Explosionsfähige Atmosphären und explosionsgefährdete Bereiche – Überspannungsschutz
Explosionsfähige Atmosphären entstehen, wenn sich eine ausreichende Konzentration brennbarer Stoffe wie Gase, Dämpfe oder brennbarer Staub mit dem Sauerstoff in der Luft vermischt. Das Vorhandensein einer Zündquelle wie Funken, Flammen oder Hitze kann dann eine schnelle Verbrennungsreaktion auslösen, die zu einer Explosion führt.
Chemische Industriebetriebe und Tankstellen sind typische Beispiele für explosionsgefährdete Bereiche. Diese Bereiche gelten aufgrund der hohen Brand- und Explosionsgefahr durch Blitzeinschläge und Spannungsspitzen als gefährlich.
Es ist wichtig zu beachten, dass Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen, um das Explosionsrisiko zu minimieren, Sachschäden durch Blitzschlag zu verhindern und die Verfügbarkeit der Anlagen sicherzustellen. Dazu gehören die Verwendung eigensicherer Geräte, ein wirksames Erdungssystem und die erforderlichen Überspannungsschutzgeräte.
Einteilung von Gefahrenbereichen
Zwei ATEX-Richtlinien verpflichten Hersteller und Arbeitgeber zur Einhaltung der darin festgelegten Anforderungen, um die Gesundheit und Sicherheit von Arbeitnehmern, Geräten und Schutzsystemen zu verbessern, die durch explosionsgefährdete Bereiche gefährdet sind.
Bereiche mit explosionsgefährdeten Atmosphären werden anhand der Häufigkeit und Dauer des Auftretens explosiver Atmosphären in Zonen eingeteilt. Die Einteilung hilft bei der Bestimmung des erforderlichen Schutzniveaus (Tabelle 1).
Tabelle 1 – Klassifizierung von Gefahrenbereichen
Die ATEX-Richtlinien gelten für eine Vielzahl von Branchen, darunter die Öl- und Gasindustrie, die chemische Industrie, die Pharmaindustrie und der Bergbau. Die Zonenklassifizierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Risikobewertung, der Auswahl der Ausrüstung, den Sicherheitsmaßnahmen und dem gesamten Gefahrenmanagement in Bereichen, in denen explosive Atmosphären auftreten können (Abbildung 1).
Blitzschutz für explosionsgefährdete Bereiche
Ein umfassender Blitzschutz für explosionsgefährdete Bereiche sollte einschließlich eines Blitzableitersystems, einer Erdung und einer vermaschten Potentialausgleichsverbindung ausgelegt werden. Das System sollte die Anforderungen der Norm IEC 62305 erfüllen.
Die Klasse LPS II wird mithilfe der Rollkugelmethode für explosionsgefährdete Bereiche bestimmt. Bei einem Blitzschlag in das Luftableitungssystem kann es jedoch an der Einschlagstelle zu Funkenbildung kommen. Um Zündfunken zu vermeiden, sollten die Luftableitungssysteme außerhalb der Ex-Zonen installiert werden.
Metallkonstruktionen können als natürliche Luftableitungssysteme dienen, wenn sie eine Mindestmaterialstärke von 5 mm aufweisen. Ein isoliertes LPS mit ausreichendem Abstand ist erforderlich, um die Gefahr von Funkenbildung oder Explosionen brennbarer Materialien auszuschließen.
Abbildung 1 – Grundlegende Unterteilung einer Anlage in Blitzschutzzonen
Erdung und Potentialausgleich
Alle leitfähigen Teile sind über ein ineinandergreifendes Äquipotentialverbindungs-System mit dem Boden verbunden, wobei die Abstände 20 m auf Bodenhöhe betragen.
Bei einem vernetzten Potentialausgleichssystem werden alle leitfähigen Elemente miteinander verbunden, um ein Netzwerk zu schaffen, in dem sie das gleiche elektrische Potential haben. Der Querschnitt des Kupfererdungsleiters für den Potentialausgleich muss mindestens 4 mm² betragen.2.
Die Erdung verhindert die Ansammlung statischer Aufladungen auf Geräten oder Oberflächen und verringert so die Wahrscheinlichkeit von Funkenbildung, die in explosionsgefährdeten Bereichen brennbare Gase, Dämpfe, Nebel oder Staub entzünden könnte. Es ist ratsam, für jedes einzelne Gebäude oder jeden Teil einer Anlage ein separates Erdungssystem zu installieren.
Die Verwendung korrosionsbeständiger Leiter, Verbindungsmethoden und Schutzbeschichtungen ist für die Aufrechterhaltung der langfristigen Integrität in explosionsgefährdeten Bereichen von entscheidender Bedeutung.
Außerdem muss der richtige Abstand zwischen dem Luftabschluss-System oder den Ableitungen gemäß den Anforderungen der Norm IEC 62305 geregelt werden. Hochspannungsbeständige, isolierte Ableitungen können verwendet werden, wenn der Abstand nicht leicht einzuhalten ist.
Abbildung 2 – Ein vernetztes Erdungssystem
Überspannungsschutz für explosionsgefährdete Bereiche
In Bereichen mit explosionsfähiger Atmosphäre sind häufig eigensichere (IS) elektrische Systeme und Geräte erforderlich. Diese Systeme sind so ausgelegt, dass sie die elektrische Energie auf Werte unterhalb der Zündschwelle begrenzen und so Funken oder thermische Effekte verhindern, die eine Entzündung verursachen könnten.
IS-Systeme tragen zur allgemeinen Sicherheit bei, indem sie das Risiko minimieren, dass elektrische Geräte zu einer Zündquelle werden. IS-Barrieren fungieren als Schutzbarriere zwischen dem Steuerungssystem und dem explosionsgefährdeten Bereich und verhindern, dass übermäßige Energie in potenziell explosive Atmosphären gelangt.
IS-Barrieren sind jedoch keine Überspannungsschutzgeräte. IS-Barrieren wurden speziell entwickelt, um die Energie in explosionsgefährdeten Bereichen zu begrenzen und so eine Entzündung zu verhindern, während Überspannungsschutzgeräte dazu dienen, elektronische Geräte in nicht explosionsgefährdeten Bereichen vor transienten Spannungsspitzen zu schützen.
Daher sollte weiterhin ein Überspannungsschutz eingesetzt werden, um IS-Schaltungen vor transienten Überspannungen zu schützen.
Die Installation eines eigensicheren Messkreises
Das Funktionsprinzip eines eigensicheren elektrischen Systems besteht darin, sicherzustellen, dass die elektrische und thermische Energie in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre unterhalb der Zündschwellen bleibt.
Eigensichere Systeme enthalten Komponenten wie Sensoren, Transmitter und Schalter, die speziell dafür ausgelegt sind, den Energieverbrauch zu minimieren. Galvanische Trennung wird häufig verwendet, um elektrische Stromkreise voneinander zu trennen und einen übermäßigen Stromfluss zu verhindern.
Diese Systeme sind von Aufsichtsbehörden gemäß Normen wie ATEX oder dem National Electrical Code (NEC) zertifiziert und werden üblicherweise in Gefahrenbereichen installiert, in denen die Gefahr einer explosionsfähigen Atmosphäre besteht.
Eine typische Art der Installation einer eigensicheren Messschaltung, bestehend aus einer Kombination aus einem zugehörigen elektrischen Gerät, einer eigensicheren Kabelinstallation, einem Temperaturtransmitter (galvanisch vom Sensorelement getrennt) und den entsprechenden erforderlichen Überspannungsschutzgeräten (SPDs).
Der Isolator befindet sich im Instrumenten- und Schaltschrank des Kontrollraums, während der Temperaturtransmitter, der auf einem Tank mit brennbarer Flüssigkeit angebracht ist, sein Sensorelement direkt in der Ex-Zone 0 hat.
Der Sender in Ex-Zone 1 ist über sein Metallgehäuse sicher und dauerhaft mit dem Metalltank verbunden. Die Verbindung zwischen den beiden Geräten wird durch ein abgeschirmtes, eigensicheres Kabel hergestellt. Sowohl die Messstation als auch die Tanks sind Teil eines vermaschten Erdungssystems.
Überspannungsschutz für einen eigensicheren Messkreis
Abbildung 3 – Überspannungsschutzgeräte in einem eigensicheren Messkreis
Zum Schutz vor Blitzschlagrisiken sowohl im Kontrollraum als auch in explosionsgefährdeten Bereichen sind zwei Überspannungsschutzgeräte (SPDs) im eigensicheren Stromkreis zu installieren. Ein SPD schützt den Trennschalter im Kontrollraum, das andere den Tankmessumformer.
Der Tank-Überspannungsschutz verhindert nicht nur gefährliche Funkenentladungen zum Sensorleiter, sondern bietet auch Explosionsschutz. Durch den Anschluss von Signalleitungen, ungenutzten Leitungen und offenen Kabelabschirmungen an den Stromkreis verhindern die Überspannungsschutzgeräte Ausgleichsströme während des normalen Betriebs. Bei gefährlichen Überspannungen werden die offenen Kabelenden über den Überspannungsschutz mit dem Potentialausgleich verbunden, wodurch die Entstehung von Funken verhindert wird.
FRD-Überspannungsschutzgeräte schützen teure Messtechnik vor den Auswirkungen von Überspannungen durch atmosphärische Entladungen. Sie bieten optimalen Schutz für zwei- oder vierpolige Mess- und Steuerungsanwendungen.
Überspannungsschutzgerät SPD für Daten, MCR-Systeme, eigensichere Messkreise, Feldgeräte, Durchflusssensoren, Temperatursensoren
SPD für eigensichere Messkreise FDB2-24
Überspannungsableiter mit einer Schutzschaltung mit niedriger Kapazität zum Schutz von eigensicheren Messkreisen und Bussystemen. Anwendung: Durchflusssensoren, Temperatursensoren.
- Einfach an der Ersatzkabelverschraubung von Feldgeräten zu montieren
- Selbstkapazität und Selbstinduktivität vernachlässigbar gering
- Edelstahlgehäuse mit druckfester Kapselung
Abschirmung von eigensicheren Kabeln
Kabelabschirmungen werden häufig eingesetzt, um das Eindringen oder Austreten von elektromagnetischen Störungen (EMI) oder Hochfrequenzstörungen (RFI) zu verhindern. Eine Abschirmung kann die Auswirkungen externer elektromagnetischer Störungen auf die innerhalb des Kabels übertragenen Signale minimieren. Dies ist besonders wichtig bei empfindlichen Schaltungen, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden.
Abbildung 4 – Die Abschirmung von eigensicheren Kabeln
Eine ordnungsgemäße Erdung gewährleistet die Wirksamkeit der Abschirmungen. Die Abschirmung fungiert als geerdeter Pfad für unerwünschte Ströme und verhindert, dass diese innerhalb der Kabelleiter zirkulieren und möglicherweise Funken oder Hotspots verursachen.
Die Abschirmung an beiden Kabelenden in explosionsgefährdeten Bereichen nur dann erden, wenn keine Potentialunterschiede zwischen den Erdungspunkten bestehen und ein isolierter Erdungsleiter parallel zu den eigensicheren Kabeln verlegt, an einer beliebigen Stelle mit der Kabelabschirmung verbunden und wieder isoliert ist.
Darüber hinaus können dauerhaft und kontinuierlich verbundene Bewehrungsstäbe als Potentialausgleichsleiter verwendet werden, die an beiden Enden mit der Potentialausgleichsschiene verbunden werden.
