explosionsgefährdete Bereiche

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1 Recht, ormen und Technik Ex-Zeitschrift Metallische Kabelverschraubungen in Anlagen für explosionsgefährdete Bereiche 50 ahre explosionsgeschützte Kabelverschraubungen nach British Standard von David O Brien und Peter Krapf Bild 1: Metallische Kabelverschraubung nach British Standard Seit etwa fünfzig ahren werden welt weit in Anlagen für explosionsgefährdete Bereiche Kabelverschraubungen eingesetzt. Die Viel zahl verschiedener landesspezifischer Bestimmungen und ormen war Anlass, einheitliche, international gültige ormen zu erarbeiten, um weltweit gleichartige Produkte einsetzen zu können. Diese Zielsetzung ist zusammen mit Produktentwicklungen und Initiativen verschiedener Hersteller langfristig für Hersteller und Betreiber von Vorteil. Aber wie viel Anwendungswissen der betroffenen Betreiber wird genutzt und wird sich daraus mehr Klarheit hinsichtlich Auswahl, Installation und Verwendung ergeben? Beim Vergleich der zwei wichtigsten ormen für die Installation elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (EC und IEC) und der unterschiedlichen Art der Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche in Classes/Divisions oder in Zonen treten deutliche Differenzen auf, die einen parallelen Einsatz von zugelassenen Betriebs mitteln aufgrund der großen Unterschiede unmöglich machen. Mit der Einführung des IEC- Zonensystems in ordamerika und der Umsetzung der UL/ASI ormen wurde es möglich, Konzepte auf IEC-Basis auch in traditionell stark EC-beeinflussten Ländern zu nutzen. edoch hinsichtlich Kabel, Leit ungen und Kabelverschraubungen gibt es eindeutig zu befolgende Ausnahmen, die eine weltweite gleichartige Anwendung einschränken. Metallische Kabelverschraubungen können sowohl nach den EC- als auch den IEC-Installationsbestimmungen verwendet werden. Ihre Auswahl und ihr Einsatz Ë

2 Metallische Kabelverschraubungen in Anlagen für explosionsgefährdete Bereiche A1 A2 A3 Außenmantel des Kabels aus Elastomer oder Kunststoff, mit Dichtfunktion zwischen Kabelmantel und Dichtring der Verschraubung (bei Ex d Verhinderung des Flammen durchschlags) wie Typ A1, jedoch IP66 wie Typ A1, jedoch mit elektrischer Verbindung zum inneren Kabelschirm Tabelle 1a: Kennzeichnung der Kabelverschraubungen für unbewehrte Kabel B C D E ohne Dichtung mit einzelner äußerer Dichtung mit einzelner innerer Dichtung mit doppelter (innerer und äußerer) Dichtung nachgestellte 1 = ormale Bewehrung nachgestellte 2 = Bleimantel-Bewehrung Tabelle 1b: Kennzeichnung der Kabelverschraubungen für bewehrte Kabel nach EC erfolgt jedoch nach strengen landesspezifischen Regeln. So können z.b. Kabel nur dann in explosionsgefährdeten Be reichen eingesetzt werden, wenn sie gemäß EC erlaubt und für die Verwendung in der konkreten Anlagenart zugelassen sind. Wenn man die Entwicklung von Metallkabelverschraubungen betrachtet, die für explosionsgefährdete Bereiche gemäß den Europäischen ormen zugelassen sind, lassen sich zwei Haupttypen unterscheiden: Kabelverschraubungen für unbewehrte Kabel und Kabelverschraubungen für bewehrte Kabel. Für bewehrte Kabel, die ursprünglich den nationalen britischen ormen BS 5308, BS5467, BS 6346 und BS 6724 entsprechen, müssen die zugehörigen Kabelverschraubungen eine zuverlässige Schutzleiterver - bindung enthalten. Obwohl wir uns zur Zeit noch in der Übergangsphase in Richtung der vollständigen Harmonisierung der Europäischen ormen und der IEC-ormen (E/IEC Reihe) befinden, gibt es einige interessante Aspekte bezüglich der Kabelverschraubungen. Gemäß den CEELEC- und IEC-Regeln ex istiert keine eigene orm für Kabel zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen. In ähnlicher Weise gibt es auch keine spezielle orm für Kabelverschraubungen, da der Trend dahin geht, solche Anforderungen in den einzelnen Teilen der orm E/IEC 60079, wie z. B. in den Teilen Allgemeine Anforderungen, Zündschutzarten Druckfeste Kap selung, Erhöhte Sicherheit und Schwadensicherheit festzulegen. Dies ist besonders interessant, wenn man bedenkt, dass bei landesspezifischen ormen diese Aufteilung der Anforderungen nicht bestand. Hinsichtlich der Kabelverschraubungen für explosionsgefährdete Bereiche besteht deshalb die Gefahr, dass bei der Im plementierung einer international gültigen Lösung wesentliche Inhalte möglicherweise zu wenig Beachtung finden und gleichzeitig neue, weniger erfahrene Hersteller dazu ermutigt werden, in den Markt einzutreten. Wenn die Anforderungen im Standard letztlich nicht ausreichend detailliert und eindeutig sind und somit Raum für zweideutige Auslegungen lassen, sollte es nicht über raschen, wenn derartige Lücken ausgenutzt werden und Anlass zur Sorge über die langfristige Anlagensicherheit geben. Das Konstruktionsprinzip der seit längerer Zeit etablierten britischen Typen, besonders jene in der Zündschutzart Druckfeste Kapselung, ist praktisch weltweit übernom- men worden. Dies gilt auch für die Kabel hinsichtlich des mechanischen Schutzes und der Aus wirkung auf die Verdrahtungs- und Erdungsprinzipien, sowie für den Anwendungszweck der passenden Kabelverschraubungen. Diese beiden Themen sind zwangsläufig miteinander verknüpft, besonders in Hinsicht auf bewehrte Kabel. Für Kabelverschraubungen mit Gewinde nach britischem Maßsystem gab es eine britische orm für allgemeine Industrieanwendungen wie auch für die Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (eingeführt 1967, BS 4121). Diese bestand parallel und ergänzte die vorhandene orm BS 229 für die Zündschutzart Druckfeste Kapselung. BS 4121 wurde 1973 durch BS 6121 ersetzt, in der metrische Gewinde eingeführt wurden und die sich ebenfalls sowohl auf Kabelverschraubungen für allgemeine Industriean lagen als auch für explosionsgeschützte Anlagen bezog. Später haben die orm ungsaktivitäten auf europäischer Ebene dazu geführt, dass die geltende landesspezifische britische orm BS 6121 zum Teil durch die 1998 eingeführte neue Europäische orm E ersetzt wurde. Darin wird das Thema jedoch nicht als Ganzes angegangen; diese orm bezieht sich nur auf allgemeine Industrieprodukte. In einem großen Teil der Entwicklungsländer wurde in der Vergangenheit die elektrische Infrastruktur der Anlagen auf der Grundlage von BS 6121 und damit auch als Haupt referenz für die Kabelverschraubungsanforderungen geschaffen. Die Konstruktionsprinzipien, die vor etwa 30 ahren in diesem umfassenden Dokument festgelegt wurden, sind der Grund dafür, dass noch heute Anwender die Er füllung dieser ausgewogenen und angesehenen orm verlangen. Auf der anderen Seite bietet E den Herstellern jetzt eine breitere Palette von Möglichkeiten, wie diese konforme Produkte

3 Ex-Zeitschrift entwickeln können. Dies kann vorteilhaft für zahlreiche europäische Kabelverschraubungshersteller sein und auch den Erwartungen der Mehrheit der Anwender in Europa außerhalb Großbritanniens entsprechen. Für Anwender, die in anderen Ländern Anlagen auf der Basis der britischen orm errichtet haben und diese weiter auf der Grundlage dieses Standards betreiben wollen, ist dies jedoch nicht die optimale Lösung. Grundanforderungen der britischen landesspezifischen ormen Als Vorläufer der späteren IEC-ormen wurden im britischen Vorschriftenbereich durch die BS 4121/BS 6121-ormen eine Vielzahl von Grundregeln wie z.b. Zugprüfungen, Schlagprüfungen, statische Druckprüfungen eingeführt. Sie enthielten ferner Angaben zum maximal zulässigen Kabeldurchmesser, be zogen auf die jeweilige Kabelverschraubung, damit durch die Begrenzung der Bohrung letztlich die Wanddicke der Kabelverschraubung auf ein akzeptables Maß gebracht werden konnte. Weitere sehr wichtige von BS 6121 abgedeckte Anforderungen sind die Erdschlussfestigkeit der Kabelverschraubung, sowie die damit in Verbindung stehen den Möglichkeiten der Erdverbindung. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von bewehrten bzw. Bleimantelkabeln von Bedeutung. Welche Teile der BS 6121-orm wurden im Rahmen der IEC-ormen beibehalten? Durch BS 6121 wurde bereits die Kennzeichnung für die verschiedenen Kabel und Kabelverschraubungstypen festgelegt, die auch heute noch Gültigkeit hat (Tabellen 1 3). Vor der Betrachtung der Einsatzfälle der verschiedenen Kabelverschraubungen werden zunächst die einzelnen Ausführungen der verwendeten Kabel betrachtet. Obwohl gegenwärtig keine eigene Bauvorschrift für Kabel für die Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen existiert, können folgende praktische Beispiele aufgezeigt werden: Bewehrte Kabel > Kabel mit Einzeldrahtbewehrung (W) Diese werden in großem Umfang in Anlagen an Land sowohl bei offener Verlegung als auch als Erdkabel verwendet. Sie sind wahrscheinlich die weltweit am häufigsten eingesetzten bewehrten Kabel. > Kabel mit biegsamer Drahtbewehrung (T) Diese werden in großem Umfang im Bergbau, insbesondere in untertägigen Kohlenbergwerken und der Steinbruchindustrie, verwendet, da diese Kabel hohen mechanischen Schutz bei gleichzeitiger Flexibilität im Vergleich mit SWA-Kabeln bieten. > Kabel mit Drahtgeflechtbewehrung (X) Diese werden sowohl im Onshore- als auch im Offshore-Bereich eingesetzt. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Typen, z. B. mit verzinktem Stahldraht, verzinntem Kupferdraht, sowie mit Bronzedraht. Diese Kabel sind wegen ihrer hohen Flexibilität der Standard für den Einsatz im Schiffbau sowie auf Erdgas- und Erdöl-Bohrinseln im Offshore-Bereich. > Kabel mit Streifenbewehrung (Y) Diese werden nur an Land (nicht Offshore) eingesetzt. Sie sind hochbelastbar, bieten hohen mechanischen Schutz, sind aber wahrscheinlich die am seltensten eingesetzte Art bewehrter Kabel. > Kabel mit Stahlbandbewehrung (Z) Diese werden ebenfalls häufig außerhalb des Offshore-Bereiches verwendet und als STA oder DSTA bezeichnet. Die Bandbewehrung wird entweder aus Stahl oder aus Aluminium hergestellt (ATA). Dieser Kabeltyp stellt eine leichtere, schlankere Alternative mit geringerem Durchmesser Kennzeichnung der Kabelarmierung T biegsame Drahtbewehrung U unbewehrt W Einzeldrahtbewehrung X Drahtgeflecht Y Streifenbewehrung Z Bandbewehrung Kennzeichnung der Zündschutzart F Druckfeste Kapselung d E Erhöhte Sicherheit e Zündschutzart n Tabelle 2: Kennzeichnung der Kabelausführungen im Vergleich zum SWA-Kabel dar und wird allerdings nicht von allen einschlägigen Kabelherstellern angeboten. IEE-Verdrahtungsbestimmungen und Erdungsanforderungen Gemäß BS 7671:1992 IEE Verdrahtungsbestimmungen, 16. Ausgabe müssen sowohl die Kabel als auch das Zubehör für den Anschluss diesen Bestimmungen genügen und entsprechend geprüft werden, um die Erfüllung des erforderlichen Sicherheitsniveaus zu gewährleisten. Die Kabelverschraubungen sowie die entsprechenden Befestigungsteile und Erdungslötösen müssen richtig ausgewählt werden, um zu gewährleisten, dass je gliche Gefährdung von Personen durch Berührung von spannungsführenden Teilen aufgrund einer mangelhaften Erdverbindung ausgeschlossen wird. Diese Erdungskomponenten müssen daher die Mindestfestigkeitsprüfungen der entsprechenden Kabel erfüllen und zudem von fachkundigem Personal nach dem Stand der Technik angeschlossen werden. Ë

4 Metallische Kabelverschraubungen in Anlagen für explosionsgefährdete Bereiche Die Kabelbewehrung dient hauptsächlich dem mechanischen Schutz. Aus Gründen der elektrischen Sicherheit muss auch die Metallbewehrung sicher geerdet sein. Im allgemeinen muss die Strombelastbarkeit der Bewehrungsdrähte 50 % der Belastbarkeit des größten stromführenden Leiters im Kabel betragen. Das Kabel muss auf seine Erdschlussfestigkeit geprüft werden, wobei der Fehlerstrom durch die Kabelbewehrung fließt. Der Verwender des Kabels sollte die in den Daten des Herstellers angegebene Fehlerstrombelastbarkeit der Bewehrung bei Kurzschluss beachten. > SWA-Kabel Kabelverschraubungen für SWA-Kabel müssen die Erdverbindung vom Anschlusspunkt der Bewehrung im Kabelverschraubungsgehäuse zu den Betriebsmitteln, die nicht schutzisoliert sind, sicherstellen, und/oder das Betriebsmittelgehäuse muss über einen äußeren Erdungsanschluss verfügen. Im Interesse der Sicherheit nutzen die meisten Erdungssysteme im Zusammenhang mit bewehrten Kabeln mehrere direkt geerdete externe Erdverbindungen, die an die mit der Kabelverschraubung leitend verbundene Erdungslötöse angeschlossen werden. In der Regel wird dabei das Kabel mindestens an einem Kabelende geerdet. Dieses Prinzip gewährleistet, dass bei einem Kurzschluss oder Erdschluss im Kabel der kürzeste Erdpfad wirksam wird. Die Erdungslötöse muss ebenfalls bestimmten Anforderungen genügen, um zu gewährleisten, dass sie der Kurzschlussfestigkeit des Kabels und der Kabelverschraubung entspricht. Andernfalls verfügt das Gesamtsystem über keinen ausreichenden Erdungsschutz. > LC/SWA-Kabel eben den Standardanforderungen für SWA-Kabel gibt es eine Reihe besonderer Anforderungen für Bleimantelkabel für die direkte Erdverlegung in Kohlenwasserstoff verarbeitenden Anlagen. Die entsprechenden Regeln wurden in Großbritannien von der Oil Companies Material Association (OCMA) eingeführt. Die Zuständigkeit für diese Regeln wurde später auf die EEMUA übertragen (Engineering Equipment and Material Users Association). In der EEMUA Publikation133 Anforderungen für erdverlegte bewehrte Kabel mit Schutz gegen Eindringen von Lösungsmitteln und Korrosion werden die Anforderungen der Erdölindustrie für erdverlegte Bleimantelkabel für den Einsatz in Bereichen definiert, in denen ein Schutz gegen das Eindringen von Lösungsmitteln oder gegen Korrosion erforderlich ist. > Bei LC/PVC/SWA-Kabeln kommt durch den Bleimantel ein weiteres metallisches Kabelteil hinzu, das im Falle eines Erdschlusses spannungsführend werden kann und daher geerdet werden muss. Metallische Teile für den Anschluss des Bleimantels als Teil der Erdverbindung müssen ebenfalls geprüft und dokumentiert werden, um einen angemessenen Schutz nachzuweisen. Bei LC/SWA- Kabeln erhöht sich die Erdschlussfestigkeit wegen des parallelen Erdpfads zwischen den Bewehrungsdrähten und dem Bleimantel. Es ist daher wichtig, an der artigen Kabeln die gesamte Anordnung aus Kabelverschraubung und Erdungslötöse zu prüfen, um zu gewährleisten, dass diese den Auswirkungen eines Kurzschlusses in der Kabelbewehrung bzw. im Bleimantel widerstehen kann. Wenn die gewählten Kabelverschraubungen und die Zubehörteile nicht den Prüfanforderungen genügen und falsch ausgelegt sind, wird die Erdverbindung über die Kabel- bewehrung zum schwächsten Glied in der Systemkette. Die Folge können mehr oder weniger schwere Unfälle mit Sach- und Personenschäden bis hin zu Todesfällen sein. Auswahl der Kabelverschraubungen gemäß IEC Zur Sicherstellung der Aufrechterhaltung der Anforderungen der Zündschutzart Druckfeste Kapselung d mit direkter Leitungseinführung in die Gehäuse sind für die verwendeten Ex d Kabeleinführungen besondere Auswahlkriterien in IEC Elektrische Betriebs mittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 14: Elektrische Anlagen in explosions gefährdeten Bereichen (ausgenommen Grubenbaue) im Abschnitt 10 festgelegt. Für eine sichere Installation entsprechend der IEC ist jeweils die Funktion der Betriebsmittel, der Kabelverschraubung und des Kabels zu berücksichtigen. Diese drei Komponenten müssen aufeinander abgestimmt sein. In Abschnitt 10 von IEC Zusätzliche Anforderungen der Zündschutzart d Druckfeste Kapselung ist, bezogen auf die Auswahl druckfester Kabelverschraubungen, für die direkte Einführung von Leitungen in druckfestgekapselte Gehäuse im einzelnen festgelegt: Die Kabel- und Leitungseinführung muss einer der folgenden Ausführungen entsprechen: > Kabel- und Leitungseinführungen in Übereinstimmung mit den Anforderungen der IEC Zündschutzart Druckfeste Kapselung Ex d und als Teil des Betriebsmittels zertifiziert, und wenn es mit einem Prüfling und dem besonderen Kabel- und Leitungstyp geprüft wurden. > Kabel und Leitungen aus thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Materialien, die im hohen Maße fest und

5 Ex-Zeitschrift Bild 1: Auswahldiagramm für Kabelund Leitungseinführungen in druckfest gekapselten Gehäusen für Kabel und Leitungen, die E/IEC , Abschnitt b) entsprechen START Enthält das Gehäuse eine innere Zündquelle kreisförmig sind, extrudiertes Einbettungsmaterial haben und deren Füllstoffe, wenn vorhanden, nicht hygroskopisch sind, können mit druckfesten Kabeleinführungen eingesetzt werden, welche einen Dichtungsring enthalten. Die Auswahl muss nach Bild 1 erfolgen. Unter der Annahme, dass die Kabelverschrau bung nicht als Teil eines Ex d- Betriebsmittels sondern als selbständiges Bauteil geprüft und zugelassen wurde und das in das druckfeste Gehäuse eingeführte Kabel kreisrund und lückenlos gefüllt ist, kann das Auswahldiagramm Bild 1 verwendet werden. Wenn das Kabel nicht kreisrund ist oder wegen nicht ausreichender Füllung ein Gasaustausch durch seine Zwischenräume möglich ist, muss eine Kabelverschraubung mit einer mechanischen Zündsperre oder Dichtkammer, die mit Vergussmasse zu füllen ist, verwendet werden. Das Beispiel eines Kabels, das davon betroffen ist, ist ein verdrilltes Zweileiter- Instrumentenkabel, bei dem die isolierten Leiter unter dem inneren Überzug des Kabels in der Regel keine kreisrunde Oberfläche bilden, die für eine zuverlässige Abdichtung geeignet ist. Wenn der innere Überzug dieselbe Form wie die Leiter hat, kann eine elastische Dichtung möglicherweise keine zu verlässige Abdichtung über den gesamten Kabelumfang gewährleisten. Wenn das Kabel nicht ausreichend ge - füllt ist und somit ein Luft- oder Gasaustausch durch das Kabel möglicht ist, sind die beschriebenen Dichtungsmaßnahmen er forderlich, um so auch den möglichen Gasaustausch zwischen den einzelnen Betriebsmitteln bzw. zwischen dem explosionsgefährdeten Bereich und dem sicheren Bereich zu verhindern. A2 BW CW E1W CX E1X CWe E1We CXe E1FW E1FXZ E2FW A2F Eine Kabelverschraubung mit mechanischer Zündsperre oder Abdichtlammer (mit Vergussmasse gefüllte Dichtung) Anwendung von d) und e) verwenden Erfordert das explosionsfähige Gasgemisch ein IIC- Betriebsmittel Ist das Volumen des Gehäuses größer als 2dm 3 Kabelverschraubung für unbewehrte Kabel mit Abdichtung des äußeren Kabelverschraubung für SWA-Kabel ohne Dichtung Kabelverschraubung für SWA-Kabel mit Abdichtung des äußeren Kabelverschraubung für SWA-Kabel mit Abdichtung des inneren und äußeren Kabelverschraubung für Geflechtkabel mit Abdichtung des äußeren Kabelverschraubung für Geflechtkabel mit Abdichtung des inneren und äußeren Kabelverschraubung in Erhöhter Sicherheit für SWA-Kabel mit Abdichtung des äußeren Kabelverschraubung in Erhöhter Sicherheit für SWA-Kabel mit Abdichtung des inneren und äußeren (*) Kabelverschraubung in Erhöhter Sicherheit für Geflechtkabel mit Abdichtung des äußeren Kabelverschraubung in Druckfester Kapselung für SWA-Kabel mit Abdichtung des inneren und äußeren (*) Kabelverschraubung in Druckfester Kapselung für Geflecht- oder Stahlbandbewehrungskabel mit Abdichtung des inneren und äußeren (*) Kabelverschraubung in Druckfester Kapselung für SWA-Bleimantelkabel mit Abdichtung des inneren und äußeren (*) Kabelverschraubung in Druckfester Kapselung für unbewehrte Kabel mit Abdichtung des äußeren (*) Anmerkung(*): Entsprechend dem aktuellen Trend bieten mehrere Hersteller Kabelverschraubungen an, die sowohl die Anforderungen der Zündschutzart Druckfeste Kapselung als auch die der Erhöhte Sicherheit erfüllen und zugelassen sind. So kann z. B. die Ausführung E1FW sowohl für die Einführung von Kabeln an Ex d- als auch an Ex e-gehäusen eingesetzt werden und reduziert damit die Lagerhaltung. Tabelle 3: Kennzeichnungsbeispiele von Kabelverschraubungen Gehört der Installationsbereich zur Zone 1 Verwende eine geeignete druckfeste Kabel- und Leitungseinführung mit einem Dichtungsring