November 2010
  • Wenn bei Lagertanks mit brennbaren Flüssigkeiten innerhalb der Zone 0
  • gefährliche Potenzialdifferenzen aufgebaut werden können, muss zwischen jeder der nicht geerdeten Adern der Signalleitung sowie der örtlichen Erde ein geeignetes Überspannungsschutz-Gerät (ÜSG) installiert werden.
  • Der Installationsort muss außerhalb, jedoch so nah wie möglich an der Ex-Zone?0 liegen.
  • Die Leitungen zwischen Messwertaufnehmer und ÜSG müssen so ausgeführt sein, dass sie gegen direkte Blitzbeeinflussung geschützt sind. Die Möglichkeit der Installation von ÜSG in separaten Gehäusen auf der Hutschiene verursacht jedoch erhebliche zusätzliche Material- und Installationskosten.
  • Speziell für den Überspannungsschutz von Sensorköpfen wurden daher Überspannungsschutz-Geräte konzipiert, die direkt und schnell in den Leitungszug eingebunden und in das zu schützende Betriebsmittel eingeschraubt werden.

In explosionsgefährdeten Bereichen hat sich die Zündschutzart „Eigensicherheit Ex i“ als sekundäre Schutzmaßnahme bewährt. Dabei werden Spannungen und Ströme soweit begrenzt, dass die Mindestzündenergie und Zündtemperatur eines explosiven Gemisches nicht erreicht wird. Nach DIN EN 60079-11 muss die Isolierung zwischen einem eigensicheren Stromkreis und dem Gehäuse des elektrischen Betriebsmittels oder geerdeten Teilen dem Effektivwert einer Prüfwechselspannung standhalten. Diese sollte dem doppelten Wert der Spannung des eigensicheren Stromkreises oder mindestens 500 V AC – je nachdem, welcher Wert höher ist – entsprechen. Potenzialdifferenzen, die durch Schalthandlungen oder Blitzentladungen hervorgerufen werden, weisen jedoch deutlich höhere Amplituden auf. Sie können Werte von einigen 10?000 Volt erreichen, die einen Isolationsdurchschlag zwischen den aktiven Adern zur Erde hin verursachen können. Die Systeme sind dann in der Regel nicht mehr verfügbar und auch nicht mehr sicher.

Überspannungsschutz am Sensorkopf

Wenn diese gefährlichen Potenzialdifferenzen bei Lagertanks mit brennbaren Flüssigkeiten innerhalb der Zone 0 aufgebaut werden können, muss nach DIN EN 60079-14 zwischen jeder der nicht geerdeten Adern der Signalleitung sowie der örtlichen Erde ein geeignetes Überspannungsschutz-Gerät (ÜSG) installiert werden. Der Installationsort muss außerhalb, jedoch so nah wie möglich an der Ex-Zone 0 liegen. Ein Abstand von einem Meter sollte nicht überschritten werden. Oftmals ist ein Messwertaufnehmer auf dem Tank – etwa zur Füllstandsmessung – installiert. Eine Möglichkeit besteht darin, das ÜSG in einem separaten Gehäuse so nah wie möglich vor dem Messwertaufnehmer zu installieren. Das ÜSG muss die Anforderungen nach DIN EN 60079-11 erfüllen und für die Ex-Zone zugelassen sein. Die Leitungen zwischen Messwertaufnehmer und ÜSG müssen so ausgeführt sein, dass sie gegen direkte Blitzbeeinflussung geschützt sind. Diese Möglichkeit der Installation von ÜSG verursacht jedoch erhebliche zusätzliche Material- und Installationskosten.

Hier bieten die ÜSG aus der Produktfamilie Surgetrab Vorteile bei der Installation. Speziell für den Überspannungsschutz von Sensorköpfen konzipiert und in der Schutzart IP 67 verfügbar, werden sie entweder parallel oder im Durchgang direkt und schnell in den Leitungszug eingebunden und in das zu schützende Betriebsmittel eingeschraubt. Unterschiedliche Anschlussgewinde ermöglichen den Einsatz an einer großen Zahl von Sensorköpfen. Somit entfällt die zusätzliche kostenintensive Installation von Gehäusen. Die normative Anforderung, das ÜSG so nah wie möglich an der Ex-Zone 0 zu installieren, wird so umgesetzt.

Messsignale verfügbar halten

Welche normativen Anforderungen müssen diese ÜSG erfüllen, wenn gefährliche Potenzialdifferenzen in die Ex-Zone 0 eingekoppelt werden können? Nach EN 60079-14 müssen ÜSG einen Mindestableitstoßstrom von 10 kA (8/20?s) haben. Sie sollten mindestens zehn Impulse dieser Art ohne Defekt beherrschen. Durch die Nutzung von Gasentladungsableitern (GDT) wird diese Anforderung erfüllt.

Die geforderte Isolationsfestigkeit von 500 V gegen Erde nach DIN EN 60079-11 wird durch den speziell bemessenen GDT?2 erreicht. Die Isolationsfestigkeit bei Betriebsmitteln gegen Erde beträgt etwa 1,5?kV, die Spannungsfestigkeit zwischen den Adern oftmals nur ein paar hundert Volt oder weniger. Somit ist ein GDT zwar zur Aufrechterhaltung der Isolationsfestigkeit des Betriebsmittels bei Transienten geeignet, für die Spannungsfestigkeit zwischen den Adern jedoch nicht ausreichend. Zu diesem Zweck werden zusätzlich Suppressor-Dioden genutzt. Diese Halbleiter-Bauelemente sprechen bei Transienten schnell an und besitzen eine enge Spannungsbegrenzung. Da das Ableitvermögen aber nur einige hundert Ampere beträgt, sind die Komponenten der Überspannungs-Schutzgeräte Ex(i) mehrstufig aufgebaut. Im Falle einer Transienten begrenzt die Suppressor-Diode so lange, bis die Summe aus Restspannung der Suppressordiode US und dem Spannungsabfall an den Entkopplungswiderständen iU der Ansprechspannung des GDT 1 UG entspricht (Kirchhoffsche Regel). Somit wird zwischen den Adern ein schnelles Ansprechen in Verbindung mit einem niedrigen Schutzpegel, sowie ein hohes Ableitvermögen erreicht.

Kabelschirm: erden oder nicht erden?

In der Praxis werden häufig Kabelschirme eingesetzt, um die Störeinwirkung auf die aktiven Adern stark zu verringern oder ganz zu verhindern. Dabei taucht oft die Frage auf, ob der Schirm beidseitig, einseitig oder gar nicht geerdet wird. Patentrezepte für ein allgemein gültiges Schirmungskonzept gibt es nicht – ausschlaggebend sind hier die Potenzialausgleichs-Bedingungen vor Ort.

Eine Möglichkeit besteht darin, den Schirm an einer Stelle elektrisch leitend an Erde anzuschließen. Üblicherweise geschieht dies am Ende des Stromkreises im nicht explosionsgefährdeten Bereich, wobei das andere Ende offen gelassen wird. Diese Methode bietet ausschließlich Schutz vor elektrischen Feldern – nicht vor induktiven Einkopplungen, wie sie zum Beispiel bei Blitzeinwirkungen auftreten.

Eine Lösung besteht darin, das offene Ende über einen GDT indirekt zu erden. Das isolierende Bauelement verhindert im hochohmigen Zustand Potenzialausgleichs-Ströme zwischen beiden Schirmanschlusspunkten. Durch das Zünden des GDT wird eine mögliche transiente Überspannung nahezu kurzgeschlossen.

Einen Schutz vor elektrischen und elektromagnetischen Wechselfeldern bietet der Schirm nur, wenn er beidseitig direkt geerdet wird. Nach DIN EN 60079-14 dürfen Kabelschirme an beiden Enden der Leitung direkt an Erde angeschlossen sein. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass zwischen jedem Ende des Stromkreises – also zwischen dem explosionsgefährdeten und dem nicht explosionsgefährdeten Bereich – ein fachgerechter Potenzialausgleich ausgeführt ist. Bei den Überspannungs-Schutzgeräten in Durchgangsverdrahtung kontaktiert ein integrierter Schirmschnellanschluss auf der Leiterplatte die Kabelschirme großflächig. Das Schirmpotenzial kann entweder direkt oder durch das Heraustrennen einer vorinstallierten Brücke indirekt über GDT 3 geerdet werden.

Fazit: Besonders in explosionsgefährdeten Bereichen müssen jegliche Zündquellen vermieden werden. Überspannungsschutz-Geräte begrenzen Potenzialdifferenzen, die etwa durch Blitzentladungen oder Schalthandlungen verursacht werden – auf ungefährliche Werte. Die speziell zum Schutz von Sensorköpfen entwickelten Überspannungs-Schutzgeräte vom Typ Surgetrab sind eine schnelle und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Installationen mit separaten Gehäusen. Dazu kommt, dass das Schirmungskonzept frei gewählt werden und damit einfach in das Konzept der Prozessanlage übernommen werden kann.

SPS/IPC/Drives Halle 9-310 / 6-210 / 6-110

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