Ex-Schutzart Eigensicherheit - Fakten von Fiktionen trennen

Eaton/MTL räumt häufige Missverständnisse bei der Auslegung von eigensicheren (Ex i) Kreisen aus.
Die Eigensicherheit als Explosionsschutzart in industriellen Anwendungen ist ein wesentlicher Bestandteil des Schutzes von Menschen, Anlagen und Produkten vor Risiken. Aber wie gut verstehen wir Ex i und wie wird die Eigensicherheit erreicht? Dieser Artikel trennt einige Fakten von Fiktionen.
Das Vorhandensein potenziell brennbarer Substanzen kommt in praktisch jeder Industrie-Branche häufig vor. Ob es sich bei der Umgebung um eine Offshore-Bohrinsel, eine Chemiefabrik, eine Mühle, eine Wasseraufbereitungsanlage oder eine Autolackiererei handelt, wenn sich brennbare Gase, Stäube oder Dämpfe in ausreichender Konzentration ansammeln, besteht Brand- oder Explosionsgefahr. Die Eigensicherheit (Ex i) ist eine Möglichkeit bei der Auslegung von Schaltkreisen in Ex-Bereichen, die Explosionen verhindert, indem sichergestellt wird, dass die in einem explosionsgefährdeten Bereich vorhandene und übertragene Energie weit unter der Energie liegt, die zum Zünden einer Explosion erforderlich ist. Diese Energie kann typisch in Form eines elektrischen Funkens oder einer heißen Oberfläche auftreten.
Der Hauptvorteil der Eigensicherheit besteht darin, dass sie für Geräte mit begrenzter Leistung eine Lösung für alle Anforderungen in explosionsgefährdeten Bereichen bietet und dabei die einzige Technik ist, die dieses Kriterium erfüllt. Darüber hinaus ist die Ex i-Schutzart allgemein anerkannt und unterliegt allen lokalen Gesetzen: einschließlich ATEX und OSHA. Trotzdem bestehen weiterhin häufige Missverständnisse über die Eigensicherheit. Ferner führt die Reduzierung der elektrischen Energie auch zu einem sicheren Umgang, sodass das Personal beim Umgang selbst mit unter Spannung stehenden Stromkreisen geschützt ist. Im folgenden sind die fünf typischsten Mythen aufgeführt, die wir gerne entlarven möchten.

Mythos Nr. 1

Durch Hinzufügen einer "Barriere" wird meine Zusammenschaltung eigensicher
Dies ist ein verbreiteter Mythos, aber ein potenziell gefährlicher. Durch Hinzufügen einer Ex i-Schnittstelle (Trenner oder Zener-Barriere) werden Geräte im Ex-Bereich nicht eigensicher. Die Reduzierung des Explosionsrisikos kann nur erreicht werden, indem Geräte installiert werden, die speziell für die Ex i-Anforderungen entwickelt wurden, sowie über eine geeignete Ex i-Schnittstelle angeschlossen werden. Wenn eigensichere Geräte durch Verkabelung untereinander verbunden sind, wird die Sicherheit jedes Geräts durch die Eigenschaften der anderen Geräte im Stromkreis beeinflusst. Die Ex i-Technik setzt voraus, dass das System korrekt ausgelegt ist, wobei die Eigensicherheit zu einem Konzept für jeden einzelnen Stromkreis wird. Andere Explosionsschutzarten hängen ggf. auch vom einem Systemkonzept ab, bei der Eigensicherheit ist es jedoch eine Grundvoraussetzung.

Mythos Nr. 2

Zenerbarrieren und galvanische Trenner sind austauschbar
Es gibt zwei Arten von Ex i-Schnittstellen, die von Anwendern der Eigensicherheit typischerweise verwendet werden: Ex i-Zener-Barrieren und Ex i- galvanische Trenner. Betreiber auch von Großanlagen entscheiden sich normalerweise anlagenweit für die Verwendung der einen oder anderen Lösung. Es wird daher empfohlen, immer denselben Schnittstellentyp zu verwenden. Diese Schnittstellen haben sehr unterschiedliche Installations- und Wartungsanforderungen, daher ist es wichtig, sie zu verstehen.
Die meisten Ex i-Zener-Barrieren sind einfache, vielseitige, schleifengespeiste Schnittstellen, die eine gut geregelte Stromversorgung erfordern, um eine begrenzte Spannung sowohl im explosionsgefährdeten als auch im sicheren Bereichen zu erreichen. Sie erfordern einen separaten Erdanschluss, der regelmäßig getestet wird, da dies eine Grundvoraussetzung für die Sicherheit dieser Schutztechnik ist. Galvanische Ex i-Trenner sind komplexer mit kürzeren mittleren Ausfallzeiten (MTTF). Sie sind anwendungsspezifisch, können mit einer Vielzahl von Stromversorgungen verwendet werden, erlauben die Versorgung auch höherer Impedanzen sowohl im explosionsgefährdeten als auch in sicheren Bereich und vereinfachen die Anforderungen an die regelmäßige Wartung. In Europa werden grundsätzlich die galvanischen Trenner gegenüber den Zenerbarrieren bevorzugt, da sie eine allseitige Potenzialentkopplung bieten und daher sehr tolerant gegenüber Installationsfehlern sind.

Mythos Nr. 3

Die Sicherheitsbeschreibung der Ex i-Schnittstelle ist mit dem Ex i-Gerät kompatibel, also Design komplett!
Die Bewertung der Kompatibilität der Sicherheitsbeschreibung durch Überprüfung, ob die Spannungs-, Strom- und Leistungswerte der Ausgänge (U_o, I_o und P_o) der Ex i-Schnittstelle geringer sind als die Spannungs-, Strom- und Leistungseingänge (U_i, I_i und P_i) des Ex i-Geräts allein stellt nicht sicher, dass die für Ex i-Umgebungen ausgewählten Komponenten eine Explosion verhindern können. Der erste Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass das Gerät im Ex-Bereich vollständig die relevanten Sicherheitsanforderungen erfüllt. Beim zweiten Schritt dreht sich alles um die Praktikabilität. Funktioniert das Gerät ordnungsgemäß? Für Schnittstellen erfordert dies eine sorgfältige Überprüfung auch der Betriebsparameter wie Spannung und Strom.
Um diesen Punkt zu veranschaulichen, betrachten wir eine Anwendung für einen Analogeingang mit einem 2-Draht-Messumformer (siehe Bild 1). Dieser hat eine minimale Betriebsspannung, typischerweise 10,5 V. Die Ex i-Schnittstelle muss in der Lage sein, diese Spannung zu liefern, nachdem der Spannungsabfall in der Verkabelung abgezogen wurde.

Ex_i-Kreis

Bild 1 - Analogeingang mit 2-Draht-Messumformer.

Betrachten wir eine passive Zenerbarriere für diese Anwendung und bewerten den Spannungsabfall über beide Kanäle der Barriere sowie den Spannungsabfall über eine typische 250 Ω-Bürde im Analogeingang nach dem Ohmschen Gesetz. Die Berechnung verläuft wie folgt: Daten z.B. gemäß Datenblatt für MTL7787+:)

U_{Abfall, Barriere} = I_max x (R_Kanal
1 + R_{Kanal 2}) + U_{Abfall, Diode}= 20 mA × (333 Ω + 21 Ω) + 0,9 V = 7,98 V.

U_{Abfall,Lastwiderstand} = I_max x R_Last = 20 mA x 250 Ω = 5 V.

U_Abfall,Kabel = U_Versorgung – U_{Abfall,
Barriere} – U_{Abfall, Last} – U_{Betriebsspannung,
Messumformer}
= 24 V - 7,98 V - 5 V - 10,5 V = 0,52 V.

R_Kabel = U_{Abfall, Kabel} / I_max = 0,52 V / 20 mA = 26 Ω

Mit einem spezifischen Kabelwiderstand r_Kabel von 50 Ω/km ergibt sich:
Kabellänge = R_Kabel / r_Kabel = 26Ω / (50 Ω/km) = 0,52 km = 520 m

Als Ergebnis können wir sehen, dass der Kabelwiderstand 26 Ω betragen könnte, was bei einem Kabelwiderstand von 50 Ω/km 520 m Kabel unterstützt. Ein kleiner Abfall (0,6 V) der Versorgungsspannung würde jedoch zum Ausfall des Messkreises führen.
Galvanische Trenner oder aktive Barrieren liefern eine garantierte Mindestspannung, die für einen typischen Trenner, der in dieser Anwendung verwendet wird (wie Eatons MTL5541), mindestens 16,5 V bei 20 mA beträgt. Der daraus resultierende max. erlaubte Spannungsabfall für die Verkabelung von 16,5 V bis 10,5 V = 6 V bietet dieser Lösung eine viel größere Betriebsspanne.

Mythos Nr. 4

Es spielt keine Rolle, welche Verkabelung Sie verwenden, wenn die Geräte Ex i-bescheinigt sind.
Da Kabel über Induktivität und Kapazität und damit über Energiespeicher verfügen, können sie die Systemsicherheit beeinträchtigen. Infolgedessen schränkt das Systemdesign den Wert für jeden dieser Parameter ein. Nur in wenigen Anwendungen (z.B. besonders lange Kabelwege) wird die Verwendung eines speziellen Kabels ernsthaft eingeschränkt.
Da Kabelfehler bei der Systemanalyse berücksichtigt werden, ist der Kabeltyp in einzelnen Installationen im Systemstandard nicht genau festgelegt. Die Wahl wird daher durch die Notwendigkeit eines zuverlässigen Systembetriebs bestimmt. Wenn eigensichere Systeme über Vielfach-(Stamm-)Kabel angeschlossen sind, gibt es spezielle Anforderungen. Diese bestimmen, welche zusätzlichen Fehler berücksichtigt werden müssen.
Die Eigensicherheit erfordert keinen mechanischen Schutz des Kabels durch Panzerung/Armierung oder spezielle Durchführungen, was die Verwendung herkömmlicher Instrumentenkabel ermöglicht und somit die Kosten senkt. Die Kabelparameterprüfungen sind unkompliziert und erfordern lediglich, dass die Kapazität und Induktivität der Kabel- und Feldgeräte zusammen geringer sind als die Kapazität und Induktivität, die von der Ex i-Schnittstelle für die jeweilige Umgebung vorgegeben sind, in der das Gerät installiert ist. Üblicherweise wird die maximal zulässige Kabellänge für eine bestimmte Installation berechnet, um sicherzustellen, dass diese bei der Auslegung der Kabelstrecken nicht überschritten wird.

Mythos Nr. 5

Unter Ex ic sind die Ex i-Systemregeln in Zone 2 nicht so streng wie in Zone 1.
Dieser Mythos ergibt sich aus einer Fehlinterpretation der Ex-Bezeichnungen. Bei der Eigensicherheit werden drei Schutzniveaus verwendet: "ia", "ib" und "ic", welche die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins einer explosionsfähigen Atmosphäre gegen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer zündfähigen Situation abwägen. Durch die Verwendung unterschiedlichen Sicherheitsniveaus wird sichergestellt, dass die für jede Risikostufe erforderlichen Betriebsmittel verfügbar sind (normalerweise wird in Zone 0 „ia“, in Zone 1 „ib“ und in Zone 2 „ic“ verwendet). Die Bezeichnung Zone 2 weist darauf hin, dass die Anwesenheit einer Ex-Atmosphäre nur selten vorkommt, aber nicht auszuschließen ist.
Bevor Ex ic in die Normen für die Eigensicherheit aufgenommen wurde, musste der Planer das Risiko unterschiedlicher Installationsoptionen bei nur wenigen vorhandenen Vorgaben für die sichere Installation selber bewerten. Es gibt jetzt klare Richtlinien, wie eigensichere Geräte in den für Zone 2 ausgewiesenen Bereichen installiert und gewartet werden müssen. Ein Beispiel ist eine Anforderung zur Trennung einer offenen z.B. Klemmstelle eines Ex i-Kreises von mindestens 50 mm von einer eines nicht-Ex i-Kreises, was z.B. für die Auslegung von Rangierverteilern wichtig ist.

Schlussbemerkung
Der Planer eines Ex i-Kreises muss die Verantwortung für die Angemessenheit des Designs und die Sicherheitsauswirkungen der Verwendung des Systems in Verbindung mit explosionsgefährdeten Bereichen übernehmen. Er muss daher über ein angemessenes Maß an Wissen und Ausbildung verfügen und die Bedeutung der richtigen Analyse erkennen.
Die Analyse einfacher Systeme ist generell unproblematisch und kann von jedem kompetenten Fachingenieur durchgeführt werden. Die Beschaffung von Ex i-Geräten von namhaften Herstellern, wie Eaton/MTL, bietet grundsätzlich weitere Sicherheit und Fachwissen. Bei komplexeren Systemen - beispielsweise bei Verwendung einer Kombination aus nichtlinearen und linearen Speisegeräten, bei denen ein höheres Maß an Erfahrung erforderlich ist - kann es wünschenswert sein, sich an eine „zugelassene Zertifizierungsstelle“ zu wenden, um eine Analyse für ein solches System bereitzustellen.
Galvanische Trenner oder aktive Trenner wie der MTL5541 von Eaton bieten eine garantierte Mindestspannung für die angeschlossenen Betriebsmittel, die eine viel größere Reserve beim Betrieb gewährt.

Für nähere Informationen stehen wir Ihnen gerne persönlich zur Verfügung, sprechen Sie uns an! LINK->

Eaton - MTL