Zündschutzarten für elektrische Geräte

Schutzmethoden für elektrische Ausrüstung gemäß ATEX

Elektrische Betriebsmittel enthalten oft mehrere Zündquellen. Um sicherzustellen, dass diese nicht wirksam werden können - also keine explosionsfähige Atmosphäre oder Staubschicht entzünden können - sind besondere Maßnahmen erforderlich. Diese sind als Zündschutzarten bekannt, von denen die meisten seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt werden.

Die verschiedenen Zündschutzarten beruhen auf fünf Grundprinzipien:

Energiebegrenzung: Gas oder Staub können sich nicht entzünden, weil im Stromkreis zu wenig Energie vorhanden ist (Ex i);

Ausschluss: Das Gas oder der Staub kann keine Zündquellen erreichen (Ex m, Ex o, Ex p, Ex t, Ex nR);

Vermeidung: Es gibt keine wirksame Zündquelle im Inneren des Geräts (Ex e, Ex nA);

Verdünnung: Das potentiell vorhandene Gas wird mit Luft auf einen Wert unterhalb der UEG verdünnt (Ex p);

Kapselung: Die Explosion ist auf das Innere des Gerätes beschränkt (Ex d) oder wird im Keim erstickt (Ex q).

Zündschutzarten, die für den Einsatz in Gasumgebungen geeignet sind:

• Druckfeste Kapselung, Ex da (eingeschränkt), Ex db, Ex dc;
• Erhöhte Sicherheit, Ex eb, Ex ec;
• Eigensicherheit, Ex ia, Ex ib, Ex ic;
• Vergusskapselung, Ex ma, Ex mb, Ex mc;
• Nicht funkende Geräte, Ex nA, Ex nC, Ex nR;
• Flüssigkeitskapselung, Ex ob, Ex oc;
• Optische Strahlung, Ex op is, Ex op sh, Ex op pr;
• Überdruckkapselung, Ex pxb, Ex pyb, Ex pzc;
• Sandkapselung, Ex q.

Zündschutzarten für den Einsatz in Staubexplosionsgefährdeten Umgebungen:

• Eigensicherheit, Ex ia, Ex ib, Ex ic;

• Vergusskapselung, Ex ma, Ex mb, Ex mc;

• Optische Strahlung, Ex op is, Ex op sh, Ex op pr;

• Überdruckkapselung, Ex pxb, Ex pyb, Ex pzc;

• Schutz durch Gehäuse, Ex ta, Ex tb, Ex tc.

Ex d - Druckfeste Kapselung

Ex d prinzip

Das Gehäuse des Geräts ist stark genug, um dem Druck einer Explosion im Inneren ohne Schaden Stand zu halten. Darüber hinaus ist die Konstruktion so beschaffen, dass heiße Gase und Partikel, die durch die Explosion nach außen geschleudert werden, soweit abgekühlt sind, dass sie ein umgebendes explosives Gemisch nicht mehr entzünden können.

Die entweichenden heißen Gase haben immer noch eine Temperatur, die weit über der Zündtemperatur des sie möglicherweise umgebenden explosiven Gemischs liegt (1.000 °C sind keine Ausnahme). Dass es dennoch zu keiner Zündung kommt, liegt an der schnellen und heftigen Vermischung der heißen Gase mit der kalten Umgebung, was bedeutet, dass die Kontaktzeit zwischen dem heißen Gas und dem explosiven Gemisch zu kurz ist, um genügend Energie zu übertragen.

Ex d-Gehäuse, die nur ein "U"-Komponentenbescheinigung (U-Bescheinigung) haben (d. h. nur das leere Gehäuse ist zertifiziert), dürfen nicht verwendet werden. Es dürfen nur Gehäuse mit einer vollständigen Bescheinigung verwendet werden. Der Inhalt dieser Gehäuse wurde bei der Zertifizierung ebenfalls bewertet und genehmigt.

Ex-d Gehäuse, entweichende heiße Gase

Der Inhalt eines zertifizierten Ex d-Schaltschranks darf nicht verändert werden. Dies liegt daran, dass die Veränderung den Explosionsdruck- oder das Temperaturmanagement im Schrank beeinflussen kann. Ein Schrank, der dennoch verändert wurde, muss erneut zur Zertifizierung eingereicht werden.

Ein Schrank, der für die Verwendung mit einem bestimmten Gas (z. B. IIB + H2) zertifiziert ist, muss gemäß den Anforderungen installiert werden, die für die Gasgruppe gelten, zu der das Gas gehört. Im Falle von H2 (Wasserstoff) muss dieser gemäß den Anforderungen der Gasgruppe IIC installiert werden.

Um ein Ex d-Gehäuse mit Flachspalten muss ein Freiraum eingehalten werden, damit sich die entweichenden heißen Gase gut mit der umgebenden (kalten) Atmosphäre vermischen können. Sind Hindernisse vorhanden, kommt es zu einer unzureichenden Durchmischung und das Gas kühlt nicht genügend ab. Dies hat zur Folge, dass ein eventuell vorhandenes explosives Gemisch durch die entweichenden heißen Gase entzündet werden kann.

Die nachstehende Tabelle zeigt, wieviel freier Abstand eingehalten werden sollte.

Gasgruppe der Zone	Mindestabstand (mm)
IIA	10
IIB	30
IIC	40

Gasgruppe und erforderlicher Freiraum um Ex d-Gehäuse

Die Spalte eines druckfesten Gehäuses dürfen nicht lackiert werden, das Gehäuse selbst natürlich schon. Die Flanschflächen sollten mit Spezialfett behandelt werden, um Korrosion und das Eindringen von Farbe zu minimieren.

Wenn der Hersteller keinen druckfesten Spaltschutz vorschreibt, sollte nur ein nicht aushärtendes Fett oder ein Rostschutzmittel ohne flüchtige Lösungsmittel verwendet werden. Fett auf Silikonbasis ist in der Regel sehr gut geeignet. Dieses sollte jedoch bei Gaswarngeräten wegen der möglichen "Vergiftung" des chemischen Sensors nicht verwendet werden.

Die Kabelverschraubung ist der kritischste Teil eines druckfesten Gehäuses. Wenn die Kabelverschraubung nicht richtig montiert ist oder mit dem falschen Kabel verwendet wird, gibt es keine wirksame Ex-Schutzart mehr. Eine innere Explosion kann sich dann ungehindert nach außen ausbreiten!

Die Kabelverschraubung eines Ex d-Gehäuses muss ebenfalls Ex d-zertifiziert sein. Kabelverschraubungen mit der ausschließlichen Zündschutzart Ex e sollten niemals verwendet werden, da sie dem Druck einer inneren Explosion nicht standhalten können.

Kabelverschraubungen

Die Kabelverschraubung muss für den jeweiligen Kabeltyp geeignet sein. Beachten Sie den Kabeldurchmesser und die Art des Kabels (armiert oder nicht armiert).

Kabelverschraubungen, die mit einem "X" gekennzeichnet sind, haben einen begrenzten Umgebungstemperaturbereich oder dürfen nur verwendet werden, wenn eine Zugentlastung in der Nähe der Kabeleinführung angebracht ist. Dies muss nicht für alle Typen der gleichen Reihe gelten. Einzelheiten sind dem Zertifikat oder der Betriebsanleitung der Verschraubungen zu entnehmen.

Der Ex d-Schutz ist nur gewährleistet, wenn die Kabelverschraubung ausreichend tief eingeschraubt ist:

• mindestens 5 Gewindedurchgänge oder 8 mm Einschraubtiefe bei Parallelgewinden;
• bei konischen Gewindetypen (NPT) muss der Anschluss mit Werkzeug eingeschraubt werden.

In einigen Fällen wird die Kabelverschraubung mit dem Ex d-Gerät mitgeliefert, aber in der Regel muss eine geeignete Verschraubung selbst ausgewählt werden. Gemäß der Installationsnorm EN 60079-14:2014 können folgende Kombinationen ausgewählt werden:

• Kabelverschraubungen, die mit einer Vergussmasse zur Abdichtung der Einzelleiter versehen sind;
• Bei Verwendung einer Kabelverschraubung ohne Vergussmasse muss das Kabel folgenden Anforderungen entsprechen:
• eine Länge von mindestens 3 m;
• Ummantelung aus thermoplastischem, duroplastischem oder elastomerem Material;
• rund und kompakt;
• Bettung und Ummantelung sollten stranggepresst sein und alle Füllmaterialien sollten nicht hygroskopisch sein.

Ex d-Geräte machen einen sehr robusten Eindruck. Das lässt schnell vermuten, dass an Inspektion und Wartung wenig Anforderungen gestellt werden. Das Gegenteil ist der Fall: Nur eine ordnungsgemäß durchgeführte Wartung erhält die Schutzfunktion aufrecht. Eine kleine Abweichung von der zertifizierten Konstruktion (z. B. beschädigte oder korrodierte Flanschflächen) kann bereits zum Verlust der Schutzfunktion führen. 

Beim Zusammenbau von Ex d-Gehäusen, z. B. nach einer Reparatur oder Inspektion, müssen alle Ex d-Fugen gründlich gereinigt und mit einem Rostschutzmittel leicht eingefettet werden!

Druckfestes "Ex d IIC" Gehäuse mit Fenster

Abbildung 8.5 zeigt ein Ex d-Gehäuse mit einem Fenster aus gehärtetem Glas. Im Neuzustand kann eine solche Scheibe einem Druck von 60 bar oder mehr standhalten. Nach einem Schlag mit einer Metallkugel auf die Scheibe, die nicht sichtbar beschädigt ist, bricht die Scheibe bereits bei 35 bar. Sichtbare Beschädigungen führen zu einem noch schwächeren Glas, so dass die Schutzart Ex d nicht mehr gewährleistet ist. Das Glas muss dann ausgetauscht werden.

Ex e - Erhöhte Sicherheit

Ex e principle

Geräte der erhöhten Sicherheit erzeugen unter normalen Betriebsbedingungen und in vorhersehbaren Fehlersituationen keine Funken oder zündfähige heiße Oberflächen. Darüber hinaus bietet das Gehäuse einen ausreichend hohen mechanischen Schutz und einen ausreichenden Schutzgrad (in der Regel IP54) gegen das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit. Dadurch wird eine Verschmutzung der Isolierung zwischen stromführenden Teilen verhindert, die die Isolationsabstände verringert und Kurzschlüsse verursachen kann.

Ex e-Gehäuse mit einem Komponenten- oder "U"-Zertifikat dürfen nicht verwendet werden, da nur das leere Gehäuse zertifiziert ist. Es dürfen nur Gehäuse mit einer vollständigen Bescheinigung verwendet werden. Bei diesen Gehäusen wurde der Inhalt bei der Zertifizierung ebenfalls bewertet und zugelassen.

Der Inhalt eines zertifizierten Ex e-Schrankes darf nicht verändert werden, da die Veränderung das Temperaturmanagement im Schrank beeinträchtigen kann. Ein Schrank, der dennoch verändert wurde, muss erneut zur Zertifizierung eingereicht werden.

Die Kabeleinführung muss Ex e zertifiziert sein. Gegebenenfalls können auch Ex d-Kabelverschraubungen verwendet werden, da sie ebenfalls die Ex e-Anforderungen erfüllen. Verwenden Sie diese nur, wenn es keine andere Möglichkeit gibt; Ex e-Kabelverschraubungen sind im Allgemeinen auch deutlich anwendungsfreundlicher.

Die Kabeleinführung muss für den Kabeltyp geeignet sein (Kabeldurchmesser und Kabeltyp). Kabelverschraubungen die mit einem "X" gekennzeichnet sind, haben einen eingeschränkten Umgebungstemperaturbereich oder dürfen nur verwendet werden, wenn eine Zugentlastung in der Nähe der Kabeleinführung angebracht ist. Einzelheiten sind dem Zertifikat oder der Betriebsanleitung der Kabelverschraubung zu entnehmen.

Ex e Anschlussklemmen

Nur bei ordnungsgemäß durchgeführter Wartung bleibt der Ex e-Schutzmodus erhalten. Obwohl das Schutzkonzept in einem weiten Bereich angewendet wird, ist bei der Wartung vordringlich auf die folgenden Hauptaspekte zu achten:

• Achten Sie darauf, dass die Dichtungen nicht beschädigt werden, damit die IP-Schutzart erhalten bleibt und Schmutz und Feuchtigkeit die Trennabstände nicht beeinträchtigen können;
• Stellen Sie sicher, dass alle elektrischen Verbindungen einwandfrei installiert und befestigt sind, um Funkenbildung zu vermeiden.

Ex i - Eigensicherheit

Ex i Prinzip

Das Gerät ist intrinsisch sicher (= eigensicher). Das heißt, unter normalen Betriebsbedingungen und unter den für Ex i anzunehmenden Fehlersituationen und Fehlern erzeugt der Stromkreis keine Funken, die stark genug sind, ein explosionsfähiges Gemisch zu zünden. Auch werden unter diesen Bedingungen keine heißen Oberflächen durch den Stromkreis erzeugt.

Für Ex i-Geräte gibt es kaum Anforderungen an das Gehäuse, es sei denn, die spezifische Anwendung erfordert es. Letzteres ist z. B. bei einem tragbaren Gaswarngerät der Fall, das auch nach einem Sturz ausreichend unversehrt bleiben muss, oder wenn eindringende Feuchtigkeit oder Schmutz den Schutzmodus beeinträchtigen können.

Sehr wichtig ist die Trennung zwischen Ex i- und Nicht-Ex i-Stromkreisen: Sie muss strikt eingehalten werden. Das Eindringen von Energie aus einem Nicht-Ex i-Stromkreis in einen Ex-i-Stromkreis würde die Eigensicherheit vollständig aufheben.

Ex i gibt es in drei verschiedenen Sicherheitsstufen:

• Ex ia ist noch unter 2 gleichzeitig auftretenden Fehlerbedingungen explosionssicher. Das macht derartige Stromkreise so sicher, dass sie in den Zonen 0 und 20 (Kategorie 1) eingesetzt werden können;
• Ex ib ist beim Auftreten eines Fehlers weiterhin sicher. Damit ist ein derartiger Stromkreis ausreichend sicher für den Einsatz in den Zonen 1 und 21 (Kategorie 2);
• Ein Stromkreis gemäß Ex ic nur unter normalen Betriebsbedingungen explosionsgeschützt. Daher darf er nur in den Zonen 2 und 22 (Kategorie 3) verwendet werden.

Der Inhalt eines Ex i-Schrankes darf nicht verändert werden; da die Veränderung sich auf das Temperaturmanagement im Schrank auswirken kann. Ein Schrank, der dennoch verändert wurde, muss neu bewertet werden. Die Gehäuse müssen standardmäßig eine Schutzart von IP20 bieten. Aus funktionalen Gründen ist sie oft höher.

Die Ex-i-Verkabelung ist immer identifizierbar und als solche gekennzeichnet:

• die Verkabelung ist hellblau;
• oder die Verkabelung befindet sich in einem hellblauen Kabelkanal;
• oder die Verkabelung hat eine andere Farbe und ist in regelmäßigen Abständen deutlich gekennzeichnet, z. B. durch hellblaues Klebeband oder den Text "Ex i".

Es kann auch eine Kombination dieser Kennzeichnungen verwendet werden, solange klar ersichtlich ist, dass es sich um eine Ex i Verkabelung handelt.

Das Hauptmerkmal eines eigensicheren Stromkreises ist die Begrenzung der Energie. Um dies zu erreichen, werden Strom und Spannung unter Berücksichtigung der für Ex i anzuwendenden Fehlersituationen auf bestimmte Höchstwerte begrenzt. Dabei ist die Spannung immer auf das Erdpotential bezogen, weshalb die Erdung in Ex i-Stromkreisen eine große Rolle spielt. Alternativ dazu gibt es die vollständige Trennung vom Erdpotential (galvanische Trennung). Der Stromkreis sollte dann eine Mindestdurchbruchspannung von 500 V gegen Erde aufweisen.

Anschlusskasten mit Ex i-Klemmen und Kabelverschraubungen

Bei der Installation von Ex i-Geräten sollte besonders darauf geachtet werden, dass:

• die Erdverbindung ordnungsgemäß gesichert ist;
• der Aderquerschnitt der Erdverbindung ausreichend ist;
• die Erdverbindung nur an einem Punkt besteht;
• es gibt keine Verbindung zur Erde bei galvanischer Trennung; die Durchschlagsfestigkeit der Isolierung muss mindestens 500 V betragen;
• die Trennung zwischen Ex i- und Nicht-Ex i-Stromkreisen muss auch in einem Anschlusskasten eingehalten werden (min. 50 mm Abstand zwischen den Anschlussklemmen von Ex i- und Nicht-Ex i-Stromkreisen).

Bei der Inspektion und Wartung sollte besonders darauf geachtet werden:

• Es liegen keine unbefugten Änderungen an der Ex i-Schaltung vor;
• Die Trennung zwischen Ex i und Nicht-Ex i Stromkreisen ist vorhanden;
• Die Erdung des Geräts muss ordnungsgemäß ausgeführt sein;
• Eine galvanische Trennung muss bei fehlender Erdung vorhanden sein.

Ex M - Vergusskapselung

Ex m Prinzip

Die elektrischen Betriebsmittel, meist Elektronikbauteile wie z. B. PCBs, sind vollständig mit einer geeigneten Vergussmasse umhüllt. Die Vergussmasse dient als Trennung zwischen den in den elektrischen Betriebsmitteln vorhandenen Zündquellen (Funken, heiße Bauteile) und der potentiell vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre. Dadurch wird eine Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert, sofern die Vergussmasse ihre Aufgabe richtig erfüllt. Ex m stellt daher sehr hohe Anforderungen an die verwendete Vergussmasse. Zur Geräteprüfung gehört auch eine detaillierte Betrachtung des Vergussverfahrens. 

Die Installation von Ex m-Geräten muss gemäß den Anweisungen des Herstellers erfolgen. Fehlen diese, sind die Installationsanweisungen und die "besonderen Bedingungen für die Verwendung" zu beachten, die in der Bescheinigung oder auf dem Typenschild des Geräts angegeben sind.

Ex m gibt es in drei verschiedenen Sicherheitsstufen:

• Ex ma ist auch bei zwei gleichzeitig auftretenden Fehlerzuständen in der eingebetteten Elektronik explosionsgeschützt und damit so sicher, dass es in den Zonen 0 und 20 (Kategorie 1) eingesetzt werden kann;
• Ex mb ist bei einem auftretenden Fehlerzustand in der Elektronik sicher und damit ausreichend sicher für den Einsatz in den Zonen 1 und 21 (Kategorie 2);
• Ex mc schließlich ist nur unter normalen Bedingungen sicher und sollte daher nur in Zone 2 und Zone 22 (Kategorie 3) eingesetzt werden.

Um die Schutzart Ex m zu gewährleisten, müssen mindestens die folgenden Bedingungen erfüllt sein:

• Die Versorgungsspannung darf den auf dem Typenschild angegebenen Wert nicht überschreiten;
• Ist in der Betriebsanleitung eine Sicherung vorgeschrieben, so muss diese den vorgeschriebenen Anforderungen entsprechen;
• Der maximale, kurzzeitig auftretende Kurzschlussstrom, der von der Stromversorgung, an die das Ex m-Gerät angeschlossen ist, geliefert werden kann, darf 1500 A bzw. den auf dem Typenschild angegebenen Wert nicht überschreiten. Ist der maximale Kurzschlussstrom zu hoch, kann die Elektronik in der Formmasse zu heiß werden und die Formmasse beschädigen. Die Folge ist, dass die Vergussmasse nicht mehr gegen Gaseintritt schützen kann.

Gemäs Ex m vergossene Geräteelektronik

Die Vergussmasse von Ex m-Geräten wird bei der Bauartzulassung nicht auf chemische Beständigkeit geprüft. Es ist daher beim Kauf von Ex m-Geräten darauf zu achten, dass das Material der Vergussmasse für die Umgebungsbedingungen geeignet ist.

Einmal installierte Ex m-Geräte sollten regelmäßig auf eine Beeinträchtigung der Vergussmasse überprüft werden, soweit diese durch Sichtkontrolle zugänglich ist. Zeigt die Prüfung, dass die Oberfläche der Vergussmasse Risse, Blasen, Löcher, Verfärbungen oder ähnliches aufweist, ist die Ex m-Schutzwirkung nicht mehr gewährleistet und das Gerät muss ausgetauscht werden.

Ex n - Nicht funkende Betriebsmittel

 

Ex n beschreibt klassisch alle Schutzkonzepte für den Einsatz in Zone 2. Unter normalen Betriebsbedingungen enthalten Ex n-Geräte keine Zündquellen wie Funken oder heiße Oberflächen. Ex n wird für sehr unterschiedliche Betriebsmittel wie Beleuchtung, Motoren, Elektronik usw. verwendet und hat eine Reihe von Unterschutzarten:

Ex nA: Nicht funkende Betriebsmittel; z. B. ein Asynchronmotoren oder Elektronik die so ausgelegt ist, dass sie im Normalbetrieb keine Funken oder heiße Oberflächen erzeugen können;

Ex nC: Gekapselte Geräte – z. B. ein hermetisch abgedichtetes Relais, das gegen das Eindringen von Gas geschützt ist;

Ex nR: Schwadensichere Geräte (das Gas kann nur schwer eindringen);

Ex nL: Energiebegrenzte Geräte; Funken oder heiße Oberflächen sind hier in ihrer Energie so begrenzt, dass sie kein explosives Gemisch entzünden können.

Die Zundschutzarten Ex nA und Ax nL wurden inzwischen durch die Schutzarten Ex ec und Ex ic ersetzt.

Im Allgemeinen werden Ex n-Geräte auf die gleiche Weise installiert wie Nicht-Ex-Geräte. Je nach Art des Ex n-Gerätes gibt es jedoch einige Dinge, die bei der Installation besonders zu beachten sind:

Ex nA: Keine besonderen Anforderungen, außer dass normalerweise die Schutzart IP54 erforderlich ist. Achten Sie auf den korrekten Einbau von Dichtungen und Dichtungsringen. Manchmal schreibt der Hersteller vor, dass die angeschlossene (Versorgungs-)Spannung vor (zu) hohen Spannungsspitzen geschützt werden muss (Überspannungsschutz);

Ex nC: keine besonderen Anforderungen;

Ex nR: Hier ist die Dichtung der einzige Schutz. Sie muss bei der Installation korrekt angebracht werden und darf nicht beschädigt werden;

Ex nL: muss innerhalb der Spezifikationen (Strom, Spannung, Leistung) verwendet werden.

Überprüfen Sie insbesondere (je nach Art des Ex n-Geräts):

• Dichtungen auf Verschleiß und Beschädigung;
• unbefugte Änderungen;
• korrekte Erdung.

 

Ex o - Flüssigkeitskapselung

Ex o Prinzip

Ex o wird hauptsächlich in schweren Schaltanlagen verwendet, wie z. B.:

• Drehdurchführungen mit elektrischen Schleppkontakten;
• große Transformatoren, wenn eine andere Schutzart wie Ex d oder Ex e aufgrund der Größe und des Gewichts der Geräte konstruktiv nicht mehr möglich ist.

Der Stromkreis (Transformator, Schleifringe) der Ex o-Geräte ist vollständig in Öl getaucht. Gas kann in das Gehäuse eindringen, aber nicht die Zündquelle erreichen. Das Öl wirkt wie eine Barriere.

Ex o stellt hohe Anforderungen an das verwendete Öl. Darüber hinaus ist das Gehäuse von Ex o-Geräten in der Regel abgedichtet, um jeglichen Ölaustritt zu verhindern.

Ex o-Geräte sind wartungsarm. Bei einer Inspektion sollte das Gerät immer auf eine eventuelle Leckage hin überprüft werden; ist dies der Fall, so ist ein Ex-Schutzbetrieb nicht mehr gegeben und das undichte Gehäuse muss repariert werden. Das Öl selbst sollte regelmäßig auf Verunreinigungen überprüft und rechtzeitig ausgetauscht werden. Natürlich muss der Ölstand immer so hoch sein, dass alle potentiell zündfähigen Bauteile mit der Schutzflüssigkeit bedeckt sind.

Ölgefüllter Transformator

 

 

Ex op – Schutz gegen optische Strahlung

Innerhalb des Schutzkonzepts Ex op gibt es drei verschiedene Methoden, mit denen die Entzündung durch optische Strahlung verhindert werden kann:

"op is": Die Methode der inhärent sicheren optischen Strahlung basiert auf Energiebegrenzung, vergleichbar mit dem Konzept der Eigensicherheit. Dieses Konzept kann bei offener optischer Strahlung angewendet werden und es werden keine Anforderungen, bezüglich möglicherweise in der Umgebung vorhandener energieabsorbierender Partikel, gestellt. Bei entsprechender Auslegung kann das Geräteschutzniveau Ga / Da erreicht werden.

"op pr": Die Methode der geschützten optischen Strahlung beruht auf einer Ummantelung des Lichtwellenleiters, die verhindert, dass optische Strahlung austreten kann. Das Sicherheitsniveau wird durch den Grad des mechanischen Schutzes bestimmt.

"op sh": Die Methode des optischen Systems mit Verriegelung beruht auf einem funktionalen Sicherheitssystem, bei dem die Lichtquelle bei Bruch des Lichtwellenleiters abgeschaltet wird. Die erforderliche Trenngeschwindigkeit hängt von der Gerätekategorie ab. Nur durch die Kombination von "op sh" mit "op pr" kann das höchste Geräteschutzniveau Ga / Da erreicht werden.

Ex p - Überdruckgehäuse

Ex p Prinzip

Das Gehäuse eines Ex p-Geräts steht ständig unter einem leichten Überdruck (einige mbar) gegenüber der Umgebung. Dieser Druck entsteht durch die Zufuhr von Luft oder einem Inertgas. Dadurch ist es unmöglich, dass eine eventuell vorhandene explosionsfähige Atmosphäre in das Gehäuse eindringt und mit einer Zündquelle in Kontakt kommt.

Entscheidend bei Ex p ist folglich das Vorhandensein eines Überdrucks. Ist der Druck zu niedrig oder fällt er ab, so muss je nach Zone, in der sich das Ex p-Gehäuse befindet, dieses abgeschaltet werden (z. B. Zone 1) oder ein Alarm ausgelöst werden, auf den der Benutzer entsprechend reagieren muss (z. B. Zone 2).

Der Überdruck wird durch ein Steuergerät mit geeignetem Schutzmodus kontinuierlich überwacht. Das Einschalten sollte erst erfolgen, wenn sichergestellt ist, dass keine explosionsfähige Atmosphäre im Gehäuse vorhanden ist. Dies wird erreicht, indem das Gehäuse zunächst mehrere Minuten lang mit Luft oder einem Inertgas gespült wird.

Es gibt drei Arten von Ex p-Systemen für Gasumgebungen: Ex pxb, Ex pyb und Ex pzc, die wie folgt definiert sind:

• Ex pxb: Durch das Überdrucksystem wird das Schrankinnere von einer Einstufung in Zone 1 auf eine nicht gefährliche Einstufung reduziert. Die Geräte und Komponenten im Inneren des Schranks befinden sich also in einem nicht explosionsgefährdeten Bereich und müssen daher nicht explosionsgeschützt sein. Ein mit Ex pxb gekennzeichnetes Gerät kann daher in einer Umgebung der Zone 1 eingesetzt werden;
• Ex pyb: Das Überdrucksystem reduziert das Innere des Schrankes von einer Klassifizierung der Zone 1 auf eine Klassifizierung der Zone 2. Die Geräte und Komponenten im Schrankinneren dürfen unter normalen Betriebsbedingungen aufgrund der Zone 2 im Schrankinneren keine Funken schlagen oder zu heiß werden. Ein mit Ex pyb gekennzeichnetes Gerät kann in einer Umgebung der Zone 1 aufgestellt werden;
• Ex pzc: Durch das Überdrucksystem wird das Innere des Schrankes von einer Klassifizierung der Zone 2 auf eine nicht gefährliche Klassifizierung reduziert. Die Geräte und Komponenten im Inneren des Schranks befinden sich also in einem nicht explosionsgefährdeten Bereich und müssen daher nicht explosionsgeschützt sein. Ein mit Ex pzc gekennzeichnetes Gerät darf nur in einer Umgebung der Zone 2 eingesetzt werden.

Bei der Installation sind folgende Punkte zu beachten:

• alle Anweisungen in der Bedienungsanleitung des Herstellers oder in der Bescheinigung müssen befolgt werden;
• Die Verwendung eines Funkenschutzes am Luftaustritt ist obligatorisch, es sei denn, der Luftaustritt befindet sich in Zone 2 und bei normalem Betrieb werden keine gefährlichen Funken oder Partikel in den Schrank freigesetzt.

Bei der Inspektion und Wartung sollte besonders darauf geachtet werden:

• Löcher, Risse und andere Undichtigkeiten im Ex p-Gehäuse und in den Schutzgaszuleitungen und soweit vorhanden Schutzgasableitungen;
• Kunststoffteile, wie z. B. Fenster, sollten nur mit zugelassenen (nicht aggressiven) Mitteln gereinigt werden;
• die Qualität des Schutzgases (keine Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Schmutz);
• Druck und Durchfluss im Ex p-System müssen den Spezifikationen entsprechen;
• Druck- und Durchflussanzeigen, Alarme und Verriegelungen müssen ordnungsgemäß funktionieren;
• die Spülzeit darf nicht kürzer sein als die vorgeschriebene Mindestzeit;
• die Funkenschutzvorrichtungen müssen ordnungsgemäß funktionieren und ansonsten ersetzt werden.

 

Ex q – Sandkapselung

Ex q Prinzip

Die elektrischen Geräte, meist Elektronik, sind vollständig von feinem Sand oder Quarzsand umgeben. Gas kann eindringen, eine Zündquelle erreichen und sich entzünden. Eine beginnende Explosion kann sich jedoch nicht weiter entwickeln, da durch die engen Zwischenräume der Sandkörner nicht genügend Gas und Luft zugeführt werden kann. Ex q stellt hohe Anforderungen an die verwendete Sandfüllung. Darüber hinaus ist das Gehäuse von Ex q-Geräten stets abgedichtet, um ein Auslaufen des Sandes zu verhindern.

Ex q-Geräte können nicht oder kaum gewartet werden, da sie nicht geöffnet werden können und sollen. Bei einer Inspektion sollte immer geprüft werden, ob die Sandfüllung dicht ist. Ist dies nicht der Fall, so ist die Ex-Schutzart nicht mehr gegeben und das Gerät muss ausgetauscht werden.

 

Ex T – Schutz durch Gehäuse für staubige Umgebungen

Ex t ist ein relativ neues Zündschutzkonzept für Geräte, die für eine staubexplosionsgefährdete Umgebung geeignet sind (ältere Geräte können noch mit dem Code Ex tD gekennzeichnet sein). Der Schutz besteht aus dem Gehäuse, das staubdicht sein muss, um zu verhindern, dass Staub eindringt und so mit einer Zündquelle (Funken, heiße Oberfläche) im Inneren des Gehäuses in Berührung kommt.

Die erforderliche Schutzart hängt von der Staubbelastung in der Umgebung ab.

Schutzniveau	Gruppe IIIA	Gruppe IIIB	Gruppe IIIC
ta	IP 6x	IP 6x	IP 6x
tb	IP 5x	IP 6x	IP 6x
tc	IP 5x	IP 5x	IP 6x

 Schutzart, Staubgruppe und IP-Klasse

Bei der Inspektion und Wartung sollten insbesondere folgende Punkte überprüft werden

• Dichtungen auf Verschleiß und Beschädigung;
• nicht genehmigte Änderungen;
• korrekte Erdung.

 

Zündschutzarten für nicht-elektrische Geräte

Elektromotor mit Winkelgetriebe

Mechanische Geräte können Zündquellen enthalten, z. B. durch auftretende Reibung (Gleitlager, Dichtungen) oder durch Funkenbildung bei Berührung von Metallteilen.

Bereits bei der Konstruktion der meisten Geräte wird Reibung soweit wie möglich vermieden, da dies zu Verschleiß und damit zu einer verkürzten Lebensdauer führt. Auch Schlag- oder Stoßbelastungen werden vermieden, da dies zu einer Ermüdung der Metallteile führt, was wiederum eine kürzere Lebensdauer zur Folge hat. Unter anderem aus diesem Grund wurde der Entwicklung und Normung von Zündschutzmethoden für nichtelektrische Geräte lange Zeit eine geringe Priorität eingeräumt.

Die folgenden Schutzarten sind für nicht-elektrische Geräte geeignet:

• Druckfeste Kapselung, Ex d;
• Konstruktive Sicherheit, Ex h (c);
• Zündquellenüberwachung, Ex h (b);
• Flüssigkeitskapselung, Ex h (k).

Ex d - Druckfeste Kapselung

Deckel eines Ex d Gehäuses

Das Gehäuse des Geräts ist stark genug, um dem Druck einer Explosion im Inneren des Geräts ohne Beschädigung standzuhalten. Außerdem ist die Konstruktion so beschaffen, dass heiße Verbrennungsgase und Partikel, die durch die Explosion nach außen geschleudert werden, so weit abgekühlt werden, dass sie nicht mehr in der Lage sind, ein umgebendes explosives Gemisch zu entzünden.

Das robuste Erscheinungsbild druckfester Geräte erweckt den Eindruck, dass nur wenige Inspektionen und Wartungsarbeiten erforderlich sind. Das Gegenteil ist der Fall; nur ordnungsgemäß durchgeführte Inspektionen und Wartungen erhalten den Schutzmodus aufrecht. Schon eine kleine Abweichung oder Beschädigung an der Konstruktion können zum Verlust des Schutzfunktion führen.

Druckfeste Gehäuse werden für den Schutz mechanischer Strukturen relativ selten verwendet, da andere Schutzmethoden in vielen Fällen praktischer und kostengünstiger sind.

Ex h (c) - Konstruktive Sicherheit

Die Methode der konstruktiven Sicherheit ist weit verbreitet, da sie den Konstruktionsanforderungen, die normalerweise an Geräte gestellt werden, sehr nahekommt. Berücksichtigen Sie die richtige Wahl der Werkstoffe (Festigkeit) und Werkstoffkombinationen (Reibung, Verschleiß, Funken). Die Anwendung von Ex h (c) ist in vielen bekannten mechanischen Geräten und Systemen zu finden, z. B.:

• Antriebe;
• Kupplungen;
• Lager;
• Bremsen;
• Stoßdämpfer;
• Förderbänder;
• Ventilatoren.

Im Normalbetrieb sollten keine Zündquellen im Gerät vorhanden sein. Je nach den getroffenen Maßnahmen können die Betriebsmittel die Anforderungen der Kategorie 1 erfüllen und somit in der Zone 0 eingesetzt werden. Die Zündschutzart Ex h (c) darf mit anderen Zündschutzarten kombiniert werden.

Wichtige Überlegungen bei der Anwendung der konstruktiven Sicherheit sind:

• Materialkombinationen sollten so gewählt werden, dass Verschleiß vermieden wird (z. B. bei Gleitlagern, Kupplungen, Bremsen);
• Die Dichtungen der beweglichen Teile müssen auch nach der zu erwartenden Abnutzung noch die erforderliche Schutzart gewährleisten können;
• Schmier- und Kühlmittel sollten eine Zündtemperatur haben, die mindestens 50 °C höher ist als die maximale Oberflächentemperatur;
• Bei Förderbändern besteht die Gefahr einer elektrostatischen Aufladung, die durch die richtige Auswahl elektrisch leitfähiger Materialien auf ein akzeptables Maß reduziert werden kann.

Für Inspektion und Wartung sind stets die Anweisungen des Herstellers zu befolgen. Wenn der Hersteller nichts vorschreibt, ist auf folgende Aspekte besonderer Wert zu legen:

• ausreichende Schmierung von Dichtungen;
• Verschleiß beweglicher Teile und unerwünschte Schwingungen vermeiden sowie die Einhaltung von Abständen von beweglichen zu nicht beweglichen Teilen sicherstellen;
• Die Lager sollten dem aktuellen Stand der Technik entsprechen und regelmäßig inspiziert und / oder überwacht werden, um Zündgefahren zu verringern (Heißlaufen).

 

Ex h (b) - Zündquellenüberwachung

Einige mechanische Konstruktionen können unter Umständen zu heiß werden. Denken Sie an das Heißlaufen von Gleitlagern im Falle eines versagenden Schmiersystems oder einer übermäßigen Belastung. In diesen Situationen kann die Überwachung der potentiellen Zündquelle Schutz vor einer Entzündung bieten.

Das Überwachungssystem besteht aus einer Kombination von einem oder mehreren Sensoren und einer Auslöseschaltung. Die Sensoren sind in das Gerät eingebaut und messen Überwachungsparameter wie z. B. Temperatur, Druck, Füllstand oder Schwingungen, die mögliche Anzeichen für ungewöhnliches oder unerwünschtes Verhalten darstellen. Werden voreingestellte Grenzwerte überschritten, schaltet der Abschaltkreis das Gerät ab, bevor potentielle Zündquellen aktiv werden können. Die Kombination aus Sensoren und Abschaltkreis wird als Zündschutzsystem (IPS = Ignition Prevention System) bezeichnet.

Der Schutz durch Überwachung stellt hohe Anforderungen an die Sensoren und die Auslöseschaltung. Die Auswahl der richtigen Sensoren und die Wahl der richtigen Grenzwerte ist entscheidend für den Explosionsschutz des Gerätes.

Die Zuverlässigkeit der Sicherheit wird durch den Typ des Zündschutzsystems angegeben. Es gibt zwei Typen, b1 und b2, wobei b2 ein höheres Sicherheitsniveau hat als b1. Dies führt manchmal zu Verwirrung, da im ATEX-Kategoriensystem die Kategorie 1 tatsächlich höher (sicherer) ist als die Kategorien 2 und 3.

In der folgenden Tabelle ist der Typ des Zündschutzsystems angegeben, die zur Überwachung einer potentiellen Zündquelle erforderlich ist, je nach Situation und erforderlicher Kategorie bzw. Geräteschutzniveau (EPL).

Vorhandensein einer Potentielle Zündquelle:	Kategorie 3 Gc / Dc	Kategorie 2 Gb / Db	Kategorie 1 Ga / Da
Im Normalbetrieb	b1	b2	-
Bei unvorsehbaren Störungszuständen	Nicht anwendbar	b1	b2
Bei seltenen Fehlerzuständen	Nicht anwendbar	Nicht anwendbar	b1

 

Erforderlicher Typ des Zündschutzsystems

Überwachungssysteme bieten keine ausreichende Sicherheit, um ein Gerät, das im Normalbetrieb eine potentielle Zündquelle enthält, für den Einsatz in Zone 0 / 20 (Kategorie 1) angemessen zu schützen.

Neben den elektrischen Lösungen gibt es auch vollmechanische 

Zündschutzsysteme. Einige bekannte Beispiele sind:

• Thermisch gesteuerte Ventile, die sich schließen, wenn die Temperatur zu hoch zu werden droht, oder sich öffnen, um Kühlmittelzufluss zu ermöglichen;
• Druckbegrenzungsventile, die sich öffnen, bevor der Druck zu hoch wird.

Beispiele für kombinierte mechanische / elektrische Zündschutzsysteme sind:

• Druck-, Temperatur- oder Durchflusssensoren, die bei einem bestimmten Wert ein Ventil so steuern, dass sich die zugeführte Energie verringert oder im Gegenteil die zugeführte Kältemittelmenge erhöht. Die Sensoren sind normalerweise ausgeführt als Ex i Geräte der Kategorie 2 oder Ex n Geräte der Kategorie 3;
• An einem Fördersystem montierte Kraftaufnehmer, die die Reibung zwischen dem Antrieb und dem Förderband erfassen und bei zu hohen Werten Alarm schlagen. Diese hohen Werte können z. B. durch eine zu geringe Bandspannung verursacht werden.

Wichtige Überlegungen bei der Anwendung der Zündquellenüberwachung sind:

• das Zündschutzsystem muss unabhängig von der normalen Steuerung funktionieren;
• Die Grenzwerte müssen richtig gewählt werden (korrekter Sicherheitsfaktor);
• Auswahl der Sensoren (geeignet für die Umgebung / richtige Kategorie);
• korrekte Bestimmung des Typen (b1 oder b2).

 

Ex h (k) - Flüssigkeitskapselung

Durch die Flüssigkeitskapselung kann die Zündquelle von der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre getrennt werden. Beim teilweisen Eintauchen sorgt eine dünne Flüssigkeitsschicht für die Trennung (z. B. Schleuderschmierung). Als Schutzflüssigkeit wird in der Regel die vorhandene Prozess- oder Schmierflüssigkeit verwendet.

Beispiele für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen:

• Pumpen;
• Getriebe, Zahnradsysteme;
• hydraulische Systeme.

Bei Pumpen und Getrieben wird häufig die Schutzmethode Flüssigkeitskapselung in Kombination mit konstruktiver Sicherheit angewandt. Heiße Oberflächen und funkensprühende Teile sind oft aus funktionellen Gründen nicht zulässig. Dieses wird bereits bei der Konstruktion berücksichtigt. Ohne große Änderungen (manchmal sogar ganz ohne) können solche Geräte in die Sicherheitskategorie 2 eingestuft werden. Für Anwendungen in Zone 0 oder 20 kann es allerdings sehr schwierig sein, ein Sicherheitsniveau der Kategorie 1 zu erreichen.

Getriebe

Die Hauptprobleme bei der Schutzart Flüssigkeitskapselung sind:

• die Spezifikationen der Schutzflüssigkeit müssen bekannt sein und die Flüssigkeit muss für die Anwendung geeignet sein;
• die Grenzwerte für (Mindest-) Flüssigkeitspegel, Arbeitswinkel, Temperatur, Verunreinigungen und Viskosität dürfen nicht überschritten werden;
• Das Gehäuse muss das Austreten der Schutzflüssigkeit sicher verhindern.

Bei Ex h (k) müssen die vorgeschriebenen Inspektionen und Wartungen eingehalten werden:

• Kontrolle des Flüssigkeitsstands;
• Kontrolle und eventueller Austausch der verunreinigten Flüssigkeit;
• Auf Flüssigkeitsaustritt prüfen.

Typenschild Getriebe mit Schutzart ck

Typenschild eines Ex c k Getriebes, geeignet für den Einsatz in Gas- und Staubumgebungen. Natürlich muss ausreichend Schutzflüssigkeit vorhanden sein. In diesem Fall sind 0,7 Liter des "Schmierstoffs CLP HC 220 Synth. Öl" erforderlich. Die Buchstabenkombination ck wird gemäß neuer Norm durch den Buchstaben hersetzt.