Was ist Eigensicherheit? Definition, Grenzen und Gestaltung von Gefahrenbereichen

Ein Techniker befestigt einen Lecksucher an einem mit R290-Propan gefüllten Kühler. Das Gerät wird mit einer 9-V-Batterie betrieben, sitzt etwa 20 mm von einem Gelenk entfernt, das gerade angefangen hat zu weinen, und niemand schaut zweimal auf die Elektronik im Inneren. Eigensicherheit besteht, weil dieser zweite Blick eine Explosion verhindert. Der Begriff beschreibt eine Schutztechnik, die die elektrische und thermische Energie innerhalb eines Stromkreises unter dem Niveau hält, das die umgebende brennbare Atmosphäre im Neinrmalbetrieb und unter einer definierten Anzahl von Fehlerbedingungen entzünden kann.

Die Definition klingt bescheiden, aber sie verändert alles nachgelagerte. Da der Schutz durch die Begrenzung der Energie und nicht durch die Eindämmung einer Explosion entsteht, deckt er den gesamten Kreislauf ab, einschließlich der Kabel, die zurück zum Schaltschrank führen. Dies bedeutet auch, dass der Entwurf berechnet und zertifiziert werden kann, bevor etwas auf die Baustelle gelangt.

Die formale Definition und die drei Grenzen

Der formale Wortlaut stammt aus der IEC 60079-11, der Norm hinter der Ex i-Kennzeichnung, und wird in der europäischen ATEX-Richtlinie 2014/34/EU und im IECEx-Schema wiederholt. Ein Gerät gilt als eigensicher, wenn die Energie, die es freisetzen kann, so begrenzt ist, dass es im Normalbetrieb oder unter definierten Fehlerbedingungen nicht zu einer Zündung kommen kann.

Drei Größen werden gemeinsam kontrolliert und jede von ihnen kann ein Feuer entfachen:

• Spannung, weil ein Funke genügend Potenzial benötigt, um die Lücke zwischen den Leitern zu durchbrechen.
• Strom, weil die Energie in einem Unterbrechungsfunken mit dem Strom und der Stromkreisinduktivität ansteigt.
• Leistung und Oberflächentemperatur, denn eine heiße Oberfläche kann ein Gas ganz ohne Funken entzünden.

Die Grenzen werden nicht vom Designer gewählt. Jedes zertifizierte Feldgerät wird mit folgenden Entitätsparametern veröffentlicht: maximale Eingangsspannung Ui, Eingangsstrom Ii, Eingangsleistung Pi sowie interne Kapazität und Induktivität Ci und Li. Die Barriere oder der Isolator am anderen Ende des Kabels gibt passende Ausgangswerte Uo, Io und Po aus, während das Kabel für jeden Meter seiner Länge Kapazität und Induktivität hinzufügt. Eine Schleife ist nur dann konform, wenn jedes Paar mit einem freien Spielraum ausgerichtet ist.

Die Regeln sind bewusst konservativ. Funkenzündungskurven werden mit einem Sicherheitsfaktor von üblicherweise 1,5 angewendet, sodass der zertifizierte Grenzwert bereits unter der Energie liegt, die das Gas in Labortests entzündet hat. Für Gase der Gruppe IIC wie Wasserstoff und Acetylen bleibt ein typischer Stromkreis unter 30 V, nahe 100 mA und einem Bruchteil eines Watts, während ein vergleichbarer Entwurf für Methan deutlich mehr tragen kann. T6 begrenzt die Oberflächentemperatur auf 85 Grad Celsius und T4 auf 135 Grad Celsius, deutlich unter der Selbstentzündungstemperatur der von ihnen abgedeckten Gase.

Was ein eigensicherer Stromkreis tatsächlich enthält

Drei Teile bilden eine funktionierende Installation, und alle drei müssen auf dem Papier übereinstimmen, bevor eines davon bestellt wird.

Das Feldgerät im klassifizierten Bereich

Dabei handelt es sich um das Instrument, den Schalter, die Spule oder den Sensor, die der Atmosphäre ausgesetzt sind, und ihre Kennzeichnung zeigt die Fehlertoleranz an, die sie trägt. Ex ia bleibt bei zwei Fehlern sicher und ist in Zone 0 zulässig, wo ständig oder über längere Zeiträume eine brennbare Atmosphäre vorhanden ist. Ex ib deckt Zone 1 mit einem Fehler ab, und Ex ic deckt Zone 2 ab, in der eine Atmosphäre unwahrscheinlich und nur von kurzer Dauer ist.

Die Barriere oder der Isolator im sicheren Bereich

Der zugehörige Apparat begrenzt die Energie, die das Feld erreicht. Eine Zenerbarriere verwendet Shunt-Dioden, eine Sicherung und einen Widerstand und benötigt eine spezielle Schutzerde mit einem Wert von unter 1 Ohm. Ein galvanischer Isolator funktioniert über Transformatoren oder optische Kopplung und benötigt keine Schutzerdung. Deshalb wird er häufig dort eingesetzt, wo die Erdung schwierig nachzuweisen und aufrechtzuerhalten ist.

Einfache Geräte und passive Kontakte

Nicht jede Komponente benötigt ein eigenes Zertifikat. IEC 60079-11 erlaubt einfache Geräte, definiert als Geräte, die weder mehr als 1,2 V, 0,1 A, 20 Mikrojoule oder 25 mW erzeugen noch speichern. Passive Schalter, Thermoelemente, Klemmenkästen und einfache Druckschalterkontakte kommen in Frage, sofern die umgebende Schleife bereits energiebegrenzt ist. Hier verdient ein Kältedruckregler seinen Platz in einem Design: Seine Kontakte teilen sich ein Gehäuse mit einem Prozessanschluss, der sich in einem klassifizierten Bereich befinden kann, und da diese Kontakte immer nur einen begrenzten Schleifenstrom führen, muss das Gehäuse nicht zu einem druckfesten Gehäuse werden.

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Das Kabel zwischen ihnen

Kabel ist eine Komponente, kein Zubehör. Eigensichere Leitungen sind normalerweise blau ummantelt und 50 mm oder durch eine geerdete metallische Trennwand von nicht eigensicheren Stromkreisen getrennt, und ihre Kapazität und Induktivität pro Meter werden in die Schleifenberechnung eingegeben.

Eigensicherheit im Vergleich zu anderen Schutzmethoden

Beim Schutz von Gefahrenbereichen handelt es sich eher um eine Reihe von Techniken als um eine einzige Lösung. Die folgende Tabelle listet die Eigensicherheit neben den Methoden auf, gegen die sie am häufigsten abgewogen wird.

Wo Eigensicherheit in der Kälte- und Klimatechnik zum Ausdruck kommt

Brennbare Kältemittel transportierten das Subjekt von der Chemiefabrik in den Kühlraum. R290 und R600a gehören zur Gruppe A3, während R32 und R454B zur Gruppe A2L gehören, was bedeutet, dass der Raum um ein Gerät herum als Ort eingestuft werden kann, an dem ein Leck vermutet wird. Sobald eine Zone existiert, müssen die an diesen Stromkreis angeschlossenen elektrischen Teile entsprechend geschützt werden.

Elektrische Komponenten in einer brennbaren Kältemittelhülle

Eine Magnetspule, die sich unter Last öffnet, erzeugt genau den induktiven Unterbrechungsfunken, für den die Entitätsparameter für die Induktivität geschrieben wurden, und ein Druckschalter, der sich bei einem Fehler öffnet, bewirkt dasselbe. Spulen, Schalter und Sensoren werden daher unter Berücksichtigung der Zone ausgewählt und die Spulenleistung wird getrennt vom Ventilgehäuse überprüft. Ein Kühlmagnetventil wie die EVR-Serie ist ein bekanntes Beispiel für ein Gehäuse, das aufgrund seiner Druck-, Kältemittelkompatibilität und Abdichtung ausgewählt wurde und nur dann für einen klassifizierten Bereich geeignet ist, wenn es mit einer Spule und einem Schaltkreis mit korrekter Nennleistung kombiniert wird.

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Die Website enthält einen kurzen technischen Hinweis dazu Magnetventile vom Typ EVR in Kühlkreisläufen Verhalten im Dienst, was ein nützlicher Ausgangspunkt für diese Überprüfung ist.

Wärmeenergie und Heißarbeiten in der Nähe eines offenen Kreislaufs

Die Eigensicherheit umfasst sowohl thermische Energie als auch elektrische Energie, und bei Servicearbeiten ist diese Unterscheidung von Bedeutung. Das Hartlöten einer Verbindung an einem gerade geöffneten Kreislauf bedeutet, dass möglicherweise noch eine Flamme, ein heißes Rohr und Kältemittel in der Leitung vorhanden sind. Zu den praktischen Bedienelementen gehören eine Stickstoffspülung, eine Gaskontrolle vor dem Anzünden des Brenners und ein Brenner, dessen Flamme auf der Größe gehalten werden kann, die die Verbindung tatsächlich benötigt, und nicht auf der größten verfügbaren Einstellung.

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Über wie viel Energie reden wir wirklich?

Zündenergie üblicher brennbarer Stoffe

Abbildung 1 zeigt die Zündenergie von fünf Stoffen, die in Kühl- und Prozessanlagen vorkommen. Wasserstoff benötigt nur etwa 0,017 mJ, etwa ein Sechzehntel der Energie, die Methan benötigt. Aus diesem Grund kann derselbe Sender in einer Erdgasanlage über eine angenehme Strommarge verfügen und dennoch die Entitätsprüfung auf einem Wasserstoff-Skid nicht bestehen, da die Gasgruppe die Kurve ändert, anhand derer die Berechnung ausgeführt wird. Die Zahlen erklären auch, warum der Standard in Milliwatt arbeitet, da ein gut aufgeladener menschlicher Körper weit mehr als 0,017 mJ freisetzen kann. Das praktische Design zielt daher auf einen Betrieb im Milliwattbereich ab, und das ist die Rechnung hinter dem Sicherheitsfaktor von 1,5.

Gespeicherte Energie im Verbindungskabel

Abbildung 2 wandelt die Kabelkapazität in gespeicherte Energie mit der bekannten halben CV-Quadrat-Beziehung bei einer Schleifenspannung von 24 V um. Das Instrumentenkabel erreicht bei etwa 60 pF pro Meter etwa 8,6 Mikrojoule über 500 m, während das Allzweckkabel mit 200 pF pro Meter über die gleiche Distanz 28,8 Mikrojoule durchlässt. Die gestrichelte Linie markiert die 0,017 mJ-Zündenergie von Wasserstoff, die das Allzweckkabel auf etwa 300 m überquert und das Instrumentenkabel nie innerhalb des kartierten Bereichs erreicht. Aufgrund dieser Kreuzung gehören Kabeltyp, Kabellänge und Schleifenspannung in die Kontrollzeichnung und müssen nicht dem Installateur überlassen werden. Es erklärt auch, warum der Austausch eines Kabels vor Ort gegen ein Äquivalent mit höherer Kapazität eher eine Designänderung als eine Wartungsentscheidung ist.

Zwei Vergleiche, die über ein Design entscheiden

Wie viel Barrierewert verbraucht eine Schleife?

Abbildung 3 zeigt eine übliche Anordnung, einen 24-V-Transmitter, der 20 mA von einer Barriere mit 28 V, 93 mA und 0,65 W bezieht, und zeigt, wie viel von jedem Grenzwert die Schleife verbraucht. Die Spannung ist mit etwa 86 Prozent die stärkste Einschränkung, die Leistung folgt mit etwa 74 Prozent und der Strom wird mit etwa 22 Prozent kaum berührt. Dieses Ungleichgewicht ist normal, da Schleifen in explosionsgefährdeten Bereichen fast immer spannungsbegrenzt sind, während der Stromspielraum großzügig erscheint. Dies ist wichtig, wenn jemand ein zweites Gerät zur gleichen Barriere hinzufügen oder die Strecke verlängern möchte, da das Spannungsbudget lange vor dem aktuellen Budget verschwindet. Das Überprüfen aller drei Paare und nicht desjenigen, das bequem aussieht, ist der Schlüssel zur Zertifizierung einer Schlaufe.

Schutzmethoden anhand von fünf praktischen Kriterien

Abbildung 4 bewertet die Eigensicherheit, den druckfesten Schutz und den Schutz gegen Funkenbildung mit eins bis fünf anhand der Kriterien, die normalerweise über ein Projekt entscheiden: Eignung für Zone 0, Toleranz gegenüber Wartung unter Spannung, Installationskosten, Einfachheit der Verkabelung und Gewicht der Hardware. In Richtung Zone 0 und Live-Wartung dominiert die Eigensicherheit, weshalb sie die Standardeinstellung für Instrumente ist, die bei laufender Anlage kalibriert werden müssen. Der Schutz vor druckfester Kapselung zielt auf eine einfache Verkabelung ab, da das Gehäuse die Arbeit übernimmt und keine Schleifenberechnung erforderlich ist. Allerdings schneidet er bei der Live-Wartung und dem Hardware-Gewicht schlecht ab. Der nicht zündfähige Schutz reicht hinsichtlich Kosten und Verkabelung bis an die Grenzen aus, da er nur für Zone 2 gedacht ist, wo eine brennbare Atmosphäre unwahrscheinlich und nur von kurzer Dauer ist. Wenn man die drei Formen zusammen betrachtet, ergibt sich die praktische Regel: Passen Sie zuerst die Methode an die Zone an, und lassen Sie dann Kosten und Wartung zwischen den geeigneten Methoden wählen.

Die Verifizierung unterscheidet eine konforme Installation von einer, die lediglich überzeugend aussieht. Bevor eine Schleife in Betrieb genommen wird, überprüfen Sie die Zertifikatsnummer und die Kennzeichnung auf dem Gerät, stellen Sie sicher, dass Uo bei oder unter Ui liegt, dass Io bei oder unter Ii liegt und dass Po bei oder unter Pi liegt, und addieren Sie dann die Kabelkapazität und -induktivität zu Co und Lo. Lesen Sie auch die hinter der Zertifikatsnummer aufgedruckten Sonderbedingungen, da diese häufig mit einem X und einer Nutzungsbeschränkung versehen sind. Bestätigen Sie abschließend die Temperaturklasse anhand des tatsächlich vorhandenen Gases oder Dampfes, da ein für T4 ausgelegtes Gerät nicht automatisch akzeptabel ist, wenn ein T6-Grenzwert festgelegt wurde.

Die Auswahl der Komponenten entscheidet normalerweise darüber, wie einfach die Übung wird. Ein Druckschalter mit veröffentlichten Geräteparametern, eine für die Zone ausgelegte Magnetspule und ein Kabel, dessen Kapazität im Datenblatt angegeben ist, machen aus einer schwierigen Berechnung eine kurze Checkliste. Wenn bei einem Projekt brennbare Kältemittelkreisläufe mit klassifizierten Bereichen kombiniert werden, lohnt es sich, die Komponentenliste frühzeitig mit der Kreislaufberechnung zu vergleichen, bevor die Zeichnungen festgelegt werden.

Wenn Sie Teile für ein System wie dieses spezifizieren, Sprechen Sie mit unserem Engineering-Team Informieren Sie sich vor der Bestellung über das Kältemittel, die Zone und die Steuerspannung.