Technische Grundlagen

Zoneneinteilung

Explosionsgefährdete Bereiche werden in Zonen unterteilt, um die Auswahl zweckentsprechender Betriebsmittel sowie die Gestaltung von sachgerechten elektrischen Installationen zu erleichtern. Informationen und Vorgaben für die Zoneneinteilung finden sich in IEC 60079-10 und in nationalen Regeln, wie in Deutschland der ExRL »Explosionsschutz-Regeln – Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung« (BRG 104) oder den Technischen Regeln Betriebssicherheitsverordnung TRBS 2152.

Bei der Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche in Zonen und der Festlegung der notwendigen Schutzmaßnahmen ist jeweils das höchstmögliche Gefahrenpotential zu berücksichtigen.

Steht im Unternehmen keine sachkundige Person (befähigte Person) zur Beurteilung der Explosionsgefahr und der Festlegung der notwendigen Maßnahmen zu Verfügung, empfiehlt sich, eine fachkundige Stelle einzuschalten.

Die in der festgelegten Gefahrenzone eingesetzten Geräte müssen die Anforderungen der entsprechenden zugeordneten Kategorie erfüllen.

Mindestzündenergie und Explosionsgruppe

Die Mindestzündenergie ist die kleinstmögliche Energie, die das zündwilligste Gemisch gerade noch zündet. Diese Stoffeigenschaft muss bei der Auswahl der Betriebsmittel berücksichtigt werden. Bei den Stäuben wird der gemessene Wert der Mindestzündenergie angegeben. Bei Gasen wird eine Einstufung in Explosionsgruppen vorgenommen.

Explosionsgruppen

Es werden zwei Gruppen von Betriebsmitteln unterschieden:

• Gruppe I:
  Elektrische Betriebsmittel für schlagwettergefährdete Grubenbaue.
  
  
• Gruppe II:
  Elektrische Betriebsmittel für alle übrigen explosionsgefährdeten Bereiche.

Bei elektrischen Betriebsmitteln der Gruppe I (Bergbau) geht man davon aus, dass nur Methan als brennbares Gas auftritt, jedoch in Verbindung mit Kohlenstaub. Wenn in diesen Bereichen auch andere brennbare Stoffe auftreten können, muss die weitere Unterteilung wie in Gruppe II angewendet werden.

Für elektrische Betriebsmittel der Gruppe II, die in eine explosionsfähige Gasatmosphäre eingesetzt werden, erfolgt eine weitere Unterteilung in Explosionsgruppen.

Kriterien für die Unterteilung sind die Grenzspaltweite und der Mindestzündstrom. Grenzspaltweite (MESG-Maximum Experimental Safe Gap) und Mindestzündstrom (MIC-Minimum Ignition Current) werden für verschiedene Gase und Dämpfe unter genau definierten Versuchsbedingungen ermittelt. Die Grenzspaltweite ist die Spaltweite, bei der in einer Prüfapparatur mit 25 mm-Spaltlänge gerade kein Flammendurchschlag des Gemisches mehr stattfindet (IEC 60079-1-1). Der Mindestzündstrom wird bezogen auf den Mindestzündstrom für Laboratoriumsmethan. Eine Übersicht über die Grenzspaltweiten und Mindestzündströme für die verschiedenen Explosionsgruppen zeigt folgendeTabelle.

Explosionsgruppen:

*bezogen auf Methan = 1

Die Gefährlichkeit der Gase nimmt von Explosionsgruppe IIA nach IIC zu. Entsprechend steigen die Anforderungen an elektrische Betriebsmittel für diese Explosionsgruppen. Daher muss auf den elektrischen Betriebsmitteln gegebenenfalls angegeben werden, für welche Explosionsgruppe sie ausgelegt sind. Elektrische Betriebsmittel, die für IIC zugelassen sind, dürfen auch für alle anderen Explosionsgruppen verwendet werden.

Zündtemperatur und Temperaturklassen

Die Zündtemperatur eines brennbaren Gases, Dampfes oder eines brennbaren Staubes ist die niedrigste Temperatur einer erhitzten Oberfläche, an der die Entzündung des Gas/Luft- bzw. Dampf/Luft-Gemisches eintritt. Sie stellt praktisch den untersten Temperaturwert dar, bei dem eine heiße Oberfläche die entsprechende explosionsfähige Atmosphäre zünden kann.

Brennbare Gase und Dämpfe werden nach ihrer Entzündbarkeit in Temperaturklassen eingeteilt. Die maximale Oberflächentemperatur eines elektrischen Betriebsmittels muss stets kleiner sein als die Zündtemperatur des Gas/-bzw. Dampf/Luftgemisches, in dem es eingesetzt wird. Selbstverständlich sind Betriebsmittel, die einer höheren Temperaturklasse entsprechen (z.B. T5) auch für Anwendungen zulässig, bei denen eine niedrigere Temperaturklasse gefordert ist (z.B. T2 oder T3). In Nordamerika existiert ein System mit einer weiteren Unterteilung in Untertemperaturklassen.

Bei brennbaren Stäuben wird keine Einteilung in Temperaturklassen vorgenommen. Die Mindestzündtemperatur der Staubwolke muss mit der max. Oberflächentemperatur des Betriebsmittels verglichen werden. Dabei ist ein Sicherheitsfaktor zu berücksichtigen. Die max. Oberflächentemperatur des Betriebsmittels darf nur 2/3 der Mindestzündtemperatur der Staubwolke betragen. Da Stäube sich aber auch auf den Betriebsmitteln ablagern können, muss zusätzlich die Mindestzündtemperatur der Staubschicht (Glimmtemperatur) betrachtet werden. Die Glimmtemperatur ist die niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, auf der sich eine Staubschicht von 5 mm entzünden kann. Der Abgleich mit der max. Oberflächentemperatur des Betriebsmittels ist mit einem Sicherheitsfaktor von 75 K durchzuführen. Bei höheren Schichtdicken nimmt die Wärmedämmung zu. Dadurch kann sich die Staubschicht bereits bei niedrigeren Temperaturen entzünden. Deshalb ist eine reduzierte Oberflächentemperatur am Betriebsmittel zulässig. Diese wird nach dem Schema (Bild 4) (EN 61241-14, DIN VDE 0165-2) ermittelt.

Ermittlung der max. Oberflächentemperatur bei Staubschichten von 5 mm bis 50mm

Wenn die Schichtdicke über 50 mm liegt, muss die Glimmtemperatur über Laborversuche ermittelt werden. Dies gilt auch für Schichtdicken größer als 5 mm, wenn die Glimmtemperatur bei 5 mm Schichtdicke kleiner als 250 °C beträgt. Laborversuche sind ebenfalls bei kompletter Einschüttung der Betriebsmittel mit brennbarem Staub notwendig.

Zündschutzarten

In Bereichen, in denen man trotz Maßnahmen zur Vermeidung explosionsfähiger Atmosphäre mit deren Auftreten rechnen muss, dürfen nur explosionsgeschützte Betriebsmittel verwendet werden. Elektrische explosionsgeschützte Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche können nach den Baubestimmungen der Normenreihe EN 60079, früher EN 50 014 ff-(VDE 0170 Teil 1-ff) in verschiedenen Zündschutzarten ausgeführt werden. Sollen elektrische Betriebsmittel in Bereichen mit brennbarem Staub eingesetzt werden, so gilt die Normenreihe EN 61241. Zündschutzarten für nichtelektrische Geräte sind in der Normenreihe DIN EN 13463 festgelegt. Welche Zündschutzart der Hersteller bei einem Gerät anwendet, hängt im Wesentlichen von der Art und der Funktion des Gerätes ab. Einige Zündschutzarten gibt es in unterschiedlichen Sicherheitsstufen. Diese entsprechen den Gerätekategorien, wie sie in der Richtlinie 94/9/EG festgelegt sind. So gibt es bei der Eigensicherheit die Ausführung Ex ia, die als Kategorie 1 eingestuft werden kann. Diese kann in Zone 0 installiert werden. Die Ausführung Ex ib entspricht der Kategorie 2, die für die Zone 1 geeignet ist. Sicherheitstechnisch sind alle genormten Zündschutzarten innerhalb einer Kategorie als gleichwertig zu betrachten.

Zündschutzarten für elektrische Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdeten Bereichen (auszugsweise, soweit für Produkte von Leuze electronic eingesetzt):

Zündschutzart nach IEC, EN, UL, FM und NFPA	Darstellung (Schema)	Grundprinzip	Hauptanwendung
Erhöhte Sicherheit »e« EN 60079-7 UL 60079-7 IEC 60079-7 FM 3600		Hier sind zusätzliche Maßnahmen getroffen, um mit einem erhöhten Grad an Sicherheit die Möglichkeit unzulässig hoher Temperaturen und das Entstehen von Funken und Lichtbögen im Innern oder an äußeren Teilen elektrischer Betriebsmittel, bei denen diese im normalen Betrieb nicht auftreten, zu verhindern.	Klemmen und Anschlusskästen, Steuerkästen zum Einbau von Ex-Bauteilen (die in einer anderen Zündschutzart geschützt sind), Käfigläufermotoren, Leuchten
Druckfeste Kapselung »d« EN 60079-1 UL 60079-1 IEC 60079-1 FM 3600		Teile, die eine explosionsfähige Atmosphäre zünden können, sind in ein Gehäuse eingeschlossen, das bei der Explosion eines explosionsfähigen Gemisches im Innern deren Druck aushält und eine Übertragung der Explosion auf die das Gehäuse umgebende Atmosphäre verhindert.	Schaltgeräte und Schaltanlagen, Befehlsund Anzeigegeräte, Steuerungen, Motoren, Transformatoren, Heizgeräte, Leuchten
Eigensicherheit »i« EN 60079-11 UL 60079-11 IEC 60079-11 FM 3610		Die im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzten Betriebsmittel enthalten nur eigensichere Stromkreise. Ein Stromkreis ist eigensicher, wenn kein Funke und kein thermischer Effekt, die unter festgelegten Prüfungsbedingungen (welche den normalen Betrieb und bestimmte Fehlerbedingungen umfassen) auftreten, die Zündung einer bestimmten explosionsfähigen Atmosphäre verursachen kann.	Mess- und Regeltechnik, Feldbustechnik, Sensoren, Aktoren ia = Einsatz in Zone 0, 1, 2 ib = Einsatz in Zone 1, 2 [Ex ib] = zugehöriges elektrisches Betriebsmittel – Installation im sicheren Bereich
Schutz durch Gehäuse »tD« EN 61241-1 IEC 61241-1		Durch die Dichtheit der Gehäuse wird das Eindringen von Staub verhindert oder auf ein ungefährliches Maß eingeschränkt. Somit können zündfähige Betriebsmittel in das Gehäuse eingebaut werden. Die Temperatur am Gehäuse darf die umgebende Atmosphäre nicht entzünden.	Schaltgeräte und Schaltanlagen, Steuer-, Anschluss- und Klemmenkästen, Motoren, Leuchten td A21 = nach Verfahren A für Zone 21 td B21 = nach Verfahren B für Zone 21