EX-Schutz und Anlagensicherheit Überspannungsschutz in Anlagen der Prozesstechnik

In der Atex-Richtlinie sowie in den einschlägigen nationalen und internationalen Normen existieren zahlreiche Hinweise, die in der Praxis koordiniert werden müssen. Bei Neuanlagen geschieht dies bereits in der Planungsphase. In der Atex-Richtlinie stößt man auf die Beurteilung der Explosionsrisiken und der möglichen Zündquellen – Blitzschlag, Potential-Differenzen und statische Aufladungen werden genannt. Diese Schlüsselwörter stehen auch in den Regeln für die Betriebssicherheit (TRBS 2152-3 [1]) sowie in Betriebssicherheits-Verordnungen. Generell reicht es aus, die für fast alle baulichen Anlagen anzuwendende Blitzschutznorm (DIN EN62305 [2]) zu betrachten. Im Teil 2 wird das sogenannte Risiko-Management der baulichen Anlage beschrieben, in dem die Auswirkungen bei Blitzeinschlägen betrachtet werden. Sie bezieht sich auf alle baulichen Anlagen – auch auf Anlagen mit Explosionsrisiko nach DIN EN60079-0 (Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche [3]) sowie DIN EN61241-10 (Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbaren Staub [4]). Die Risikobetrachtung wird durchgeführt, um die Notwendigkeit des Blitzschutz-Systems zu ermitteln, und um eine technisch und wirtschaftlich angemessene Schutzmaßnahme festzulegen. Ein Blitzschutzsystem besteht aus dem äußeren Blitzschutz mit den Blitzfangstangen, den Ableitungen und der Erdungsanlage, sowie dem inneren Blitz- und Überspannungsschutz. Im Teil 2 der Blitzschutznorm [2] werden zahlreiche Faktoren behandelt, um Schäden und deren Verhinderung zu kalkulieren und um das Risiko zu minimieren. Da für explosionsgefährdete bauliche Anlagen ein erhöhtes Risiko mit oftmals weitreichenden Folgen – sowohl für Personen als auch für die Umwelt – besteht, ist ein Blitz- und Überspannungsschutz-Konzept unverzichtbar. Blitzschutz-Potentialausgleich Teil 3 der Norm [2] enthält im Anhang wichtige Informationen zur Durchführung, sowohl Informationen zur Erdungsanlage wie auch zum Potentialausgleich. Innerhalb des Normenteils wird unter 6.2 der Blitzschutz-Potentialausgleich behandelt. Erreicht wird er durch Verbinden von folgenden Bestandteilen mittels Potentialausgleichs-Leitungen, natürlichen Verbindungen und Überspannungsschutz-Geräten (SPD, surge protective device): – dem Metallgerüst der baulichen Anlage – den Installationen aus Metall – den äußeren leitenden Teilen und Leitungen, die mit der baulichen Anlage verbunden sind – den elektrischen und elektronischen Systemen innerhalb der zu schützenden baulichen Anlage Weitere detaillierte Hinweise existieren speziell zu Biogas-Anlagen [2, Teil 3 Bb 2], zu denen auch Informationen und Richtlinien aus verschiedenen Landesämtern vorliegen. Nach DIN EN60079-14 [5] ist zu prüfen, welche Maßnahmen gegen Blitz und Überspannungen zu treffen sind, wenn Anlagenbereiche in die Ex-Zone 0 hin­einreichen – wie bei Tanklagern, Kläranlagen und Destillationskolonnen. Aber auch diese Norm bezieht sich unter dem Punkt 6.5 (Blitzschutz) auf die Blitzschutznorm [2], und damit ist der Kreis wieder geschlossen. Die DIN EN60079-25 (Eigensichere Systeme [6]) bezieht sich etwas detaillierter auf eigensichere Signalstromkreise, wie sie in der Praxis häufig vorkommen. Darin sind auch Mindestwerte für Überspannungsschutz-Geräte definiert. Im Anhang der Norm wird wieder auf die Risikoanalyse der Blitzschutznorm [2, Teil 2] hingewiesen, und es wird ein mögliches Schutzkonzept vorgestellt (Bild 2). Schutzzonenkonzept und Anwendungsfälle Ziel des Blitz- und Überspannungsschutzes ist es, Anlagensicherheit und Verfügbarkeit zu erhöhen. Auch in der IEC/EN61511-1 (Funktionale Sicherheit [7]) werden sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie im Hinblick auf die EMV sowie auf die Gefährdung durch Blitzeinschlag betrachtet. Grundlage des Blitzschutzsystems ist das Blitzschutzzonen-Konzept [2] (Bild 2). Die bauliche Anlage wird in Blitzschutzzonen (LPZ, lightning protection zone) von 0A bis 3 eingeteilt. Ziel ist die Reduzierung der Störeinflüsse von LPZ 0A auf 2 oder 3 bei nahen oder direkten Blitzeinschlägen auf ein für die Anwendung verträgliches Maß. Die äußeren Fangeinrichtungen oder die Konstruktionsteile um die Feldgeräte herum sollen physikalische Schäden verhindern. Der Überspannungsschutz soll Schäden an oder Einflüsse auf elektrische oder elektronische Einrichtungen verhindern. In der Prozessindustrie gibt es großflächige Freiluftanlagen mit langen Kabelstrecken für Signaltechnik und Stromversorgung. Bei Gewitter und Blitzeinschlägen in oder nahe der Anlage muss der Betreiber mit erheblichen Potential-Differenzen rechnen. Überspannungen treten auch durch Schalthandlungen induktiver Lasten wie Motoren auf. In elektrischen Anlagen kommt es gelegentlich aufgrund von Kurz- oder Erdschlüssen zum abrupten Abschalten ganzer Anlagenteile. Auch die Folgen durch die Betätigung von Not-Ausschaltern und Abschalten von Betriebsmitteln unter Last muss der Anlagenbetreiber berücksichtigen. Diese Schalthandlugen können kurzzeitige Überspannungen von mehreren 1.000V hervorrufen. Auch wenn die Anlagen nicht sofort ausfallen, können elektronische Geräte beschädigt werden, die dann später ausfallen. Ein Zusammenhang mit einem Gewitter – etwa in der letzten Woche – ist dann schwer nachzuweisen. Schutzgeräte vorbeugend prüfen Hier können Überspannungsschutz-Geräte die Anlagenverfügbarkeit deutlich erhöhen, und das Schutzzonenkonzept erleichtert die Entscheidungen. An den Schutzzonen-Übergängen sind entsprechende Maßnahmen des Überspannungsschutzes und des Potentialausgleichs zu berücksichtigen. Die Überspannungsschutz-Geräte für die Signaltechnik – Bussysteme, Stromschleifen, digitale E/As – sind mehrstufig aufgebaut und dadurch normativ zum Übergang über mehrere Schutzzonen geeignet. Sie bieten ein hohes Ableitvermögen und einen niedrigen Schutzpegel. In der Praxis muss zum einen die Schnittstelle beim Feldgerät und zum anderen die Schnittstelle für die Leittechnik berücksichtigt werden (Bild 2). Die Überspannungsschutz-Geräte für die Signaltechnik haben ein sogenanntes fail safe short-Verhalten. Sie gehen bei Überbeanspruchung auf Kurzschluss und schützen somit auch das jeweilige Interface. Bei einigen Ableitern für den Schaltschrankeinbau können die Schutzgeräte mittels Prüfgerät vorbeugend gewartet und geprüft werden. Die Beanspruchung wird ermittelt, und die Geräte können rechtzeitig ausgetauscht werden. Geprüft werden kann jederzeit, da beim Herausziehen der Schutzstecker aus dem Basiselement keine Unterbrechung oder Veränderung im Signalstromkreis erfolgt. Phoenix Contact bietet auch Überspannungsschutz-Geräte für die Signaltechnik mit integriertem Fernmeldekontakt an. Die Ableiter besitzen eine rote und eine grüne Status-LED (Bild 3). So lässt sich ein defekter Ableiter unter vielen schnell finden und austauschen. Fazit Letztendlich geht es um die Wirtschaftlichkeit der Anlagen – die Aufwendungen für Instandhaltung, Reparaturen und Anlagen-Stillstände wirken sich immer auf die Produktionskosten der Produkte aus. Die Anlagen müssen zuverlässig und wartungsarm arbeiten, damit sie wirtschaftlich arbeiten. Sporadisch auftretende Systemfehler durch vorgeschädigte elektrische Geräte führen zu Datenverlust, unplanmäßigem Abschalten und Reparaturen. Erfahrungen zeigen, dass Anlagen mit Überspannungsschutz-Geräten störungsfreier, zuverlässiger und länger laufen. Kasten 1: Die Normen im Überblick [1] Regeln für die Betriebssicherheit TRBS 2152-3 [2] DIN VDE0185-305 – Teil 1 bis 4 / IEC 62305 Blitzschutz [3] DIN EN60079-0 – Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche [4] DIN EN61241-10 – Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbaren Staub [5] DIN EN60079-14 – Explosionsfähige Atmosphäre, Projektierung, Auswahl und Einrichtung elektrischer Anlagen [6] DIN EN 60079-25 – Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche, Eigensichere Systeme [7] IEC/EN61511-1 – Funktionale Sicherheit, Sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie Kasten 2: Surgetrab S-PT – Ableiter für Messwertaufnehmer Surgetrab S-PT ist eine Ableiter-Familie für Messwertaufnehmer im Feld (Bild 4). Die Überspannungsschutz-Geräte werden direkt an den Messkopf in das Gewinde der Verschraubung montiert. Bei der Stutzenvariante wird die zweite freie Verschraubung verwendet. Bei der Durchführungsvariante wird nur eine Einführung genutzt, diese Variante eignet sich für Feldinstrumente mit nur einer Einführung. Die Ableiter besitzen ein hohes Ableitvermögen und einen niedrigen Schutzpegel. Je nach Ausführung können die Ableiter in gas- oder staubexplosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Sie erfüllen die Anforderungen aus der Norm für Überspannungsschutz-Geräte als auch aus der Ex-Schutz-Norm. Damit steht dem Schutz von Profibus PA-, Foundation Fieldbus-, Hart- und Namur-Signalen oder einfach nur Stromschleifen nichts mehr im Wege.