Wie Sie mit Eigensicherheit die Produktsicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen gewährleisten
Inhalt dieses Beitrags
Wie Sie mit Eigensicherheit die Produktsicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen gewährleisten
Beim Einsatz von elektrischen Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen ist besondere Vorsicht geboten. Die Sicherheit von Arbeitern und Anlagen hat oberste Priorität. Eine bewährte und flexible Schutzmethode, um die Sicherheit der eingesetzten Produkte in Ex-Bereichen zu gewährleisten, ist die Zündschutzart Eigensicherheit. Entsprechende Produktsicherheitsnormen regeln den sicheren Betrieb der Geräte in potentiell explosiven Atmosphären. Diese Normen definieren Grenzwerte für Parameter wie Spannung, Strom und Kapazität, so genannte Entity-Parameter. In diesem Zusammenhang veranschaulichen Control Drawings, die hauptsächlich für Installationen in den USA und Kanada erforderlich sind, wie die Komponenten innerhalb dieser Sicherheitsparameter miteinander verbunden sind. Das ist entscheidend für die Einhaltung der Vorschriften und die Sicherheit der Anlage. Erfahren Sie mehr über die Normen, Bereichsklassifizierungen, Parameter und deren Zusammenhänge für einen eigensicheren Stromkreis.
Welche Produktsicherheitsnormen der Zündschutzart Eigensicherheit gibt es?
Die Kriterien und spezifischen Bedingungen für die Zündschutzart Eigensicherheit werden in den Produktsicherheitsnormen beschrieben, die dieses Schutzkonzept abdecken. Die wichtigste globale Norm, die den Aufbau und die Prüfung der Eigensicherheit detailliert beschreibt, ist IEC 60079-11. In den USA und Kanada wird diese IEC-Norm mit einigen nationalen Abweichungen übernommen. Diese sind in der UL 60079-11 für die USA und CSA 22.2 Nr. 60079-11 für Kanada normiert. Zur weiteren Erläuterung der Zündschutzart Eigensicherheit ist es wichtig zu wissen, dass ein Gerät bestimmte Konstruktionskriterien erfüllen muss, die nicht nur den Normalbetrieb, sondern auch Ausfälle innerhalb des Produkts oder Stromkreises berücksichtigen, um die Sicherheit zu gewährleisten.
Erfüllen und Verstehen der spezifischen Kriterien und Bereichsklassifizierungen der Eigensicherheit
Es gibt viele Konstruktionselemente in jedem Gerät, die die spezifischen Kriterien der Norm erfüllen müssen, um sowohl die Sicherheit elektrischer Funken als auch die Sicherheit thermischer Zündquellen zu gewährleisten. Eine Bewertung der Eigensicherheit innerhalb des Produkts kann sehr kompliziert und detailliert sein. Oft enthalten die Komponenten zusätzliche Schaltungen, die nur dem Zweck dienen, den erforderlichen Schutz für die Eigensicherheit zu gewährleisten. Es reicht nicht aus, dass das Gerät nur mit geringer Spannung und Strom betrieben wird. So arbeiten z. B. Sensoren, die der NAMUR-Norm entsprechen, mit sehr niedrigen Spannungen und Strömen, aber das macht sie nicht automatisch eigensicher und für den Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich geeignet.
Bei der Planung von sicheren Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen ist es daher wichtig, die Klassifizierung des Bereichs zu kennen, in dem das eigensichere Gerät installiert oder genutzt werden soll. Wählen Sie ein Produkt aus, das für den Einsatz in diesem Bereich zertifiziert ist. Ebenso wichtig ist es, dieses eigensichere Gerät ordnungsgemäß an ein geeignetes zugehöriges Betriebsmittel anzuschließen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Das zugehörige Betriebsmittel muss ebenfalls für die Verwendung in einem eigensicheren Stromkreis für die Klassifizierung des Ex-Bereichs der Endanwendung ordnungsgemäß zertifiziert sein.
Für die Verbindung eines eigensicheren Feldgeräts mit der Steuerung ist in der Regel eine eigensichere Barriere erforderlich, die die eingespeiste Energie in den Stromkreis begrenzt und den eigensicheren Stromkreis vom nicht-eigensicheren Stromkreis trennt. Eigensichere Barrieren wie Zenerbarrieren oder Trennbarrieren sorgen für die sichere Signalübertragung und sind zugehörige Betriebsmittel.
Die bewährten eigensicheren Barrieren des K-Systems von Pepperl+Fuchs sorgen für eine sichere Signalübertragung in explosionsgefährdeten Bereichen.
Bewertung und Nachweis der Eigensicherheit
Der Nachweis der Eigensicherheit bzw. eines eigensicheren Stromkreises wird rechnerisch erstellt. Hierfür werden die Werte für Spannung, Stromstärke und Kapazität sowie die Energiespeicher – auch die der Kabel und Anschlussdrähte – mit ihren Kapazitäten und Induktivitäten beurteilt.
Parameter für eigensichere Geräte und zugehörige Betriebsmittel
Die meisten auf dem Markt befindlichen Produkte, sowohl eigensichere Betriebsmittel als auch zugehörige Betriebsmittel, sind mit dokumentierten eigensicheren Parametern zertifiziert, die auch als Entity-Parameter bezeichnet werden. Diese Parameter ermöglichen die sichere Kombination eines eigensicheren Betriebsmittels mit einem zugehörigen Betriebsmittel, um den endgültigen eigensicheren Stromkreis zu bilden. Hersteller von eigensicheren oder zugehörigen Betriebsmittels stellen hierfür ein Control Drawing zur Verfügung. Darin wird genau aufgezeigt, welche Verbindungen zwischen anderen Stromkreisen und Betriebsmitteln zugelassen sind. Das Control Drawing ist in den USA und Kanada erforderlich, damit ein eigensicherer Stromkreis während der Entwurfsphase bestätigt werden kann.
Die grundlegenden Parameter für zugehörige Betriebsmittel sind:
- maximale Leerlaufspannung, Uo (Voc)
- maximaler Kurzschlussstrom, Io (Isc)
- maximale Ausgangsleistung, Po
- maximal anschließbare Kapazität, Co (Ca)
- maximal anschließbare Induktivität, Lo (La)
Die grundlegenden Parameter für eigensichere Geräte sind:
- maximale Eingangsspannung, Ui (Vmax)
- maximaler Eingangsstrom, Ii (Imax)
- maximale Eingangsleistung, Pi
- maximale Kapazität an den Anschlussklemmen, Ci
- maximale Induktivität an den Anschlussklemmen, Li
Das Entity-Parameter-Konzept: Spannung, Strom und Leistung
Die erste Reihe von Vergleichen wird mit Spannung, Strom und Leistung durchgeführt. Für das eigensichere Gerät oder Feldgerät wurden Ui (Vmax), Ii (Imax), und Pi als die bei der Zertifizierungsbewertung zulässigen Höchstwerte an den Anschlussklemmen verwendet. Da die Sicherheitsanalyse darauf basiert, dass diese Werte nicht überschritten werden, müssen auch die Verbindungen von den zugehörigen Betriebsmitteln zum eigensicheren Gerät nach den Kriterien der IEC 60079-11 begrenzt werden. Im Rahmen der Analyse des Ausgangs des zugehörigen Betriebsmittels wurden die dokumentierten Werte Uo (Voc), Io (Isc), und Po ermittelt, da die maximale Spannung, Stromstärke und Leistung bekannt sind. Wenn wir also bestätigen, dass Ui ≥ Uo, Ii ≥ Io, and Pi ≥ Po ist, wissen wir, dass das zugehörige Betriebsmittel nicht mehr Energie liefert, als das eigensichere Betriebsmittel bewältigen kann, und damit die Sicherheit des eigensicheren Betriebsmittels in Bezug auf diese Parameter gewährleistet ist. Bleibt noch die Frage nach der Kapazität und Induktivität des Stromkreises.
Kapazität und Induktivität in eigensicheren Stromkreisen
Die Fähigkeit einer Kapazität, schnell Strom zu liefern, und einer Induktivität, schnell Spannung zu liefern, wirkt sich auf die Gesamtsicherheit eines eigensicheren Stromkreises aus. Daher müssen diese Energiespeicher begrenzt werden, um die Sicherheit des Stromkreises zu gewährleisten. Hier kommen Co, Lo, Ci, und Li ins Spiel, aber auch das Kabel oder die Anschlussdrähte. Das Anschlusskabel hat eine charakteristische Kapazität pro Längeneinheit und eine charakteristische Induktivität pro Längeneinheit. Diese Werte werden in Schaltplänen oft als Ccable oder Cc und Lcable oder Lc bezeichnet. In den Datenblättern für das Kabel werden die Kapazität und die Induktivität wahrscheinlich als charakteristische Impedanz mit Einheiten in F/m und H/m angegeben. Wenn diese Werte nicht bekannt sind, geben viele Control Drawings einen Hinweis auf allgemeine Werte, die sich an typischen verdrillten Einzelkabeln orientieren.
Die durchzuführende Bewertung, um die Sicherheit der Kapazität und Induktivität zu gewährleisten, ist Co > (Ci + Ccable) und Lo > (Li + Lcable). Dazu muss die Gesamtlänge des Kabels vom zugehörigen Betriebsmittel bis zum eigensicheren Betriebsmittel bekannt sein, damit die Summe von Ccable und Lcable ermittelt werden kann. Allerdings kann es bei dieser einfachen Bewertung einen Haken geben. Das Control Drawing des zugehörigen Betriebsmittels kann weitere Informationen über die Reduzierung der Co– und Lo-Werte für Situationen enthalten, in denen sowohl Ci als auch Li größer als 1 % des Wertes von Co und Lo sind. Dieser Reduktionsfaktor wird oft als 50%-Regel bezeichnet. Die Details dazu würden den Rahmen dieses Blogartikels sprengen, wir möchten es dennoch erwähnt haben. Sobald diese Bewertung für einen bestimmten Stromkreis durchgeführt wurde, verlangen die meisten Installationsstandorte, dass die Komponenten und Berechnungen dokumentiert werden. Das beschreibende Systemdokument dient als Referenz für die Erstabnahme und für spätere Audits und Wartungsarbeiten, um die Sicherheit des Stromkreises und der gesamten Anlage zu gewährleisten.
Zusammengefasst: Wann gilt ein Stromkreis als eigensicher?
Die Eigensicherheit ist eine spezielle Zündschutzart und kein allgemeiner Begriff für Geräte, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen vorgesehen sind. Das Grundprinzip der Eigensicherheit besteht darin, die Energiemenge in einem Stromkreis zu begrenzen, um potenzielle Zündquellen auszuschalten. Die für den Betrieb eines elektrischen oder elektronischen Geräts verfügbare Energie ist also begrenzt, sodass elektrische Funken oder thermische Zündquellen keine Gefahr darstellen. Ein Stromkreis gilt als eigensicher, wenn die Wertepaare aus Spannung und Stromstärke unterhalb der für die explosionsfähige Atmosphäre maßgeblichen Zündgrenzkurve liegen. Bei Einsatz in den Zonen 1 oder 0 mindert sich der zulässige Wert zusätzlich um den Sicherheitsfaktor 1,5.
Gängige Beispiele für eigensichere Geräte sind Sensoren, Aktoren und mobile Geräte wie Handhelds oder eigensichere Smartphones und Tablets. Eigensichere Betriebsmittel und zugehörige Betriebsmittel sind die beiden Hauptbestandteile einer eigensicheren Stromkreisinstallation. Die meisten sind nach dem Entity-Konzept zertifiziert, das Konstrukteuren eine einfache Methode zur Bewertung der Sicherheit des kompletten eigensicheren Stromkreises bietet. Der eigensichere Stromkreis kann durch die korrekte Zuordnung der Entity-Parameter bestätigt werden. In einem beschreibenden Systemdokument werden alle Komponenten, Verbindungen und Berechnungen, die mit jedem eigensicheren Stromkreis innerhalb des Systems verbunden sind, für die Erstabnahme und spätere Audits und Wartung detailliert beschrieben.
Wir hoffen, dass Ihnen dieser Blogartikel mehr Vertrauen in die Verwendung der Eigensicherheit an Maschinen und in Prozessanwendungen gegeben hat. Eigensicherheit ist eine hervorragende Schutzmethode und es lohnt sich mit ihr vertraut zu machen, wenn Sie für explosionsgefährdete Bereiche konstruieren. Es gibt noch viel mehr zu diesem Thema zu sagen und zu erklären, als in diesem Blogartikel untergebracht werden kann.
Mehr über Eigensicherheit erfahren Sie in unserer Wissensbasis für den elektrischen Explosionsschutz.
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