Wissenswertes über:
Kabel und Leitungen für explosionsgefährdete Bereiche
Die Eigenschaften von Kabeln und Leitungen in explosionsgefährdeten Bereichen sind ein wesentlicher Bestandteil des elektrischen Explosionsschutzes. Deshalb ist die Auswahl geeigneter Kabel und Leitungseinführungskomponenten sowie deren Kombination so wichtig. Auf den ersten Blick scheint es einfach und trivial zu sein, aber in Wirklichkeit ist dies nicht der Fall. Der klassische europäische Explosionsschutz (Richtlinie 2014/34/EU, nachfolgend ATEX-Richtlinie") bezieht sich auf ein Gerät, z.B. eine Lampe, ein Messgerät, eine Kamera oder ähnliches.
Er legt die Ausführung des Gerätes und die anzuwendende Schutzart fest, um das Gerät sicher zu machen. Dann prüft ein vom Gerätehersteller ausgewähltes Prüflabor, ob die Konstruktion des hergestellten Gerätes den Sicherheitsanforderungen entspricht.
In der Regel prüft der Hersteller die druckfesten Geräte ohne Kabel.
Kabel und Leitungen fallen nicht in den Geltungsbereich der ATEX-Richtlinie.
Unsachgemäße Kabel und/oder Kabelverschraubungen können die Schutzart des Gerätes beeinträchtigen und zu einer Explosion führen.
Sowohl die internationalen Normen (IEC) als auch die europäischen Normen (CENELEC) sind sich dieser Problematik bewusst: Die Normen und Standards der geltenden Zündschutzarten (Ex-d, Ex-e) legen immer konkreter und detaillierter die allgemeinen sowie spezifischen Anforderungen an Kabel und Leitungen fest. Dies gilt auch für die "Anwendernorm": IEC/DE 60079-14: Planung, Auswahl und Errichtung von Elektroinstallationen. Der technische Anwendungsbereich, z.B. für Kabelverschraubungen, ist in der Gerätenorm IEC/EN 60079-0/1 definiert, jedoch ist es nicht die Pflicht des Geräteherstellers, die richtigen Kabel und Leitungen auszuwählen. Dies ist eine Verpflichtung des Errichters und/oder Betreibers von Anlagen im explosionsgefährdeten Bereich. Diese Übertragung der Verantwortung ist schwierig, aber sinnvoll, und grundsätzlich definiert die Verantwortungshierarchie folgendes Vorgehen:
Der Gerätehersteller ist für sein Gerät verantwortlich, und zwar bis zu dem Gewinde, in das die Kabelverschraubung eingeführt wird.
Der Hersteller der Kabelverschraubung ist dafür verantwortlich, dass die Kabelverschraubungen für definierte Kabeltypen (z.B. bestimmter Durchmesser, von/bis) bis zu einem Druck von 30 bar sicher sind.
Schließlich ist der Errichter und/oder Betreiber des Ex-Gerätes für die richtige Auswahl des geeigneten Kabels und dessen Abstimmung mit der entsprechenden Kabelverschraubung verantwortlich.
Anforderungen an Kabel und Leitungen
Allgemeine Anforderungen an Kabel sind in Abschnitt 9.3 der Norm IEC/EN 60079-14 beschrieben. Üblicherweise werden für Konfigurations- und Planungsaufgaben normale Kupfer- oder Glasfaserkabel verwendet. Natürlich sollte ein Kabel für den Ex-Bereich mechanisch robust sein.
Doch wann gilt ein Kabel als mechanisch robust?
Die Norm IEC/EN 60079-14 legt Folgendes fest:
Material des Mantels
Der Außenmantel der Leitung muss aus thermoplastischem, duroplastischem oder elastomerem Material bestehen. Fast alle kommerziellen Kabel fallen in eine dieser Kategorien. So können PUR-Leitungen je nach Vernetzungsgrad duroplastisch, thermoplastisch oder elastomer sein.
Form des Kabels
Kabel müssen rund und kompakt sein, denn die Kabeleinführungen haben runde Gummidichtungen, die die notwendige Abdichtung des Kabels gewährleisten.
Sie müssen kompakt sein, da eine weniger kompakte Litzenleitung dem Anpressdruck des Gummirings der Kabelverschraubung nicht standhält. In diesem Fall reicht die Haftreibung zwischen Gummiring und Kabel nicht aus, um die erforderliche Druckfestigkeit zu gewährleisten. Insbesondere bei der direkten Einführung des Kabels in die druckfeste Kapselung (Ex-d) sind die runde Form und die Kompaktheit des Kabels wichtige technische Eigenschaften, die die Sicherheit des Kabels gewährleisten.
Einbettung und Füllkörper
Jede Einstreu oder Ummantelung ist zu extrudieren. Füllstoffe, falls vorhanden, dürfen nicht hygroskopisch sein ... Druck- oder Mantelextrusionen sind heute Standardtechnologien in der Kabelproduktion und moderne handelsübliche Kabel werden mit nicht hygroskopischen Füllstoffen versehen. Im Zweifelsfall fragen Sie den Kabelhersteller nach diesen beiden Parametern.
Potentielle Zündung/Flammenübertragung
Theoretisch kann insbesondere in großen druckfesten Gehäusen mit entsprechend hohen Explosionsdrücken eine Flammenübertragung durch das Kabel auftreten. Diese Problematik wird nur recht allgemein in Abschnitt 9.3.2 der IEC/EN 60079-14 beschrieben. Grundsätzlich gilt die Forderung: Eine mögliche Wahrscheinlichkeit der Flammenübertragung durch das Kabel (z. B. Aderzwischenräume) muss verhindert werden. Es wird aber weder erklärt noch beschrieben, welche Art von Kabeln dieses Phänomen zulassen können und wie solche Risiken vermieden werden können.
Mögliche Flammenübertragung zwischen isolierten Adern Kupferdrähte und ihre Isolierung sind in der Regel kreisförmig. Wenn solche Bauteile nicht druckgepresst, sondern einfach miteinander verdrillt werden, entsteht zwischen ihnen ein Spiel oder ein Spalt, durch den Gas und Luft entweichen können. Ist die "Form" (Längen-Breiten-Verhältnis) eines solchen Spaltes schlechter als die Form des druckfesten Spaltes im Gehäuse, so ist die Leitung der Engpass der Ex-d-Schutzart.
Die Folge ist, dass die Länge und die mechanische Robustheit des Kabels wichtige Parameter sind. Je länger das Kabel, desto größer ist das Verhältnis von Länge zu Breite einer Potentiallücke und damit die Sicherheit des Systems.
Wo muss man mit diesem Risiko rechnen?
Dieses Risiko besteht, wenn das Kabel die Kriterien für die Mitnahme der Schutzzone nicht erfüllt, d.h. wenn die Leitung eine schlechte Längsfestigkeit aufweist
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Wie begegnet man diesem Risiko richtig?
Die erste ist die Verwendung von Sperrverschraubungen nach IEC/EN 60079-14 (siehe Abschnitt 10.6.2). Bei solchen Verschraubungen wird der Freiraum zwischen den isolierten Adern mit Modelliermasse oder Gießharz (Compound) ausgefüllt. Solche Sperrverschraubungen verhindern zuverlässig die Flammenübertragung zwischen den isolierten Kernen, nachteilig sind jedoch die höheren Lohnkosten durch das Kneten der Masse. Außerdem können solche Kabelverschraubungen bei niedrigen Temperaturen nicht eingebaut werden, da die Masse eine bestimmte Mindestaushärtungstemperatur benötigt.
Die zweite mögliche Methode ist die Verwendung eines möglichst langen Kabels, vorausgesetzt, es ist ausreichend robust. Die IEC/EN 60079-14, Abschnitt 10.6.2 fordert diesbezüglich eine Mindestlänge von drei Metern. Diese Methode ist sinnvoll: Die Kabellänge beeinflusst direkt das Längen-Breiten-Verhältnis des Kabels.
Mögliche Flammenübertragung zwischen einzelnen Adern
Einzelne Drähte können verseilt werden (Geflecht). Zum Beispiel spiegelt AWG22/7 ein Geflecht mit 7 kreisförmig verseilten Einzeladern wider, während AWG22/1 ein starrer Draht ist. Auch in diesen Fällen gibt es Abstände zwischen den einzelnen Runddrähten, die das gleiche Problem wie oben beschrieben verursachen. Auch hier gilt, dass im Falle eines Schubs ein schlechtes Längen-Breiten-Verhältnis der Abstände zwischen den Adern besteht, wodurch der flammensichere Spalt des gesamten Schutzsystems beeinträchtigt wird.
Wo muss man mit diesem Risiko rechnen?
Dieses Risiko besteht, wenn der Draht die Kriterien zur Verhinderung von Zonenverschleppung nicht erfüllt, d.h. wenn der Draht eine schlechte Längsdichtheit aufweist (siehe Anhang E der IEC/EN 60079-14).
Hinweis: Die Flammendurchlässigkeit durch Abstände zwischen den Drahtadern ist bei großen Querschnitten - allein schon wegen der Formgeometrie - höher als bei kleineren Querschnitten. Uns ist nur eine Baumusterprüfung bekannt, bei der die Flammendurchlässigkeit für eine sehr kurze Leitung (Ex-d - Ex-e-Leitungsdurchführung) mit 95 mm2 Nennquerschnitt nachgewiesen wurde.
Wie begegnet man diesem Risiko richtig?
Eine Sperrverschraubung verhindert keine Gefährdung. Die maximal zulässigen Querschnitte und Kabellängen sind der jeweiligen Bedienungsanleitung zu entnehmen. Darüber hinaus sollten Sie auch auf die mechanische Robustheit des Kabels und auf die erforderliche Mindestlänge von 3 Metern achten.
Gefahr der Zonenverschleppung und Längsdichtheit
Die "Längsdichtheit" oder "Druckfestigkeit in Längsrichtung" oder "Längsatmung" ist eine bestimmte Eigenschaft des Kabels. Sie leitet sich aus dem Kabelaufbau ab und kann genau gemessen werden.
Kabel mit einer guten Längsdichtheit sind sicherer hinsichtlich der Vermeidung von Flammendurchschlag (Gerätesicherheit).
Lange Leitungen mit guter Längsdichtheit verhindern zuverlässig die Zonenverschleppung (Gerätesicherheit).
Wie begegnet man diesem Risiko richtig?
Wenn möglich, sollten Kabel mit guter Längsdichtheit verwendet werden, die die Kriterien der IEC/EN 60079-14 erfüllen. Unsere Ex-Kabel tun dies. Sollte dies nicht möglich sein, z.B. bei Lichtwellenleitern, können Sie die Situation durch den Einsatz von Barriere-Gewindeverschraubungen verbessern. Sie verhindern zuverlässig den Gasaustritt durch den Abstand zwischen den isolierten Adern. Wenn Sie mehrere Kabel mit schlechter Längsdichtheit in einem Schaltschrank flicken müssen, können Sie auch die Erzeugung eines leichten atmosphärischen Überdrucks, z.B. durch eine geeignete Klimaanlage, in Betracht ziehen. Der leichte Überdruck (im Vergleich zum Feld) im Schaltschrank kann die Gefahr der Zonenverschleppung verhindern.
Schwerentflammbarkeit
Die Anforderungen an die Flammenausbreitung sind in Abschnitt 9.3.9 der Norm IEC/EN 60079-14 beschrieben. Die Kabel müssen gemäß IEC 60332-1-2 bzw. IEC 60332-2-2 flammwidrig sein, d.h. wenn das Kabel einer 1KW-Flamme ausgesetzt wird, darf keine Flammenausbreitung stattfinden. Andernfalls würde über das Kabel im Ex-Bereich ein zündfähiger Funke im sicheren Bereich übertragen, der unweigerlich eine Explosion auslösen würde. Sollten für diese Anwendungen keine flammwidrigen Kabel zur Verfügung stehen, bietet die Norm für solche Fälle Möglichkeiten wie z.B. die feuersichere Verlegung von Kabeln oder Brandschutzbarrieren. In der Praxis werden häufig Firewalls eingesetzt, wenn möglich, ist es jedoch besser, flammwidrige Kabel zu verwenden.
UV-Beständigkeit
Wenn die Kabel in explosionsgefährdeten Bereichen ultravioletten (UV) Strahlen ausgesetzt sind, ist die UV-Beständigkeit des Kabels eine sehr wichtige Eigenschaft. Ist ein Kabel nicht UV-beständig, verliert es bei UV-Strahlung seine Festigkeit und wird porös. Damit ist eine wichtige Anforderung wie die Robustheit des Mantels nicht mehr gewährleistet. Lediglich in Abschnitt 9.3.7 beschreibt die Norm IEC/EN 60079-14 die Risiken und Gefahren der UV-Strahlen und besagt, dass Kabel so verlegt werden, dass sie vor der Einwirkung von UV-Strahlen geschützt sind, was in der Praxis jedoch nicht immer möglich ist.
Oberflächentemperatur
Je nach Strombelastung können Drähte und Kabel heiß werden. Im explosionsgefährdeten Bereich können heiße Oberflächen eine Entzündung verursachen (die Zündtemperatur von Schwefelkohlenstoff liegt bei nur 95°C). Es ist also klar, dass das Kabel nicht heißer werden darf als das Gerät, an das das Kabel den elektrischen Strom liefert. Oder anders ausgedrückt: Die Oberflächentemperatur von Kabeln darf die Temperaturklasse des Systems nicht überschreiten. Die Norm IEC EN 60079-14 behandelt diese Fragen in Abschnitt 9.3.8.
Umgebungstemperatur
Diese Eigenschaft ist in der Installationsnorm wahrscheinlich nicht definiert, da sie selbsterklärend ist: Verwenden Sie das Kabel nur in dem vom Hersteller angegebenen Umgebungstemperaturbereich.
Öl- und Schlammbeständigkeit
Gerade im Offshore-Bereich sind gefährliche Bereiche oft mit Öl oder Bohrschlamm verschmutzt, z.B. in "Shaker-Räumen" oder auf Bohrplattformen. In solchen Fällen sollten Sie darauf achten, dass die Kabel diesen rauen Umgebungsbedingungen standhalten. Grundsätzlich gilt: Öl- und Bohrschlammverschmutzungen dürfen die für den Explosionsschutz relevanten Eigenschaften der Kabel nicht beeinträchtigen. Die IEC/EN 60079-14 Bau und Installation befasst sich nicht mit diesem Thema, aber Sie können sich auf die Normen IEC 60811-2-1 zur Ölbeständigkeit sowie auf die norwegische Norm NEK 606 zur Bohrschlammbeständigkeit beziehen.
Einbau
Da die europäischen Normen und die IEC-Explosionsschutznormen für die Geräte und nicht für die Kabel gelten, müssen letztere vor Beschädigung geschützt verlegt werden. Die IEC/EN-Norm behandelt die Installationsfragen im Kapitel 9.3.7 "Vermeidung von Schäden". Die wichtigsten Regeln sind:
Bei der Verlegung der Kabel sind diese so zu schützen, dass sie allen möglichen mechanischen, chemischen und umwelttechnischen Risiken standhalten.
Biegen Sie das Kabel nicht direkt hinter der Verschraubung. Lassen Sie einige Zentimeter (min. 2,5 cm) eines geraden Kabels hinter der Verschraubung.
Flexible Kabel für stationäre oder mobile Geräte
In explosionsgefährdeten Bereichen können in der Regel auch flexible Leitungen für stationäre Geräte eingesetzt werden, da für Anwendungen oft Schleppkettenleitungen erforderlich sind. Dennoch ist es sinnvoll, die Anwendung genau zu untersuchen. Wie viele Zyklen muss die Leitung überstehen? Bei welchem Biegeradius und welcher Temperatur? Am besten bespricht man die Anforderungen der Anwendung mit dem Kabelhersteller. Die einschlägige Norm ist sehr vage: Von einer robusten kunststoffisolierten Leitung bis hin zu einer leichten Gummischlauchleitung kann alles geplant und eingesetzt werden, solange sichergestellt ist, dass die Leitung nicht beschädigt werden kann.
Verwenden Sie immer gerätezertifizierte Verschraubungen, die sowohl in Bezug auf die Explosionsschutzparameter als auch auf die Umgebungsparameter Ihrem Gerät entsprechen.
Wenn alle Parameter erfüllt sind und das Kabel mindestens 3 Meter lang ist, können Kabelverschraubungen mit Gummiringdichtungen verwendet werden.
Ist das Kabel kürzer als drei Meter, verwenden Sie Sperrverschraubungen.
Besteht die Gefahr der Zonenverschleppung und das Kabel hat keine ausreichende Längsdichtheit, müssen sekundäre Maßnahmen eingeleitet werden, um eine Zonenverschleppung zu verhindern.