EMV-Schutz nach Maß

Dipl.-Ing. (FH) Herbert Krämer

Die EG-Ex-Schutz-Richtlinie 94/9/EG (ATEX 100a) zur bestimmungsgemäßen Verwendung von Geräten und Schutzsystemen in explosionsgefährdeten Bereichen, wie sie häufig in der Prozeßtechnik vorkommen, entstand im Zuge der Angleichung europäischer Rechtsvorschriften. Die Klassifizierung von Geräten in Gerätegruppen und -kategorien soll den sachgerechten Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen erleichtern. Explosionsgefährdete Bereiche werden ferner gemäß der Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen ElexV in Zonen eingeteilt, und zwar je nach Zusammensetzung und Vorhandensein explosionsfähiger Atmosphäre.

Für prozeßnah eingesetzte elektrische Anlagen und MSR-Kreise ist, um deren Betriebssicherheit zu gewährleisten, ein wirksames Konzept zum Schutz gegen Blitzströme und Überspannungen erforderlich.

Nach der neuen, international gültigen Norm IEC 61312-1 (VDE 0185, Teil 103) kommt hierfür das Blitz-Schutzzonen-Konzept zur Anwendung. Ähnlich wie im Explosionsschutz, wird ein Gebäude oder eine Anlage in Zonen verschiedener Gefährdungen eingeordnet. Somit kann ein wirtschaftlicher und angepaßter EMV-Schutz erfolgen, der sowohl galvanisch als auch induktiv/kapazitiv eingekoppelte Überspannungen unschädlich macht. Zuerst werden die einzelnen Blitz-Schutzzonen (BSZ) definiert.

Beispiele:

• BSZ 0A, Installationen im ungeschützten Außenbereich von Gebäuden,

• BSZ 0B, Installationen im Außenbereich unter dem Einfluß von wirksamen Blitzschutzanlagen,

• BSZ 1, Installationen in herkömmlichen Betriebsräumen,

• BSZ 2, Installationen in sicherheitsrelevanten Betriebsräumen, wie Leitwarte oder Serverraum,

• BSZ 3, Sensible Endgeräte.

Es sind alle elektrisch leitenden Teile zu beachten, die eine BSZ überschreiten. Beispielsweise müssen metallene Rohre und Kanäle sowie Leitungsschirme direkt an der Schutzzonen-Schnittstelle mit dem Potentialausgleich verbunden werden. Für aktive Leitungen wie die Außenleiter der Elektroversorgung oder Signaladern erfolgt die Verbindung durch Überspannungs-Schutzgeräte.

Die bei einem Blitzeinschlag eingekoppelten Störströme sollten möglichst auf vielen parallelen Pfaden geführt werden, um die Höhe der Teil-Ströme in den einzelnen Leitern/Schirmen zu verringern. Dies wird durch Gebäude-/Raumschirmung und eine Vermaschung aller Potentialausgleichleitungen und Erder erreicht.

Es empfiehlt sich, bereits bei der Bauplanung geeignete Maßnahmen vorzusehen, z. B. das Verbinden der Metallbewehrungen von Betonelementen oder der Zusammenschluß von Metallfassaden mit Ableitungen des äußeren Blitzschutzes. Der Einbau von Potentialausgleichsschienen oder Erdungs-Ringleiter für die Leitwarte ist obligatorisch. Die richtige Behandlung von Kabelschirmen ist ein wichtiger Bestandteil des Schutzkonzepts. Grundsätzlich sind alle Schirme beidseitig, sowohl an der Steuereinheit als auch am Endgerät/Meßwertaufnehmer, direkt oder über Ableiter zu erden. Beim Durchlaufen einer Blitz-Schutzzonen-Schnittstelle sind sie ebenfalls an den örtlichen Potentialausgleich anzuschließen.

Nahezu jedes MSR-Gerät benötigt zum Funktionieren elektrische Energie. Die Versorgung geschieht meistens direkt aus dem Energienetz. Zudem existieren eine Vielzahl von Schnittstellen zwischen MSR-Systemen und Daten-Netzwerken bzw. Telekommunikations-Netzwerken. Wirksamer MSR-Geräteschutz vereinigt die Behandlung aller System-Schnittstellen in einem Schutzkonzept. Sowohl zum Schutz der Energie- als auch der Datenübertragung gibt es Blitzstrom-Ableiter, Überspannungs-Ableiter, die speziell auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten sind. Nachfolgend soll jedoch speziell auf den Einsatz von Schutzgeräten für eigensicherere Meßkreise eingegangen werden, die überwiegend in der Ex-Zone 1 und am BSZ-Übergang 1-2 plaziert werden.

In der Prozeßtechnik stellt die Eigensicherheit zusätzliche Bedingungen an den EMV-Schutz:

• Eigensichere Stromkreise sind im allgemeinen isoliert (erdfrei) zu errichten. Sie müssen oder dürfen nur geerdet werden, wenn dies aus Sicherheitsgründen oder Funktionsgründen erforderlich ist.

• Eigensichere Betriebsmittel haben in der Regel eine Isolationsfestigkeit von $500 V AC. Betriebsmittel mit einer Isolationsfestigkeit 500 V AC gelten als geerdet.

• Überspannungsschutzgeräte mit einer Ansprechgleichspannung gegen Erde ,500 V DC stellen eine Erdung des eigensicheren Stromkreises dar. Für erdfreie Systeme ist eine Ansprechgleichspannung von $500 V DC nötig.

• Beim Errichten eines eigensicheren Stromkreises ist sicherzustellen, daß die für den Stromkreis höchstzulässigen Werte von Induktivität (Lmax) und Kapazität (Cmax) nicht überschritten werden.

Um EMV-Schutz und Eigensicherheit für MSR-Kreise in Einklang zu bringen, wurde das Überspannungs-Schutzgerät Blitzductor CT MD/Ex entwickelt. Durch seine Ansprechgleichspannung $500 V DC beeinflußt das Gerät nicht die Erdfreiheit des Meßkreises. Laut Prüfbescheinigung PTB 99 ATEX 2092 II 2 G EEx ia IIC T6 sind die inneren Kapazitäten und Induktivitäten des Blitzductor CT MD/Ex vernachlässigbar klein und haben keine Bedeutung für die Auslegung des Ex (i)-Kreises. Dies vereinfacht die Einbindung der Schutzgeräte erheblich. Der weite Betriebsspannungsbereich bis zu 34,6 V DC ist wichtig für den Schutz von 4…20-mA-Kreisen, da die maximale Speisespannung häufig nicht um 24 V DC, sondern um 30 V DC schwankt. Dabei ist es belanglos, ob noch ein zusätzliches Signal, wie HART, überlagert ist. Der Einsatz der Schutzgeräte erfolgt jeweils am BSZ-Übergang 1-2 unmittelbar vor dem Meßumformer und dem Geber. Der Schutz von übergeordneten Bussystemen wie z. B. Profibus-PA oder Foundation Fieldbus für Ex (i) kann ebenso mit Blitzductor CT MD/Ex durchgeführt werden. Die adaptierbare Schirmanschlußklemme ermöglicht das niederimpedante Auflegen des Leitungsschirmes ohne Raumverlust direkt am Überspannungs-Schutzgerät.

Die NAMUR-Empfehlung NE 21 legt Störsicherheitsanforderungen für den allgemeinen Gebrauch an die Betriebsmittel der Prozeß- und Labortechnik fest. Signaleingänge solcher Betriebsmittel müssen z. B. Spannungsstößen (Surges) der Wellenform 1,2/50 µs von 0,5 kV zwischen zwei Leitungsadern und 1,0 kV Leitungsader gegen Erde widerstehen. Meßaufbau und Wellenform werden in der Meßgrundnorm EN 61000-4-5 beschrieben. Diese Norm weist je nach Amplitude des Prüfimpulses unterschiedliche Störfestigkeiten der Endgeräte aus. Die Störfestigkeit des Endgerätes wird durch den Prüfschärfegrad (möglich 1-4) dokumentiert. 1 bedeutet geringste und 4 folglich höchste Störfestigkeit. Der Prüfschärfegrad wird vom Gerätehersteller bestätigt.

Bei Gefahr von Blitz- und Überspannungseinwirkungen ist der EMV-Schutz durch Überspannungs-Schutzgeräte koordiniert zu erweitern.

Daraus folgt, daß Strom, Spannung und Energie leitungsgebundener Störimpulse durch ein Überspannungs-Schutzgerät sicher auf einen Wert begrenzt werden muß, der innerhalb der Störfestigkeit des Endgerätes liegt. Das Koordinationskennzeichen (X/1) von Blitzductor CT MD/Ex ist der direkte Bezug zu dem Prüfschärfegrad des Endgerätes. (1) beschreibt den geforderten Prüfschärfegrad des Endgerätes und (X) das Ableitvermögen des Schutzgerätes von 10 kA 8/20 µs (wie in VDE 0165 T1gefordert).

Die Verwendung energetisch koordinierter Überspannungs-Schutzgeräte stellt sicher, daß weder schnelle, noch energiereiche Transienten dem Endgerät etwas anhaben können – selbst bei Gewitter.

Weitere Informationen cav-289