Direkt am Sensorkopf montiert

Dipl.-Ing. Jens Willmann

Überspannungen – etwa durch Blitzeinwirkungen – können Funktion und Verfügbarkeit elektrischer Anlagen erheblich beeinträchtigen. Bei den Störgrößen handelt es sich um zeitlich schnell veränderliche Impulse, sogenannte Transienten, die in wenigen Mikrosekunden Amplituden von mehreren Kilovolt erreichen. Besonders in explosionsgefährdeten Atmosphären, zum Beispiel in petrochemischen Industrieanlagen müssen diese Zündquellen vermieden werden.

In explosionsgefährdeten Bereichen hat sich die Zündschutzart „Eigensicherheit Ex i“ als sekundäre Schutzmaßnahme bewährt. Dabei werden Spannungen und Ströme soweit begrenzt, dass die Mindestzündenergie und Zündtemperatur eines explosiven Gemischs nicht erreicht wird. Nach DIN EN 60079–11 muss die Isolierung zwischen einem eigensicheren Stromkreis und dem Gehäuse des elektrischen Betriebsmittels oder den geerdeten Teilen dem Effektivwert einer Prüfwechselspannung standhalten. Diese sollte dem doppelten Wert der Spannung des eigensicheren Stromkreises oder mindestens 500 V AC entsprechen. Potenzialdifferenzen, die durch Schalthandlungen oder Blitzentladungen hervorgerufen werden, weisen jedoch deutlich höhere Amplituden auf. Sie können Werte von einigen 10 000 V erreichen, die einen Isolationsdurchschlag zwischen den aktiven Adern zur Erde hin verursachen können. Systemverfügbarkeit und Systemsicherheit sind dann meist nicht mehr gegeben.

Wenn diese gefährlichen Potenzialdifferenzen bei Lagertanks mit brennbaren Flüssigkeiten innerhalb der Zone 0 aufgebaut werden können, muss zwischen jeder der nicht geerdeten Adern der Signalleitung sowie der örtlichen Erde ein geeignetes Überspannungsschutzgerät (ÜSG) installiert werden. Der Installationsort sollte so nah wie möglich an der Ex-Zone 0 liegen. Ein Abstand von 1 m sollte nicht überschritten werden.

Oftmals ist ein Messwertaufnehmer auf dem Tank – etwa zur Füllstandsmessung – installiert. Eine Möglichkeit besteht darin, das ÜSG in einem separaten Gehäuse so nah wie möglich vor dem Messwertaufnehmer zu installieren. Das ÜSG muss die Anforderungen nach DIN EN 60079–11 erfüllen und für die Ex-Schutzzone zugelassen sein. Die Leitungen zwischen Messwertaufnehmer und ÜSG müssen so ausgeführt sein, dass sie gegen direkte Blitzbeeinflussung geschützt sind. Diese Möglichkeit der Installation von ÜSG verursacht jedoch zusätzliche Material- und Installationskosten.

Überspannungsschutzgeräte der Produktfamilie Surgetrab von Phoenix Contact sind speziell für den Überspannungsschutz von Sensorköpfen konzipiert und in der Schutzart IP 67 verfügbar. Sie werden entweder parallel oder im Durchgang direkt und schnell in den Leitungszug eingebunden und in das zu schützende Betriebsmittel eingeschraubt. Unterschiedliche Anschlussgewinde ermöglichen den Einsatz an einer großen Zahl von Sensorköpfen. Somit entfällt die zusätzliche Installation von Gehäusen. Die normative Anforderung, das ÜSG so nah wie möglich an der Ex-Zone 0 zu installieren, wird optimal umgesetzt.

Bei der Zündschutzart „Druckfeste Kapselung – Ex d“ werden Teile, die eine explosionsfähige Atmosphäre zünden können, in einem Gehäuse angeordnet, das dem Druck widerstehen kann, der sich bei einer inneren Explosion entwickeln kann. Eine Übertragung der Explosion auf die explosionsfähige Atmosphäre, die das Gehäuse umgibt, muss verhindert werden. Speziell für den Überspannungsschutz von Ex-d-Sensorköpfen wurden Varianten von Surgetrab entwickelt, die mit unterschiedlichen Gewindetypen verfügbar sind. Diese Varianten besitzen ein V4A-Edelstahlgehäuse und erfüllen die Anforderungen an die Schutzart IP 67. Installiert werden sie parallel zum Leitungszug in eine Reservekabelverschraubung des Sensorkopfs. Verfügbar sind Ex-d-zugelassene Lösungen zum Schutz von Zwei-Leiter-Anwendungen wie etwa 4…20-mA-Stromschleifen sowie für Drei/Vier-Leiteranwendungen wie Temperaturmessungen.

Welche normativen Anforderungen müssen diese ÜSG erfüllen, wenn gefährliche Potenzialdifferenzen in die Ex-Zone 0 eingekoppelt werden können? Nach EN 60079–14 müssen ÜSG einen Mindestableitstoßstrom von 10 kA (8/20 μs) haben. Sie sollten mindestens zehn Impulse dieser Art ohne Defekt beherrschen. Durch die Nutzung von Gasentladungsableitern (GDT) wird diese Anforderung erfüllt.

Die geforderte Isolationsfestigkeit von 500 V gegen Erde nach DIN EN 60079–11 wird durch den speziell bemessenen GDT 2 erreicht. Die Isolationsfestigkeit bei Betriebsmitteln gegen Erde beträgt etwa 1,5 kV, die Spannungsfestigkeit zwischen den Adern oftmals nur ein paar Hundert Volt oder weniger. Somit ist ein GDT zwar zur Aufrechterhaltung der Isolationsfestigkeit des Betriebsmittels bei Transienten geeignet, für die Spannungsfestigkeit zwischen den Adern jedoch nicht ausreichend. Zu diesem Zweck werden zusätzlich Suppressordioden genutzt. Diese Halbleiter-Bauelemente sprechen bei Transienten schnell an und besitzen eine enge Spannungsbegrenzung. Da das Ableitvermögen aber nur einige hundert Ampere beträgt, sind die Komponenten der Produktlinie Surgetrab Ex(i) mehrstufig aufgebaut. Im Falle einer Transiente begrenzt die Suppressor-Diode so lange, bis die Summe aus Restspannung der Suppressordiode US und dem Spannungsabfall an den Entkopplungswiderständen DU der Ansprechspannung des GDT 1 UG entspricht (Kirchhoffsche Regel). Somit wird zwischen den Adern ein schnelles Ansprechen in Verbindung mit einem niedrigen Schutzpegel sowie ein hohes Ableitvermögen erreicht.

In der Praxis werden häufig Kabelschirme eingesetzt, um die Störeinwirkung auf die aktiven Adern stark zu verringern oder ganz zu verhindern. Dabei taucht oft die Frage auf, ob der Schirm beidseitig, einseitig oder gar nicht geerdet wird. Patentrezepte für ein allgemeingültiges Schirmungskonzept gibt es nicht – ausschlaggebend sind hier die Potenzialausgleichsbedingungen vor Ort.

Eine Möglichkeit besteht darin, den Schirm an einer Stelle elektrisch leitend an Erde anzuschließen. Üblicherweise erfolgt dies am Ende des Stromkreises im nichtexplosionsgefährdeten Bereich, wobei das andere Ende offen gelassen wird. Diese Methode bietet ausschließlich Schutz vor elektrischen Feldern – nicht vor induktiven Einkopplungen, wie sie zum Beispiel bei Blitzeinwirkungen auftreten.

Eine weitere Lösung besteht darin, das offene Ende über einen GDT indirekt zu erden. Das isolierende Bauelement verhindert im hochohmigen Zustand Potenzialausgleichsströme zwischen beiden Schirmanschlusspunkten. Durch das Zünden des GDT wird eine mögliche transiente Überspannung nahezu kurzgeschlossen.

Einen Schutz vor elektrischen und elektro-magnetischen Wechselfeldern bietet der Schirm nur, wenn er beidseitig direkt geerdet wird. Nach DIN EN 60079–14 dürfen Kabelschirme an beiden Enden der Leitung direkt an Erde angeschlossen sein. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass zwischen jedem Ende des Stromkreises – also zwischen dem explosionsgefährdeten und dem nicht explosionsgefährdeten Bereich – ein fachgerechter Potenzialausgleich ausgeführt ist. Bei Surgetrab kontaktiert ein integrierter Schirmschnellanschluss auf der Leiterplatte die Kabelschirme großflächig. Das Schirmpotenzial kann entweder direkt oder durch das Heraustrennen einer vorinstallierten Brücke indirekt über GDT 3 geerdet werden.

Halle 9, Stand 341

Online-Info www.cav.de/1109437