Fallstricke umgehen

Neuer Nachweis der Eigensicherheit vermeidet Fehler

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20.07.2010 Beim Einsatz von eigensicheren Geräten in explosionsgefährdeten Umgebungen übernimmt der Anwender ein hohes Maß an Verantwortung: Denn in der Regel wählt er aus einer Vielzahl auf dem Markt erhältlicher Betriebsmittel die für seine Anwendung am besten geeigneten Komponenten aus und schaltet diese selbst zusammen. Er muss deshalb den Nachweis der Eigensicherheit führen. Dass dies in aller Regel nicht trivial ist, wird im Folgenden deutlich.

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Entscheider-Facts Für Planer und Betreiber

  • Der Nachweis der Eigensicherheit mit Zündgrenzkurven trifft nur auf Quellen mit linearer Ausgangskennlinie zu. Außerdem ist der Zustand, in dem sich sowohl Induktivitäten als auch Kapazitäten im Stromkreis befinden, durch die Kurven nicht abgedeckt.
  • Es empfiehlt sich, auch bereits vorhandene Nachweise bestehender Installationen zu überprüfen; denn: Es existiert in diesem Fall kein Bestandsschutz!
  • Außerdem gilt, dass überwachungsbedürftige Anlagen – und damit auch Ex-Anlagen – nach dem Stand der Technik zu installieren sind, was häufig über das hinausgeht, was in Anwendernormen wie z.B. der DIN EN 60079–14 beschrieben ist.
  • Mit der neuen 50-Prozent-Regel steht ein einfaches Mittel zur Berechnung einer Vielzahl in der Praxis vorkommender Stromkreise zur Verfügung.

Im einfachsten Fall besteht ein eigensicherer Stromkreis aus drei wesentlichen Komponenten:

  • einer Quelle – in der Terminologie der Eigensicherheit ein zugehöriges Betriebsmittel, welches in der Regel im nicht explosionsgefährdeten Bereich installiert wird,
  • einem Verbraucher als Feldgerät im Ex-Bereich – das eigensichere Betriebsmittel – und 
  • der Verbindungsleitung zwischen den beiden Erstgenannten.

In der Regel kommt ein bescheinigtes zugehöriges Betriebsmittel als Quelle zum Einsatz, welches von einer benannten Stelle bewertet wurde. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass es an sich bereits eigensicher ist. Allerdings ist vom Anwender zu prüfen, unter welchen Voraussetzungen dies der Fall ist; zum Beispiel für welche Zone und Explosionsgruppe (IIA, IIB oder IIC) die Quelle geeignet ist.
Die Aussage zur Funkenzündung bezieht sich zunächst nur auf die eigensicheren Klemmen. Das heißt, dort entstehende Funken sind für die vorgesehene Explosionsgruppe nicht zündfähig. Da aber der Anwender an diese Klemmen Energiespeicher in Form einer Leitung sowie eines Feldgerätes anschließt, ist im zweiten Schritt zu prüfen, welche Energiespeicher in den gesamten Stromkreis eingebracht werden. Denn erst dadurch kann geklärt werden, ob die Summe aus der von der Quelle gelieferten Energie zuzüglich der in Induktivitäten und Kapazitäten gespeicherten Energie immer noch zündunfähig ist oder nicht.
Es wird klar, dass die erforderlichen Informationen zunächst vom Hersteller der Quelle geliefert werden müssen: Die in den Prüfbescheinigungen zu findenden Angaben Uo, Io und Po beschreiben zunächst die Quelle an sich. Die Angaben zu den maximal anschließbaren Induktivitäten Lo und Kapazitäten Co beschreiben, welche zusätzlichen Energiespeicher die Eigensicherheit der Quelle noch gewährleistet.

Vorsicht geboten: Zündgrenzkurven statt Funkenprüfgerät

Im Abschnitt Typprüfungen der Gerätenorm EN 60079–11 ist beschrieben, wie die Funkenprüfungen für eigensichere Stromkreise erfolgen kann. Ein mögliches Verfahren besteht in der Verwendung des Funkenprüfgerätes, welches auf einem experimentellen Nachweis der Zündunfähigkeit beruht. Nachteil ist allerdings der erhöhte konstruktive Aufwand sowie die vor allem vom Anwender de facto nicht durchführbare Fehlerbetrachtung an den Geräten, die in Abhängigkeit von der geforderten Gerätekategorie und damit der Zone, für die das Betriebsmittel geeignet ist, zugrunde gelegt werden muss.

Vor diesem Hintergrund ist der Wunsch der Gerätehersteller nachvollziehbar, ein einfacheres Bewertungsverfahren zu haben, welches etwa bereits in der Entwicklungsphase eine Bewertung der Stromkreise ermöglicht – erster Ansatzpunkt war zunächst das zugehörige Betriebsmittel selbst. Auf Basis zahlreicher Experimente wurden deshalb schon früh sogenannte Zündgrenzkurven veröffentlicht. Sie ermöglichen mit recht einfachen Mitteln eine Beurteilung der Quelle. Das Grundverfahren bei der Anwendung besteht für den Hersteller der Quelle in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird geprüft, inwieweit die Quelle im Hinblick auf Strom und Spannung selbst bereits eigensicher ist. Hierbei wird die ohmsche Zündgrenzkurve herangezogen. Im zweiten Schritt wird geprüft, welche maximalen Reaktanzen angeschlossen werden können, ohne die Eigensicherheit zu beeinträchtigen. Hier kommen die induktive sowie die kapazitive Zündgrenzkurve zum Einsatz. Allerdings ist an dieser Stelle bereits Vorsicht geboten: Die Gerätenorm EN 60079–11 macht darauf aufmerksam, dass die genannten Zündgrenzkurven nur dann herangezogen werden dürfen, wenn der zu beurteilende Stromkreis dem einfachen Stromkreis entspricht, von dem die Kurven abgeleitet wurden. In erster Linie bedeutet das: Dies trifft nur auf Quellen mit linearer Ausgangskennlinie zu. Zum anderen ist – wenn auch nicht ausdrücklich beschrieben – der Zustand, in dem sich sowohl Induktivitäten als auch Kapazitäten im Stromkreis befinden, durch die Kurven nicht abgedeckt.

Problem: Die Bescheinigungen von Quellen

Die EG-Baumusterprüfbescheinigungen von Quellen listen die sicherheitstechnischen Kenngrößen Uo, Io, Po, Lo und Co auf, sodass der Anwender diese für die Berechnung relevanten Werte problemlos erhält; Gleiches gilt für die auf der Feldgeräteseite korrespondierenden Werte Ui, Ii, Pi, Li, und Ci. Hält man sich jedoch die Herkunft der an die Quelle maximal anschließbaren Induktivitäts- und Kapazitätswerte Lo und Co vor Augen, ist leicht zu erkennen, dass bereits an dieser Stelle eine erste Schwierigkeit lauern kann. Haben sich nämlich Hersteller oder Prüfstelle im Rahmen der Quellenbewertung bei der Angabe von Lo und Co auf die Zündgrenzkurven bezogen, können diese – wie oben dargestellt – nur eingeschränkt verwendet werden. Der zu prüfende Stromkreis muss dem einfachen Stromkreis entsprechen, aus dem die Kurve abgeleitet wurde. Wenn nun aber beispielsweise ein Feldgerät zum Einsatz kommen soll, welches gleichzeitig Kapazitäten und Induktivitäten enthält, ist dies offenkundig nicht der Fall.
Auf diesen Umstand hat die Physikalisch-technische Bundesanstalt PTB in Braunschweig schon frühzeitig hingewiesen und in entsprechenden Berichten veröffentlicht. Spätestens mit der deutschen Ausgabe der Errichternorm EN 60079–14 aus dem Jahr 1997 (VDE 0165–1:1998) wurde dieser Sachverhalt in Form eines nationalen Vorwortes hervorgehoben. Hieraus ging hervor, dass die Lo- und Co-Werte üblicherweise so zu verstehen sind, dass entweder Lo oder Co als sogenannte konzentrierte Reaktanzen in den Stromkreis eingebracht werden dürfen; bei ausschließlicher Ausnutzung als Leitungsreaktanzen sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich. Bei gemischter Beschaltung sollte der PTB-Bericht W-39 (mittlerweile als ThEX-10 oder Anhang C der EN 60079–25 bekannt) herangezogen werden.

Es war offenbar der Nachweis gelungen, dass sonst der geforderte Sicherheitsfaktor auf Werte unter eins sinken kann, was bedeutet, dass zündfähige Funken entstehen können. Auf diesen Umstand weisen auch viele Baumusterprüfbescheinigungen der PTB hin, die sowohl für den Fall der Ausnutzung ausschließlich als Leitungsbeläge als auch im Falle gemischter Beschaltung unterschiedliche Wertepaare für Lo und Co ausweisen.

Grafischer Nachweis der Eigensicherheit nach ThEX-10

Für den Fall, dass die oben genannte Bedingung der Ausnutzung als Leitungsbeläge sichergestellt ist, kann vom Nachweisverfahren her direkt auf eine beispielsweise tabellarische Darstellung verwiesen werden. Im anderen Fall ist der auf einem grafischen Verfahren beruhende Bericht ThEX-10 anzuwenden, welcher über die gemischte Beschaltung hinaus zusätzlich noch den Fall der Zusammenschaltung mehrerer Quellen abdeckt sowie – im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Kurven – auch die Bewertung für nichtlineare Ausgangskennlinien erlaubt. Damit steht ein sehr hilfreiches Instrument zur Bewertung verschiedener Schaltungssituationen zur Verfügung.

Das Grundverfahren zur Anwendung des Berichtes gliedert sich im Groben in folgende Schritte: Ausgehend von der erforderlichen Explosionsgruppe – zur Verfügung stehen IIB und IIC – wird zunächst ein geeignetes Diagramm ausgewählt, welches die maximal zu erwartende Induktivität zulässt (5 Diagramme von 0,15 … 5 mH). In dieses Diagramm wird die Kennlinie der Quelle eingetragen; Gleiches gilt für die Summenkennlinie im Falle mehrerer beteiligter Quellen.
Anschließend wird geprüft, welche Grenzkurven von dieser Kennlinie (nicht) geschnitten werden oder unterhalb welcher weiterer Grenzkurven der durch die Kennlinie bestimmte Punkt (Umax; Imax) verläuft. Abhängig vom Kennlinienverlauf sowie der Lage des Punktes (Umax; Imax) wird nun die maximale Kapazität Co ermittelt. Mit den auf diese Weise ermittelten Werten für Lo und Co kann nun der Nachweis der Eigensicherheit erfolgen.
Obwohl dieses Verfahren im Grunde sehr vielseitig anwendbar ist, ist es doch mit einem gewissen Aufwand verbunden, den man für bestimmte Anwendungsfälle deutlich zu reduzieren versucht hat. In den neuesten Ausgaben der Gerätenorm EN 60079–11 sowie der Errichternorm EN 60079–14 wird deshalb ein neues Verfahren – die 50-Prozent-Regel – beschrieben. Letztere ist in Deutschland zwischenzeitlich als DIN EN 60079–14 (VDE 0165–1):2009–05 erschienen.

Modernisierung: die neue 50-Prozent-Regel

Dieses neue Verfahren trägt der Tatsache der unter Umständen höheren Zündfähigkeit gemischter Stromkreise Rechnung, allerdings wird nicht in jedem Fall davon ausgegangen, dass beliebige Mischverhältnisse der beteiligten Reaktanzen als gleichermaßen zündfähig anzusehen sind. Das Grundverfahren geht vom Vorhandensein der hohen, auf Basis der Zündgrenzkurven der EN 60079–11 ermittelten, Lo- und Co-Werte in der Dokumentation der Quelle aus. Das Verfahren gliedert sich dabei in folgende Schritte:

  • Es ist zu prüfen, welche konzentrierten Reaktanzen Li und Ci sich insgesamt im Stromkreis befinden.
  • Übersteigen sowohl Li als auch Ci ein Prozent des Wertes der jeweiligen Lo-, Co- Werte der Quelle, sind reduzierte Lo-, Co- Werte zu ermitteln.
  • Falls zutreffend, gewinnt man die neuen Werte indem die bisherigen Werte halbiert werden.

In allen anderen Fällen, so beispielsweise der ausschließlichen Ausnutzung in Form von Leitungsreaktanzen oder der Kombination einer Leitung mit einer Reaktanz, werden nach wie vor die ursprünglich bescheinigten höheren Werte herangezogen.
Dieses Verfahren ist deutlich einfacher anzuwenden. Allerdings beschränkt es sich auf den Fall, dass sich zum einen nur eine Quelle im Stromkreis befindet, die zudem auch eine lineare Ausgangskennlinie besitzen muss. In allen anderen Fällen ist etwa wieder auf den ThEX-10 zurückzugreifen.

Fazit: Der Nachweis der Eigensicherheit hat eine Komplexität erreicht, der einigen Anwendern auf den ersten Blick verwirrend erscheinen mag. Es wird allerdings klar, dass die bisherige einfache tabellarische Gegenüberstellung zumindest im Hinblick auf die Herkunft der Lo-, Co-Werte zu überdenken ist. Es empfiehlt es sich, auch bereits vorhandene Nachweise bestehender Installationen zu überprüfen; denn: es existiert in diesem Fall kein Bestandsschutz! Außerdem gilt nicht erst seit Inkrafttreten der Betriebssicherheitsverordnung, dass überwachungsbedürftige Anlagen – und damit auch Ex-Anlagen – nach dem Stand der Technik zu installieren sind, was nach allgemeiner Lesart sehr häufig über das hinausgeht, was in Anwendernormen wie z.B. der DIN EN 60079–14 beschrieben ist. Da mit der neuen 50-Prozent-Regel ein einfaches Mittel zur Berechnung einer Vielzahl in der Praxis vorkommender Stromkreise zur Verfügung steht, wird die Eigensicherheit genauso unkompliziert einsetzbar sein wie zuvor.

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Heftausgabe: Juli 2010
Michael Wenglorz

Über den Autor

Michael Wenglorz

Michael Wenglorz ist Trainer für Explosionsschutz, Eigensicherheit und funktionale Sicherheit bei Pepperl+Fuchs

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