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Im sekundären Explosionsschutz hat sich für die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik weltweit die Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) seit vielen Jahren etabliert. Im Vergleich zu anderen Zündschutzarten wie druckfeste Kapselung (Ex d) erweist sie sich als deutlich kostengünstiger. Zudem erlaubt Ex i Wartungsarbeiten und Umbauten im laufenden Betrieb. Darüber hinaus können einfache elektrische Betriebsmittel ohne vorhandene Zulassung eingesetzt werden. Die Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) gemäß IEC/EN 60079–11 bezieht sich im Unterschied zu anderen Zündschutzarten nicht auf ein einzelnes Betriebsmittel, sondern auf den gesamten Stromkreis. Ein Stromkreis wird als eigensicher bezeichnet, wenn seine Energie – Strom, Spannung sowie gespeicherte Induktivitäten und Kapazitäten – so weit begrenzt ist, dass weder ein Funke noch ein thermischer Effekt eine Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre auslösen kann. Ein eigensicherer Stromkreis setzt sich in der Regel aus den folgenden Komponenten zusammen:
- eigensicheres Betriebsmittel, also ein im Ex-Bereich installierter Verbraucher, z. B. ein Ex-i-Drucktransmitter
- zugehöriges Betriebsmittel, wobei es sich um eine im Nicht-Ex-Bereich verbaute Quelle (Ex i-Trenner) handelt
- verbindende Leitungen.
Ex-i-Trenner als entscheidende Komponente
Im Ex-i-Stromkreis kommt den Ex-i-Trennern eine entscheidende Bedeutung zu. Zum einen trennen sie den eigensicheren Stromkreis (blaue Anschlussklemmen zu Feldseite) gemäß IEC/EN 60079–11 galvanisch vom nicht-eigensicheren Stromkreis (nicht-blaue Anschlussklemmen zur Steuerungsseite). So ist sichergestellt, dass der Ex-i-Stromkreis auch durch anzunehmende Fehler auf der Non-Ex-i-Seite nicht beeinflusst wird. Zum anderen limitieren die Ex-i-Trenner die in den Ex-Bereich geführte Energie – die maximale Leerlaufspannung Uo, den maximalen Kurzschlussstrom Io und die maximale Leistung Po -auf ein nicht-zündfähiges Niveau. Gleichzeitig legen sie über die Angaben Co und Lo fest, welche maximalen Energiespeicher – konzentrierte Kapazität Ci sowie konzentrierte Induktivität Li im Feldgerät, Leitungskapazitäten Cc und Leitungsinduktivitäten Lc – angeschlossen werden dürfen, ohne die Eigensicherheit des Stromkreises zu gefährden.
Richtige Geräteauswahl
Wie bei allen Zündschutzarten hat der Anwender bei der Geräteauswahl zunächst eine Zündquellenbetrachtung (Art der Gefahr) entsprechend der vorliegenden explosionsfähigen Atmosphäre durchzuführen und die Geräte nach der passenden Temperaturklasse und Explosions- respektive Zündenergiegruppe auszusuchen. Ebenfalls, wie bei allen anderen Zündschutzarten, müssen die Geräte gemäß der vorhandenen Ex-Zone (Dauer der Gefahr) das erforderliche Geräteschutzniveau (EPL) beziehungsweise die geeignete Gerätekategorie aufweisen. Anwendungen in der gefährlichsten Zone 0 benötigen beispielsweise zwingend das Geräteschutzniveau Ga respektive die Zündschutzart Ex ia (Zweifehlersicherheit).
Um sicherzustellen, dass die jeweilige Zusammenschaltung aus Ex-i-Feldgerät, Ex-i-Trenner und verbindenden Leitungen tatsächlich eigensicher ist, folglich keine zündfähigen Funken und zündfähigen heiße Oberflächen erzeugen kann, muss der Anwender oder Anlagenbetreiber den „Nachweis der Eigensicherheit“ gemäß IEC/EN p60079–14 umsetzen und dokumentieren. Dem Anwender bietet dieses Verfahren den Vorteil, dass sich Ex-i-Feldgeräte und Ex-i-Trenner herstellerunabhängig entsprechend den individuellen Anforderungen auswählen und kombinieren lassen. Die Abbildung zeigt einen typischen eigensicheren Stromkreis, der aus einem zugehörigen Betriebsmittel (Quelle) mit linearer respektive ohmscher Quellenkennlinie, einem eigensicheren Betriebsmittel und den verbindenden Leitungen besteht. Aufgeführt sind hier ebenfalls die für den Nachweis der Eigensicherheit notwendigen sicherheitstechnischen Parameter (Ex i-Feldgerät/Verbraucher: Ui, Ii, Pi, Ci, Li; verbindende Leitung: Cc, Lc; Ex-i-Trenner/Quelle: Uo, Io, Po, Co, Lo) sowie die für die Einhaltung der Eigensicherheit erforderlichen Bedingungen. Die sicherheitstechnischen Parameter können der Anwenderdokumentation – zum Beispiel Betriebsanleitungen oder Datenblättern – entnommen werden.
Beachtung der 50-%-Regel
Gemäß den aktuellen Ausgaben der IEC/EN 60079–11 und der IEC/EN 60079–14 ist zudem zu bewerten, ob die sogenannte 50-%-Regel angewendet werden muss. Denn die bescheinigten Co– und Lo-Werte der zugehörigen Betriebsmittel dürfen nur in folgenden Fällen voll ausgenutzt werden bei einfachen eigensicheren Stromkreisen ohne konzentrierte Kapazitäten (= Ci) und ohne konzentrierte Induktivitäten (= Li) oder in einem gemischten eigensicheren Stromkreis mit konzentrierten Kapazitäten und/oder konzentrierten Induktivitäten unter der Bedingung, dass Li 1 % von Lo oder Ci 1 % von Co liegt.
Ist im gemischten eigensicheren Stromkreis Li ≥1 % von Lo und Ci ≥1 % von Co, müssen bei der Ausführung des Nachweises der Eigensicherheit die Co– und Lo-Werte um 50 % reduziert werden. Hier gilt dann: Ci + CC 0,5 Co und Li + LC 0,5 Lo. Für den Fall, dass die 50-%-Regel heranzuziehen ist, können auch bescheinigte Wertepaare für Co und Lo vom Hersteller zur Verfügung gestellt werden – wie beispielsweise bei den Ex-i-Trennern der Serien Mini Analog Pro und MACX Analog von Phoenix Contact. Hiermit lassen sich im Vergleich zur 50-%-Regel größere Leitungslängen realisieren und/oder die Komptabilität bei der Zusammenschaltung hinsichtlich des Ex-i-Nachweises lässt sich erhöhen.
Ex-i-Trenner – wie die Geräte der Serien Mini Analog Pro und MACX Analog – zeichnen sich ebenfalls dadurch aus, dass ihre Ex-i-Parameter auf eine hohe Kompatibilität zu den Ex-i-Parametern der Feldgeräte unterschiedlicher Hersteller ausgelegt sind. Darüber hinaus erlauben ihre relativ hohen Co-Werte große Leitungslängen.
Einfache elektrische Betriebsmittel
Nach der IEC/EN 60079–14 und IEC/EN 60079–11 werden „einfache elektrische Betriebsmittel“ definiert als elektrische Bauelemente oder Kombinationen von Bauelementen einfacher Bauart mit genau bekannten elektrischen Parametern, die die Eigensicherheit des Stromkreises, in dem sie eingesetzt werden, nicht beinträchtigen. Einfache elektrische Betriebsmittel unterliegen der Atex-Richtlinie nicht und lassen sich in einem eigensicheren Stromkreis nutzen, ohne dass gesonderte Prüfbescheinigungen oder Zertifikate vorliegen.
Zum Nachweis der Eigensicherheit von Ex-i-Stromkreisen mit einfachen elektrischen Betriebsmitteln ist vom Hersteller oder Anwender zunächst zu belegen und zu dokumentieren, dass das einfache elektrische Betriebsmittel die Anforderungen der IEC/EN 60079–0 und IEC/EN 60079–11 zum Beispiel im Hinblick auf Elektrostatik, IP-Schutz sowie Abständen der Anschlüsse erfüllt und ob zu berücksichtigende Induktivitäten und/oder Kapazitäten vorhanden sind. Dann muss es einer Temperaturklasse (T1 bis T6) zugeordnet werden. Die dafür erforderliche maximale Oberflächentemperatur lässt sich mit der Leistung Po des zugehörigen Betriebsmittels gemäß der Formel T = Po x Rth + Tamb bestimmen. Rth repräsentiert dabei den Wärmewiderstand (K/W) des Bauteils und Tamb die Umgebungstemperatur. Alternativ kann die Temperaturklasse auch durch Bezugnahme auf Tabelle 7 der IEC/EN 60079–14 festgelegt werden. Die Aufbringung einer Ex-Kennzeichnung gemäß Richtlinie und Norm ist untersagt, allerdings muss der Betreiber das einfache elektrische Betriebsmittel als solches kennzeichnen.
Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg
Autor: Heinrich Käuper
Produktmanager Analog Ex, Phoenix Contact Electronics
