriergerät
-
+
-
+
-
+ 0...20mA / 4...20mA
-
N
-
+
+
-
+ 0...10V / 2...10V
Abbildung 20:
Einsatzmöglichkeit eines Speisetrenners
In einigen Fällen kann man auch statt einem Speisetrenner eine Sicherheitsbarriere nach EN 60 079-0 und EN 60 079-11 einsetzen.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
52
15 Speisetrenner
16 Sicherheitsbarrieren 16.1 Kurzbeschreibung Sicherheitsbarrieren sind passive Netzwerke zur Trennung eigensicherer Stromkreise von nicht eigensicheren Stromkreisen ohne galvanische Trennung. Durch den Einbau ist es möglich, im nicht eigensicheren Teil Normalinstrumentierung und -installation zu verwenden. Es dürfen jedoch keine Spannungen größer 250V auftreten. Ein Nachteil der Sicherheitsbarriere ist ihr relativ hoher ohm’sche Widerstand. Er muss beim Leitungsabgleich berücksichtigt werden. Die Sicherheitsbarrieren werden immer außerhalb des Ex-Bereiches montiert.
Abbildung 21:
Blockschaltbild einer Sicherheitsbarriere
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
53
16 Sicherheitsbarrieren
16 Sicherheitsbarrieren 16.2 Funktionsprinzip von Sicherheitsbarrieren Sicherheitsbarrieren haben die Aufgabe, die in einen eigensicheren Stromkreis eingespeiste Leistung so zu begrenzen, dass weder durch Funken noch heiße Oberflächen eine Zündung erfolgen kann. Sicherheitsbarrieren bestehen aus drei wichtigen Bestandteilen: - Zenerdioden zur Spannungsbegrenzung, - Widerstände zur Strombegrenzung, - Sicherungen zum Schutz der Zenerdioden. Sicherheitsbarrieren sind in der Regel zwischen Ein- und Ausgang nicht galvanisch getrennt. Dadurch könnten Potenzialdifferenzen entstehen, welche die Eigensicherheit aufheben und den Explosionsschutz unwirksam werden lassen. Diese Sicherheitsbarrieren müssen an ein Potenzialausgleichs- bzw. Erdungssystem angeschlossen werden. Sie sind deshalb so konstruiert, dass sie direkt über die elektrisch leitende Aufschnapp-Mechanik mit der Klemme PE (Protection Earth) verbunden werden.
Regler
2
1 Thermoausgleichsleitung
2
1
2
sicherer Bereich
1
Tragschiene
Ex-Bereich
3
Abbildung 22:
4
+
3
4
- Thermoelement
Anschluss eines Thermoelementes über zwei Sicherheitsbarrieren
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
54
16 Sicherheitsbarrieren
16 Sicherheitsbarrieren 16.3 Sicherheitsbarrieren mit galvanischer Trennung Für die Ex-Zone 0 können nur Sicherheitsbarrieren mit galvanischer Trennung eingesetzt werden. Eine betriebsmäßige Erdverbindung der eigensicheren Betriebsmittel ist hier erlaubt. Es entsteht kein Messfehler durch unterschiedliche Erdpotenziale. Eigensicherer Stromkreis und Auswertegerät können auf unterschiedlichem Potenzial liegen. Da kein Potenzialausgleich nötig ist, verringert sich der Installationsaufwand.
1
3
UN
Ex
2
4
/PA Abbildung 23:
Blockschaltbild einer Sicherheitsbarriere mit galvanischer Trennung
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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16 Sicherheitsbarrieren
17 Typprüfung eigensicherer Betriebsmittel Eigensichere Betriebsmittel sind einer Typprüfung zu unterziehen. Bei der damit verbundenen Funkenprüfung ist nachzuweisen, dass die Stromkreise nicht in der Lage sind, eine Zündung zu verursachen. Die nach Norm festgelegten Bedingungen der Kategorie und Gerätegruppe sind zu beachten. Für diese Prüfung wird das abgebildete Funkenprüfgerät verwendet. Näheres siehe EN 60 079-11 Anhang B.
Abbildung 24:
Funkenprüfgerät
Je nach Explosionsgruppen werden unterschiedliche Prüfgemische verwendet. Im Allgemeinen sind die nachstehend im volumetrischen Verhältnis mit Luft unter atmosphärischem Druck angegebenen Prüfgase zu verwenden. Gruppe
Volumetrisches Verhältnis
Gas
I
8,3 ±0,3%
Methan in Luft
IIA
5,25 ±0,25%
Propan in Luft
IIB
7,8 ±0,5%
Ethylen in Luft
IIC
21,0 ±2,0%
Wasserstoff in Luft
Tabelle 20:
Explosionsgruppen
Diese Prüfung erfolgt im ungestörten Betrieb des Stromkreises. Je nach der Kategorie des entsprechenden Betriebsmittels wird die Prüfung auch bei Vorhandensein von einem oder zwei Fehlern durchgeführt. Die Maximalwerte der äußeren Kapazität und Induktivität sind zu berücksichtigen. Bei Gleichstromkreisen werden wenigstens 400 Umdrehungen (200 je Polarität) und 1000 Umdrehungen bei Wechselstromkreisen durchgeführt. Zusätzlich ist ein Sicherheitsfaktor von 1,5 zu berücksichtigen. Es darf während der Prüfreihe auf keinen Fall zu einer Zündung kommen. Auf die Prüfung mit dem Funkenprüfgerät darf verzichtet werden, wenn der Aufbau und die elektrischen Werte der Betriebsmittels so genau definiert sind, dass seine Sicherheit auf Grund der Zündgrenzkurven festgestellt werden kann. Eigensichere elektrische Betriebsmittel werden keiner Prüfung der Oberflächentemperatur unterzogen, wenn ihre elektrischen Verhältnisse so ausreichend definiert sind, dass Ihre Oberflächentemperatur daraus bestimmt werden kann. JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
56
17 Typprüfung eigensicherer Betriebsmittel
17 Typprüfung eigensicherer Betriebsmittel 17.1 Zündgrenzkurven (Referenzkurven) Zündgrenzkurven dienen als Grundlage zur Bewertung einfacher Stromkreise. Diese können ohm’sch, induktiv oder kapazitiv sein. Es müssen immer alle drei Grenzfälle (ohm’sch, induktiv und kapazitiv) berücksichtigt werden. Die Gesamtkapazität und Gesamtinduktivität des Stromkreises muss so begrenzt werden, dass kein zündfähiger Funken entstehen kann. Die Zündgrenzkurven sind in der EN 60 079-11 Anhang A dargestellt.
Abbildung 25:
Beispiel einer Zündgrenzkurve mit einem ohm’schen Stromkreis
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
57
17 Typprüfung eigensicherer Betriebsmittel
17 Typprüfung eigensicherer Betriebsmittel Sie gelten jedoch nur für elektrische Betriebsmittel mit linearem Strom-/Spannungsausgang. Der Hersteller muss für jedes Betriebsmittel oder zugehöriges Betriebsmittel die Grenzwerte für Spannung U, Strom I, Leistung P, Kapazität C und Induktivität L angeben, bei deren Einhaltung die Eigensicherheit gewährleistet ist. Bei der angegeben Spannung U handelt es sich um die Leerlaufspannung und bei dem angegebenem Strom I um den Kurzschlussstrom. Gasgruppe
IIC
Sicherheitsfaktor
x1
IIB x1,5
x1
Spannung in V
IIA x1,5
x1
x1,5
Strom in mA
. . . 18,0
660
440
1660
1106
2238
1492
18,1
648
432
1630
1087
2188
1459
24,5
248
166
618
412
841
561
24,6
246
164
612
408
830
554
44,5
69,5
46,3
173
115
231
154
45,0
68,0
45,3
169
113
227
151
. . .
. . .
Tabelle 21:
Zulässiger Kurzschlussstrom entsprechend der Spannung und Gasgruppe (Auszug)
17.2 Nachweis der Eigensicherheit Betrachtung 1: Die einfachste und am häufigsten anzutreffende Situation ist die Zusammenschaltung eines eigensicheren elektrischen Betriebsmittels mit einem zugehörendem elektrischen Betriebsmittel. Das zugehörige Betriebsmittel ist aktiv, das eigensichere Betriebsmittel passiv. Beide Geräte haben eine lineare Kennlinie. Nach der Norm EN 60 079-0 Abschnitt 12 muss ein Vergleich der Maximalwerte durchgeführt werden. Die Werte sind entweder den Typenschildern der Betriebsmittel, den Betriebsanleitungen oder den Baumusterprüfbescheinigungen zu entnehmen. Dabei sind die Kapazitäten und Induktivitäten der Verbindungsleitung in den Vergleich mit einzubeziehen. Besonders ist das Erwärmungsverhalten im Normalbetrieb und im Fehlerfall zu beachten. Betrachtung 2: Ist das eigensichere Betriebsmittel und das zugehörige Betriebsmittel aktiv, so sind die Spannungen und Ströme zu addieren. Der rechnerische Nachweis ist anhand der Zündgrenzkurven sowie die Fehlerbetrachtung nach der Norm EN 60 079-11 zu erbringen. Betrachtung 3: Sind aktive eigensichere Betriebsmittel mit nicht linearer Kennlinie zusammengeschaltet, so muss ein Berechnungsverfahren erfolgen. Da die beiden zuletzt genannten Beispiele in der Praxis seltener anzutreffen sind, wird hier nicht näher auf den Nachweis der Eigensicherheit eingegangen. Es sind in einem solchen Fall die einschlägigen Vorschriften zu beachten.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
58
17 Typprüfung eigensicherer Betriebsmittel
18 Anschlussbeispiele
11 mW
Keine explosionsfähige Atmosphäre
ZONE 1 / 2
ZONE 0 Zonentrennung (³ = 1 mm Chromstahl) 11 mW
Widerstandsthermometer Abbildung 26:
Messumformer
Widerstandsthermometer mit Messumformer als zugehörendes elektrisches Betriebsmittel
750 mW
Keine explosionsfähige Atmosphäre
MU Exi-Kopfmessumformer
ZONE 1 / 2
ZONE 0 Spannungsversorgung
Zonentrennung (³ = 1 mm Chromstahl) 11 mW
Widerstandsthermometer Abbildung 27:
Speisetrenner
Widerstandsthermometer mit eingebautem Kopfmessumformer und Speisetrenner als zugehörendes Betriebsmittel
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
59
18 Anschlussbeispiele
18 Anschlussbeispiele Keine explosionsfähige Atmosphäre
UI , II , PI
³
U0, I0, P0
UI , II , PI
³
U0, I0, P0
Messumformer nicht in Kopf eingebaut Baumuster-Prüfbescheinigung
Angabe erforderlich über Isolation/Abstände; Materialien; Oberflächenwiderstand; Temperaturklasse; Erwärmung im Fehlerfall; Schutzrohrkonstante; Maximale U, I, P
Abbildung 28:
Zugehöriges Betriebsmittel BaumusterPrüfbescheinigung
Zusammenschaltung von eigensicheren Geräten
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
60
18 Anschlussbeispiele
19 JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX Widerstandsthermometer sind in einer explosionsfähigen Atmosphäre besonders zu beachtende Bauteile. Gerade beim Zusammenschalten von Widerstandsthermometern mit anderen Betriebsmitteln ist große Sorgfalt geboten. JUMO ist daher dazu übergegangen, bei verschiedenen Ausführungen von Widerstandsthermometern eine Baumusterprüfung nach der EU-Richtlinie 94/9/EG (ATEX) durchführen zu lassen. Die Einstufung eines Widerstandsthermometers in eine Temperaturklasse hängt von dem Eigenerwärmungsverhalten (Schutzrohrkonstante SK) und der im Fehlerfall maximal auftretenden Leistung der angeschlossenen Elektronik ab. Wird ein Widerstandsthermometer beispielsweise an einen Messumformer angeschlossen, so erzeugt der Messstrom des Umformers eine vernachlässigbare geringe Eigenerwärmung des Sensors im ungestörten Betrieb. Im Fehlerfall (gestörter Betrieb) kann jedoch ein sehr hoher Strom durch das Widerstandsthermometer die Eigenerwärmung stark erhöhen. Ein Nichtbeachten dieser Eigenerwärmung hätte katastrophale Folgen. Der Grenzwert der Temperaturklasse würde überschritten. In Messreihen wurde für die jeweilige Thermometer-Ausführung eine Schutzrohrkonstante ermittelt. Diese ist dem Datenblatt des Thermometers zu entnehmen. Der Errichter oder Betreiber einer Anlage im explosionsgefährdeten Bereich kann mit Hilfe der Schutzrohrkonstante bei der Zusammenschaltung von Thermometer mit weiteren Betriebsmitteln so die maximal zulässige Messtemperatur an der Spitze des Thermometers rechnerisch ermitteln. Den Zusammenhang zwischen der maximalen Messtemperatur, Schutzrohrkonstante und der Oberflächentemperatur ergibt sich aus der Beziehung
T s = T k – ( P o ⋅ SK ) Ts
Höchst zulässige Temperatur an der Spitze des Widerstandsthermometers (Messtemperatur) in Grad Celsius [°C]
Tk
Höchst zulässige Oberflächentemperatur in Abhängigkeit der Temperaturklasse in Grad Celsius [°C]
Po
Leistung des eigensicheren Stromkreises in Watt [W]
SK
Schutzrohrkonstante; äußerer Wärmewiderstand des Fühlers in Kelvin pro Watt [K/W]
Der Einfluss von Induktivitäten und Kapazitäten ist hier vernachlässigbar klein. Er wird daher in den folgenden Betrachtungen nicht berücksichtigt. Beispiel 1: Die maximale Leistung eines zugehörenden elektrischen Betriebsmittels (beispielsweise ein Messumformer) ist auf 0,5W im Fehlerfall begrenzt. In den eigensicheren Stromkreisen des Betriebsmittels ist ein Widerstandsthermometer mit eingebunden. Die Schutzrohrkonstante beträgt 66 K/W (Abbildung 29). Angenommen wird die Temperaturklasse T4. Dies entspricht einer maximal zulässigen Oberflächentemperatur von 135°C. Nach Europanorm EN 60 079-0 muss bei der thermischen Prüfung von den Grenzwerten der Temperaturklassen T6, T5, T4 und T3 5K und bei T1 und T2 10K abgezogen werden. Somit ergibt sich folgende Berechnung:
T s = ( 135 °C – 5 K ) – ( 0,5 W × 66 K/W ) T s = 97 °C
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19 JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX
19 JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX Die Temperatur des Messmediums darf an der Spitze des Widerstandsthermometers maximal 97°C betragen. Damit ist auch im Fehlerfall gewährleistet, dass die Temperaturklasse T4 nicht überschritten wird. Beispiel 2: Ein Messumformer wird in den Anschlusskopf des Widerstandsthermometers direkt mit eingebaut. Das komplette Widerstandsthermometer inkl. Messumformer befindet sich in einer explosionsfähigen Atmosphäre (Abbildung 30). In diesem Fall reicht es nicht aus, wie in Beispiel 1, nur die maximal zulässige Temperatur des Mediums zu ermitteln. Es muss zusätzlich noch die Umgebungstemperatur des Messumformers im Anschlusskopf betrachtet werden. Die spezifischen Daten des Messumformers (Tabelle 22), die Abstrahlungswärme des zu messenden Mediums, die Eigenerwärmung im Anschlusskopf und die Umgebungstemperatur des Anschlusskopfes sind zu berücksichtigen. Bei JUMO-Produkten ergeben sich z. B. folgende Werte: JUMO-Produkte
Po
Io
Uo
Pi
Ii
Ui
T6
T5
T4
Speisetrenner Typ 707520
547mW
87,4mA
25V
-
-
-
-
-
-
Messumformer Typ 707015
11mW
4,5mA
9,6V
750mW
100mA
30V
55°C
70°C
85°C
Index i = input; o = output
Tabelle 22:
Gerätespezifische Daten
Auf Grund der Daten ist schon erkennbar, dass die maximalen Werte des Speisetrenners (Po; Io; Uo) unter den Grenzwerten des Messumformers (Pi; Ii; Ui) liegen. Ein Anschluss ist also möglich. Das verwendete JUMO-Widerstandsthermometer ist mit dem eigensicheren Schaltkreis des Messumformers verbunden. Die maximale Ausgangsleistung des Messumformers beträgt Po = 11mW. Betrachtung Widerstandsthermometer: Bei einer angenommenen Schutzrohrkonstanten von SK = 66,14K/W ergibt sich bei Zugrundelegung einer Temperaturklasse von T6 eine maximale Messtemperatur von
T s = ( 85 °C – 5 K ) – ( 0,011 W × 66,14 K/W ) T s = 79,3 °C Bedingt durch die sehr geringe Leistung des Messumformers im Fehlerfall muss die Temperatur des Mediums nur um 5,7K niedriger sein als der Grenzwert der Temperaturklasse T6 (85°C). Betrachtung Anschlusskopf mit Messumformer: Bei diesem Beispiel darf die Umgebungstemperatur des Messumformers TMU [°C] bei der Temperaturklasse T6 nur 55°C betragen (Tabelle 22). Diese Temperaturangabe bezieht sich auf die unmittelbare Umgebung des Messumformers. Der Errichter oder Betreiber der Anlage muss also darauf achten, dass die Eigenerwärmung des Messumformers, die Abstrahlwärme des zu messenden Mediums und die Umgebungstemperatur um den Anschlusskopf herum das Innere des Anschlusskopfes nicht über 55°C erwärmt. Hilfestellung gibt hier wieder das Datenblatt des Widerstandsthermometers. Bei einer Verlustleistung von 750mW des Messumformers muss mit einer Erhöhung der Innentemperatur TV [K] von +10K gerechnet werden.
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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19 JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX
19 JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX In Messreihen wurden unter „worst case“-Bedingungen die Erhöhungen der Kopfinnentemperatur durch Abstrahlungswärme TA [K] ermittelt. Bei einem Widerstandsthermometer mit einer Halsrohrlänge von 130mm, einer Mediumstemperatur von 300°C beträgt die Erhöhung 18K. Eine lineare Umrechnung auf andere Längen und Temperaturen ist möglich. Geht man in unserem Beispiel davon aus, dass die Temperatur des zu messenden Mediums nur 79,3°C betragen darf, ergibt sich, linear umgerechnet, eine Erhöhung der Innentemperatur durch die Abstrahlwärme TA [K] von rund +5K. Daraus resultiert eine zulässige Umgebungstemperatur UT [°C] (Kopfaußentemperatur) von
U T = T MU – T V – T A U T = 55 °C – 10 K – 5 K U T = 40 °C Hinweis: Es ist bei Geräten der Kategorie 1 (Einsatz in Zone 0), also auch bei Widerstandsthermometern, darauf zu achten, dass bei Betriebsstörungen die Oberflächentemperatur dieser Geräte nicht 80% der Zündtemperatur [°C] eingesetzter brennbarer Gase oder Flüssigkeiten überschreitet (EN 1127)!
Ex-Bereich
Nicht Ex-Bereich
Po = 0,5 W
Spannungsversorgung
^ 135 °C Temperaturklasse T4 = Schutzrohrkonstante 66 K/W
Messumformer (zugehörendes Betriebsmittel)
Widerstandsthermometer
Abbildung 29:
Widerstandsthermometer mit zugehörendem Betriebsmittel
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19 JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX
19 JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX Ex-Bereich
Nicht Ex-Bereich
Umgebungstemperatureinfluss Messumformer Temperaturklasse T6
Po = < 547 mW
~ ~ ~
P i 750 mW Po 11 mW Abstrahlungswärme
P = 11 mW Spannungsversorgung ^ 85 °C Temperaturklasse T6 = Schutzrohrkonstante 66,14 K/W
Widerstandsthermometer Abbildung 30:
Speisetrenner
Widerstandsthermometer mit Kopfmessumformer
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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19 JUMO-Widerstandsthermometer nach ATEX
20 Normen und Quellenverzeichnis EN-Norm
VDE-Norm
EN 1127-1
Titel Explosionsfähige Atmosphären - Explosionsschutz Teil 1: Grundlagen und Methodik
EN 60 079-6
VDE 0170 Teil 2
Explosionsfähige Atmosphäre Teil 6: Geräteschutz durch Ölkapselung „o“
EN 60 079-2
VDE 0170-301
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 2: Überdruckkapselung „p“
EN 60 079-5
VDE 0170-4
Explosionsfähige Atmosphäre Teil 5: Geräteschutz durch Sandkapselung „q“
EN 60 079-11
VDE 0170-7
Explosionsfähige Atmosphäre Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“
EN 61 241-0
VDE 0170-15-0
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 0: Allgemeine Anforderungen
EN 61 241-1
VDE 0170-15-1
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 1: Schutz durch Gehäuse „tD“
EN 61 241-14
VDE 0165-2
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 14: Auswahl und Errichten
EN 61 241-17
VDE 0165-10-2
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 17: Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (ausgenommen Grubenbaue)
EN 50 281-2-1
VDE 0170/0171-15-2-1
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 2-1: Unterschungsverfahren Verfahren zur Bestimmung der Mindestzündtemperatur von Staub
EN 60 079-26
VDE 0170-12-1
Explosionsfähige Atmosphäre Teil 26: Betriebsmittel mit Geräteschutzniveau (EPL) Ga
EN 50 303
VDE 0170/0171-12-2
Gruppe1, Kategorie-M1-Geräte für den Einsatz in Atmosphären, die durch Grubengas und/oder brennbare Stäube gefährdet sind
EN 60 079-0
VDE 0170-1
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 0: Allgemeine Anforderungen
EN 60 079-1
VDE 0170-5
Explosionsfähige Atmosphäre Teil 1: Geräteschutz durch druckfeste Kapselung „d“
EN 60 079-7
VDE 0170-6
Explosionsfähige Atmosphäre Teil 7: Geräteschutz durch erhöhte Sicherheit „e“
EN 60 079-10
VDE 0165-101
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 10: Einteilung der explosionsgefährdeten Bereiche
EN 60 079-14
VDE 0165-1
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 14: Elektrische anlagen für gefährdete Bereiche (ausgenommen Grubenbaue)
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
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20 Normen und Quellenverzeichnis
20 Normen und Quellenverzeichnis EN-Norm
VDE-Norm
Titel
EN 60 079-15
VDE 0170-16
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 15: Konstruktion, Prüfung und Kennzeichnung von elektrischen Betriebsmitteln der Zündschutzart „n“
EN 60 079-17
VDE 0165-10
Explosionsfähige Atmosphäre Teil 17: Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen
EN 60 079-18
VDE 0170/0171-9
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 18: Konstruktion, Prüfung und Kennzeichnung elektrischer Betriebsmittel mit der Schutzart Vergusskapselung „m“
EN 60 079-25
VDE0170/0171-10-1
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 25: Eigensichere Systeme
EN 61 241-0
VDE 0170-15-0
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 0: Allgemeine Anforderungen
EN 61 241-1
VDE 0170-15-1
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 1: Schutz durch Gehäuse „tD“
EN 61 241-4
VDE 0170-15-4
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 4: Zündschutzart „pD“
EN 61 241-10
VDE 0165-102
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 10: Einteilung von staubexplosionsgefährdeten Bereichen
EN 61 241-11
VDE 1070-15-11
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 11: Schutz durch Eigensicherheit „iD“
EN 61 241-14
VDE 0165-2
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 14: Auswahl und Errichten
EN 61 241-18
VDE 0170-15-18
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 18: Schutz durch Vergusskapselung „mD“
EN 61 241-2-2
VDE 0170/0171-15-2-2
Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 2: Untersuchungsverfahren Hauptabschnitt 2: Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes von Staubschüttungen
Tabelle 23:
Normen
Nach Übernahme der Europäischen Norm (EN ...) in nationale Normenwerke, ist die Norm nur noch in der jeweiligen Landesnorm zu beziehen (z. B. für Deutschland DIN EN ...).
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
66
20 Normen und Quellenverzeichnis
20 Normen und Quellenverzeichnis DIN EN 60 529: IP-Schutzarten; Berührungs-, Fremdkörper- und Wasserschutz für elektrische Betriebsmittel Merkblatt (Ex) der PTB Braunschweig, Gruppe 3.5: Explosionsschutz elektrischer Betriebsmittel; Stand 04/95 Merkblatt (Ex)i der PTB Braunschweig, Gruppe 3.5; Stand 12/93 Richtlinie 94/9/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 23. März 1994 Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Räumen (ElexV) Richtlinie für die Vermeidung der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung - Explosionsschutzrichtlinie (Rx-RL) Fachaufsatz von L. Börner: Explosionsschutz nach Europa-Norm - Rechtsunsicherheit vermeiden; Hütig-Verlag JUMO-Fachaufsatz von J. Goldmann: Theorie und Anwendung von (Ex)i-Zener-Barrieren Fachaufsatz von Dr. N. Müller: Lagerung von brennbaren Flüssigkeiten - Vorschriften geändert; Chemie Umwelt Technik Fachaufsatz von Dipl.-Ing. R. Thater: Beliebige Oberflächentemperatur Fachaufsatz der Bürkert GmbH: Explosionsschutz nach Europanorm; Chemie-Technik Fachaufsatz von Dipl.-Ing. W. Bansemir und Dipl.-Ing. W. D. Dose: Grundlagen für den Ex-Schutz in der Praxis; Chemie-Technik Fachaufsatz von Dipl.-Ing. M. Winkelmann: Eigensichere MSR-Anlagen Fachaufsatz von Dipl.-Ing. Pulewka: Zündende Ideen; Chemie-Technik Fachaufsatz von A. Schischek: Die richtige Lösung der MSR-Technik in der Ex-Zone; Chemie-Technik Prof. Dr.-Ing. H. Wehinger: Explosionsschutz elektrischer Anlagen; expert-Verlag EN/VDE-Normen; Beuth-Verlag, Berlin Abb. 16 - 18 Ex-Zonen Grundsätze des Explosionsschutzes mit Beispielsammlung; Suva - Schweizerische Unfallversicherungsanstalt Abb. 2 und 25 Fachstelle für Sicherheit elektrischer Betriebsmittel - BVS
JUMO, FAS 547, Ausgabe 05.08
67
20 Normen und Quellenverzeichnis
Index A
Konformitätsbescheinigung 13 Konformitätserklärung 21 Kriechstrecken 50
Anschlussklemmen 48 Atmosphäre, explosionsfähig 8 Auswahlkriterien 26
L
B
Luftstrecken 50
Baumusterprüfbescheinigung 16 Baumusterprüfung 16 Bereiche, explosionsgefährdet 8 Betriebsmittel 13, 26 Brennbare Stoffe 7
M
D
N
Druckfeste Kapselung 27
Normen 65
E
O
Menge, gefahrdrohend 8 Mindestzündstrom 31 Montage 48
Eigensicherheit 31, 46 Erhöhte Sicherheit 27 EU-Richtlinie 1999/92/EG 10 EU-Richtlinie 94/9/EG 10 Explosionsgruppen 31 Explosionsschutz, primär 24 Explosionsschutz, sekundär 25 Explosionsschutzdokument 23
Oberflächentemperatur 32 Ölkapselung 27, 65
P Pflichten der Hersteller und Betreiber 23 Produktion 15 Prüfstellen 22 Prüfverfahren 14
F
Q
Flammpunkt 8
Qualitätssicherung 15
G Gesetze 10 Glimmtemperatur 9 Grenzspaltweite 31
R
I
S
Inverkehrbringen 13–14 Isolation 51
Sandkapselung 27 Schutzarten 44 Schutzmaßnahmen 8, 24 Schutzrohrkonstante 61 Sicherheitsbarrieren 53 Staubexplosion 11 Steckverbinder 48
Rechtsgrundlagen 12
K Kategorie 38, 43 Kennzeichnung 19
69
Index Stückprüfung 23
T Temperaturklassen 32–33 Typprüfung 56
U Überdruckkapselung 27 Ungestörter Betrieb 47
W Widerstandsthermometer 61
Z Zonen Einteilung 34 Gas 39 Kategorie 43 Staub 41 zugehöriges Betriebsmittel 58 Zündenergie 31 Zündgrenzkurve 57 Zündquelle 7 Zündschutzart "ia"/"ib" 30 Zündschutzart Ex "i" 46 Zündschutzarten 27, 29 Zündtemperatur Gas 8 Staub 9
70
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Funktionale Sicherheit SIL
Informationen zur Ammoniakmessung in Wasser
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