Elektrische Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen

In der Elektrotechnik und Sicherheitstechnik sind explosionsgefährdete Bereiche ( auch als Gefahrenbereiche bezeichnet ) Orte, an denen Brand- oder Explosionsgefahren bestehen können . Zu den Gefahrenquellen zählen brennbare oder entzündliche Gase , Dämpfe , Stäube , Fasern und Partikel . Elektrische Geräte, die an solchen Orten installiert sind , können aufgrund von Lichtbögen oder hohen Temperaturen eine Zündquelle darstellen . Es gibt Normen und Vorschriften , die diese Bereiche identifizieren, die Gefahren klassifizieren und die sichere Verwendung von Geräten an diesen Orten gewährleisten.

Ein Lichtschalter kann beim Ein- und Ausschalten einen kleinen, harmlosen Funken erzeugen. In einem normalen Haushalt ist dies unbedenklich, doch in einer explosionsgefährdeten Umgebung kann der Lichtbogen eine Explosion auslösen. In vielen Industrie-, Gewerbe- und Forschungseinrichtungen ist das Vorhandensein einer solchen Atmosphäre ein häufiges oder zumindest häufiges Ereignis. Der Schutz vor Bränden und Explosionen ist sowohl für die Sicherheit des Personals als auch für die Zuverlässigkeit der Anlagen von Bedeutung.

Es gibt verschiedene Schutzstrategien. Die einfachste besteht darin, die Menge der in einem Gefahrenbereich installierten elektrischen Geräte zu minimieren, entweder indem man die Geräte ganz aus dem Bereich entfernt oder indem man den Bereich weniger gefährlich macht (z. B. durch Prozessänderungen oder Belüftung mit sauberer Luft).

Wenn Geräte an einem explosionsgefährdeten Ort aufgestellt werden müssen, können sie so konstruiert werden, dass das Brand- oder Explosionsrisiko minimiert wird. Eigensichere Geräte arbeiten mit minimaler Energie, die nicht ausreicht, um eine Zündung zu verursachen. Explosionsgeschützte Geräte sind so konstruiert, dass sie Zündgefahren eindämmen, das Eindringen gefährlicher Stoffe verhindern und Brände oder Explosionen eindämmen.

Verschiedene Länder gehen bei der Standardisierung und Prüfung von Ausrüstung für explosionsgefährdete Bereiche unterschiedlich vor. Die Terminologie für Gefahren und Schutzmaßnahmen kann variieren. Auch die Dokumentationsanforderungen sind unterschiedlich. Mit der zunehmenden Globalisierung des Welthandels gleichen sich die internationalen Standards langsam an , sodass ein breiteres Spektrum an akzeptablen Verfahren von nationalen Aufsichtsbehörden zugelassen werden kann.

Die Bestimmung von Art und Größe explosionsgefährdeter Bereiche wird als Klassifizierung bezeichnet . Die Klassifizierung von Bereichen, die Prüfung und Registrierung von Geräten sowie die Inspektion von Anlagen werden in der Regel von staatlichen Stellen überwacht. In den USA ist beispielsweise dies die Arbeitsschutzbehörde (OSHA) .

In den USA veröffentlicht die unabhängige National Fire Protection Association (NFPA) mehrere relevante Normen, die häufig von Regierungsbehörden übernommen werden. Hinweise zur Gefahrenbeurteilung finden sich in NFPA  497 (explosive Gase) und NFPA  499 (Staub). Das American Petroleum Institute veröffentlicht vergleichbare Normen in RP  500 und  RP 505.

NFPA 70, der National Electrical Code (NEC), definiert die Bereichsklassifizierung und Installationsprinzipien. ^{[ 1 ]} Artikel 500 des NEC beschreibt das NEC-Divisionssystem, während die Artikel 505 und 506 das NEC-Zonensystem beschreiben. Das NEC-Zonensystem wurde entwickelt, um es mit dem IEC-Klassifizierungssystem zu harmonisieren und dadurch die Komplexität der Verwaltung zu reduzieren.

Kanada verfügt über ein ähnliches System mit dem CSA- Standard C22.1, dem kanadischen Elektrotechnik-Code , der die Bereichsklassifizierung und Installationsprinzipien definiert. Zwei mögliche Klassifizierungen werden in Abschnitt 18 (Zonen) und Anhang J (Unterteilungen) beschrieben.

Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) veröffentlicht die Normenreihe IEC 60079 ^{[ 2 ]} , die ein System zur Klassifizierung von explosionsgefährdeten Bereichen sowie zur Kategorisierung und Prüfung von Geräten für explosionsgefährdete Bereiche (Ex-Geräte) definiert. IEC 60079-10-1 behandelt die Klassifizierung explosionsgefährdeter Gasatmosphären, IEC 60079-10-2 die Klassifizierung explosionsgefährdeter Stäube. Geräte werden je nach Herstellungsverfahren und Eignung für verschiedene Anwendungsbereiche in Schutzklassen eingeteilt. Im Gegensatz zu ATEX, das die Sicherheitskategorie von Geräten mit Zahlen (1, 2 und 3) definiert, verwendet die IEC weiterhin die Methode zur Definition der Eigensicherheitsstufen „a“ für Zone 0, „b“ für Zone 1 und „c“ für Zone 2 und wendet diese Schutzklassen seit 2009 auf alle Geräte für explosionsgefährdete Bereiche an. ^{[ 3 ]}

Der Normenkatalog IEC 60079 wurde für die Verwendung in Australien und Neuseeland angepasst und wird dort als Normenkatalog AS/NZS 60079 veröffentlicht.

In Industrieanlagen wie Raffinerien oder Chemieanlagen birgt der Umgang mit großen Mengen brennbarer Flüssigkeiten und Gase ein Expositionsrisiko. Auch Kohlebergwerke, Getreidemühlen , Getreidesilos und ähnliche Einrichtungen bergen die Gefahr von Staubwolken. In manchen Fällen ist die gefährliche Atmosphäre permanent oder über lange Zeiträume vorhanden. In anderen Fällen ist die Atmosphäre normalerweise ungefährlich, jedoch kann eine gefährliche Konzentration – beispielsweise durch Bedienungsfehler oder Geräteausfall – vorhersehbar sein. Standorte werden daher nach Art und Risiko der Freisetzung von Gasen, Dämpfen oder Stäuben klassifiziert. Verschiedene Vorschriften verwenden Begriffe wie Klasse , Zone und Gruppe, um die unterschiedlichen Gefahren zu unterscheiden.

Häufig wird ein Bereichsklassifizierungsplan bereitgestellt , um die Nennwerte der Ausrüstung und die Installationstechniken für jeden klassifizierten Bereich zu ermitteln. Der Plan kann eine Liste der Chemikalien mit ihrer jeweiligen Gruppe und Temperaturklasse enthalten. Der Klassifizierungsprozess erfordert die Mitwirkung von Fachkräften aus den Bereichen Betrieb , Instandhaltung , Sicherheit, Elektrotechnik und Messtechnik sowie die Verwendung von Prozessdiagrammen, Materialflussdiagrammen , Sicherheitsdatenblättern und anderen relevanten Dokumenten. Die Dokumentationen zur Bereichsklassifizierung werden regelmäßig überprüft und aktualisiert, um Prozessänderungen zu berücksichtigen.

Die typischen Gefahren durch Gase gehen von Kohlenwasserstoffverbindungen aus , aber auch Wasserstoff und Ammoniak sind häufig anzutreffende Industriegase, die entzündlich sind.

Klassifizierungsbereiche der Klasse I, Abteilung 1

Ein Bereich, in dem unter normalen Betriebsbedingungen ständig oder zeitweise entzündbare Konzentrationen von brennbaren Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten vorhanden sein können. Ein Bereich der Klasse I, Division 1 umfasst die Bereiche der Zone 0 und Zone 1.

klassifizierte Standorte der Zone 0

Ein Bereich, in dem unter normalen Betriebsbedingungen kontinuierlich oder über längere Zeiträume entzündbare Konzentrationen von brennbaren Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten vorhanden sind. Ein Beispiel hierfür ist der Dampfraum über der Flüssigkeit im oberen Bereich eines Tanks oder Fasses. Gemäß der ANSI/NEC-Klassifizierungsmethode wird diese Umgebung als Bereich der Klasse I, Division 1, eingestuft. Als Richtwert für Zone 0 kann dies als mehr als 1000 Stunden pro Jahr oder mehr als 10 % der Zeit definiert werden. ^{[ 4 ]}

klassifizierter Standort der Zone 1

Ein Bereich, in dem unter normalen Betriebsbedingungen mit entzündbaren Konzentrationen von brennbaren Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten zu rechnen ist. Als Richtwert für Zone 1 kann dies als 10–1000 Stunden pro Jahr oder 0,1–10 % der Zeit definiert werden. ^{[ 4 ]}

Klassifizierungsbereiche der Klasse I, Division 2 oder Zone 2

Ein Bereich, in dem unter normalen Betriebsbedingungen keine entzündlichen Konzentrationen brennbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten zu erwarten sind. In diesem Bereich treten Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten nur unter anormalen Bedingungen auf (meist Leckagen). Als allgemeine Richtlinie für Zone 2 gilt, dass unerwünschte Stoffe maximal 10 Stunden pro Jahr oder 0–0,1 % der Zeit vorhanden sein sollten. ^{[ 4 ]}

Nicht klassifizierte Standorte

Diese Bereiche, auch als ungefährliche oder normale Bereiche bezeichnet, fallen weder unter die Klasse I, Division 1 oder Division 2; Zone 0, Zone 1 oder Zone 2 noch unter eine Kombination davon. Dazu gehören beispielsweise Wohnhäuser oder Büros, in denen das einzige Risiko einer Freisetzung explosiver oder brennbarer Gase von Treibmitteln in Aerosolsprays ausgeht . Die einzigen explosiven oder brennbaren Flüssigkeiten sind Farben und Pinselreiniger. Diese bergen ein sehr geringes Explosionsrisiko und stellen eher ein Brandrisiko dar (obwohl Gasexplosionen in Wohngebäuden vorkommen). Nicht klassifizierte Bereiche in Chemieanlagen und anderen Betrieben befinden sich dort, wo mit absoluter Sicherheit sichergestellt ist, dass die Konzentration der gefährlichen Gase unter 25 % der unteren Explosionsgrenze (UEG) liegt.

Staub oder andere kleine, in der Luft schwebende Partikel können explodieren .

Nach einem alten britischen Standard wurden Zonen mit Buchstaben bezeichnet. Dieses System wurde durch ein europäisches Zahlensystem ersetzt, wie es in der Richtlinie 1999/92/EU festgelegt und im Vereinigten Königreich als „Dangerous Substances and Explosives Atmospheres Regulations 2002“ umgesetzt wurde. ^{[ 4 ]}

Unterschiedliche explosionsfähige Atmosphären weisen chemische Eigenschaften auf, die die Wahrscheinlichkeit und Schwere einer Explosion beeinflussen. Zu diesen Eigenschaften zählen Flammentemperatur , Mindestzündenergie, obere und untere Explosionsgrenze sowie Molekulargewicht . Empirische Tests dienen der Bestimmung von Parametern wie dem maximalen experimentellen Sicherheitsabstand (MESG), dem Verhältnis des minimalen Zündstroms (MIC), dem Explosionsdruck und der Zeit bis zum Erreichen des Spitzendrucks, der Selbstentzündungstemperatur und der maximalen Druckanstiegsrate. Jede Substanz besitzt eine unterschiedliche Kombination von Eigenschaften, jedoch lassen sie sich in ähnliche Bereiche einordnen, was die Auswahl der Ausrüstung für explosionsgefährdete Bereiche vereinfacht. ^{[ 5 ]}

Die Entzündbarkeit brennbarer Flüssigkeiten wird durch ihren Flammpunkt definiert. Der Flammpunkt ist die Temperatur, bei der der Stoff ausreichend Dampf erzeugt, um ein zündfähiges Gemisch zu bilden. Der Flammpunkt bestimmt, ob ein Bereich als explosionsgefährdet eingestuft werden muss. Ein Stoff kann eine relativ niedrige Selbstentzündungstemperatur aufweisen; liegt sein Flammpunkt jedoch über der Umgebungstemperatur, ist eine Klassifizierung des Bereichs möglicherweise nicht erforderlich. Wird derselbe Stoff hingegen über seinen Flammpunkt erhitzt und gehandhabt, muss der Bereich für die ordnungsgemäße Auslegung elektrischer Anlagen klassifiziert werden, da sich dann ein zündfähiges Gemisch bildet. ^{[ 6 ]}

Jedes in der Industrie verwendete chemische Gas oder jeder Dampf wird einer Gasgruppe zugeordnet.

Gruppe IIC ist die gefährlichste Gasgruppe in Gefahrenzonen. Die in dieser Gruppe enthaltenen Gase sind äußerst leicht entzündlich. Geräte, die für Gruppe IIC geeignet sind, eignen sich auch für IIB und IIA. Geräte, die für IIB geeignet sind, eignen sich auch für IIA, jedoch nicht für IIC. Geräte mit der Kennzeichnung Ex e II T4 sind beispielsweise für alle Untergruppen IIA, IIB und IIC geeignet.

Es muss eine Liste aller explosiven Stoffe erstellt werden, die sich auf dem Gelände der Raffinerie oder des Chemiekomplexes befinden und im Lageplan der Sperrzonen aufgeführt sind. Die oben genannten Gruppen sind nach der Explosionsgefahr der Stoffe geordnet, wobei IIC die explosionsgefährlichste und IIA die am wenigsten explosionsgefährliche Gasgruppe darstellt. Die Gruppen geben außerdem an, wie viel Energie zur Zündung der Stoffe durch energetische oder thermische Effekte erforderlich ist, wobei IIA die meiste und IIC die wenigste Energie benötigt.

Geräte sollten geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie 80 % der Selbstentzündungstemperatur der explosionsgefährdeten Atmosphäre nicht überschreiten. Dabei sind sowohl die Außen- als auch die Innentemperatur zu berücksichtigen. Die Selbstentzündungstemperatur ist die niedrigste Temperatur, bei der sich der Stoff ohne zusätzliche Wärme- oder Zündquelle (bei Atmosphärendruck) entzündet. Diese Temperatur dient zur Klassifizierung für industrielle und technologische Anwendungen. ^{[ 7 ]}

Die Temperaturklassifizierung auf dem Typenschild des elektrischen Geräts ist eine der folgenden (in Grad Celsius ):

Die obige Tabelle zeigt, dass die Oberflächentemperatur eines elektrischen Geräts der Temperaturklasse T3 200 °C nicht überschreiten wird. Die Oberfläche einer Hochdruckdampfleitung kann jedoch die Selbstentzündungstemperatur einiger Brennstoff-Luft-Gemische überschreiten.

Geräte können so konstruiert oder modifiziert werden, dass sie in Gefahrenbereichen sicher betrieben werden können. Die beiden allgemeinen Ansätze sind:

Eigensicherheit

Eigensicherheit , auch als nichtzündend bezeichnet, begrenzt die in einem System vorhandene Energie so, dass sie unter keinen Umständen zur Entzündung einer explosionsgefährdeten Atmosphäre ausreicht. Dies gilt sowohl für niedrige Leistungspegel als auch für geringe gespeicherte Energie. Häufig anzutreffen bei Messgeräten.

Explosionsgeschützt

Explosionsgeschützte oder flammfeste Geräte sind so abgedichtet und robust, dass sie selbst bei Funkenbildung oder Explosionen im Inneren keine gefährliche Atmosphäre entzünden können. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Es gibt verschiedene Techniken der Flammschutzbehandlung, die häufig in Kombination angewendet werden:

• Das Gerätegehäuse kann abgedichtet sein, um das Eindringen von brennbaren Gasen oder Staub in das Innere zu verhindern.
• Das Gehäuse muss so robust sein, dass es alle im Inneren entstehenden Verbrennungsgase aufnehmen und kühlen kann.
• Die Gehäuse können mit sauberer Luft oder Inertgas unter Druck gesetzt werden, wodurch alle gefährlichen Stoffe verdrängt werden.
• Lichtbogenerzeugende Elemente können durch Verkapselung in Harz , Eintauchen in Öl oder ähnliches von der Atmosphäre isoliert werden.
• Wärmeerzeugende Elemente können so konstruiert werden, dass ihre maximale Temperatur unterhalb der Selbstentzündungstemperatur des jeweiligen Materials liegt.
• Es können Steuerungen installiert werden, die gefährliche Konzentrationen von Gefahrgasen oder das Versagen von Gegenmaßnahmen erkennen. Bei Erkennung werden automatisch geeignete Maßnahmen ergriffen, wie z. B. die Stromzufuhr unterbrochen oder eine Benachrichtigung ausgegeben.

Die Schutzarten sind in mehrere Unterklassen unterteilt, die mit EPL verknüpft sind: ma und mb, px, py und pz, ia, ib und ic. Die a-Unterklassen weisen die strengsten Sicherheitsanforderungen auf und berücksichtigen gleichzeitig mehrere unabhängige Komponentenfehler.

Viele Geräte mit EEx-Schutzart verwenden in ihren verschiedenen Komponenten mehrere Schutzmethoden. Diese werden dann mit den jeweiligen Schutzmethoden gekennzeichnet. Beispielsweise kann eine Steckdose mit der Kennzeichnung EEx'de' ein Gehäuse nach EEx 'e' und Schalter nach EEx 'd' aufweisen.

In den letzten Jahren wird der EPL auch für verschiedene Schutzarten spezifiziert. Das erforderliche Schutzniveau ist mit der beabsichtigten Verwendung in den nachstehend beschriebenen Zonen verknüpft:

Die Gerätekategorie gibt den Schutzgrad an, den das Gerät bietet.

• Geräte der Kategorie 1 können in Zone 0, Zone 1 oder Zone 2 verwendet werden.
• Geräte der Kategorie 2 dürfen in Zone 1 oder Zone 2 verwendet werden.
• Geräte der Kategorie 3 dürfen nur in Zone-2-Bereichen verwendet werden.

In den USA definiert die National Electrical Manufacturers Association (NEMA) Normen für Gehäusetypen für eine Vielzahl von Anwendungen. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Einige davon sind speziell für explosionsgefährdete Bereiche vorgesehen:

Alle für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zugelassenen Geräte müssen so gekennzeichnet sein, dass Art und Umfang des angewandten Schutzes ersichtlich sind.

In Europa müssen Geräte, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zugelassen sind, das CE-Zeichen und die Kennnummer der benannten Stelle tragen, sofern dies nach der ATEX-Richtlinie erforderlich ist. Explosionsgeschützte Geräte sind zusätzlich mit dem Ex-Symbol und einer Schutzkennzeichnung versehen, die die Gerätegruppe, die Kategorie, das Schutzkonzept, die Gas- oder Staubgruppe, die Temperaturklasse und die Schutzart (EPL) angibt. Vollständige Kennzeichnungen können Bezeichnungen wie II 2G Ex ia IIC T4 Gb enthalten. ^{[ 13 ]}

Industrielle elektrische Geräte für explosionsgefährdete Bereiche müssen den entsprechenden Normen entsprechen: IEC 60079 für Gasgefahren und IEC 61241 für Staubgefahren. In manchen Fällen ist eine Zertifizierung erforderlich. Unabhängige Prüfstellen – sogenannte Benannte Stellen – sind in den meisten europäischen Ländern etabliert, und deren Zertifikate werden EU-weit anerkannt. Im Vereinigten Königreich sind Sira und Baseefa die bekanntesten dieser Stellen.

Australien und Neuseeland verwenden die gleichen IEC-60079-Normen (übernommen als AS/NZS  60079), allerdings ist die CE-Kennzeichnung nicht erforderlich.

In Nordamerika muss die Eignung von Geräten für den jeweiligen Gefahrenbereich von einem national anerkannten Prüflaboratorium wie UL , FM Global , CSA Group oder Intertek (ETL) geprüft werden.

Das Etikett enthält stets die Klasse, die Abteilung und gegebenenfalls die Gruppe und den Temperaturcode. Direkt daneben befindet sich das Siegel der Prüfstelle.

Einige Hersteller geben in ihren technischen Unterlagen an, dass ihre Produkte für explosionsgefährdete Bereiche „geeignet“ oder „konstruiert“ seien, verfügen aber faktisch nicht über die Zertifizierung der Prüfstelle und sind daher für die zuständige Behörde (AHJ – Authority Having Jurisdiction ) nicht akzeptabel, um den Betrieb der elektrischen Anlage/des Systems zu genehmigen.

Alle Geräte in Bereichen der Zone 1 müssen mit einem Zulassungsetikett versehen sein. Bestimmte Materialien, wie z. B. starre Metallrohre, benötigen jedoch kein spezielles Etikett, das die Eignung für Klasse/Zone 1 ausweist. Ihre Zulassung als genehmigte Installationsmethode gemäß NEC gilt als Genehmigung. Einige Geräte in Bereichen der Zone 2 benötigen kein spezielles Etikett, beispielsweise Standard-Drehstrom-Induktionsmotoren ohne Bauteile, die üblicherweise Lichtbögen erzeugen.

Die Kennzeichnung umfasst außerdem den Namen oder die Marke und die Adresse des Herstellers, den Gerätetyp, die Bezeichnung und die Seriennummer, das Herstellungsjahr sowie etwaige besondere Nutzungsbedingungen. Die Schutzart nach NEMA oder der IP-Code kann ebenfalls angegeben werden, ist aber in der Regel unabhängig von der Eignung für explosionsgefährdete Bereiche.

Mit dem Aufkommen der Elektrizität wurde diese auch in Kohlebergwerken zur Signalgebung , Beleuchtung und zum Betrieb von Motoren eingesetzt . Dies ging einher mit elektrisch ausgelösten Explosionen brennbarer Gase wie Grubengas (Methan) und Kohlenstaub.

Mindestens zwei britische Grubenexplosionen wurden auf ein elektrisches Signalsystem zurückgeführt. Bei diesem System verliefen zwei blanke Drähte entlang eines Stollens. Jeder Bergmann, der ein Signal an die Oberfläche geben wollte, berührte die Drähte kurz miteinander oder überbrückte sie mit einem Metallwerkzeug. Die Induktivität der Signalspulen in Verbindung mit dem Unterbrechen der Kontakte durch freiliegende Metalloberflächen führte zu Funkenbildung und schließlich zu einer Explosion. ^{[ 14 ]}

• Lichtbogen
• ATEX-Richtlinie
• CompEx- Kompetenzstandard
• Elektroinstallationsrohr
• Erdungsset
• Eigensicherheit
• Mineralisoliertes, kupferummanteltes Kabel
• Benannte Stelle
• Druckpfahlgründung

• „Motoren für explosionsgefährdete Bereiche“ . Dietz Electric . Abgerufen am 04.04.2018 .

• Alan McMillan, Elektrische Installationen in explosionsgefährdeten Bereichen , Butterworth-Heineman 1998, ISBN 0-7506-3768-4
• Peter Schram, Elektrische Installationen in explosionsgefährdeten Bereichen , Jones and Bartlett, 1997, ISBN 0-87765-423-9
• EEMUA, Handbuch für Anwender in explosionsgefährdeten Bereichen , Verband der Anwender von technischen Ausrüstungen und Materialien, 2017, ISBN 978-0-85931-222-6