Eigensichere Stromkreise in der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Die Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) ist weltweit etabliert für die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik in explosionsgefährdeten Bereichen. Erfahren Sie hier mehr über die Auslegung eigensicherer Stromkreise.
Was ist ein eigensicherer Stromkreis?
Komponenten eines eigensicheren Stromkreises
Ein eigensicherer Stromkreis besteht aus mindestens einem eigensicheren Betriebsmittel, einem zugehörigen Betriebsmittel und Verbindungskabeln. Eigensichere Betriebsmittel dürfen nur über zugehörige Betriebsmittel mit nicht eigensicheren Stromkreisen verbunden werden.
Ein zugehöriges Betriebsmittel besitzt sowohl eigensichere als auch nicht-eigensichere Stromkreise. Die Trennung erfolgt durch Zenerbarrieren oder galvanische Trenner. Eigensichere Betriebsmittel werden nach IEC/EN 60079-11 in die Schutzniveaus ia, ib und ic eingeordnet.
Schutzprinzip der Zündschutzart Ex i
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.
Die Zündschutzart Ex i bezieht sich auf den gesamten eigensicheren Stromkreis gemäß IEC/EN 60079-11.
Um die Funkenenergie unter der Zündenergie zu halten, wird die Spannung begrenzt. Die Strombegrenzung verhindert thermische Effekte durch zu heiße Oberflächen.
Prinzipschaltbild zur Spannungs- und Strombegrenzung
- Spannungsbegrenzung: Die Zenerdiode wird ab einem definierten Spannungswert leitend und begrenzt die Spannung.
- Strombegrenzung: Ein in Reihe geschalteter Widerstand begrenzt den maximalen Strom.
Auslegung eigensicherer Stromkreise
Prüfung der Geräteeignung anhand der Kennzeichnung
Um sicherzustellen, dass der eigensichere Stromkreis sicher ist, muss der Betreiber die Maßnahmen zur Bewertung der Eignung der Betriebsmittel, hinsichtlich des erforderlichen Schutzniveaus und der vorliegenden Stoffgruppen über den Nachweis der Eigensicherheit bis hin zur Installation durchführen und umsetzen. Der Betreiber legt anhand der Risikoanalyse die Zone, Gruppe und Temperaturklasse für das Feldgerät fest und prüft die Zulassung der Geräte für den Anwendungsfall. Dies kann z. B. anhand der Kennzeichnung der Betriebsmittel entsprechend der Tabelle erfolgen.
Hinweis: "EX" steht hier für die Verwendung des Ex-Symbols
|
Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät):
EX II 1 G Ex ia IIB T6 Ga |
Bewertung der Ex-Kennzeichnung |
Zugehöriges Betriebsmittel
EX II (1) G [Ex ia Ga] IIC |
|
|---|---|---|---|
| a) | .... 1 .... Ga | Gerätekategorie / Geräteschutzniveau des Ex i-Feldgeräts entsprechen der festgelegten Zone | |
| b) | ... 1 ... ia ... Ga | Zündschutzart des Ex i-Feldgeräts ist in der festgelegten Zone zulässig | |
| c) | ... 1 G ... IIB T6 .... | Verwendung des Ex i-Feldgeräts ist in der vorhandenen Gasatmosphäre zulässig | |
| d) | Kennzeichnung zugehöriges Betriebsmittel mit Klammern, ohne Angabe der Temperaturklasse /-grenzen | ... (1) ... [ ... ] ... | |
| e) | ... 1 G ... Ga | Gerätekategorie / Geräteschutzniveau des zugehörigen Betriebsmittels entspricht Ex i-Feldgerät | ... (1) G [ ... Ga] ... |
| f) | ... Ex ia ... | Zündschutzart des zugehörigen Betriebsmittels passt zu der des Ex i-Feldgeräts | ... [Ex ia ... ] ... |
| g) | ... IIB ... | Zugehöriges Betriebsmittel ist für die gleiche oder eine höherwertige Gruppe zugelassen | ... IIC |
Nachweis der Eigensicherheit
Der eigensichere Stromkreis besteht typischerweise aus dem eigensicheren Betriebsmittel, dem zugehörigen Betriebsmittel und den verbindenden Leitungen. Um die Sicherheit der Gerätekombination zu gewährleisten, muss der Nachweis der Eigensicherheit für den Stromkreis durchgeführt werden. Dies erfolgt gemäß IEC/EN 60079-14 und ggf. weiteren Normen und Bestimmungen.
Nachweis der Eigensicherheit für eigensichere Stromkreise mit einer Stromquelle
Eigensichere Stromkreise enthalten meist nur eine Energiequelle oder ein Betriebsmittel. Zuerst werden die Kriterien gemäß der Tabelle „Überprüfung der Geräteeignung anhand der Kennzeichnung" geprüft. Betriebsanleitungen liefern die notwendigen sicherheitstechnischen Daten. Anschließend werden die Parameter des Stromkreises Spannung, Strom, Leistung, Kapazität, Induktivität geprüft.
Für den Nachweis der Eigensicherheit sind die Kabelkapazitäten und -induktivitäten den Datenblättern der Kabel zu entnehmen. Alternativ können folgende Worst-Case-Richtwerte entsprechend der IEC/EN 60079-14 angenommen werden:
- Kabelkapazitäten: 200 nF/km
- Kabelinduktivitäten: 1 mH/km
Die von den Kabelherstellern genannten Parameter sind in der Regel niedriger.
Bedingungen zur Erfüllung des Nachweises der Eigensicherheit
Wenn die fünf Bedingungen erfüllt sind, ist die Kombination aus Betriebsmittel, zugehörigem Betriebsmittel und Leitungen eigensicher.
|
Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät)
EX II 1 G Ex ia IIB T6 Ga |
Verbindende Leitungen |
Zugehöriges Betriebsmittel
EX II (1) G [Ex ia Ga] IIC |
|
|---|---|---|---|
| 1) | Uᵢ | ≥ Uₒ | |
| 2) | Iᵢ | ≥ Iₒ | |
| 3) | Pᵢ | ≥ Pₒ | |
| 4) | Cᵢ | + C𝒸 | ≤ Cₒ |
| 5) | Lᵢ | + L𝒸 | ≤ Lₒ |
Beispiel für den Nachweis der Eigensicherheit: Analog IN
Ex i-Speisetrennverstärker
Das Gerät überträgt analoge 4 ... 20 mA-Signale von einem passiven Messumformer aus dem Ex-Bereich galvanisch getrennt an eine Steuerung und versorgt den Messumformer mit Energie.
Vergleich der sicherheitstechnischen Daten Beispiel Analog IN
Annahme: Cc = 180 nF/km, Lc = 1 mH/km
|
Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät)
Drucktransmitter |
Verbindende Leitungen
Länge = 500 m |
Zugehöriges Betriebsmittel
Ex i-Speisetrennverstärker MACX MCR-EX-RPSSI-I |
Bedingung erfüllt? | |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Uᵢ = 30 V | ≥ Uₒ = 25,2 V | ja | |
| 2) | Iᵢ = 100 mA | ≥ Iₒ = 93 mA | ja | |
| 3) | Pᵢ = 750 mW | ≥ Pₒ = 587 mW | ja | |
| 4) | Cᵢ = 0 nF | + C𝒸 = 90 nF | ≤ Cₒ = IIC: 107 nF | ja |
| 5) | Lᵢ = 0 mH | + L𝒸 = 0,5 mH | ≤ Lₒ = IIC: 3 mH | ja |
Fazit: Die Bedingungen des Nachweises der Eigensicherheit sind erfüllt.
Beispiel für den Nachweis der Eigensicherheit: Analog OUT
Ex i-Ausgangstrennverstärker
Das Gerät überträgt analoge 0/4 ... 20 mA-Signale von einer Steuerung galvanisch getrennt an einen Aktor im Ex-Bereich.
Vergleich der sicherheitstechnischen Daten Beispiel Analog OUT
Annahme: Cc = 180 nF/km, Lc = 1 mH/km
|
Eigensicheres Betriebsmittel
Stellventil |
Verbindende Leitungen
Länge = 250 m |
Zugehöriges Betriebsmittel
Ex i-Ausgangstrennverstärker MINI MCR-EX-IDS-I-I-PT |
Bedingung erfüllt? | |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Uᵢ = 28 V | ≥ Uₒ = 26,4 V | ja | |
| 2) | Iᵢ = 110 mA | ≥ Iₒ = 98 mA | ja | |
| 3) | Pᵢ = 770 mW | ≥ Lₒ = 647 mW | ja | |
| 4) | Cᵢ = 5 nF | + C𝒸 = 45 nF | ≤ Cₒ = IIC: 89 nF | ja |
| 5) | Lᵢ = 0 mH | + L𝒸 = 0,25 mH | ≤ Lₒ = IIC: 2 mH | ja |
Fazit: Die Bedingungen des Nachweises der Eigensicherheit sind erfüllt.
Installation elektrischer Geräte zur Signalübertragung im Ex-Bereich
Einsatzanforderungen für elektrische Betriebsmittel
In Anlagen mit Ex-Bereichen ergeben sich für elektrische Betriebsmittel unterschiedliche Einsatzanforderungen. Für die MSR-Technik können sich z. B. folgende Anwendungsfälle ergeben:
- Sensoren und Aktoren sind in allen Ex-Zonen verteilt
- Trennverstärker befinden sich in der Zone 1, Zone 2 oder im sicheren Bereich
- Die Steuerung sitzt generell im sicheren Bereich
Die Instrumentierung kann hierbei in der Zündschutzart Eigensicherheit und/oder in einer anderen Zündschutzart erfolgen.
Eigensichere Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich
Sensoren bzw. Aktoren in Zone 0 werden meist in der Zündschutzart Eigensicherheit Ex ia installiert und an zugehörige Betriebsmittel angeschlossen. Die sicherheitstechnischen Daten sind in der EU-Baumusterprüfbescheinigung des Ex i-Trenners angegeben.
Ex i-Trenner dürfen nur außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs installiert werden, es sei denn, sie sind durch eine weitere Zündschutzart wie druckfeste Kapselung geschützt:
• Installation in Zone 1, z. B. in druckfest gekapselten Gehäusen
• Installation in Zone 2, z. B. in Kombination mit erhöhter Sicherheit: Hier müssen die Bedingungen der IEC 60079-15 erfüllt werden, z. B. Gehäuse müssen mindestens IP54-Schutz aufweisen.
Nicht-eigensichere Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich
Sind Sensoren bzw. Aktoren in anderen Zündschutzarten wie Ex d oder Ex e vorhanden, ist die Verwendung nicht-eigensicherer Trenner zulässig. Für Geräte in Zone 2 ist eine Ex ec-Zulassung erforderlich, die besondere Bedingungen wie ein zugelassenes Gehäuse gemäß IEC/EN 60079-15 und IEC/EN 60079-0 mit mindestens Schutzklasse IP54 vorschreibt. Ohne diese Zulassung müssen Trenner in ein druckfestes Gehäuse (Ex dc) installiert werden.
Ein „ec“-Sensor bzw. Aktor kann in Zone 2 mit einem eigensicheren oder nicht-eigensicheren Trenner verbunden sein. Bei Verbindung mit einem Ex i-Trenner entfällt die Eigensicherheit, der Trenner muss entsprechend gekennzeichnet werden.
Installationsanforderungen
Die Abbildung zeigt verschiedene Installationsmöglichkeiten für elektrische Geräte im gasexplosionsgefährdeten Bereich. Anforderungen an Projektierung, Auswahl und Errichtung sind in der IEC/EN 60079-14 enthalten. Prüfung, Instandhaltung und Reparatur sind in der IEC/EN 60079-17 und IEC/EN 60079-19 festgelegt.
Trennverstärker und Messumformer für den Explosionsschutz
Trennverstärker und Messumformer für den Explosionsschutz gewährleisten neben den Standardfunktionen, den elektrischen Explosionsschutz für alle Stoffgruppen und Bereiche nach den einschlägigen Normen. Die Produkte werden konsequent nach SIL IEC 61508 und PL DIN EN ISO 13849 entwickelt und bewertet. Dadurch minimieren sie Gefahren auf ein akzeptables Restrisiko und sorgen für den Schutz von Menschen, Maschinen und Umwelt.
