GRUNDLAGEN EXPLOSIONSSCHUTZ

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1 GRUNDLAGEN EXPLOSIONSSCHUTZ Pocket Guide

2 Inhalt 1 Physikalische Grundlagen 5 2 Rechtsvorschriften 9 3 Zertifizierung 11 4 Explosionsschutzmaßnahmen Primärer Explosionsschutz 13 Verhinderung der Zündung explosionsfähiger Atmosphären (Sekundärer Explosionsschutz) 14 Beschränkung der Explosionsauswirkung (Konstruktiver Explosionsschutz) 17 5 Zündquellen 19 6 Zoneneinteilung Gerätekategorien, Geräteschutzniveau 21 7 Zündschutzarten 24 8 Kennzeichnung 25 9 Errichtung und Betrieb elektrischer Anlagen 29 3

3 Physikalische Grundlagen und Definition 1 Unter einer Explosion versteht man die schlagartig verlaufende chemische Reaktion eines brennbaren Stoffes mit Sauerstoff unter Freisetzung hoher Energie. Brennbare Stoffe können in Form von Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben vorliegen. Eine Explosion kann nur ablaufen, wenn drei Faktoren gleichzeitig auftreten: 5

4 1 1 Für sicherheitstechnische Betrachtungen sind bestimmte Kenngrößen dieser Stoffe zu beachten. Der Flammpunkt gibt für brennbare Flüssigkeiten die niedrigste Temperatur an, bei der sich über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdentzündung entflammbares Dampf-Luft-Gemisch bildet (bei normalem Luftdruck). Liegt der Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit deutlich über den maximal auftretenden Temperaturen, kann sich keine explosionsfähige Atmosphäre bilden. Bei zu hoher Konzentration (fettes Gemisch) und bei zu geringer Konzentration (mageres Gemisch) findet keine Explosion, sondern nur eine stationäre oder keine Verbrennungsreaktion statt. Nur im Bereich zwischen der oberen und der unteren Explosionsgrenze reagiert das Gemisch bei Zündung explosionsartig. Die Explosionsgrenzen hängen vom Umgebungsdruck und vom Sauerstoffanteil der Luft ab. Um eine explosionsfähige Atmosphäre zu bilden, muss der brennbare Stoff in einem bestimmten Konzentrationsbereich vorliegen. Tabelle 1: Explosionsgrenzen ausgewählter Gase und Dämpfe Stoffbezeichnung untere Explosionsgrenze [Vol. %] obere Explosionsgrenze [Vol. %] Acetylen 2,3 100 (Selbstzerfall) Ethylen 2,4 32,6 Benzin ~ 0,6 ~ 8 Benzol 1,2 8 Heizöl/Diesel ~ 0,6 ~ 6,5 Methan 4,4 17 Propan 1,7 10,8 Schwefelkohlenstoff 0,6 60,0 Wasserstoff 4,0 77,0 6 R. STAHL EXPLOSIONSSCHUTZ 7

5 1 Rechtsvorschriften 2 Tabelle 2: Flammpunkt ausgewählter entzündbarer Flüssigkeiten Stoffbezeichnung Flammpunkt [ C] Aceton 20 Alkohol + 12 Benzol 11 Cyclohexanol + 61 Diesel >+ 55 Diethylether 40 Ethanol + 12 Benzin 35 Methanol + 9 Toluol + 6 Für die weltweiten Normen auf dem Gebiet der Elektrotechnik ist die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) zuständig. IEC-Normen, die sich mit dem Explosionsschutz elektrischer Geräte und Anlagen befassen, werden vom Technischen Komitee TC31 erarbeitet und sind mit Empfehlungen gleichzustellen, an denen sich weitgehend alle Normen orientieren. Bis vor wenigen Jahren wurden Anforderungen für gasexplosionsgefährdete Bereiche in der Normenreihe und für Bereiche mit brennbarem Staub in der Reihe festgelegt. Da viele Anforderungen für beide Bereiche gleich sind, werden beide Normenreihen unter der Reihe IEC zusammengefasst. In Europa erscheinen diese Normen unter der Reihe EN Für nicht elektrische Geräte wurde in Europa die Normenreihe EN erstellt. Diese Normen werden zur Zeit auf internationaler Ebene diskutiert und als Normenreihe ISO/IEC erscheinen. Für Europa gelten allerdings in erster Linie die Europäischen Richtlinien: Richtlinie 94/9/EG wurde aktuell ersetzt in Richtlinie 2014/34/EU (auch ATEX-Richtlinie genannt) und legt grundlegende Anforderungen an explosionsgeschützte Geräte fest. Richtlinie 1999/92/EG regelt den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen und legt Maßnahmen zur Sicherheit der Beschäftigten fest. 8 R. STAHL EXPLOSIONSSCHUTZ 9

6 Zertifizierung 3 Weltweit gibt es verschiedene anerkannte IECEx-Zertifizierungsstellen (ExCB = Certification Body) und anerkannte IECEx-Testlaboratorien (ExTLs), die nach hohen einheitlichen Maßstäben akkreditiert und regelmäßig überwacht werden. Bei IECEx gilt, dass ein Zertifikat erst dann erteilt wird, wenn sowohl die Typprüfungen an Prüfmustern bestanden als auch das Vorhandensein eines wirksamen Qualitätsmanagementsystems durch ein Audit nachgewiesen wurde. Zur Zeit gibt es jedoch überall auf der Welt weiterhin eigene regionale und nationale Zulassungsverfahren, wie beispielsweise die ATEX-Richtlinie im Gebiet der Europäischen Union oder nationale Zulassungen in den USA (UL, FM). 11

7 Explosionsschutzmaßnahmen 4 Primärer Explosionsschutz Unter primärem Explosionsschutz versteht man alle Maßnahmen, die verhindern, dass eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre entsteht. Dies kann erfolgen durch: èèvermeidung brennbarer Stoffe (Ersatztechnologien) èèinertisierung (Zugabe von Stickstoff, Kohlendioxid usw.) èèbegrenzung der Konzentration durch natürliche oder technische Belüftung 13

8 4 4 Verhinderung der Zündung explosionsfähiger Atmosphären Das erforderliche Sicherheitsniveau dieser Maßnahmen ist abhängig vom möglichen Gefährdungspotenzial am Einsatzort. Explosionsgefährdete Bereiche werden deshalb nach der Wahrscheinlichkeit des Auftretens gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre in Gefahrenzonen eingeteilt. Tabelle 3: Explosionsfähige Atmosphäre Stoffbezeichnung IEC EN Geräte Allgemeine Anforderungen IEC EN Geräteschutz durch druckfeste Kapselung»d«IEC EN Einteilung der Bereiche gasexplosionsgefährdete Bereiche IEC EN Einteilung der Bereiche staubexplosionsgefährdete Bereiche IEC EN Geräteschutz durch Eigensicherheit»i«IEC EN Schutz vor Einrichtungen durch einen überdruck gekapselten Raum»p«IEC IEC Geräteschutz durch überdruckgekapselte Räume IEC EN Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen IEC EN Elektrische Betriebsmittel der Zündschutzart»n«IEC EN Künstliche Belüftung zum Schutz von Analyseräumen IEC/TR Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen IEC EN Geräteschutz durch Vergusskapselung»m«IEC EN Gerätereparatur, Überholung und Regenerierung IEC EN Geräteschutz durch Überdruckkapselung»p«IEC EN Stoffliche Eigenschaften zur Klassifizierung von Gasen und Dämpfen Prüfmethoden und Daten IEC EN Eigensichere Systeme IEC EN Betriebsmittel mit Geräteschutzniveau (EPL) Ga IEC EN Schutz vor Einrichtungen und Übertragungssystemen, die mit optischer Strahlung arbeiten IEC EN Gasmessgeräte Anforderungen an das Betriebsverhalten von Geräten für die Messung brennbarer Gase IEC EN Gasmessgeräte Auswahl, Installation, Einsatz und Wartung von Geräten für die Messung brennbarer Gase und Sauerstoff IEC Gasmessgeräte Geräte mit offener Messstrecke: Allgemeine Anforderungen und Prüfverfahren IEC EN R. STAHL EXPLOSIONSSCHUTZ 15

9 4 4 Elektrische Widerstands-Begleitheizungen Allgemeine Anforderungen und Prüfanforderungen IEC EN Elektrische Widerstands-Begleitheizungen Anwendungsleitfaden für Entwurf, Installation und Instandhaltung IEC EN Geräte-Staubexplosionsschutz durch Gehäuse»t«IEC EN Gefahr durch elektrostatische Entladungen IEC/TS Geräteschutz durch Sonderzündschutzart»s«IEC Eigensichere Systeme mit elektronisch gesteuerter Begrenzung der Funkendauer IEC/TS Prüfverfahren zur Bestimmung der Zündtemperatur IEC Geräteschutz durch Sandkapselung»q«IEC EN Beschränkung der Explosionsauswirkung (Konstruktiver Explosionsschutz) Kann das Auftreten gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre nicht sicher vermieden werden, und ist auch deren Zündung nicht auszuschließen, sind Maßnahmen vorzusehen, die die Auswirkungen einer Explosion auf ein ungefährliches Maß einschränken, z. B. bei Behältern und Silos durch: èèexplosionsfeste oder explosionsdruckstoßfeste Bauweise èèdruckentlastungs- und Druckausgleichseinrichtungen èèexplosionsunterdrückung durch Löscheinrichtung èèexplosionsübertragung in andere Bereiche ist zu vermeiden Geräteschutz durch Ölkapselung»o«IEC EN Geräteschutz durch erhöhte Sicherheit»e«IEC EN Untersuchungsverfahren: Mindestzündtemperatur IEC EN Untersuchungsverfahren: Widerstand von Staubschüttungen IEC EN Untersuchungsverfahren: Mindestzündenergie (IEC Entwurf) IEC Sicherheitseinrichtungen für den sicheren Betrieb von Geräten im Hinblick auf Explosionsgefahren EN R. STAHL EXPLOSIONSSCHUTZ 17

10 Zündquellen 5 Eine Zündung explosionsfähiger Atmosphäre kann durch unterschiedliche Zündquellen erfolgen: èèheiße Oberflächen èèflammen und heiße Gase èèmechanisch erzeugte Funken èèelektrische Anlagen èèelektrische Ausgleichsströme, kathodischer Korrosionsschutz èèstatische Elektrizität èèblitzschlag èèelektromagnetische Wellen (Hochfrequenz) èèoptische Strahlung èèionisierende Strahlung èèultraschall èèadiabatische Kompression und Stoßwellen èèexotherme Reaktionen In explosionsgefährdeten Bereichen sind Zündquellen zu vermeiden. 19

11 Zoneneinteilung Gerätekategorien und Geräteschutzniveau (EPL) 6 Explosionsgefährdete Bereiche werden hinsichtlich der Zündquellen in Zonen unterteilt, um die Auswahl zweckentsprechender Geräte sowie die Gestaltung von sachgerechten elektrischen Installationen zu erleichtern. Die Zoneneinteilung spiegelt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von explosionsfähiger Atmosphäre wider. Bei der Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche in Zonen und der Festlegung der notwendigen Schutzmaßnahmen ist jeweils das höchstmögliche Gefahrenpotenzial zu berücksichtigen. Die in der festgelegten Gefahrenzone eingesetzten Geräte müssen die Anforderungen der entsprechenden zugeordneten Gerätekategorie bzw. Geräteschutzniveau erfüllen. 21

12 6 6 Tabelle 4: Zoneneinteilung Tabelle 5 Gas Zone 0* Zone 1* Zone 2* ist ein Bereich, in dem gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. ist ein Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln bilden kann. ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährlich explosionsfähigen Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt. Gerätekategorie nach RL 94/9/EG Geräteschutzniveau (EPL) nach IEC Schutzniveau 1G Ga sehr hoch 0 2G Gb hoch 1 3G Gc normal/erhöht 2 1D Da sehr hoch 20 2D Db hoch 21 Zone 3D Dc normal/erhöht 22 Zone 20* ist ein Bereich, in dem gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Staub Zone 21* ist ein Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub bilden kann. Zone 22* ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt. * Definitionen aus Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) 22 R. STAHL EXPLOSIONSSCHUTZ 23

13 7 Zündschutzarten Kennzeichnung 8 Elektrische explosionsgeschützte Geräte für gas- und staubexplosionsgefährdete Bereiche können nach den Baubestimmungen der Normenreihe IEC bzw. EN in verschiedenen Zündschutzarten ausgeführt werden. Zündschutzarten für nicht elektrische Geräte sind in der Normenreihe EN festgelegt. Welche Zündschutzart der Hersteller bei einem Gerät anwendet, hängt im Wesentlichen von der Art und der Funktion des Gerätes ab. Einige Zündschutzarten gibt es in unterschiedlichen Schutzniveaus. Diese entsprechen den Gerätekategorien, nach der Richtlinie RL 94/9/EG bzw. den Geräteschutzniveaus (EPL) nach IEC von So gibt es bei der Eigensicherheit die Ausführung Ex ia, die als Kategorie 1G bzw. EPL Ga eingestuft ist. Diese kann in Zone 0 installiert werden. Die Ausführung Ex ib entspricht der Kategorie 2G bzw. EPL Gb, die für die Zone 1 geeignet ist und Ex ic kann als Kategorie 3G oder EPL Gc in die Zone 2 eingesetzt werden. Sicherheitstechnisch sind alle genormten Zündschutzarten innerhalb einer Kategorie bzw. eines Geräteschutzniveaus als gleichwertig zu betrachten. Die Kennzeichnung für elektrische Geräte ist in der IEC festgelegt. Zusätzlich zum Namen des Herstellers oder zu seinem Warenzeichen, der Typenbezeichnung, der Seriennummer und der Prüfstelle mit Zertifikatnummer ist noch eine besondere Kodierung gefordert, die den Einsatz des Gerätes beschreibt: èèdas Symbol Ex èèdas Symbol jeder verwendeten Zündschutzart, z. B. Ex d e èègruppe IIA, IIB, IIC bzw. IIIA, IIIB, IIIC èètemperaturklasse bei Geräten für gasexplosionsgefährdete Bereiche bzw. max. Oberflächentemperatur der Geräte für staubexplosionsgefährdete Bereiche èègeräteschutzniveau EPL: - Ga, Gb, Gc für gasexplosionsgefährdete Bereiche - Da, Db, Dc für staubexplosionsgefährdete Bereiche Bei zugehörigen Betriebsmitteln, die nicht in explosionsgefährdeten Bereichen installiert werden dürfen, müssen die Symbole für die Zündschutzart in eckigen Klammern angegeben werden. 24 R. STAHL EXPLOSIONSSCHUTZ 25

14 8 8 In Europa wird eine zusätzliche Kennzeichnung durch die Richtlinie 94/9/EG (ATEX) gefordert: Tabelle 7: Stäube sind in folgende Gruppen eingeteilt Gruppe Staub Gefährlichkeit der Stäube IIIA brennbare Flusen + IIIB nicht leitfähiger Staub ++ IIIC leitfähiger Staub +++ èèdas Symbol èègruppe I (für Bergbau) oder Gruppe II für andere Bereiche als Bergbau èèkategorie 1, 2 oder 3 mit dem Zusatzbuchstaben G (Gas) oder D (Staub), z. B. èèsowie das -Zeichen II 2G Tabelle 8: Temperaturklassen Zündtemperatur der Gase und Dämpfe in C Temperaturklasse Maximale Oberflächentemperatur am Betriebsmittel in C > 450 T1 450 > 300 bis 450 T2 300 > 200 bis 300 T3 200 Tabelle 6: Gase werden entsprechend ihren Zündeigenschaften in Gruppen eingeteilt Gruppe Typisches Gas Gefährlichkeit der Gase IIA Propan + > 135 bis 200 T4 135 > 100 bis 135 T5 100 > 85 bis 100 T6 85 IIB Ethylen ++ IIC Wasserstoff R. STAHL EXPLOSIONSSCHUTZ 27

15 Errichtung und Betrieb elektrischer Anlagen 9 Der Betreiber ist verantwortlich für die Sicherheit seiner Anlagen. Er muss die Explosionsgefahren beurteilen und danach die Zoneneinteilung vornehmen. Er muss sicherstellen, dass die Anlage ordnungsgemäß errichtet und vor der ersten Inbetriebnahme geprüft wird. Durch regelmäßige Prüfung und Wartung muss der ordnungsgemäße Zustand der Anlage aufrechterhalten werden. Die Anforderungen für den Betrieb von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen sind in nationalen Vorschriften definiert. In Europa sind die Mindestvorschriften in der Richtlinie 1999/92/EG festgelegt. Die konkreten Anforderungen in den einzelnen Ländern sind den nationalen Vorschriften zu entnehmen. In Deutschland sind die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) und die entsprechenden Technischen Regeln für Betriebssicherheit (TRBS) einzuhalten. Auf internationaler und europäischer Ebene sind verschiedene Normen erstellt worden, die in Deutschland als Erkenntnisquellen herangezogen werden können. Das gilt jedoch nur dann, wenn sie nicht in Widerspruch zur Betriebssicherheitsverordnung bzw. einer TRBS stehen. Der Errichter muss die Errichtungsanforderungen beachten und die elektrischen Betriebsmittel gemäß ihrer Verwendung richtig auswählen und installieren. 29

16 9 Tabelle 9: Explosionsfähige Atmosphäre (Gas und brennbarer Staub) IEC EN Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen IEC EN Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen IEC EN Gerätereparatur, Überholung und Regenerierung IEC EN R. STAHL Seminare Menschen sind das wertvollste Kapital eines Unternehmens. Investieren Sie deshalb in die Qualifikation Ihrer Mitarbeiter. Als weltweit führender Anbieter von Produkten, Systemen und Dienstleistungen für den Explosionsschutz vermitteln wir Ihnen theoretisches und praktisches Wissen, auf das Sie in der Praxis zurückgreifen können. Weitere Informationen unter: 30 R. STAHL EXPLOSIONSSCHUTZ

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