Blitz- und Überspannungsschutz eigensicherer Messkreise

Bei der Verarbeitung oder dem Transport brennbarer Stoffe entstehen häufig Gemische, die eine explosionsfähige Atmosphäre bilden können. Die Errichtung und der Betrieb von Anlagen, bei denen solche Stoffe entstehen können, erfordern ein hohes Maß an Sicherheitsvorkehrungen. Dies fordert auch die Richtlinie 1999/92/EG [1] und richtet sich an den Betreiber bzw. Arbeitgeber. Dieser hat gemäß dieser Richtlinie die Pflicht, die Explosionsgefahr seiner Anlage zu beurteilen und er muss sicherstellen, dass alle Mindestvorschriften eingehalten werden. Auch die Einteilung der explosionsgefährdeten Bereiche in Zonen, die Kennzeichnung dieser Bereiche und alle Maßnahmen zum Schutz der Beschäftigten im Explosionsschutzdokument zu dokumentieren, gehört zu seinen Aufgaben.

In Deutschland wird die europäische Richtlinie 1999/92/EG [1] durch die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) [2] und die Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) [3] in nationales Recht umgesetzt. Die technischen Richtlinien für die Betriebssicherheit (TRBS) und für Gefahrstoffe (TRGS) konkretisieren die jeweiligen Verordnungen. Sie geben den Betreibern Hinweise zur Gefährdungsbeurteilung und empfehlen Schutzmaßnahmen für die jeweilige Zündquelle.

Im nachfolgenden Beitrag wird die Zündquelle Blitz nach TRGS 723 [4] betrachtet.

Ein Stromkreis wird als eigensicher bezeichnet, wenn Strom und Spannung soweit begrenzt sind, dass ein Funke oder thermische Effekte keine Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre auslösen können. Dies bezieht sich im Unterschied zu anderen Zündschutzarten (z. B. erhöhte Sicherheit) nicht nur auf einzelne Betriebsmittel, sondern auf den gesamten Stromkreis. Dies gilt für den Normalbetrieb als auch für vorhersehbare Fehlerfälle (z. B. Blitzschlag). Deshalb muss der gesamte eigensichere Stromkreis gegen das Eindringen von Energie aus systemfremden Quellen geschützt sein. Verantwortlich für den Nachweis der Eigensicherheit und der korrekten Installation des Gesamtsystems ist der Errichter oder Betreiber.

Die Regelwerke DIN EN 60079 Teil 11 [5], Teil 14 [6] und Teil 25 [7] regeln die Produkteigenschaften als auch die speziellen Installationsanforderungen. Beispielsweise ist in der Zündschutzart Eigensicherheit verbindlich gefordert, dass Kabel oder Leitungen vorrangig gegen mechanische Beschädigungen, Korrosion, chemische und thermische Einwirkungen zu schützen sind.

Neben mechanischen Anforderungen ist das Eindringen von äußerer Energie in den eigensicheren Messkreis zu verhindern. Das Einkoppeln von äußerer Energie kann galvanisch, induktiv oder kapazitiv erfolgen.

Der Grund einer Gefährdungsbeurteilung ist das Auffinden von Zündquellen und die Beurteilung des Wirksamwerdens in den jeweiligen Ex-Bereichen. Eine mögliche Zündquelle kann ein direkter Blitzschlag sein bzw. die induktiven und kapazitiven Auswirkungen dieses hohen Impulsstromes auf den eigensicheren Messkreis.

Die TRGS 723 [4] beschreibt unter 5.8 die Zündquelle „Blitzschlag“. Hierbei werden bei der Gefährdungsbeurteilung dieser Zündquelle folgende Hinweise gegeben:

• Ein Blitzschlag ist eine atmosphärische Entladung zwischen Wolke und Erde. Hierbei treten am Einschlagpunkt sehr hohe Temperaturen auf. Die hohen Ströme führen zu Erwärmungen und Potentialverschiebungen entlang der Ableitung. Der Blitzstrom hat elektromagnetische Auswirkungen (Bild 1).
• Ein Blitzschlag kann sowohl durch einen direkten Einschlag, aber auch durch die Auswirkungen eines Einschlags in größerer Entfernung explosionsfähige Atmosphäre entzünden (Bild 4).
• Verläuft der Blitzkanal durch eine explosionsfähige Atmosphäre (beispielsweise eine Gaswolke), wird diese unmittelbar entzündet. Durch die hohen Ströme entlang des Blitzstromweges kann es zur Erwärmung der blitzstromführenden Anlagenteile oder Sprühentladungen kommen (Bild 2).

• Die Auswirkungen von Blitzeinschlägen, die in großer Entfernung in Versorgungsleitungen (Kabel und Rohrleitungen) erfolgen, sind zu berücksichtigen, soweit sie Rückwirkungen auf den explosionsgefährdeten Bereich haben (Bild 4).

Nun gilt es die in der TRGS 723 [4] beschriebenen Gefährdungen des eigensicheren Systems in der Anlage zu beurteilen, ob durch eine der Schadensquellen (Tabelle 2) gefährliche Auswirkungen durch Blitzeinwirkung entstehen können (Bilder 5a – 5d). Dies ist eine sehr komplexe Angelegenheit und kann nur durch Fachexperten (Blitzschutzfachkräfte oder EMV-Sachkundige mit Kenntnissen zu Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen) ganzheitlich abgeschätzt werden. Eine zusätzliche Hilfestellung bietet die Risikoanalyse nach DIN EN 62305 – 2 [8].

Hinweis: Die Bilder 5a – d zeigen galvanische Blitzeinkopplungen; die elektromagnetischen Einkopplungen treten zusätzlich noch in Erscheinung und können weitere gefährliche Überspannungen induzieren

Die DIN EN 60079-14 [6] verweist bei Blitzgefährdung direkt auf Maßnahmen entsprechend der Normenreihe DIN EN 62305 Teil 1 – 4 [8].

Das Gesamtkonzept zur Planung von Blitzschutzsystemen im Ex-Bereich berücksichtigt umfassend:

• das Ermitteln der Einschlagspunkte mit dem Blitzkugelverfahren (R = 30 m gem. TRGS 723 [4]) und das Bewerten, ob es bei den jeweiligen Einschlagspunkten zu gefährlichen Einkopplungen in die Ex-Bereiche kommen kann.
• den Aufbau eines äußeren Blitzschutzsystems mindestens LPL II bestehend aus Fangeinrichtungen, Ableitungen, Erdungsanlage, Blitzschutzpotentialausgleich und Trennungsabstand
• die zeichnerische Darstellung der Blitzschutzzonen sowie der Ex-Zonen (bestenfalls mit einem 3D-Zeichnungstool wie z. B. DEHNplan)
• die Bewertung der elektromagnetischen Einkopplung des äußeren Blitzschutzsystems in Leiterschleifen (eigensichere Messkreise inklusive offener Kabelschirme) mit Hilfe der DIN EN 62305-4 [8]
• das Einleiten von Schutzmaßnahmen gegen die Wirkung des elektromagnetischen Blitzimpuls (LEMP) durch ein LEMP-Schutzsystem (LPMS). Eine individuelle Kombination dieser LEMP-Schutzmaßnahmen sind Erdung, Potentialausgleich, räumliche Schirmung, Leitungsführung und –schirmung und ein koordinierter SPD-Schutz.

Nachstehendes Fallbeispiel (Bild 6) soll dies 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 Gefährdungsbeurteilung basiert. Der eigensichere Messkreis ist in LPZ 0_B (LPZ: Lightning Protection Zone; siehe Tabelle 1) installiert.

In Bild 6 ist eine typische Installation eines eigensicheren Messkreises bestehend aus einer Kombination eines zugehörigen elektrischen Betriebsmittels (Trennstufe der ISpac-Serie), eigensichere Kabelinstallation, einem Temperaturtransmitter (galvanisch zum Fühlerelement hin getrennt) und den jeweils notwendigen Überspannungsschutzgeräten (SPDs) dargestellt. Die Trennstufe befindet sich im MSR-Schrank in der Leitwarte (nicht explosionsgefährdeter Bereich). Der Temperaturtransmitter mit dem Fühlerelement ist direkt am Tank mit brennbarer Flüssigkeit montiert. Das Fühlerelement befindet sich direkt in Ex-Zone 0, der Transmitter selbst ist in Ex-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.

Damit ein Schutz gegen alle blitzbedingten Schadenswahrscheinlichkeiten der elektrischen Betriebsmittel (Leitwarte als auch im explosionsgefährdeten Bereich) aufgebaut werden kann, müssen zwei SPDs in den eigensicheren Stromkreis integriert werden. Ein SPD zum Schutz der Trennstufe in der Leitwarte 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 zusätzlich dem Explosionsschutz. Mit den SPDs werden nicht nur die Signaladern, sondern auch die unbenutzten Adern sowie die offenen Kabelschirme beschalten. Somit kann im Normalbetrieb kein Ausgleichsstrom fließen. Beim Auftreten von gefährlichen Überspannungen wird das offene Kabelende über das SPD mit dem Potentialausgleich verbunden und eine offene Funkenbildung verhindert.

Damit die Schutzwirkung der ausgewählten SPD auch gegeben ist, müssen die Einbaubedingungen der Hersteller sowie die zusätzlichen Einbaubedingungen der EG-Baumusterprüfbescheinigung erfüllt werden. Speziell eigensichere Messkreise haben da ihre Besonderheiten. Diese müssen bei der Installation der SPDs unbedingt beachtet werden, da sonst die Eigensicherheit negativ beeinträchtigt werden könnte.

Unter Berücksichtigung der Norm DIN EN 60079-25 [7] 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 Isolationsprüfung mit mindestens 500 V gegen Erde nach DIN EN 60079-11 [5] widersteht.

Beim Einsatz von erdfrei aufgebauten eigensicheren Systemen sollten nur SPDs eingesetzt werden, welche einer Spannungsfestigkeit von 500 V gegen Erde standhalten. Der Hersteller der eigensicheren SPDs muss diese Erdfreiheit ausweisen.

Speziell bei der Installation eines SPDs am Tank (oft Leitungen aus Zone 0) müssen noch folgende Anforderungen nach DIN EN 60079-14 [6] erfüllt und nachgewiesen werden:

• Einsatz von SPDs mit einem Mindestableitvermögen von 10 Impulsen mit jeweils 10 kA (8/20 µs) ohne Defekt oder Beeinträchtigung der Schutzfunktion.
  Anmerkung:
  In vielen Anwendungen müssen die SPDs jedoch in der Lage sein, galvanische und induktiv eingekoppelte Überspannungen abzuleiten. Aus diesem Grund sind Überspannungsschutzgeräte zu empfehlen, die mit dem Blitzimpuls der Wellenform 10/350 µs (galvanische Einkopplung) und der Wellenform 8/20 µs (induzierte Einkopplung) geprüft sind. Diese bieten ein höheres Maß an Sicherheit und erleichtern die Auswahl sowie die wiederkehrende Prüfung.

• Einbau der SPDs in einem metallisch geschirmten Gehäuse und Erdung mit mindestens 4 mm² Cu.

• Installation der Leitungen zwischen Ableiter und Betriebsmittel im beidseitig geerdeten Metallrohr oder die Verwendung geschirmter Leitungen mit einer max. Länge von 1 m.

In unserem beschriebenen Anwendungsfall (Bild 6) werden alle diese Punkte bereits durch den Einsatz des Feldgeräteschutzes Typ DPI MD EX 24 M2 erfüllt.

Eine Gefährdung von chemischen und petrochemischen Anlagen durch eine Blitz-entladung und der daraus resultierenden elektromagnetischen Beeinflussung wird in der Praxis oft nicht ganzheitlich bewertet, was aber seit Juli 2019 in der TRGS 723 [4] verlangt wird. Bei der Verwirklichung des Blitz-Schutzzonen-Konzeptes bereits bei der Planung und Ausführung unter Berücksichtigung von Ex-Bereichen lassen sich die Risiken einer Funkenbildung durch Direkteinschlag oder Entladen von leitungsgebundenen und induzierten 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.

[1]  Richtlinie 1999/92/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 16. Dezember 1999 über Mindestvorschriften zur Verbesserung des
      Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können.

[2]  Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV), Stand 03.02.2015
      Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Verwendung von Arbeitsmitteln

[3]  Gefahrstoffverordnung (GefStoffV), Stand 26.11.2010
      Verordnung zum Schutz vor Gefahrstoffen

[4]  TRGS 723 - Gefährliche explosionsfähige Gemische -
      Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Gemische
      (Ausgabe: Juli 2019)

[5]  DIN EN 60079-11 (VDE 0170-7): 2012; Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“

[6]  DIN EN 60079-14 (VDE 0165-1): 2014; Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 14: Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen

[7]  DIN EN 60079-25 (VDE 0170-10-1): 2011; Explosionsfähige Atmosphäre – Teil 25: Eigensichere Systeme

[8] DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1): 2012; Blitzschutz –
     Teil 1: Allgemeine Grundsätze
     Teil 2: Risiko – Management
     Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
     Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen

SPD:    surge protective device – Überspannungsschutzgeräte

TRBS:  Technische Regeln für Betriebssicherheit

TRGS:  Technische Regeln für Gefahrstoffe

LPZ:    lightning protection zone – Blitz-Schutzzone

LPS:    lightning protection system – Blitz-Schutzsystem

LEMP: lightning electromagnetic pulse – elektromagnetischer Blitzimpuls

LPMS: lightning protection measures system – LEMP-Schutzsystem

LPL:     Lightning protection level – Gefährdungspegel

L_i:         Summe aller maximalen inneren Induktivitäten der verwendeten eigensicheren Betriebsmittel

C_i:        Summe aller maximalen inneren Kapazitäten der verwendeten eigensicheren Betriebsmittel