Blitz- und Überspannungsschutz eigensicherer Systeme

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], DIN EN IEC 60079 Teil 14 [6] und Teil 25 [7] regeln sowohl 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.

Direkter Blitzeinschlag (S1)

• galvanische Kopplung
• induktive / kapazitive Kopplung
   

Indirekter Blitzeinschlag (S2)

• leitungsgebundene Blitzteilströme
• induktive / kapazitive Kopplung

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] und die DIN EN IEC 62305-3, Beiblatt 7 [9] 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.
• Ein Blitzschlag kann sowohl durch einen direkten Einschlag, aber auch durch die Auswirkungen eines Einschlags in größerer Entfernung explosionsfähige Atmosphäre entzünden.
• 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. 

Der Blitzkanal durchdringt die Ex-Zone 1 und kann bei gleichzeitigem Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre eine unmittelbare Zündung herbeiführen.

• Aufgrund von Potentialdifferenzen zu angrenzenden Anlagenteilen sind Funkenentladungen oder Überschläge möglich.

• In Metallteilen in der Umgebung der Ableitwege kommt es aufgrund kapazitiver und induktiver Kopplung zu Strömen und Potenzialverschiebungen.

Wird der Trennungsabstand nicht eingehalten, kommt es zu unkontrollierten Über- und Durchschlägen von der Ableitung zur inneren Installation.

Das Ableiten von Blitzströmen erzeugt starke elektromagnetische Beeinflussungen (Überspannungen) der metallenen Installation im Gebäude / Anlage.

• 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.

Die Schadensquellen S3 und S4 nach DIN EN IEC 62305-2 [8] beschreiben die direkten und indirekten Blitzbeeinflussungen auf alle eingeführten metallenen Leitungen. Diese können von der Ferne hohe Zündenergie in den Ex-Bereich einführen.

• In der Gefährdungsbeurteilung müssen Zündgefahren durch Blitzschlag für explosionsgefährdete Bereiche in ihrer Gesamtheit bewertet werden.

In explosionsgefährdeten Bereichen besteht also nicht nur Gefahr durch die Auswirkungen des direkten Blitzeinschlags, sondern auch die Gefährdung durch die elektromagnetische Wirkung des Blitzstroms auf die Installation der elektrischen Anlage und durch eingeführte metallene Installationen (z. B. Kabel). Bei gleichzeitigem Vorhandensein einer explosionsfähigen Atmosphäre (z. B. an den Anschlussklemmen im Gehäuse eines eigensicheren Betriebsmittels) kann die bei einem Überschlag freiwerdende Zündenergie jederzeit zum Brand oder zu einer Explosion führen.

Aus diesem Grund ist es enorm wichtig für die Sicherheit der Gesamtanlage, ein in sich geschlossenes und aufeinander abgestimmtes und sehr detailliertes Schutzkonzept zu realisieren. Das sogenannte Blitz-Schutzzonen-Konzept wird in der DIN EN IEC 62305-4 [8] behandelt und ist die Basis für den Aufbau eines Blitzschutzsystems im Ex-Bereich. Besonders gefährdet durch die Induktionswirkung des Blitzstromes sind Kabel und Leitungen. Sehr häufig sind im Ex-Bereich eigensichere Messkreise anzutreffen. Hier werden zwar Anforderungen an den Blitzschutz von eigensicheren Kreisen im Abschnitt 12.3 der Norm DIN EN IEC 60079-14 [6] aufgeführt, aber für die Beherrschung von Überspannungen in einer explosionsgefährdeten Anlage stellt die DIN EN IEC 62305-4 [8] den Stand der Technik dar.

Nun gilt es die in der TRGS 723 [4] beschriebenen Gefährdungen des eigensicheren Systems in der Anlage zu beurteilen, ob durch eine der Schadensquellen gefährliche Auswirkungen durch Blitzeinwirkung entstehen können. 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 IEC 62305 – 2 [8] oder der nationale Anhang NA der DIN EN IEC 62305-1 [8].

Werden Gefährdungen durch Blitzeinwirkungen (TRGS 723 [4] mit Unterstützung der Risikoanalyse nach DIN EN IEC 62305 – 2 [8] und dem Beiblatt 7 [9]) 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 / 1 oder 20 / 21 keine schädlichen Auswirkungen auf diese haben.

Die DIN EN IEC 60079-14 [6] verweist bei Blitzgefährdung direkt auf Maßnahmen entsprechend der Normenreihe DIN EN IEC 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 IEC 62305-4 [8]
• das Einleiten von Schutzmaßnahmen gegen die Wirkung des elektromagnetischen Blitzimpulses (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.

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 IEC 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.

Da am Tank eine Fühlerleitung mit SPD beschalten wird, welche in Zone 0 eingeführt wird, muss das SPD noch zusätzlich für diesen Einsatzfall (Leitungen aus Ex-Zone 0) zugelassen sein. Gemäß EG-Baumusterprüfbescheinigung muss das SPD vom Typ DPI MD EX 24 M2 bzw. Typ BCO ML2 BD EX 24 in unserem Anwendungsfall folgende Zulassung haben:
II (1)2 G Ex ia [ia Ga] IIC T4 ... T6 Gb

Da die Überspannungsschutzgeräte direkt in den eigensicheren Messkreis integriert werden, sind natürlich auch alle Zusammenschaltbedingungen nach DIN EN IEC 60079-14 [6] einzuhalten.

Speziell bei der Installation eines SPDs am Tank (oft Leitungen aus Zone 0) müssen noch folgende Anforderungen nach DIN EN IEC 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.

Eine Gefährdung von chemischen und petrochemischen Anlagen durch eine Blitzentladung 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 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. Weitere technische Lösungen sind im Beiblatt 7 der DIN EN IEC 62305-3, Beiblatt 7 [9] beschrieben.

Literatur

[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),
      Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Verwendung von Arbeitsmitteln

[3]  Gefahrstoffverordnung (GefStoffV),
      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): 2021; Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“

[6]  DIN EN IEC 60079-14 (VDE 0165-1): 2026; Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 14: Projektierung, Auswahl und Installation der Geräte sowie Erstprüfung elektrischer Anlagen

[7]  DIN EN IEC 60079-25 (VDE 0170-10-1): 2020; Explosionsfähige Atmosphäre – Teil 25: Eigensichere Systeme

[8] DIN EN IEC 62305: Blitzschutz –
     Teil 1: Allgemeine Grundsätze: 2026-02
     Teil 2: Risiko – Management: 2026-02
     Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen: 2025-10
     Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen: 2026-02

[9] DIN EN IEC 62305-3 Beiblatt 7 (2025-10): Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen; Beiblatt 7: Zusätzliche Informationen für bauliche Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen

Verwendete Abkürzungen

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