Überdruckkapselung sorgt für sicheren und kostengünstigen Schutz
Bilden Gasgemische oder feine Partikel explosionsfähige Atmosphären, bedarf es eines geeigneten Schutzkonzepts zur Vermeidung von Zündgefahren durch elektrische Betriebsmittel. Eine Möglichkeit ist die Überdruckkapselung Ex p, die sich insbesondere für die geschützte Unterbringung elektrischer Einheiten mit hohem Platz- und Energiebedarf eignet. Immer mehr Anwender entscheiden sich deshalb für die Überdruckkapselung (Ex p) als Schutzart. Weiterhin ist diese nicht nur sicher, sondern bietet auch ökonomische und funktionale Vorteile. Sind alle Geräte im Innern sicher verpackt – sprich nach den Vorgaben des Explosionsschutzes installiert – kann der Anwender getrost die Türen schließen und sich beruhigt zurücklehnen. Auch in puncto Robustheit, einfacher Installation und Gewichtseinsparung überzeugt die Überdruckkapselung.
Wie funktioniert’s?
R. STAHL bietet Steuerungs- und Überwachungssysteme in der Zündschutzart Überdruckkapselung in drei Basisausführungen an. Diese sind einheitlich aufgebaut und bestehen immer aus Ex p-Steuergerät, Ex p-Druckwächtern sowie Ex p-Spülventilen mit digitaler und proportionaler Regelung. Auf Basis von Zeitintervallen und Druckauswertungen werden über die Spülventile entweder Zündschutzgase z. B. Druckluft in das Innere des Ex p-Gehäuses transportiert und automatisch geregelt. Zusätzlich ist im Innern eine Temperaturüberwachung und -regelung zur adäquaten Kühlung integriert. Dabei decken die Systeme Anforderungen von sehr kleinen (10 Liter-Volumen) bis hin zu sehr großen Ex p-Schaltschränken mit Volumina von 4.000 Litern ab.
Der Betrieb einer klassischen Überdruckkapselung Ex p unterteilt sich in drei Schritte:
- Vorbereitungsphase: Über das Spülventil werden Druckluft oder Inertgase in das Ex p-Gehäuse zugeführt und ein Überdruck generiert. Ist dieser erreicht, beginnt die sogenannte Vorspülphase, die über das Ex-p-Steuergerät reguliert wird.
- Vorspülphase: Vor Inbetriebnahme der im Inneren des Schaltschranks befindlichen Betriebsmittel muss ein potenziell vorhandenes explosionsfähiges Gemisch dem Gehäuse entzogen werden. Nach Erreichen des vorab eingestellten Gehäuse-Innendrucks öffnet sich das Spülventil. Es folgt die Durchspülung mit Zündschutzgas durch die zusätzliche Öffnung des Luftaustrittsventils. Diese Luftaustrittsventile (Druckwächter) werden an verschiedenen Stellen positioniert, um für kontrollierte Strömungsverhältnisse zu sorgen. Von Vorteil sind die sehr kurzen Spülzeiten bei sehr kleinen Druckbelastungen (0,002 bar). Dadurch können dünnere Schaltschrank-Wandstärken (kleiner als 2 mm) verwendet werden. Dies senkt die Kosten. Ist diese Vorspülphase beendet, schließt sich das Spülventil und der Spülfluss stoppt. Der Gehäuse-Innendruck stellt sich erneut auf den voreingestellten Wert ein und das Luftaustrittsventil schließt.
- Betriebsphase: Der Normalbetrieb beginnt und die Steuereinheit kontrolliert und reguliert den Gehäuse-Innendruck, um das Eindringen explosionsfähiger Gase oder Stäube zu verhindern. Leckverluste werden automatisch durch das Spülventil ausgeglichen.
Für unterschiedliche Schutzarten
Das Ex p-System ist in den gasexplosionsgefährdeten Bereichen der Zonen 1 und 2 sowie den staubexplosionsgefährdeten Bereichen der Zonen 21 und 22 einsetzbar. Liegt Ex-Zone 1 oder 21 (Ex pxb) vor, muss das montierte Ex p-System einfehlersicher sein. Dies wird im Regelfall über ein redundant aufgebautes Ex p-System erreicht. Als alternative Ausführung werden bei einer Ex pyb-Anwendung in Ex-Zone 1 oder 21 alle eingebauten Betriebsmittel mindestens für Ex-Zone 2 zertifiziert sein. Von Betriebsmitteln in Ex-Zone 2 geht jedoch eine verminderte Gefährdung durch Funken und Temperaturen aus. In diesem Fall reicht daher eine einfache Überwachungseinrichtung. Wird das System in Ex-Zone 2 oder 22 (Ex pzc) eingesetzt, reicht ebenfalls eine einfache Bewertung des Ex p-Systems aus.
Anwenderfreundliche Überdruckkapselung
Die Schutzart Ex p ist äußerst robust, langlebig (15 Jahre Lebensdauer sind keine Seltenheit) und sie besitzt vor allem im praktischen Handling einige Vorteile. So können handelsübliche Ex e-Gehäuse, aber auch kleinere und größere Standardgehäuse verwendet werden. Außerdem sind die Gehäuse wesentlich leichter. Zum Vergleich: Ein typisches Ex d-Gehäuse wiegt 180 Kilogramm, das entsprechende Ex p-Gehäuse liegt hier bei nur 40 Kilogramm. Auch die Durchführungen von innen nach außen müssen nicht in der Schutzart Ex d ausgeführt sein. Es können Ex e-Kabelverschraubungen, auch für Rohre und Schläuche, verwendet werden.
Achten sollte man darauf, dass die im Gehäuse eingebauten Komponenten nicht überhitzen, so ist inzwischen bei rund drei Viertel der Anwendung eine Klimatisierung nötig. Dies liegt vor allem daran, dass die Schaltschränke inzwischen auch in sehr warmen Klimazonen zum Einsatz kommen. So werden die Schaltschränke in einem weiten Temperaturbereich (von -30…+60 °C) eingesetzt. Zur Klimatisierung eignen sich zusätzliche Klimageräte oder der Einsatz von Wirbelstromluftkühler, Wasser- oder Spülluftkühlung.
Wie gehe ich vor?
Der einfachste Einstieg in die Ex p-Schutzart ist die Verwendung von vorkonfektionierten Einheiten. Hier ist es sogar möglich, eigene Geräte unterzubringen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein U-bescheinigtes Ex p-Leergehäuse bereit zu stellen. Dabei wird empfohlen, ein Gehäuse mit Standard-Abmessungen zu wählen. Es besteht auch die Möglichkeit, ein Leergehäuse selbst herzustellen (lassen), ein passendes Ex p-System zu kaufen und die Komponenten selbst zusammenzuführen.
Hintergrund ist, dass in der Gesamtzulassung über eine Prüfstelle, befähigte Person oder zugelassene Firma das „halbfertige Gesamtprodukt“ allen erforderlichen Prüfungen unterzogen wird. Dabei hilft es, wenn zumindest das verwendete Leergehäuse mit Ex p-System ein U-bescheinigtes Betriebsmittel ist. Ist das Leergehäuse kein U-bescheinigtes Betriebsmittel, muss zusätzlich die gesamte Oberfläche nach den Anforderungen der Ex p-Norm IEC 60079-2 geprüft werden.
Was passiert im Fall der Fälle?
Führt ein Innendruck dazu, dass sich eine Tür oder Abdeckung selbstständig öffnet, wenn der Verschluss bewegt wird, sollte der Anwender durch folgende Maßnahmen vor Verletzungen geschützt werden:
- Verwendung mehrerer Verschlüsse, so dass der Gehäusedruck langsam entweicht, bevor alle Verschlüsse gelöst werden; oder
- Verwendung eines Verschlusses mit zwei Positionen, um eine sichere Entlüftung des Drucks beim Öffnen des Gehäuses zu ermöglichen, oder
- den maximalen Innendruck auf mehr als 2,5 kPa begrenzen.
- Das überdruckgekapselte Gehäuse, etwaige Leitungen und ihre Verbindungsteile müssen die Prüfung des maximalen Überdrucks bestehen.
Kann im Betrieb ein erhöhter Druck auftreten, der eine Verformung des Gehäuses, der Leitungen oder Anschlussteile bewirkt, muss eine Sicherheitseinrichtung eingebaut sein, die den maximalen inneren Überdruck auf einen Wert begrenzt, sodass keine Verformungen auftreten können.
In Ex-Zone 1 und 21 sollte außerdem sichergestellt sein, dass bei Druckverlust keine Gefahr mehr aus dem Ex pxb-Schaltschrank heraus entsteht. Hier hat sich die automatische Spannungsfreischaltung bewährt, da dies einfach für den Anwender ist. Wird keine automatische Spannungsfreischaltung verwendet, muss eine Gefährdungsbeurteilung über die Sicherheitseinrichtungen und deren Folgen bei Ansprechen erfolgen. In Ex-Zone 2 und 22 reicht dagegen eine Alarmierung, wie Signalleuchte, Hupe oder ein Monitoring in der Schaltwarte etc. aus.
Ausblick
Ex p-Systeme haben den Vorteil, dass diese Lösung platzsparend umzusetzen ist und leicht anzuschließen ist. Mit diversen Basisgrößen, die R. STAHL anbietet, findet sich eine passende Lösung, die genügend Raum selbst für zusätzliche Komponenten bietet. Eine verbesserte Durchströmungstechnik des Ex p-Systems reduziert die hierfür notwendige Zufuhr von Druckluft deutlich und spart Energiekosten. Damit ist der Anwender nicht nur aus Sicht des Explosionsschutzes, sondern auch hinsichtlich der Kosten auf der sicheren Seite.
Ex p-Systeme zur Steuerung überdruckgekapselter Gehäuselösungen basieren im Wesentlichen auf Controllereinheiten, welche die Gehäusedaten überwachen und die Zuführung der Zündschutzgase bzw. der Druckluft über Spülventile auf Basis von Zeitintervallen und Druckwerten steuern. Während herkömmliche Systeme für verschiedene Schaltschrankgrößen und -bauformen eine hohe Varianz dedizierter Geräte verwenden, reduziert R. STAHL die Komplexität bei seinem neuen Ex p-System x621 auf drei Basiskomponenten in einheitlicher Ausführung. Das einfache System aus Ex p-Steuergerät, Ex p-Druckwächtern, die zugleich als Druckauslässe dienen, und Ex p-Spülventilen mit digitaler und proportionaler Regelung deckt alle Anforderungen von sehr kleinen Gehäusen mit 10 l-Volumen bis zu Ex p-Schaltschränken mit Volumina von 4000 l ab.
Dabei stellt das Ex p-Steuergerät Steuerungsabläufe für alle Schaltschrankgrößen bereit und gestattet ihre unkomplizierte bedarfsorientierte Anpassung. Ist beispielsweise bei größeren Schaltschränken eine Erhöhung der Auslass-Anzahlen erforderlich oder sollen Spüldruck bzw. Spülzeiten reduziert werden, brauchen dafür lediglich weitere Ex p-Druckwächter installiert werden. Die Verwendung ausschließlich einer Druckwächtervariante in anforderungsgerechten Anzahlen verringert den Aufwand sowohl für das Engineering als auch die Lagerhaltung. Dabei ermöglicht die hohe Präzision der Sensoren einen Betrieb nahe der Druckabschaltschwelle, der die Leckage-Mengen auf ein Minimum führt und einen äußerst kostengünstigen Dauerbetrieb ermöglicht. Für eine weitere Vereinfachung sorgt die ebenfalls im Steuergerät integrierte Spülventilregelung in wahlweise digitalem oder proportionalem Modus.
Darüber hinaus stehen zur Kühlung von Ex p-Schränken effektive Ex p-Wirbelluftkühler bereit, deren Kühlleistung sich – nach demselben einfachen Prinzip wie bei den Druckwächtern – durch Einbau weiterer baugleicher Ausführungen skalieren lässt. Nicht zuletzt reduziert die Ex p-Bypass-Schaltung des Steuergerätes, bei der die Elektronik im eigensicheren Betrieb arbeitet, den Aufwand für Inspektions- und Wartungsarbeiten erheblich. Der neuartige Inbetriebnahmeprozess erübrigt kostenträchtige Prüfschritte nach Wartungs- und Nachrüstungseingriffen und gewährleistet den Ex-Schutz zu jeder Zeit.
Das als Überwachungssystem für Schaltschränke zertifizierte Ex p System x621 wird in der Ex-Zone 1/21 nach IEC/EN/DIN 60079-2 als redundante Version und in der Ex-Zone 2/22 als kostenreduzierte Einfachversion eingesetzt. Die kompakte Formgestaltung der Komponenten und die moderne Bedienoberfläche des Ex-p Steuergeräts ermöglichen eine platzsparende Installation und einfache Inbetriebnahme. Durch die Außenmontage des schlanken Steuergeräts auf den Schaltschrankseitenwänden bleibt das volle Einbauvolumen der Applikation vorbehalten. Das Gehäuse aus widerstandsfähigem glasfaserverstärktem Polyester ist mit oder ohne Sichtfenster erhältlich und lässt sich mit einem Schutzkragen aus dem optionalen Zubehör auch gegen starken Regen schützen.
Passend zu seinen Ex p-Systemen bietet R. STAHL zertifizierte Ex p-Leerschränke in zehn Gehäusegrößen von 400x600x200 mm bis 2400x2000x1200 mm. Die Edelstahlschränke sind sowohl in eintürigen Ausführungen sowie mit Doppeltüren oder Dreifach-Türen erhältlich und zeichnen sich mit Wandstärken von nur 1,5 bis 2 mm durch eine gewichtssparende Konstruktion aus. Durch ihr großes Einbauvolumen, das in vielen Fällen eine direkte Übertragung von Schaltanlagen-Layouts aus dem sicheren in den Ex-Bereich gestattet, sowie durch ihr bis zu 80 % geringeres Gewicht bieten diese Ex p-Schaltschranksysteme gegenüber Ex d-geschützten Gehäuselösungen eine sehr wirtschaftliche Alternative mit vielfältigen Vorteilen.
So vereinfacht das Ex p-Schutzkonzept nicht nur die maschinennahe Installation von Schalt- und Steuereinheiten in Zone 1,2, 21 und 22, anstatt diese weit entfernt im Nicht-Ex-Bereich platzieren zu müssen. Im Unterschied zur Ex d-Gehäusetechnik lassen sich auch jederzeit unkompliziert Kabeleinführungen nachrüsten oder vorinstallierte Geräte um neue Komponenten ergänzen. Alle für Ex p- oder Ex e-Lösungen zugelassenen Stellgeber wie Drehschalter, Drucktaster, Pilztaster, Schlüsselschalter und Kontrollleuchten können ohne Modifikation eingesetzt werden. Als zusätzliches Plus führt der Überdruck im Schrankinneren zu allzeit staubfreien, sauberen und trockenen Installationen und sichert damit auch in rauen Umgebungen von Ex-Bereichen geschützte Räume für sensible Schaltanlagen.
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