Die Risiken einer Funkenbildung durch Direkteinschlag oder Entladen von leitungsgebundenen Störenergien lassen sich bereits bei der Planung und Ausführung derartiger Anlagen auf eine sicherheitstechnisch und auch wirtschaftlich vertretbare Größe reduzieren. Die verwendeten Explosionsschutzeinrichtungen müssen dabei die Anforderungen des Explosionsschutzes, die Koordinationsbedingungen und die Anforderungen resultierend aus den Betriebsparametern der MSR-Kreise erfüllen.
Der Autor: Manfred Kienlein Senior Market Manager Process, Dehn + Söhne
Explosionsschutzmaßnahmen sind überall dort erforderlich, wo brennbare Stoffe mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch bilden. Schon im Jahre 2003 wurde die Atex 137 (Richtlinie 1999/92/EG) durch die Betriebssicherheitsverordnung in nationales Recht umgesetzt. Hier hat der Betreiber die Verpflichtung, ein Explosionsschutzdokument zu erstellen. Dabei wurde ein Ansatz zur Risikobeurteilung zugrunde gelegt, der die potenziellen Gefahren nach einer Ex-Zoneneinteilung aufgrund des Vorhandenseins und der Ausdehnung von potenziell explosionsfähigen Atmosphären beurteilt. Dieser Zoneneinteilung schließt sich die Identifizierung möglicher Zündquellen an, die sich aus betrieblichen Erfordernissen ergeben, sowie die Auswahl entsprechender Betriebsmittel.
Blitzströme und Überspannungen
Bei der Gefährdungsbeurteilung explosionsgefährdeter Bereiche müssen folgende Zündquellen nach EN 1127-1 und TRBS 2152 Teil 3 (Technische Regeln für Betriebssicherheit) betrachtet werden, die durch Blitzeinwirkung entstehen können:
- Aufschmelzen am Einschlagpunkt des Blitzes
- Erwärmung der Ableitwege
- Unkontrollierte Überschläge bei Nicht- einhaltung des Trennungsabstandes
- Induzierte Spannungen in Kabel und Leitungen
- Einschläge in metallische Leitungen, die in den explosionsgefährdeten Bereich führen
Werden Gefährdungen durch Blitzeinwirkungen (Risikoanalyse nach DIN EN 62305-2) festgestellt, dann müssen alle Geräte, Schutzsysteme und Komponenten aller Kategorien durch geeignete Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen geschützt werden.
Die DIN EN 60 079-14 fordert grundsätzlich, die Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf ein ungefährliches Maß zu reduzieren. Da nach der BetrSichV die Anlagen gemäß dem Stand der Technik zu installieren, zu montieren und zu betreiben sind, müssen die TRBS 2152 Teil 3 und die neuen Blitzschutznormen (DIN EN 62 305-1-4) für den Explosionsschutz Anwendung finden. In explosionsgefährdeten Bereichen bestehen nicht nur Gefahren durch die Wirkungen des direkten Blitzeinschlags, sondern auch die Gefährdung durch die elektromagnetische Wirkung des Blitzstroms auf die Installation der elektrischen Anlage.
In Bild 1 ist eine typische Installation eines eigensicheren Messkreises, bestehend aus einer Kombination von Trennbarriere, eigensicherer Messleitung und einem Temperaturtransmitter (galvanisch zum Fühlerelement hin getrennt), dargestellt. Durch folgende Blitzgefährdungen kann der eigensichere Messkreis zer- oder gestört werden und Explosionsgefahr für die Anlage bestehen:
- Direkter Blitzeinschlag in die Leitung des Ex-i-Kreises
- Einschlag neben der Leitung des Ex-i-Kreises
- Direkter Blitzeinschlag in die Fangeinrichtung des MSR-Gebäudes
- Einschlag neben das MSR-Gebäude
- Direkter Blitzeinschlag in den Tank
- Einschlag neben den Tank
Damit ein Schutz gegen alle blitzbedingten Schadenswahrscheinlichkeiten von den elektrischen Betriebsmitteln (Messwarte als auch im explosionsgefährdeten Bereich) aufgebaut werden kann, müssen zwei Überspannungsschutzgeräte (SPD – surge protective device) in den eigensicheren Stromkreis integriert werden. Ein SPD zum Schutz der Trennbarriere in der Messwarte und ein SPD zum Schutz des Transmitters am Tank. Das SPD am Tank verhindert auch gleichzeitig einen gefährlichen Funkenüberschlag vom Tank zur Fühlerleitung und dient zusätzlich dem Explosionsschutz.
Auswahlkriterien beachten
Für die Auswahl eines SPDs müssen bestimmte Kriterien erfüllt werden, wie die Erdfreiheit und Isolationsfestigkeit der eigensicheren Betriebsmittel sowie die Gerätekategorie und Zündschutzart.
Unter Berücksichtigung der DIN EN 60 079-25 dürfen eigensichere Stromkreise entweder „gegen Erde isoliert“ oder nur „an einer Stelle an das Potenzialausgleichssystem angeschlossen“ sein. Ein eigensicherer Stromkreis ist erdfrei, wenn er einer Isolationsprüfung mit mindestens 500 V gegen Erde nach IEC 60 079-11 widersteht. Ist dies nicht der Fall, dann ist im Stromkreis eine Verbindung gegen Erde anzunehmen.
Am einfachsten sind speziell für den Anwendungsfall zugelassene SPDs (eigensichere Betriebsmittel), die die Anforderung der Erdfreiheit erfüllen, einzusetzen. Diese müssen bei der Isolationsmessung auch nicht mehr vom eigensicheren Stromkreis getrennt werden. Der Hersteller der eigensicheren SPDs muss diese Erdfreiheit nachweisen.
Der gesamte eigensichere Stromkreis besitzt die Zündschutzart ia. In unserem Beispiel müssen die beiden eingesetzten SPDs auch diese Zündschutzart erfüllen (Nachweis mit EG-Baumusterprüfbescheinigung).
Da am Tank eine Fühlerleitung mit SPD beschalten wird (Bild 1), die in Zone 0 führt, muss das SPD noch zusätzlich für diesen Einsatzfall zugelassen sein. Gemäß EG-Baumusterprüfbescheinigung muss daher das SPD vom Typ DPI MD EX 24 M 2 mindestens folgende Zulassung haben: II2(1)G Ex ia IIC T4…T6.
Zulässige Maximalwerte
Bevor ein eigensicherer Messkreis in Betrieb genommen wird, muss der Nachweis für die Eigensicherheit des Messkreises erbracht werden. Die Trennbarriere, der Messumformer, die verwendeten Kabel sowie die SPDs müssen die Zusammenschaltbedingungen erfüllen. Beim im Beispiel verwendeten Überspannungsschutzgerät BXT ML4 BD EX 24 (Bild 2) und DPI MD EX 24 M 2 (Bild 3) sind, gemäß der EG-Baumusterbescheinigung, die inneren Kapazitäten und Induktivitäten vernachlässigbar und brauchen bei der Betrachtung der Zusammenschaltbedingungen nicht berücksichtigt werden.
Der zu schützende eigensichere Messkreis hat laut seinen technischen Daten für Ex-Anwendungen eine maximale Versorgungsspannung Ui max von 29,4 V(DC) und einen maximalen Kurzschlussstrom Ii max von 130 mA. Die Ableiterbemessungsspannung Uc des SPDs muss höher sein als die maximale Leerlaufspannung des Speisegerätes. Der Nennstrom des SPDs muss mindestens so groß sein wie der im Fehlerfall zu erwartende maximale Strom Ii max der Trennbarriere. Weicht man bei der Dimensionierung des SPDs von diesen Randbedingungen ab, erlischt die Zulassung.
Werden die Koordinationsbedingungen nach DIN EN 62 305-4 und nach der Produktnorm IEC 61 643-21 nicht erfüllt, so kann es trotz Einsatz von SPDs zum Schaden an den Geräten und zu einem kritischen Zustand der Anlage kommen. Hier ist es am sichersten nur Schutzgeräte eines Herstellers zu verwenden.
Besonders wichtig bei diesem speziellen Anwendungsfall ist nicht nur die Koordinationsbedingung für die induzierten Überspannungen (8/20 µs – Impuls), sondern auch eine Koordinationsprüfung für den Blitzimpuls (10/350 µs – Impuls). Das SPD am Tank befindet sich in Blitzschutzzone (LPZ) 0B und muss aus diesem Grund Blitzteilströme führen können (Bild 1). Speziell bei der Installation eines SPDs am Tank (Leitungen aus Zone 0) müssen zusätzlich noch folgende Anforderungen nach DIN EN 60 079-14 erfüllt und nachgewiesen werden:
- Einsatz von SPDs mit einem Mindestableitvermögen von 10 Impulsen mit jeweils 10 kA ohne Defekt oder Beeinträchtigung der Schutzfunktion.
- Einbau der SPDs in einem metallisch geschirmten Gehäuse und Erdung mit mindestens 4 mm2 Cu.
- Installation der Leitungen zwischen dem Ableiter und dem Betriebsmittel im beidseitig geerdeten Metallrohr oder die Verwendung geschirmter Leitungen mit einer max. Länge von 1 m.
Im beschriebenen Anwendungsfall (Bild 3) werden alle diese Punkte bereits durch den Einsatz des Feldgeräteschutzes DPI MD EX 24 M 2 erfüllt.
Halle 11.1, Stand E15
prozesstechnik-online.de/cav0612475
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