TÜV SÜD. Höchster Sicherheit 2015 Zündschutzart i neue Anforderungen?

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1 TÜV SÜD Höchster Sicherheit 2015 Zündschutzart i neue Anforderungen? 1

2 Themenübersicht 1. Schutzniveaus und Zonen ia, ib, ic vs. Zone 0, 1 und 2 2. Nachweis der Eigensicherheit Gemischte Stromkreise, 50 %-Regel, Stand der Technik 3. Installation Klemmenkästen 4. Anhang Weiterführende Information 2

3 TÜV SÜD 1. Schutzniveaus und Zonen ia, ib, ic vs. Zone 0, 1 und 2 3

4 Schutzniveau ia und ib Pepperl+Fuchs Klassische Zuordnung von Zone zu Schutzniveau:? ia ist geeignet für Zone 0 ib ist geeignet für Zone 1 ic ist geeignet für Zone 2 Bezog sich bisher nur auf die Eigenschaften des Stromkreises! 4

5 Zugehörige Betriebsmittel: Nicht-Ex-Bereich Rechtliche Kennzeichnung nach Richtlinie 94/9/EG II (1) G II (1) G Technische Kennzeichnung nach Normen IEC/EN bzw. -11 [ EEx ia ] IIC [ Ex ia Ga ] IIC [ ]: zugehöriges Betriebsmittel Explosionsgeschützt Zündschutzart ia (geeignet für Zone 0) Geräteschutzniveau (geeignet für Zone 0) Gerätegruppe (über Tage, geeignet für Gase/Dämpfe mit geringster Zündenergie) 5

6 Eigensichere Betriebsmittel: Ex-Bereich Rechtliche Kennzeichnung nach Richtlinie 94/9/EG II 1 G II 1 G Technische Kennzeichnung nach Normen IEC/EN bzw. -11 EEx ia IIC T6 Ex ia IIC T6 Ga II 2 G Ex ia IIC T6 Gb Explosionsgeschützt Zündschutzart ia (Stromkreis: elektr. Funken) Gerätegruppe (über Tage, Gas) Temperaturklasse Geräteschutzniveau (???) 6

7 Elektrostatik: Gas-Ex-Bereiche (Gruppe II) Pepperl+Fuchs Anforderungen für Gas-Ex-Bereiche (Gruppe II): Nichtmetallische Teile sind so auszulegen, daß gefährliche Aufladung vermieden wird (Betrieb, Wartung, Reinigung) Werkstoffauswahl Begrenzung von Oberfläche, Durchmesser oder Schichtdicke isolierender Materialien Warnhinweis 7

8 Elektrostatik: Gruppe II Oberflächenbereich [mm 2 ] EPL Gruppe IIA Gruppe IIB Gruppe IIC Ga Gb Gc Begrenzung der Oberflächen nichtmetallischer Schichten: Der Stromkreis ia ist 2-Fehler-sicher für den Einsatz in Zone 0, die isolierende Oberfläche des Gehäuses könnte jedoch zu den zulässigen Grenzwert überschreiten 8

9 TÜV SÜD 2. Nachweis der Eigensicherheit Gemischte Stromkreise, 50 %-Regel, Stand der Technik 9

10 Nachweis der Eigensicherheit istockphoto Wesentlichen Aspekte beim Nachweis der Eigensicherheit: Sind zündfähige Funken zuverlässig vermieden? Sind unzulässig heiße Oberflächen zuverlässig vermieden? Nachweis der Eigensicherheit der Zusammenschaltung erfolgt meist rechnerisch Verantwortlich für die Erstellung ist der Planer des Systems 10

11 Erforderliche Dokumentation Folgende Informationen müssen mindestens vorliegen: Anlage Vorliegende Zone, Temperaturklasse bzw. Zündtemperatur(en) sowie Gruppe Umgebungstemperatur, ggf. sonstige Umwelteinflüsse Zugehöriges Betriebsmittel Hersteller, Typenbezeichnung, Artikel- oder Bestellnummer Betriebsanleitung, ggf. Bescheinigung und Nachtrag mit Werten U o, I o, P o, L o und C o Sicherheitstechnische Maximalspannung U m Eigensicheres Betriebsmittel Hersteller, Typenbezeichnung, Artikel- oder Bestellnummer Betriebsanleitung, ggf. Bescheinigung und Nachtrag Werten U i, I i, P i, L i und C i Leitung Induktivitäts- und Kapazitätsbelag, Länge Isolationsfestigkeit, Adernquerschnitte 11

12 Grundverfahren: Vergleich von U, I, P, L, C Zugehöriges Betriebsmittel Leitung Eigensicheres Betriebsmittel U o U i I o I i P o P i L o L c + L i C o C c + C i 12

13 Fragen zum Nachweis der Eigensicherheit Die wichtigsten Fragen zum Nachweis der Eigensicherheit sind: Wurde der Nachweis jemals erbracht? Falls ja: wurde er nach dem Stand der Technik erbracht? Ist eine entsprechende Dokumentation vorhanden? Unterschied zwischen anerkannte Regel der Technik (z.b. IEC/EN/DIN-Normen) und Stand der Technik (z.b. PTB-Berichte) beachten! Pepperl+Fuchs 13

14 Herkunft der Werte L o und C o istockphoto Wichtige Fragestellung beim Nachweis der Eigensicherheit: Woher stammen die Angaben L o und C o? Sind beide Grenzwerte tatsächlich gleichzeitig ausnutzbar? Grenzen der Anwendbarkeit der Zündgrenzkurven nach EN beachten! 14

15 Kapazitive Zündgrenzkurve: U und C Kapazität C U o R i Funkenprüfgerät Quelle Kapazität Gegenüberstellung von U und C führt zur kapazitiven Zündgrenzkurve (schematische Darstellung): Gruppe IIA Gruppe IIB Gruppe IIC Spannung U 15

16 Induktive Zündgrenzkurve: I und L Induktivität L U o R i Funkenprüfgerät Quelle Induktivität Gegenüberstellung von I und L führt zur induktiven Zündgrenzkurve (schematische Darstellung): Gruppe IIA Gruppe IIB Gruppe IIC Strom I 16

17 Kennlinien zugehöriger Betriebsmittel Lineare Kennlinie P o = ¼ U o I o Zündgrenzkurven der EN sind anwendbar U o I o Trapezförmige Kennlinie In der Regel gilt: ¼ U o I o < P o < U o I o Zündgrenzkurven der EN sind nicht anwendbar Ermittlung von L o und C o experimentell, mit ThEx-10 bzw. EN Anhang C oder Software ispark (PTB) U o I o Rechteckförmige Kennlinie P o = U o I o Zündgrenzkurven der EN sind nicht anwendbar Ermittlung von L o und C o experimentell, mit ThEx-10 bzw. EN Anhang C oder Software ispark (PTB) U o I o 17

18 Anwendbarkeit der Zündgrenzkurven istockphoto Aufgrund der Ermittlung der Kurven sind diese nur eingeschränkt anwendbar: Die Zündgrenzkurven gelten nur für lineare Quellen Die Grenzwerte L o und C o wurden im Experiment getrennt ermittelt wie ist bei gemischter Beschaltung zu verfahren, d.h. bei gleichzeitigem Anschluß von Induktivität und Kapazität in einem realen Stromkreis? 18

19 Beispiel: einfacher Stromkreis Zugehöriges Betriebsmittel Leitung Eigensicheres Betriebsmittel U o = 25,5 V l = 200 m U i = 26 V I o = 117 ma L' = 1 mh/km I i = 120 ma P o = 746 mw C' = 200 nf/km P i = 800 mw L o = 2,6 mh L c = 0,2 mh L i = 0,9 mh C o = 104 nf C c = 40 nf C i = 60 nf Ergebnis: der Stromkreis ist eigensicher?!? 19

20 Beispiel: Aufzug Pepperl+Fuchs 20

21 Installationsnorm IEC/EN istockphoto Hinweise auf die Problematik gemischter Stromkreise in der Installationsnorm: Anschluß von entweder nur L i oder nur C i ist zulässig Anschluß reiner Leitungsreaktanzen L c und C c ist unkritisch Im Falle gemischter Beschaltung Anwendung des PTB-Berichtes ThEx-10 Früher enthielt nur das nationale Vorwort der DIN EN (VDE ), Ausgabe 1998 bzw. 2004, einen entsprechenden Hinweis 21

22 Graphisches Verfahren ThEx-10 Vorgehensweise bei der Ermittlung von L o und C o : Erfordert Kenntnis der Kennlinienform des zugehörigen Betriebsmittels Erfordert u.u. die Anwendung unterschiedlicher Diagramme bis zur gelungenen Ermittlung von L o und C o Problem insbesondere bei wenig Übung: Schwierig anzuwenden Zeitaufwendig Nicht automatisierbar DIN EN (VDE ) 22

23 IEC , Edition 4.0, 2007 IEC , Edition 4.0, 2007 enthält ein alternatives Verfahren zum ThEx-10: Anwendung der 50 %-Regel zur rechnerischen Ermittlung reduzierter Werte Aktuell im Abschnitt 16 der Norm (zusätzliche Anforderungen i ) beschrieben Seit 2008/2009 in allen nationalen Ausgaben (DIN, ÖVE/ÖNORM, SN etc.) enthalten Wurden frühere Berechnungen diesbezüglich überprüft? istockphoto 23

24 Ablaufdiagramm 50 %-Regel IEC/EN IEC/EN START 50 % der Werte L o und C o anwendbar ja U o, I o, P o, L o, C o ermitteln Kennlinie linear? ja Σ L i > 1% L o? ja Σ C i > 1% C o? ja IIC? nein nein nein nein Volle Werte L o und C o anwendbar Begrenzung von C o auf 600 nf Begrenzung von C o auf 1 µf Vorsicht: Hinweis auf (sinnvolle) Anwendung der 50 %-Regel nur im Falle linearer Quellen fehlt in der aktuellen Ausgabe der DIN EN (VDE ): ! 24

25 Beispiel: L i und C i mit Reduzierung Zugehöriges Betriebsmittel Leitung Eigensicheres Betriebsmittel U o = 28 V l =? m U i = 30 V I o = 120 ma L' = 1 mh/km I i = 150 ma P o = 840 mw C' = 200 nf/km P i = 1000 mw L o = 2,4 mh L c =? mh L i = 0,5 mh C o = 83 nf C c =? nf C i = 30 nf 25

26 Beispiel: L i und C i mit Reduzierung 0,024 mh 0,5 mh L = 1 mh/km 30 nf C = 200 nf/km 2,4 mh 83 nf 0,83 nf Berechnung der maximal zulässigen Leitungslänge: Sowohl L i als auch C i sind größer als 1 % von L o bzw. C o Reduzierung von L o und C o auf jeweils 50 % der Ausgangswerte erforderlich l induktiv = (1,2 mh - 0,5 mh) 1 mh/km = 700 m l kapazitiv = (41,5 nf - 30 nf) 200 nf/km = 57,5 m 26

27 Beispiel: 2 Quellen im Stromkreis Zugehöriges Betriebsmittel 1 Leitung Zugehöriges Betriebsmittel 2 U o = 3,5 V l = 200 m U o = 14 V I o = 74 ma L' = 1 mh/km I o = 70 ma P o = 64 mw C' = 200 nf/km P o = 300 mw L o = 6,4 mh L c = 0,2 mh L o = 2 mh C o = 100 µf C c = 40 nf C o = 0,43 µf 27

28 Problematik der Zusammenschaltung Auswirkungen mehrerer zugehöriger Betriebsmittel auf die Funkenzündung: Spannungs- bzw. Stromaddition kann zu Funken höherer Energie führen Aufgrund jetzt höherer U o bzw. I o müssen neue L o - und C o -Werte ermittelt werden Pepperl+Fuchs 28

29 Zitat: Eigensicherheit ib Das Schutzniveau muß als ib betrachtet werden, selbst wenn alle zugehörigen Betriebsmittel dem Schutzniveau ia entsprechen. ANMERKUNG: Diese Reduzierung trägt der Tatsache Rechnung, daß die Beurteilung ohne jede experimentelle Prüfung, nur durch Berechnung erfolgt. EN :2008; Anhang A.2 Begriff Zitat Literatur 29

30 Hinweis auf Bewertungsverfahren IEC/EN ( ) + Anhang A und B anwendbar für lineare Quellen konservative Betrachtung der Strom- bzw. Spannungsaddition, d.h. Verdrahtungsfehler i.d.r. unkritisch IEC/EN (11) + Anhang B anwendbar für lineare Quellen schaltungstechnisch richtige Betrachtung der Strom- bzw. Spannungsaddition, d.h. erfordert gesicherte Verdrahtung der einzelnen Quellen IEC/EN , Anhang C anwendbar bei nicht-linearen Quellen berücksichtigt konzentrierte (diskrete) L i und C i PTB-Software ispark wie IEC/EN , Anhang C, jedoch mit kontinuierlichen L i -Werten erweiterte Möglichkeiten bei der Berücksichtigung der Leitung 30

31 TÜV SÜD 3. Installation Klemmenkästen 31

32 Neu: DIN EN (VDE ): Zusatzanforderungen an Verteiler mit mehr als einem Ex-i-Kreis: Schlagfestigkeit, Lichtbeständigkeit, Leichtmetalle, Elektrostatik etc. sind zu prüfen Zu erfüllen z.b. durch Einsatz zertifizierter Ex-e-Klemmenkästen Alternativ: der Ex-i-Nachweis belegt, daß auch die Zusammenschaltung der Stromkreise noch eigensicher ist Pepperl+Fuchs 32

33 TÜV SÜD 4. Anhang Weiterführende Information 33

34 Weitere Informationen DIN EN (VDE ): Explosionsgefährdete Bereiche - Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit "i DIN EN (VDE ): Explosionsfähige Atmosphäre - Teil 14: Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen DIN EN (VDE ): Explosionsfähige Atmosphäre - Teil 25: Eigensichere Systeme VDE-Schriftenreihe Band 65 Klaus Wettingfeld Explosionsschutz nach VDE und BetrSichV Grundlagen Ex-Schutz Zündschutzart Eigensicherheit Pepperl+Fuchs GmbH, Mannheim Begriff Zitat Literatur 34