Blitz- und Überspannungsschutz eigensicherer Messkreise
von Manfred Kienlein
In allen Bereichen der Industrie, in denen bei der Verarbeitung oder dem Transport brennbarer Stoffe Gase, Dämpfe, Nebel oder Stäube entstehen, die im Gemisch mit Luft eine explosionsfähige Atmosphäre in Gefahr drohender Menge bilden können, müssen zum Schutz vor Explosionen besondere Maßnahmen getroffen werden. Schon im Jahre 2003 wurde die ATEX Richtlinie 137 (RL1999/92/EG) durch die Betriebssicherheitsverordnung [1] in nationales Recht umgesetzt. Hier hat der Betreiber die Verpflichtung, ein Explosionsschutzdokument zu erstellen. Dabei wurde ein Ansatz zur Risikobeurteilung zugrunde gelegt, der die potentiellen Gefahren nach einer Ex-Zoneneinteilung aufgrund des Vorhandenseins und der Ausdehnung von potentiell explosionsfähigen Atmosphären beurteilt. Dieser Zoneneinteilung schließt sich die Identifizierung möglicher Zündquellen an, die sich aus betrieblichen Erfordernissen ergeben sowie die Auswahl entsprechender Betriebsmittel. Im nachfolgenden Beitrag wird die Zündquelle Blitz nach EN 1127-1 [2] und TRBS 2152 Teil 3 [3] betrachtet.
Blitzströme- und Überspannungen im Ex-Bereich
Bei der Gefährdungsbeurteilung explosionsgefährdeter Bereiche müssen folgende Zündquellen nach EN 1127-1 [2] und TRBS 2152 Teil 3 [3] betrachtet werden, die durch Blitzeinwirkung entstehen können:
- Aufschmelzen am Einschlagpunkt des Blitzes,
- Erwärmung der Ableitwege,
- Unkontrollierte Überschläge bei Nicht-Einhaltung des Trennungsabstandes,
- Induzierte Spannungen in Kabel und Leitungen,
- Einschläge in explosionsgefährdete Bereiche führende metallene Leitungen
Werden Gefährdungen durch Blitzeinwirkungen (Risikoanalyse nach DIN EN 62305-2 [4]) festgestellt, dann müssen alle Geräte, Schutzsysteme und Komponenten aller Kategorien durch geeignete Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen geschützt werden. Sehr wichtig ist dabei, dass Blitzeinschläge außerhalb der Ex-Zonen 0 oder 20 keine schädlichen Auswirkungen auf diese Zonen haben.
Installationsanforderungen bezüglich atmosphärischer Entladungen (Blitzschlag)
Die gültige DIN EN 60079-14 [7] verweist bei Blitzgefährdung direkt auf Maßnahmen entsprechend der Normenreihe DIN EN 62305 Teil 1 – 4 [4, 5, 6, 7]. Das Gesamtkonzept zum Blitzschutz berücksichtigt umfassend:
- eine Risikoanalyse, die zuerst die Notwendigkeit des Blitzschutzes ermittelt und dann die notwendigen Schutzmaßnahmen (technisch und wirtschaftlich) auswählt
- Maßnahmen zum Schutz von baulichen Anlagen gegen materielle Schäden und Lebensgefahr infolge direkter Blitzeinschläge durch ein Blitzschutzsystem (LPS Lighting Protection System), bestehend aus Fangeinrichtungen, Ableitungen, Erdungsanlage, Blitzschutzpotentialausgleich und Trennungsabstand.
- Schutzmaßnahmen gegen die Wirkung des elektromagnetischen Blitzimpulses (LEMP Lighting electromagnetic pulse) durch ein LEMP-Schutzsystem (LPMS LEMP-protection measures system) von baulichen Anlagen mit elektrischen und elektronischen Systemen. Eine individuelle Kombination von Schutzmaßnahmen sind Erdung und Potentialausgleich, räumliche Schirmung, Leitungsführung und -schirmung, koordinierter Schutz durch Überspannungsschutzgeräte (SPD Surge Protective Device).
- Tabelle 1: Definition der Blitzschutzzonen (LPZ) nach DIN EN 62305-1 [3]
Die DIN EN 60079-14 [8] fordert grundsätzlich, die Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf ein ungefährliches Maß zu reduzieren. Da nach der BetrSichV [1] die Anlagen gemäß dem Stand der Technik zu installieren, zu montieren und zu betreiben sind, müssen die TRBS 2152 Teil 3 [3] und die neuen Blitzschutznormen für den Explosionsschutz Anwendung finden. In explosionsgefährdeten Bereichen bestehen nicht nur Gefahren durch die Wirkungen des direkten Blitzeinschlags, sondern auch die Gefährdung durch die elektromagnetische Wirkung des Blitzstroms auf die Installation der elektrischen Anlage. Die Steilheit des Blitzstromes bewirkt eine hohe Magnetfeldänderungsgeschwindigkeit, welche wiederum eine hohe Spannung (zündfähige Energie) in die verschiedensten Leitungen (fremde leitfähige Teile), die eine Schleife bilden, induziert. Bei gleichzeitigem Vorhandensein einer explosionsfähigen Atmosphäre (z. B. an den Anschlussklemmen im Gehäuse eines eigensicheren Betriebsmittels) kann diese Zündenergie jederzeit zum Brand oder zu einer Explosion führen. Aus diesem Grund ist es enorm wichtig, ein in sich geschlossenes und aufeinander abgestimmtes Schutzkonzept zu realisieren. Dieses sog. Blitz-Schutzzonen-Konzept wird in der DIN EN 62305-4 [7] behandelt und ist die Basis für den Aufbau eines LEMP-Schutzsystems. Besonders gefährdet durch die Induktionswirkung des Blitzstromes sind eigensichere Kreise. Es werden zwar Anforderungen an den Blitzschutz von eigensicheren Kreisen im Abschnitt 12.3 der Norm DIN EN 60079-14 [8] aufgeführt, aber für die Beherrschung von Überspannungen in einer explosionsgefährdeten Anlage stellt die DIN EN 62305-4 [7] den Stand der Technik dar. Entscheidend für den sicheren Betrieb von explosionsgefährdeten Anlagen ist es, die Forderungen der Regelwerke TRBS 2152 Teil 3 [3], der DIN EN 60079-14 [8] und die der DIN EN 62305-4 [7] in Einklang zu bringen. Dies soll nachstehendes Fallbeispiel exemplarisch zeigen. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass zum Schutz gegen direkte Einschläge in das eigensichere System und in den explosionsgefährdeten Bereich (Zone 0, 1) ein Blitzschutzsystem LPS mit der Blitzschutzklasse II errichtet worden ist, welche auf den entsprechenden Gefährdungspegel LPL II einer vorausgegangenen Risikobetrachtung [5] basiert. Der eigensichere Messkreis ist in LPZ 0B (LPZ: Lightning protection zone; siehe Tabelle 1) installiert.
Das Beispiel erläutert ein mögliches Verfahren zum Schutz von eigensicheren Messkreisen gegen die direkten und indirekten Auswirkungen eines Blitzeinschlages. In Bild 1 ist eine typische Installation eines eigensicheren Messkreises, bestehend aus einer Kombination von Trennbarriere, eigensicherer Messleitung und einem Temperaturtransmitter (galvanisch zum Fühlerelement hin getrennt) dargestellt.
- Bild 1: Anwendungsbeispiel für einen eigensicheren Messkreis
Die Trennbarriere befindet sich im MSR-Schrank im Messwartengebäude (nicht explosionsgefährdeter Bereich). Der Temperaturtransmitter mit dem Fühlerelement ist direkt am Tank mit brennbarer Flüssigkeit montiert. Das Fühlerelement befindet sich in Zone 0, der Transmitter selbst ist in Zone 1 montiert und mit seinem Metallgehäuse direkt, sicher und dauerhaft mit dem metallenen Tank verbunden. Das geschirmte eigensichere Kabel (ca. 200 m lang) verbindet die beiden Betriebsmittel miteinander. Die Messwarte und auch der Tank sind in eine vermaschte Erdungsanlage (Maschenweite ca. 20 x 20 m) eingebunden.
Durch folgende Blitzgefährdungen kann der eigensichere Messkreis (Bild 1) zer- oder gestört werden und Explosionsgefahr für die Anlage bestehen:
- Direkter Blitzeinschlag in die Fangeinrichtung der MSR-Leitung
- Einschlag neben der MSR-Leitung
- Direkter Blitzeinschlag in die Fangeinrichtung des MSR-Gebäudes
- Einschlag neben dem MSR-Gebäude
- Direkter Blitzeinschlag in den Tank
- Einschlag neben dem Tank
Damit ein Schutz gegen alle blitzbedingten Schadenswahrscheinlichkeiten von den elektrischen Betriebsmitteln (sowohl in der Messwarte als auch im explosionsgefährdeten Bereich) aufgebaut werden kann, müssen zwei Überspannungsschutzgeräte (SPD) in den eigensicheren Stromkreis integriert werden, ein SPD zum Schutz der Trennbarriere in der Messwarte und ein SPD zum Schutz des Transmitters am Tank. Das SPD am Tank verhindert auch gleichzeitig einen gefährlichen Funkenüberschlag vom Tank zur Fühlerleitung und dient somit zusätzlich dem Explosionsschutz.
Auswahlkriterien für Überspannungsschutzgeräte in eigensicheren Messkreisen
Damit die Schutzwirkung der ausgewählten Überspannungsschutzgeräte auch gegeben ist, müssen bestimmte Auswahlkriterien erfüllt werden. Speziell eigensichere Messkreise haben ihre Besonderheiten. Diese müssen bei der Auswahl der Schutzgeräte unbedingt beachtet werden, weil sonst das eigensichere Explosionsschutz-System negativ beeinflusst werden könnte.
Erdfreiheit und Isolationsfestigkeit der eigensicheren Betriebsmittel
Unter Berücksichtigung der Norm DIN EN 60079-25 [9] dürfen eigensichere Stromkreise entweder ›gegen Erde isoliert‹ oder nur ›an einer Stelle an das Potentialausgleichssystem angeschlossen‹ sein. Ein eigensicherer Stromkreis ist erdfrei, wenn er einer Isolationssprüfung mit mindestens 500 V gegen Erde nach IEC 60079-11 widersteht. Ist dies nicht der Fall, dann ist im Stromkreis eine Verbindung gegen Erde anzunehmen.
Da eine Mehrfacherdung des Messkreises nicht in allen Fällen zulässig ist, muss die Schutzbeschaltung des Messkreises mit SPDs entweder mit einer dokumentierten Untersuchung über die Auswirkungen von Mehrfacherdungen bestätigt werden oder am einfachsten sind speziell für den Anwendungsfall zugelassene SPDs (eigensichere Betriebsmittel), welche die Anforderung der Erdfreiheit erfüllen, einzusetzen. Diese müssen bei der Isolationsmessung auch nicht mehr vom eigensicheren Stromkreis getrennt werden. Der Hersteller der eigensicheren SPDs muss diese Erdfreiheit nachweisen.
- Tabelle 2: Kennzeichnung des eigensicheren Überspannungsschutzgerätes Typ DPI MD EX 24 M 2
Diese SPDs können aber nur die eigensicheren Betriebsmittel sicher schützen, welche auch die Isolationsfestigkeit von > 500 V gegen Erde haben. Bei der Verwendung von Trennbarrieren mit einer Isolationsfestigkeit von < 500 V (z. B. Zenerbarrieren) müssen andere SPDs ausgewählt und an die Besonderheiten der Barriere angepasst werden.
Gerätekategorie und Zündschutzart
Der gesamte eigensichere Stromkreis besitzt die Zündschutzart ia. In unserem Beispiel müssen die beiden eingesetzten SPDs auch das Schutzniveau dieser Zündschutzart erfüllen (Nachweis mit EG-Baumusterprüfbescheinigung).
Da am Tank eine Fühlerleitung mit SPD beschaltet wird (Bild 1), welche in Zone 0 führt, muss das SPD noch zusätzlich für diesen Einsatzfall zugelassen sein. Gemäß EG-Baumusterprüfbescheinigung muss das SPD vom Typ DPI MD EX 24 M 2 mindestens folgende Zulassung haben: II 2 (1) G Ex ia IIC T4 ...T6 (Tabelle 2).
Zulässige Maximalwerte für L0 und C0
Bevor ein eigensicherer Messkreis in Betrieb genommen wird, muss der Nachweis für die Eigensicherheit des Messkreises erbracht werden. Hier müssen die Trennbarriere, der Messumformer, die verwendeten Kabel sowie die SPDs die Zusammenschaltbedingungen erfüllen. Gegebenenfalls sind die Induktivitäten und Kapazitäten der SPDs in die Betrachtung mit aufzunehmen.
Bei den Überspannungs-Schutzgeräten von DEHN + SÖHNE vom Typ BXT ML4 BD EX 24 (Bild 2) und DPI MD EX 24 M 2 (Bild 3) sind gemäß der EG-Baumusterprüfbescheinigung die inneren Kapazitäten und Induktivitäten vernachlässigbar und brauchen bei der Betrachtung der Zusammenschaltbedingungen nicht berücksichtigt werden.
- Bild 2: Blitzductoren mit kontinuierlicher Überwachung (DRC MCM) im eigensicheren Messkreis
- Bild 3: DEHNpipe zum Schutz von Transmittern und Leitungen aus Zone 0
Maximalwerte für Spannung Ui und Strom Ii
Der zu schützende Messkreis hat laut seinen technischen Daten für Anwendungen in eigensicheren Stromkreisen eine maximale Versorgungsspannung Ui max (29,4 V DC) und einen maximalen Kurzschlussstrom Ii max. (130 mA). Die Ableiterbemessungsspannung Uc des SPD muss höher sein als die maximale Leerlaufspannung des Speisegerätes. Der Nennstrom des SPD muss mindestens so groß sein wie der im Fehlerfall zu erwartende maximale Strom Ii max der Trennbarriere. Weicht man bei der Dimensionierung des SPD von diesen Randbedingungen ab, erlischt die Zulassung.
Koordination SPD zu SPD und SPD zu Endgerät
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Koordination der jeweilig eingesetzten SPDs untereinander und die vom SPD zum Endgerät.
Werden die Koordinationsbedingungen nach DIN EN 62305-4 [7] und nach der Produktnorm IEC 61643-21 [10] nicht erfüllt, so kann es trotz Einsatz von SPDs zum Schaden an den Geräten und zu einem kritischen Zustand der Anlage kommen. Hier ist es am sichersten, nur Geräte eines Ableiterherstellers zu verwenden. Besonders wichtig bei diesem Anwendungsfall ist nicht nur die Koordinationsbedingung für die induzierten Überspannungen (8/20 μs – Impuls), sondern auch eine Koordinationsprüfung für den Blitzimpuls (10/350 μs – Impuls). Das SPD am Tank befindet sich in LPZ 0B und muss aus diesem Grund Blitzteilströme führen können (Tabelle 1). Kann kein Nachweis einer Koordinationsprüfung für beide eingebauten SPDs vom Hersteller erbracht werden, dann müssen nach dem Blitzschutzzonen-Konzept alle Leitungen und Betriebsmittel in LPZ 1 geführt und installiert werden, was einen erheblichen Mehraufwand bei der Installation zur Folge haben kann.
Speziell bei der Installation eines SPD am Tank (Leitungen aus Zone 0) müssen zusätzlich noch folgende Anforderungen nach DIN EN 60079-14 [8] erfüllt und nachgewiesen werden:
- Einsatz von SPDs mit einem Mindestableitvermögen von 10 Impulsen mit jeweils 10 kA ohne Defekt oder Beeinträchtigung der Schutzfunktion.
- Einbau der SPDs in einem metallisch geschirmten Gehäuse und Erdung mit mindestens 4 mm² Cu.
- Installation der Leitungen zwischen dem Ableiter und dem Betriebsmittel im beidseitig geerdeten Metallrohr oder die Verwendung geschirmter Leitungen mit einer max. Länge von 1 m.
In unserem beschriebenen Anwendungsfall (Bild 3) werden alle diese Punkte bereits durch den Einsatz des Feldgeräteschutzes Typ DPI MD EX 24 M 2 erfüllt. Somit treten auch keine besonders hohen Folgekosten für die Installation auf.
Zusammenfassung
Eine Gefährdung von chemischen und petrochemischen Anlagen durch eine Blitzentladung und der daraus resultierenden elektromagnetischen Beeinflussung wird in den einschlägigen Richtlinien erfasst. Bei der Verwirklichung des Blitzschutzzonen-Konzeptes bereits bei der Planung und Ausführung derartiger Anlagen lassen sich die Risiken einer Funkenbildung durch Direkteinschlag oder Entladen von leitungsgebundenen Störenergien auf eine sicherheitstechnisch und auch wirtschaftlich vertretbare Größe reduzieren. Die verwendeten SPDs müssen sowohl die Anforderungen des Explosionsschutzes, die Koordinationsbedingungen, als auch die Anforderungen, resultierend aus den Betriebsparametern der MSR-Kreise, erfüllen.
