Technische LED-Leuchten im Ex-Bereich

LED-Leuchten haben sich in der Beleuchtung bewährt. Gab es vor einigen Jahren noch eine gewisse Verunsicherung bei den Entscheidern aufgrund fehlender Standards und mangelnder Erfahrungen, so ist mittlerweile anerkannt, dass es sich um eine ausgereifte Technologie handelt. Das gilt sowohl für die Allgemeinbeleuchtung als auch für die Technische Beleuchtung inklusive der Ex-Leuchten.

Einer der wesentlichen Vorteile der LED ist ihre Energieeffizienz: LED wandeln etwa 40 % der elektrischen Energie in Licht um. Dies klingt nach wenig, ist aber verglichen mit anderen Leuchtmitteln (Glühlampe: 3 bis 7 %, Entladungslampe: ca. 20 %) ein hervorragender Wert. Laut dem Fachverband Licht des ZVEI wurden im vergangenen Jahr in Deutschland erstmals mehr LED- als konventionelle Leuchten verkauft.

Hauptgründe für den rasanten und umfassenden Markteintritt der LED sind hohe Energieeffizienz, lange Lebensdauer sowie hohe Lichtausbeute insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Mit Werten von bis zu 150 lm/W liegt die Systemeffizienz von guten LED-Leuchten in einem Bereich, der mit keiner anderen Lichtquelle erreichbar ist. LED geben zudem gerichtetes Licht ab, welches sich mittels Linsen- oder Reflektoroptiken besonders gut dorthin lenken lässt, wo es benötigt wird.

Ex-Leuchten auf Basis von LED

Etwa 2,8 Mio. und damit 30 % der in Deutschland vorhandenen Außenleuchten verwenden noch Quecksilberdampflampen. Ab April dieses Jahres darf dieser ineffiziente Lampentyp in der EU nicht mehr in Verkehr gebracht werden. Es ist zu erwarten, dass ein Großteil dieser 2,8 Mio. Lichtpunkte in den nächsten Jahren auf LED umgestellt wird. Ein Teil der Ex-Beleuchtung ist bereits auf energiesparende lichtemittierende Halbleiterdioden umgestellt. Ex-Leuchten sind langlebige Investitionsgüter mit Nutzlebensdauern von 20 bis 30 Jahren und darüber hinaus. Daraus ergibt sich, dass jährlich im Mittel nur etwa 3 % des Bestandes erneuert werden.

LED stellen aus Sicht des Explosionsschutzes mögliche Zündquellen dar. Durch elektrische Funken, heiße Oberflächen oder die hohe Leuchtdichte der optischen Strahlung können explosionsfähige Gas- oder Staubatmosphären entzündet werden. Um dies zu verhindern, benötigen LED-Leuchten zusätzliche Schutzmaßnahmen wie z. B. „druckfeste Kapselung“ oder „Vergusskapselung“. Dabei ist es eine Herausforderung für die technische Entwicklung, trotz dieser Zündschutzmaßnahmen weiterhin eine hohe Effizienz zu erreichen. Die optische Strahlung kann durch ihre Energiedichte Gas- und Staubatmosphäre entzünden. Die Grenzwerte für optische Strahlung dürfen für Zone 1 auch im Fehlerfall nicht überschritten werden. Hier müssen besondere Schutzmaßnahmen zum Einsatz kommen.

Bedingt durch die große Verbreitung der LED-Leuchten im industriellen Einsatz wird auch seit einiger Zeit der Einsatz dieser Lichtquelle für Ex-Leuchten vorangetrieben. Durch hohe Effizienz und kleine Bauweise, kombiniert mit einer sehr hohen Leistungsdichte, ist das Problem einer möglichen Zündung durch optische Strahlung in den Blickpunkt gerückt.

Zündgefahr durch optische Strahlung

Zündung durch optische Strahlung wird in der Norm DIN EN 60079-28 (VDE 0170-28) „Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 28: Schutz von Geräten und Übertragungssystemen, die mit optischer Strahlung arbeiten“ (IEC 60079-28: 2015); Deutsche Fassung EN 60079-28: 2015 behandelt. Diese Norm unterscheidet vier mögliche Zündmechanismen:

• Die optische Strahlung wird von Oberflächen oder Partikeln absorbiert, welche sich dadurch erwärmen und unter bestimmten Umständen eine Temperatur annehmen können, die eine umgebende explosionsfähige Atmosphäre zünden kann.
• Die thermische Zündung eines Gasvolumens, wobei die optische Wellenlänge mit einer Absorptionsbande des Gases oder Dampfes übereinstimmt.
• Die photochemische Zündung aufgrund photochemischer Dissoziation von Sauerstoffmolekülen durch Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich.
• Ein direkter laserinduzierter Durchschlag des Gases oder Dampfes im Brennpunkt eines starken Strahles durch Erzeugung von Plasma und einer Stoßwelle, die beide möglicherweise als Zündquelle wirken können. Diese Prozesse können durch einen Feststoff begünstigt werden, der sich in der Nähe des Durchschlagpunktes befindet.

Die Norm unterscheidet zudem folgende Schutzarten für optische Strahlung:

• inhärent sichere optische Strahlung „op is“ – sichtbare oder infrarote Strahlung, die unter Normalbedingungen oder unter festgelegten Fehlerbedingungen keine ausreichende Energie erzeugen kann, um eine spezifische explosionsfähige Atmosphäre zu zünden (diese Definition ist analog zu dem Begriff „eigensicher“, der für elektrische Stromkreise verwendet wird);
• geschützte optische Strahlung „op pr“ – sichtbare oder infrarote Strahlung, die in einer optischen Faser oder in einem anderen Übertragungsmedium in normaler Konstruktion oder in Konstruktionen mit zusätzlichem mechanischem Schutz eingeschlossen ist, unter der Annahme, dass keine Strahlung aus diesem Einschluss entweichen kann;
• optische Systeme mit Verriegelung „op sh“ – System zum Einschluss sichtbarer oder infraroter Strahlung, die in Lichtwellenleitern oder anderen Übertragungsmedien eingeschlossen ist, mit einer Verriegelung mit Abschaltung zur zuverlässigen Reduzierung der ungeschützten Strahlstärke auf sichere Werte in einer festgelegten Zeit, wenn der Schutz durch die Umschließung ausfällt und die Strahlung freigesetzt wird.

Für Ex-Leuchten kommt die Schutzart inhärent sichere optische Strahlung „op is“ in Frage. Die Norm gibt weiter die sichere optische Leistung und Bestrahlungsstärke für Gruppe-I-, Gruppe-II- und Gruppe-III-Geräte gegliedert nach Gerätegruppe und Temperaturklasse in Tabellenform an. Die Geräte, also hier die Leuchten, müssen entsprechend gekennzeichnet werden. Für eine ex-geschützte LED-Wannenleuchten Zone 1 sieht die Kennzeichnung z. B. wie folgt aus: II 2 G Ex eb mb op is q IIC T4 Gb.

2: Ex-geschützte LED-Langfeldleuchte für Gas- und Staub-Ex-Bereiche der Zonen 2 und 22. Bild: Schuch

Leuchten für Zone 2/22

Da sich die LED-Technik immer weiter ausbreitet, liegt es nahe, dass auch Leuchten für Zone 2 und Zone 22 mit LED-Technik entwickelt werden. Bild 2 zeigt eine LED-Wannenleuchte für Zone 2/22. Anhand dieser sowie weiterer hier beispielhaft dargestellter Leuchten lassen sich einige wesentliche Eigenschaften beschreiben, auf die bei der Planung und der Auswahl, neben den Angaben zu Effizienz-, Lebensdauer-, Umgebungstemperatur- und Farbwiedergabewerten (Ra ≥ 80, bei besonderen Anforderungen auch mehr), geachtet werden sollte.

Dazu gehören insbesondere konstruktive Merkmale wie z. B. eine homogene Ausleuchtung, hier durch satinierte Leuchtenwannen, wodurch keine Einzellichtpunkte sichtbar sind und eine angenehme Lichtwahrnehmung bei hervorragender Blendungsbegrenzung gegeben ist. Eine Sandwichbauweise von Abschlusswanne und Reflektor wie bei dieser Leuchte schützt die LED-Platinen vor mechanischer oder elektrostatischer Beschädigung durch unbeabsichtigte Berührungen.

Befestigungssysteme sollten montagefreundlich für variable Befestigungsabstände geeignet sein und außen liegen, damit die jeweilige Leuchte dazu nicht geöffnet werden muss. Das EVG sollte ebenso wie der Reflektor mit den LED-Modulen vor Ort vom Fachpersonal auswechselbar sein.

Ein weiteres Beispiel sind ex-geschütze LED-Hallenstrahler, deren Thermomanagement durch direkte Anbindung der LED-Module an das Gehäuse und die große Kühlfläche eine hervorragende Wärmeableitung bietet. Zusätzlich erfolgt eine Temperaturüberwachung des LED-Moduls durch das EVG, welches wiederum mit Überspannungs-, Überlast-, Kurzschluss- und Übertemperaturschutz ausgestattet ist. Ebenso verfügt der Strahler über eine Dali-Schnittstelle für den Dimmbetrieb. Eine gleichmäßige Ausleuchtung wird hier durch das „Multi-Layer-Prinzip“ sicher gestellt, d. h., jede einzelne LED beleuchtet die gesamte Fläche, die Lichtstärke-Verteilungskurven (LVK) der einzelnen LED überlagern sich. Beim eventuellen Ausfall einer einzelnen LED gibt es so keine Dunkelzonen, und die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung bleibt erhalten.

3: Technologisch ausgereifte LED-Leuchten sind für verschiedene Einsatzzwecke verfügbar. So gibt es unter anderem Scheinwerfer mit Lichtleistungen von 25.000 lm. Bild: Schuch

4: Kompakte ex-geschützte Not- und Sicherheitsleuchte mit Highpower-LED. Bild: Schuch

Auch für andere Einsatzzwecke sind technologisch ausgereifte ex-geschützte LED-Leuchten verfügbar, u. a. Scheinwerfer mit Lichtleistungen von 25.000 lm und mehr (Bild 3) oder bereits seit Längerem auch ex-geschützte Notleuchten und Rettungszeichenleuchten (Bild 4). Für den letztgenannten Einsatzzweck bieten LED-Leuchten neben allen bereits genannten noch weitere Vorteile, wie z. B. eine reduzierte notwendige Batteriekapazität, geringere Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Erschütterungen und eine größere Sicherheit im Notfall, da auch bei tieferen Temperaturen die volle Lichtleistung (100 % Lichtstrom) sofort zur Verfügung steht.

Sonderfall Retrofit

Bedingt durch die Vorteile der LED, wie z. B. hohe Lichtausbeute und lange Lebensdauer, besteht immer wieder der Wunsch, konventionelle Leuchten umzubauen oder die vorhandene Lampe durch eine sogenannte Retrofit-Lampe zu ersetzen. Wichtig ist, dass die umgebaute Leuchte den entsprechenden Europäischen Richtlinien und den relevanten Normen wie z. B. der EN 60598-1 und den entsprechenden Teilen entsprechen muss. Bei Ex-Leuchten ist eine Veränderung bzw. ein Umbau oder der Einsatz von Retrofit-Lampen nicht zulässig.

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