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Der Nachweis der Eigensicherheit

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05.10.2016 Den Nachweis der Eigensicherheit zu führen, ist für PLTisten bei Prozessbetreibern eigentlich eine alltägliche Aufgabe. Doch sobald sich in einem Loop mehrere eigensichere Betriebsmittel befinden und deren Ausgangskennlinie nicht linear ist, wird das Unterfangen deutlich schwieriger.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Anlagenbetreiber müssen den Nachweis der Eigensicherheit von Stromkreisen in Form eines Explosionsschutzdokuments führen.
  • Während bei einfachen eigensicheren Stromkreisen Kapazitäten und Induktivitäten mit der 50 %-Regel berechnet werden können, erfordern Kreise mit mehreren Betriebsmitteln eine intensivere Detail-Betrachtung.
  • Für den Nachweis der Eigensicherheit müssen bei solchen Stromkeisen je nachdem, ob Geräte mit linearer oder nicht-linearer Ausgangskennlinie vorhanden sind, unterschiedliche Tabellen herangezogen werden.

Die Zündschutzart „Eigensicherheit“ beruht auf dem Prinzip der Energiebegrenzung: Strom, Spannung und Leistungswerte eines Stromkreises, die beim Messen und Regeln im eigensicheren Stromkreis vorhanden sind, müssen so klein sein, dass sich das Betriebsmittel nicht über die Zündtemperatur der explosionsfähigen Atmosphäre hinaus erwärmt. Kapazitäten und Induktivitäten, d. h. gespeicherte Energien, müssen begrenzt bleiben, sodass sie keinen Zündfunken erzeugen können.

Ein einfacher eigensicherer Stromkreis besteht aus einem eigensicheren Betriebsmittel und dem zugehörigen Betriebsmittel. Letzteres ist außerhalb der Ex-Zonen im „sicheren Bereich“ installiert und über den eigensicheren Stromkreis mit dem eigensicheren Betriebsmittel verbunden. Ein gemischter und komplexer Stromkreis kann aus mehreren eigensicheren Betriebsmitteln und/oder zugehörigen Betriebsmitteln bestehen. Der Nachweis der Eigensicherheit basiert auf den sicherheitstechnischen Daten der Geräte (Baumusterprüfbescheinigung). Diese Werte sind nicht mit den reinen Funktionswerten der Geräte zu verwechseln. Letztere beziehen sich auf die Messaufgabe, z. B. auf ein 4…20-mA-Signal bei einer Speisung eines elektrischen Betriebsmittels von ca. 16 V. Die Parameter der Eigensicherheit geben maximale Werte an, die auch für den Fehlerfall bei Geräten mit den Sicherheitsniveaus „ia“ bzw. „ib“ gültig sind.

Die Inputwerte Ui, Ii, Pi, Ci und Li geben Auskunft über die maximalen Werte, die an einem eigensicheren Betriebsmittel angelegt werden dürfen bzw. können, ohne dass die Schutzfunktion des eigensicheren Stromkreises aufgehoben wird. Die Angaben zu den Outputwerten Uo, Io, Po, Co und Lo geben die Höchstwerte eines zugehörigen Betriebsmittels wieder, die an den Anschlussstellen zum eigensicheren Stromkreis auftreten dürfen bzw. können.

Einfache eigensichere Stromkreise

Der Nachweis der Eigensicherheit ist in einfachen eigensicheren Stromkreisen relativ leicht, da hier nur eine Quelle, z. B. ein zugehöriges Betriebsmittel vorhanden ist. Während der Vergleich der Parameter bei Spannung, Strom und Leistung recht schnell durchführbar ist, kann es bei der Bestimmung der Induktivität und der Kapazität durchaus aufwendiger werden. Hier fließen weitere Bedingungen mit ein: Werden in der EU-Baumusterprüfbescheinigung des eigensicheren Betriebsmittels sowohl für die konzentrierten Inputwerte der Kapazitäten Ci als auch der Induktivitäten Li angegeben und ist wenigstens einer der beiden Energiespeicherwerte größer als 1% der Outputwerte Lo bzw. Co des angeschlossenen zugehörigen Betriebsmittels? Dann ist nur der geringere Wert der maximalen äußeren Kapazitäten Co und Induktivitäten Lo des zugehörigen Betriebsmittels zulässig.

Der Einfachheit halber kann man in diesem Fall mit halbierten Werten rechnen – dazu lässt sich das kostenlose Berechnungstool für den Nachweis der Eigensicherheit von Wago nutzen, das sowohl die 50 %-Regel als auch die Kabel bereits berücksichtigt. Die Berechnung kann darin abgespeichert oder dem Explosionsschutzdokument als Ausdruck beigefügt werden. Fällt dieser Vergleich negativ aus, geben die Zündgrenzkurven in EN 60079-11 Anhang A ein genaueres und unter Umständen vorteilhafteres Bild. Beim Nachweis der Eigensicherheit müssen dann natürlich noch die Energiespeicherwerte des Kabels mit Lc und Cc einfließen.

Eigensichere Stromkreise mit mehreren aktiven Betriebsmitteln

Eine größere Herausforderung liegt in der Betrachtung von Stromkreisen mit mehreren eigensicheren Betriebsmitteln bzw. zugehörigen Betriebsmitteln. In diesen Stromkreisen sind mehr als eine Quelle bzw. aktive Betriebsmittel vorhanden. Sie sind für eigensichere Stromkreise in Zone 0 allerdings nicht zulässig. Erstes Kriterium bei der Beurteilung ist, ob es sich um lineare oder nichtlineare Quellen handelt. Hat ein Gerät eine lineare Ausgangskennlinie, handelt es sich um einen ohmschen Stromkreis. Aber woran ist das zu erkennen, wenn es nicht ausdrücklich in der EU-Baumusterprüfbescheinigung erwähnt wird? Die Leistung eines Betriebsmittels mit linearer Ausgangskennlinie beträgt: Po = Uo · Io/4. Die Outputleistung eines Betriebsmittels mit nicht-linearer Ausgangskennlinie beträgt Uo · Io > Po > Uo · Io/4 für trapezförmige und Po = Uo · Io für rechteckige Ausgangskennlinien.

Eigensichere Stromkreise mit mehreren Geräten und linearen Ausgangskennlinien

Für Uo, Io und Po kann man je nachdem, ob es sich um Reihen- oder Parallelschaltungen handelt, die neuen Werte nach der EN60079-14 Anhang H und I oder EN 60079-25 Anhang B ermitteln und dann ebenfalls aus den Zündgrenzkurven aus EN 60079-11 Anhang A unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors von 1,5 ermitteln, ob das noch zur gewünschten Explosionsgruppe (z. B. IIC) passt. Hier werden ebenfalls die neuen Energiespeicherwerte für Lo und Co mit entsprechendem Sicherheitsfaktor ermittelt.

Ein Beispiel: In dem eigensicheren Stromkreis wird ein Messumformer mit zwei unterschiedlichen zugehörigen Betriebsmitteln in Reihe geschaltet. Der Messumformer hat die Parameter Ui ≤ 30 V, Ii ≤ 110 mA, Pi ≤ 825 mW, Li ≤ 0 mH, Ci ≤1,7 nF. Für das zugehörige Betriebsmittel 1 gilt Uo ≤ 15,5 V, Io ≤ 94 mA, Po ≤ 365  mW, Co ≤ 80 nF, Lo ≤ 4 mH und für das zugehörige Betriebsmittel 2: Uo ≤ 12 V, Io ≤ 16 mA, Po ≤ 48 mW, Co ≤ 1,41 µF, Lo ≤ 0,02 mH.Zunächst einmal wird geprüft, ob alle Betriebsmittel lineare Kennlinien besitzen (Bedingung Po = Uo · Io/4). In unserem Beispiel ist das gegeben. Jetzt werden die neuen Höchstwerte für die  Zusammenschaltung errechnet:
Uo = U1 +U2 = 27,5 V
Io = U1 +U2/R1+R2 = 27,5 V/165 Ω+750 Ω = 30,6 mA
Da der Vergleich immer mit den Höchstwerten durchgeführt wird, gilt Uo ≤ 27,5 V; Io ≤ 94 mA; Po ≤ 646,3 mW; Co neu  ≤ 0,086 µF (siehe Tabelle EN 60079-11 Tabelle A2); Lo neu ≤ 4 mH (siehe Wolfgang Gohm: Explosionsschutz in der Mess-und Regeltechnik, Tabelle 14.3). Da nur max. 86 nF zulässig sind, darf das Kabel in diesem Fall max. 420 m lang sein.

Eigensichere Stromkreise mit mehreren Geräten und nichtlinearen Ausgangskennlinien

Dieser Fall liegt bereits vor, wenn die Ausgangskennlinie nur eines Gerätes im eigensicheren Stromkreis nicht-linear ist. Zunächst besteht immer die Möglichkeit, einen messtechnischen Nachweis mit Hilfe eines Funkenprüfgerätes zu bringen. Für den rechnerischen Nachweis können bzw. dürfen die Zündgrenzkurven aus der EN 60079-11 allerdings nicht angewendet werden. Hier sind die Anhänge B bis D der EN 60079-25 relevant.

Fazit: Für den Nachweis der Eigensicherheit von Stromkreisen sind neben den Sicherheitsdaten der Betriebsmittel auch deren Ausgangskennlinien sowie Energiespeicherwerte der Kabel zu berücksichtigen.

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CT-Artikel zum Thema: „Neuer Nachweis der Eigensicherheit vermeidet Fehler“

Heftausgabe: Oktober 2016

Über den Autor

Marlies Gerstkämper-Oevermann ist Produktmanagerin Automation Interface (EX) bei Wago
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