Bestandteile zur Entstehung einer Explosion: Brennbare Stoffe, Sauerstoff, Zündquelle
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 einer Explosion auf ein akzeptables Maß reduziert werden.
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.
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 |
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 |
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.
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 |
In Europa muss zusätzlich zur Kennzeichnung nach der Norm IEC/EN 60079-0 eine Kennzeichnung entsprechend der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU 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).
II – Gerätegruppe: I = Bergbau | II = Alle Ex-Bereiche außerhalb des Bergbaus
1 – Gerätekategorie: 1 = für Zone 0/Zone 20 geeignet
G – Atmosphäre: G = Gas
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
II – Gerätegruppe: I = Bergbau | II= Alle Ex-Bereiche außerhalb des Bergbaus
1 – Gerätekategorie: 1 = für Zone 0/Zone 20 geeignet
D – Atmosphäre: D = Staub
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
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
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
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
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
Prinzip:
Zündquelle möglich, Explosion sicher beherrscht
Schutzkonzept:
Massive Gehäusekonstruktion, Typprüfungen
Anwendungsbereich:
Motoren, Schaltgeräte, Leistungselektronik
Prinzip:
Sicherer Ausschluss von Zündquellen
Schutzkonzept:
Keine betriebsmäßigen Zündquellen, Ausschluss von Fehlfunktion durch besondere Maßnahmen
Anwendungsbereich:
Motoren, Transformatoren, Leuchten, Klemmen, Sammelschienenkasten
Prinzip:
Sicherer Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre
Schutzkonzept:
Gehäuse mit Zündschutzgas unter Überdruck halten
Anwendungsbereich:
Maschinen, Motoren, Schaltschränke (Elektronik)
Prinzip:
Zündquelle vorhanden, aber sicher beherrscht
Schutzkonzept:
Einbetten des Betriebsmittels in Vergussmasse, Mineralöl oder Sand
Anwendungsbereich:
Elektronik, Trafos, Kondensatoren, Relais
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
Vereinfachung aller Zündschutzarten für die reduzierten Anforderungen der Zone 2/Zone 22. Es wird keine EU-Baumusterprüfbescheinigung benötigt. Folgende Zündschutzarten gibt es:
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:
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.
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":
