Steuerungs- und Überwachungssysteme in der Schutzart Ex p

Immer mehr Anwender entscheiden sich für die Überdruckkapselung (Ex p) als Schutzart. Diese ist nicht nur sicher, sondern bietet auch ökonomische und funktionale Vorteile. Sind alle Geräte im Innern sicher verpackt – sprich nach den Vorgaben des Explosionsschutzes installiert – kann der Anwender getrost die Türen schließen und sich beruhigt zurücklehnen. Auch in puncto Robustheit, Installation und Gewichtseinsparung kann sich die Überdruckkapselung auszahlen.

Der Betrieb einer klassischen Überdruckkapselung Ex p unterteilt sich in drei Schritte:1. Vorbereitungsphase: Über das Spülventil werden Druckluft oder Inertgase in das Ex-p-Gehäuse zugeführt und ein Überdruck generiert. Ist dieser erreicht, beginnt die sogenannte Vorspülphase, die über das Ex-p-Steuergerät reguliert wird.2. Vorspülphase: Vor Inbetriebnahme der im Inneren des Schaltschranks befindlichen Betriebsmittel muss ein potenziell vorhandenes explosionsfähiges Gemisch dem Gehäuse entzogen werden. Nach Erreichen des vorab eingestellten Gehäuse-Innendrucks öffnet sich das Spülventil. Es folgt die Durchspülung mit Zündschutzgas durch die zusätzliche Öffnung des Luftaustrittsventils. Diese Luftaustrittsventile (Druckwächter) werden an verschiedenen Stellen positioniert, um für kontrollierte Strömungsverhältnisse zu sorgen. Von Vorteil sind die sehr kurzen Spülzeiten bei sehr kleinen Druckbelastungen (0,002 bar). Dadurch können dünnere Schaltschrank-Wandstärken (kleiner als 2 mm) verwendet werden. Dies senkt die Kosten. Ist diese Vorspülphase beendet, schließt sich das Spülventil und der Spülfluss stoppt. Der Gehäuse-Innendruck stellt sich erneut auf den voreingestellten Wert ein und das Luftaustrittsventil schließt.
3. Betriebsphase: Der Normalbetrieb beginnt und die Steuereinheit kontrolliert und reguliert den Gehäuse-Innendruck, um das Eindringen explosionsfähiger Gase oder Stäube zu verhindern. Leckverluste werden automatisch durch das Spülventil ausgeglichen.
Der Hersteller R. Stahl etwa bietet Steuerungs- und Überwachungssysteme in der Zündschutzart Überdruckkapselung in drei Basisausführungen an. Diese sind einheitlich aufgebaut und bestehen immer aus Ex-p-Steuergerät, Ex-p-Druckwächtern sowie Ex-p-Spülventilen mit digitaler und proportionaler Regelung.
Auf Basis von Zeitintervallen und Druckauswertungen werden über die Spülventile Zündschutzgase, z. B. Druckluft, in das Innere des Ex-p-Gehäuses transportiert und automatisch geregelt. Zusätzlich ist im Innern eine Temperaturüberwachung und -regelung zur adäquaten Kühlung integriert. Dabei decken die Systeme Anforderungen von sehr kleinen (10 l) bis hin zu sehr großen Ex-p-Schaltschränken mit Volumina von 4.000 l ab.

Das Ex-p-System ist in den gasexplosionsgefährdeten Bereichen der Zonen 1 und 2 sowie den staubexplosionsgefährdeten Bereichen der Zonen 21 und 22 einsetzbar. Liegt Ex-Zone 1 oder 21 (Ex pxb) vor, muss das montierte Ex-p-System einfehlersicher sein. Dies wird im Regelfall über ein redundant aufgebautes Ex-p-System erreicht. Als alternative Ausführung werden bei einer Ex-pyb-Anwendung in Ex-Zone 1 oder 21 alle eingebauten Betriebsmittel mindestens für Ex-Zone 2 zertifiziert sein. Von Betriebsmitteln in Ex-Zone 2 geht jedoch eine verminderte Gefährdung durch Funken und Temperaturen aus. In diesem Fall reicht daher eine einfache Überwachungseinrichtung. Wird das System in Ex-Zone 2 oder 22 (Ex pzc) eingesetzt, reicht ebenfalls eine einfache Bewertung des Ex-p-Systems aus.

Die Schutzart Ex p ist äußerst robust, langlebig – 15 Jahre Lebensdauer sind keine Seltenheit – und sie besitzt vor allem im praktischen Handling einige Vorzüge. So können handelsübliche Ex-e-Gehäuse, aber auch kleinere und größere Standardgehäuse verwendet werden. Außerdem sind die Gehäuse wesentlich leichter. Zum Vergleich: Ein typisches Ex-d-Gehäuse wiegt 180 kg, das entsprechende Ex-p-Gehäuse liegt hier bei nur 40 kg. Auch die Durchführungen von innen nach außen müssen nicht in der Schutzart Ex d ausgeführt sein. Es können Ex-e-Kabelverschraubungen, auch für Rohre und Schläuche, verwendet werden.
Achten sollte man darauf, dass die im Gehäuse eingebauten Komponenten nicht überhitzen, so ist inzwischen bei rund drei Viertel der Anwendungen eine Klimatisierung nötig. Dies liegt vor allem daran, dass die Schaltschränke inzwischen auch in sehr warmen Klimazonen zum Einsatz kommen. So kommen die Schaltschränke in einem weiten Temperaturbereich von -30 bis 60 °C zum Einsatz. Zur Klimatisierung eignen sich zusätzliche Klimageräte oder der Einsatz von Wirbelstromluftkühler, Wasser- oder Spülluftkühlung.

Der einfachste Einstieg in die Ex-p-Schutzart ist die Verwendung von vorkonfektionierten Einheiten. Hier ist es sogar möglich, eigene Geräte unterzubringen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein U-bescheinigtes Ex-p-Leergehäuse bereitzustellen. Dabei wird empfohlen, ein Gehäuse mit Standard-Abmessungen zu wählen. Es besteht auch die Möglichkeit, ein Leergehäuse selbst herzustellen beziehungsweise herstellen zu lassen, ein passendes Ex-p-System zu kaufen und die Komponenten selbst zusammenzuführen.
Hintergrund ist, dass in der Gesamtzulassung über eine Prüfstelle, befähigte Person oder zugelassene Firma das „halbfertige Gesamtprodukt“ allen erforderlichen Prüfungen unterzogen wird. Dabei hilft es, wenn zumindest das verwendete Leergehäuse mit Ex-p-System ein U-bescheinigtes Betriebsmittel ist. Ist das Leergehäuse kein U-bescheinigtes Betriebsmittel, muss zusätzlich die gesamte Oberfläche nach den Anforderungen der Ex-p-Norm IEC 60079-2 geprüft werden.

Führt ein Innendruck dazu, dass sich eine Tür oder Abdeckung selbstständig öffnet, wenn der Verschluss bewegt wird, sollte der Anwender durch verschiedene Maßnahmen vor Verletzungen geschützt werden:
Verwendung mehrerer Verschlüsse, sodass der Gehäusedruck langsam entweicht, bevor alle Verschlüsse gelöst werden; oder
Verwendung eines Verschlusses mit zwei Positionen, um eine sichere Entlüftung des Drucks beim Öffnen des Gehäuses zu ermöglichen; oder Begrenzung des maximalen Innendrucks auf mehr als 2,5 kPa.
Das überdruckgekapselte Gehäuse, etwaige Leitungen und ihre Verbindungsteile müssen die Prüfung des maximalen Überdrucks bestehen.
Kann im Betrieb ein erhöhter Druck auftreten, der eine Verformung des Gehäuses, der Leitungen oder Anschlussteile bewirkt, muss eine Sicherheitseinrichtung eingebaut sein, die den maximalen inneren Überdruck auf einen Wert begrenzt, sodass keine Verformungen auftreten können.
In Ex-Zone 1 und 21 sollte außerdem sichergestellt sein, dass bei Druckverlust keine Gefahr mehr aus dem Ex-pxb-Schaltschrank heraus entsteht. Hier hat sich die automatische Spannungsfreischaltung bewährt, da dies einfach für den Anwender ist. Wird keine automatische Spannungsfreischaltung verwendet, muss eine Gefährdungsbeurteilung über die Sicherheitseinrichtungen und deren Folgen bei Ansprechen erfolgen. In Ex-Zone 2 und 22 reicht dagegen eine Alarmierung, wie Signalleuchte, Hupe oder ein Monitoring in der Schaltwarte etc. aus.