Explosionsschutz kompakt

Geräteauswahl nach ATEX und IECEx

In nahezu allen industriellen Anwendungen kann es zum Auftreten explosionsfähiger Atmosphären kommen. Um Explosionen sicher zu vermeiden, unterliegen elektrische Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen besonderen Anforderungen, Richtlinien und Normen. In dieser Übersicht finden Sie die Kriterien zur passenden Geräteauswahl entsprechend Ihrer Applikation.

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Chemieanlage
Darstellung der Bestandteile zur Entstehung einer Explosion

Bestandteile zur Entstehung einer Explosion: Brennbare Stoffe, Sauerstoff, Zündquelle

Grundlagen Explosionsschutz

Als Explosion bezeichnet man eine exotherme Reaktion mit einer plötzlichen Freisetzung einer großen Energiemenge, wodurch eine starke Druckwelle entsteht.
Es kommt zu einer Explosion, wenn ein brennbarer Stoff, Sauerstoff und eine Zündquelle vorhanden sind. Fehlt eine Komponente, erfolgt die exotherme Reaktion nicht.

Um Explosionen sicher zu verhindern, existieren verschiedene Explosionsschutzmaßnahmen. Während beim primären Explosionsschutz das Vorhandensein der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert wird, wird beim sekundären Explosionsschutz eine Explosion sicher verhindert, indem wirksame Zündquellen konstruktiv vermieden werden. Wirksame Zündquellen sind z. B. elektrische Funken und heiße Oberflächen elektrischer Betriebsmittel oder Lichtbögen, statische Elektrizität usw. Je nach Anwendung existieren für den sekundären Explosionsschutz verschiedene Zündschutzarten mit unterschiedlichen Schutzprinzipien. Darüber hinaus gibt es noch den tertiären Explosionsschutz. Hierbei handelt es sich um konstruktive Maßnahmen, mit denen die Folgen eine Explosion auf ein akzeptables Maß reduziert werden.

Auswahl von Geräten für den sekundären Explosionsschutz

Die folgende Übersicht konzentriert sich auf den sekundären Explosionsschutz. Bei der Geräteauswahl, entsprechend den Zündschutzarten, muss der Anwendende die Art der Gefahr und die Dauer und Häufigkeit der Gefahr analysieren. Die Art der Gefahr bezieht sich auf die Zündquellenbetrachtung nach Zündtemperatur und Zündenergie. Bei der Dauer und Häufigkeit der Gefahr wird der Zusammenhang von Zoneneinteilung sowie Gerätekategorie und Geräteschutzniveau hergestellt.

Temperaturklassen Zündquelle: Heiße Oberfläche

Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Atmosphären der Gruppe II (Gase) sind in Temperaturklassen (T1 - T6) eingeteilt, die die maximal auftretende Oberflächentemperatur des Geräts angeben. Die Oberflächentemperatur gilt für alle Teile eines elektrischen
Betriebsmittels, die in Berührung mit dem explosionsfähigen Gasgemisch kommen können.
Ein Gerät darf nur eingesetzt werden, wenn die der Temperaturklasse zugeordnete Temperatur niedriger ist als die Zündtemperatur des Gasgemischs. Geräte, die mit einer höheren Temperaturklasse, also niedrigere Oberflächentemperatur, gekennzeichnet sind, dürfen auch bei Gasgemischen mit höherer Zündtemperatur eingesetzt werden. Ein Gerät mit T6-Kennzeichnung darf somit für alle Gase verwendet werden.

Bei Stäuben wird nicht nach Temperaturklassen (T1 - T6) unterschieden. Geräte der Gruppe III (Stäube) werden mit einer maximalen Oberflächentemperatur gekennzeichnet. Zusätzliche Staubablagerungen müssen berücksichtigt werden. In der Grundlage Explosionsschutz (siehe Download) erfahren Sie mehr zu Temperaturgrenzen.

Maximale Oberflächentemperatur in °C

Zündtemperaturbereich in °C

Beispiele

Temperaturklasse
T1 450 > 450 Kohlenmonoxid, Methan, Wasserstoff
T2 300 > 300 ... ≤ 450 Acetylen, Butan, Ethylen
T3 200 > 200 ... ≤ 300 Benzin, Schwefelwasserstoff, Cyclohexan
T4 135 > 135 ... ≤ 200 Acetaldehyd, Diethylether (keine weiteren Stoffe)
T5 100 > 100 ... ≤ 135 Keine Stoffe
T6 85 > 85 ... ≤ 100 Schwefelkohlenstoff

Gruppen nach Zündenergien Zündquelle: Funken (Energie)

Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Atmosphären der Gruppe II (Gase) und III (Staub) sind in Gruppen (IIA-IIC, IIIA-IIIC) eingeteilt, die die maximale Zündenergie des Geräts angeben.
Ein Gerät darf nur eingesetzt werden, wenn die maximale Zündenergie des Geräts niedriger ist als die Mindestzündenergie des Stoffs (Gas- oder Staubgemisch). Ein Gerät mit IIC-Kennzeichnung darf für alle Gase verwendet werden und ein Gerät mit IIIC-Kennzeichnung darf für alle Stäube verwendet werden.

Gase sind explosiver als Stäube, z. B. sind Geräte mit IIB für IIIC geeignet.

Benötigte Zündenergie

Gefährlichkeit der Stoffe

Stoffbeispiele

Gruppe
IIA +++ + Aceton, Ethan, Ammoniak, Kohlenmonoxid. Propan, Butan, Benzin, Dieselkraftstoff, Acetaldehyd
IIB ++ ++ Methan, Ethylen, Ethyläther, Ethylalkohol, Schwefelwasserstoff
IIC + +++ Wasserstoff, Acetylen, Schwefelkohlenstoff
IIIA +++ + Brennbare Flusen, z.B. Baumwollfasern
IIIB ++ ++ Nicht leitfähiger Staub, z. B. Mehl, Holz
IIIC + +++ Leitfähiger Staub, z. B. Aluminiumstaub

Zoneneinteilung

Die Zoneneinteilung liegt in der Verantwortung des Anlagenbetreibers. Sie wird in Europa über die ATEX-Richtlinie 1999/92/EG (Betreiberrichtlinie) geregelt. Darüber hinaus muss der Betreiber ebenfalls die Anforderungen aus der IEC/EN 60079-10 erfüllen.

Zoneneinteilung (Gase)

  • Zone 0:
    Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphäre als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Luft ständig oder langzeitig oder häufig vorhanden ist
  • Zone 1:
    Bereich, in dem damit zu rechnen ist, dass explosionsfähige Atmosphäre als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Luft bei Normalbetrieb gelegentlich auftritt
  • Zone 2:
    Bereich, in dem bei Normalbetrieb nicht damit zu rechnen ist, dass explosionsfähige Atmosphäre als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Luft auftritt, wenn sie dennoch auftritt, dann nur kurzzeitig
Zeichnerisches Beispiele von Zoneneinteilungen in einer Gas-Applikation
Zone 1
Bereich, in dem damit zu rechnen ist, dass eine explosionsfähige Gasatmosphäre bei normalem Betrieb gelegentlich auftritt. Hierzu gehören die nähere Umgebung der Zone 0 sowie nähere Bereiche um Füll- und Entleerungseinrichtungen.
Zone 0
Bereich, in dem eine explosionsfähige Gasatmosphäre ständig oder langzeitig vorhanden ist. In der Regel liegen diese Bedingungen im Inneren von Behältern, Rohrleitungen, Apparaturen und Tanks vor.
Zone 2
Bereich, in dem nicht damit zu rechnen ist, dass bei normalem Betrieb eine explosionsfähige Gasatmosphäre auftritt. Und wenn sie dennoch auftritt, dann nur selten und auch nur kurzzeitig.

Zoneneinteilung (Stäube)

  • Zone 20:
    Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke brennbaren Staubs in Luft ständig oder langzeitig oder häufig vorhanden ist.
  • Zone 21:
    Bereich, in dem damit zu rechnen ist, dass explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke brennbaren Staubs in Luft bei Normalbetrieb gelegentlich auftritt
  • Zone 22:
    Bereich, in dem bei Normalbetrieb nicht damit zu rechnen ist, dass explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke brennbaren Staubs in Luft auftritt, wenn sie dennoch auftritt, dann nur kurzzeitig

Gerätekategorien oder Geräteschutzniveau

Gerätekategorien und Geräteschutzniveau beschreiben das Sicherheits- bzw. das Schutzniveau von Geräten. Welche Geräte für welche Zone geeignet sind, wird in der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU über die Gerätekategorie dargestellt (Kategorien 1, 2, 3). In der Norm IEC/EN 60079-0 wird die Einsetzbarkeit der Geräte für die jeweiligen Zonen über das Geräteschutzniveau (Equipment Protection Level – EPL: a, b, c) beschrieben. Sowohl bei der Kennzeichnung der Gerätekategorie als auch bei dem Geräteschutzniveau steht das G für „Gas“ und das D für „Staub“ (Englisch: Dust). Z. B. ist im Gasbereich ein Gerät mit der Kennzeichnung 1G und Ga, also mit einem sehr hohen Sicherheits- und Schutzniveau, für die gefährliche Zone 0 und somit auch für alle anderen Gaszonen geeignet. Konstruktiv ist dieses Gerät so designt, dass es auch bei zwei unabhängigen Fehlern noch sicher ist.

Sicherheits- bzw. Schutzniveau

Gerätekategorie

ATEX RL 2014/34/EU​

Geräteschutzniveau (EPL)

Norm IEC/EN 60079-0

Zoneneinteilung
RL 1999/92/EG
Gaszonen
Zone 0 Sehr hoch - bei zwei unabhängigen Fehlern ist das Gerät noch sicher 1G Ga
Zone 1 Hoch - bei einem unabhängigem Fehler ist das Gerät noch sicher 2G Gb
Zone 2 Normal - keine Fehlersicherheit 3G Gc
Staubzonen
Zone 20 Sehr hoch - bei zwei unabhängigen Fehlern ist das Gerät noch sicher 1D Da
Zone 21 Hoch - bei einem unabhängigem Fehler ist das Gerät noch sicher 2D Db
Zone 22 Normal - keine Fehlersicherheit 3D Dc

Kennzeichnung von Ex-Produkten

In Europa muss zusätzlich zur Kennzeichnung nach der Norm IEC/EN 60079-0 eine Kennzeichnung entsprechend der ATEX-Richtlinie 2014/EU/34 vorhanden sein.

Die ATEX-Richtlinie fordert eine Einteilung der Geräte in Gruppen und Kategorien. Gerätegruppe I umfasst dabei Anlagen im Bergbau mit Gefährdung durch Grubengas und/oder Staub. Gerätegruppe II umschließt alle übrigen Ex-Bereiche außerhalb des Bergbaus, z. B. die chemische Industrie, Öl- und Gasverarbeitung, explosionsfähige Stäube in Mühlen und Silos usw.

Die Kennzeichnung der Normreihe IEC/EN 60079 umfasst Angaben zur Zündschutzart, zu den Gas- und Staubgruppen, zur Temperaturklasse und zum Geräteschutzniveau (EPL).

Kennzeichnung eines eigensicheren Betriebsmittels für den Einsatz in Gasatmosphären
Kennzeichnung eines eigensicheren Betriebsmittels für den Einsatz in Staubatmosphären
Kennzeichnung eines zugehörigen Betriebsmittels für den Einsatz in Gasatmosphäre
Beispielkennzeichnung eines zugehörigen Betriebsmittels für den Einsatz in Staubatmosphären
Kennzeichnung eines eigensicheren Betriebsmittels für den Einsatz in Gasatmosphären

ATEX

II – Gerätegruppe: I = Bergbau | II = Alle Ex-Bereiche außerhalb des Bergbaus
1 – Gerätekategorie: 1 = für Zone 0/Zone 20 geeignet
G – Atmosphäre: G = Gas

IEC/EN

i – Zündschutzart: i = Eigensicherheit
a – Schutzniveau: a = für Zone 0/Zone 20 geeignet
II – Gruppen: II = Gas
C – Untergruppen: C = Wasserstoff, Acetylen, Schwefelkohlenstoff
T6 – Temperaturklasse: T6 = 85 °C
Ga – Geräteschutzniveau: G = Gas | a = für Zone 0 geeignet

Kennzeichnung eines eigensicheren Betriebsmittels für den Einsatz in Staubatmosphären

ATEX

II – Gerätegruppe: I = Bergbau | II= Alle Ex-Bereiche außerhalb des Bergbaus
1 – Gerätekategorie: 1 = für Zone 0/Zone 20 geeignet
D – Atmosphäre: D = Staub

IEC/EN

i – Zündschutzart: i = Eigensicherheit
a – Schutzniveau: a = für Zone 0/Zone 20 geeignet
III – Gruppen: III = Staub
C – Untergruppen: C = Leitfähiger Staub, z. B. Aluminiumstaub
125 °C – max. Oberflächentemperatur: 125 °C = max. Oberflächentemperatur von 125 °C
Da – Geräteschutzniveau: D = Staub, a = für Zone 20 geeignet

Kennzeichnung eines zugehörigen Betriebsmittels für den Einsatz in Gasatmosphäre

ATEX

II – Gerätegruppe: I = Bergbau | II = Alle Ex-Bereiche außerhalb des Bergbaus
1 – Gerätekategorie: 1 = für Zone 0/Zone 20 geeignet
( ) – Klammer: Zugehöriges Betriebsmittel (z. B. ein eigensicherer Trennverstärker – sitzt im sicheren Bereich, aber der Ex i-Stromkreis wird in den Ex-Bereich geführt)
G – Atmosphäre: G = Gas

IEC/EN

i – Zündschutzart: i = Eigensicherheit
a – Schutzniveau: a = für Zone 0/Zone 20 geeignet
Ga – Geräteschutzniveau: G = Gas, a = für Zone 0 geeignet
[ ] – Klammer: Zugehöriges Betriebsmittel (z. B. ein eigensicherer Trennverstärker – sitzt im sicheren Bereich, aber der Ex i-Stromkreis wird in den Ex-Bereich geführt)
II – Gruppen: II = Gas
C – Untergruppen: C = Wasserstoff, Acetylen, Schwefelkohlenstoff

Beispielkennzeichnung eines zugehörigen Betriebsmittels für den Einsatz in Staubatmosphären

ATEX

II – Gerätegruppe: I = Bergbau | II = Alle Ex-Bereiche außerhalb des Bergbaus
1 – Gerätekategorie: 1 = für Zone 0/Zone 20 geeignet
( ) – Klammer: Zugehöriges Betriebsmittel (z. B. ein eigensicherer Trennverstärker – sitzt im sicheren Bereich, aber der Ex i-Stromkreis wird in den Ex-Bereich geführt)
D – Atmosphäre: D = Staub

IEC/EN

i – Zündschutzart: i = Eigensicherheit
a – Schutzniveau: a = für Zone 0/Zone 20 geeignet
Da – Geräteschutzniveau: D = Staub, a = für Zone 20 geeignet
[ ] – Klammer: Zugehöriges Betriebsmittel (z. B. ein eigensicherer Trennverstärker – sitzt im sicheren Bereich, aber der Ex i-Stromkreis wird in den Ex-Bereich geführt)
III – Gruppen: III = Staub
C – Untergruppen: C = Leitfähiger Staub, z. B. Aluminiumstaub

Zündschutzarten (Auszug) In der folgenden Darstellung wird ein Auszug von Zündschutzarten erklärt.

Grafische Darstellung Ex d – feuerfestes Gehäuse
Grafische Darstellung von Ex e – Erhöhte Sicherheit
Grafische Darstellung Ex p – Überdruckkapselung
Grafische Darstellung Ex m; Ex o; Ex q - Verguss-, Sand- oder Ölkapselung
Grafische Darstellung Ex i - Eigensicherheit
Grafische Darstellung Ex n – Zündschutzart "n"
Grafische Darstellung Ex d – feuerfestes Gehäuse

Prinzip:
Zündquelle möglich, Explosion sicher beherrscht

Schutzkonzept:
Massive Gehäusekonstruktion, Typprüfungen

Anwendungsbereich:
Motoren, Schaltgeräte, Leistungselektronik

Grafische Darstellung von Ex e – Erhöhte Sicherheit

Prinzip:
Sicherer Ausschluss von Zündquellen

Schutzkonzept:
Keine betriebsmäßigen Zündquellen, Ausschluss von Fehlfunktion durch besondere Maßnahmen

Anwendungsbereich:
Motoren, Transformatoren, Leuchten, Klemmen, Sammelschienenkasten

Grafische Darstellung Ex p – Überdruckkapselung

Prinzip:
Sicherer Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre

Schutzkonzept:
Gehäuse mit Zündschutzgas unter Überdruck halten

Anwendungsbereich:
Maschinen, Motoren, Schaltschränke (Elektronik)

Grafische Darstellung Ex m; Ex o; Ex q - Verguss-, Sand- oder Ölkapselung

Prinzip:
Zündquelle vorhanden, aber sicher beherrscht

Schutzkonzept:
Einbetten des Betriebsmittels in Vergussmasse, Mineralöl oder Sand

Anwendungsbereich:
Elektronik, Trafos, Kondensatoren, Relais

Grafische Darstellung Ex i - Eigensicherheit

Prinzip:
Funken oder thermische Effekte möglich, aber nicht zündfähig

Schutzkonzept:
Sichere Energiebegrenzung unter Berücksichtigung von Fehlern und von Energiespeichereffekten

Anwendungsbereich:
Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik, Sensoren, Aktoren, Instrumentierung

Grafische Darstellung Ex n – Zündschutzart "n"

Vereinfachung aller Zündschutzarten für die reduzierten Anforderungen der Zone 2/Zone 22. Es wird keine EU-Baumusterprüfbescheinigung benötigt. Folgende Zündschutzarten gibt es:

  • nA: nichtfunkende Betriebsmittel (wurde in 60079-7 als Ex ec überführt, ist aber noch gültig)
  • nC: funkende Betriebsmittel bzw. Betriebsmittel mit geschützten Kontakten
  • nR: schwadensichere Gehäuse
  • nL: energiebegrenzte Betriebsmittel (wurde in 60079-11 als Ex ic überführt)
  • nZ: vereinfachte Überdruckkapselung (wurde in 60079-2 als Ex pzc überführt)

Schematische Darstellung der Eigensicherheit von Zone 0 bis zur sicheren Zone

Ex i – Eigensicherheit

Für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik in Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen hat sich die Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) weltweit etabliert. 
Der eigensichere Stromkreis setzt sich in der Regel aus den folgenden Komponenten zusammen:

  • dem eigensicheren Betriebsmittel, also einem im Ex-Bereich installierten Verbraucher (z. B. einem Ex i-Temperaturtransmitter)
  • dem zugehörigen Betriebsmittel, wobei es sich um eine im Nicht-Ex-Bereich verbaute Quelle (Ex i-Trenner) handelt
  • der verbindenden Leitung (Kabel).

Das Schutzprinzip der Zündschutzart Ex i basiert auf der Begrenzung der in den explosionsgefährdeten Bereich geleiteten und dort gespeicherten Energie. Die Energie eines möglichen Funkens muss dabei immer kleiner als die Mindestzündenergie der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre sein.
Um sicherzustellen, dass die jeweilige Zusammenschaltung keine zündfähigen Funken und heißen Oberflächen erzeugen kann, muss der Anwendende oder Anlagenbetreiber den „Nachweis der Eigensicherheit“ entsprechend der EN/IEC 60079-11 und der Errichternorm EN/IEC 60079-14 umsetzen und dokumentieren. Dem Anwender bietet dieses Verfahren den Vorteil, dass sich Ex i-Feldgeräte und Ex i-Trenner herstellerunabhängig gemäß den spezifischen Anforderungen wählen und kombinieren lassen.

Anwendungsschema der Eigensicherheit von Zone 0 über Zone 1 und Zone 2 hin zur sicheren Zone

Im Gegensatz zu allen anderen Zündschutzarten bezieht sich Ex i entsprechend der IEC/EN 60079-11 nicht nur auf ein einziges Betriebsmittel, sondern auch auf den gesamten eigensicheren Stromkreis.

Vorteile der Zündschutzart "Ex i – Eigensicherheit":

  • Umbauten im laufenden Betrieb
  • Kostengünstiger als andere Zündschutzarten
  • Einsatz einfacher Betriebsmittel
  • Einsatz in Zone 0/Zone 20
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Grundlagen Explosionsschutz
Das Dokument richtet sich an Anlagenbauer und Anlagenplaner in explosionsgefährdeten Bereichen. Es geht auf internationale Normen, Standards und Richtlinien ein. Betreiber elektrischer Betriebsmittel in explosionsgefährdeten Bereichen erhalten Informationen darüber, welche Explosionsschutzkriterien ihre Anlagen erfüllen müssen. Ergänzend dazu finden Sie technisches Basiswissen zu Gruppe I und Gruppe II, zu Ex-Zonen, zur MSR-Technik und zur funktionalen Sicherheit.
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