Glossar

Grundlagen Explosionsschutz

Technische Entwicklung des Explosionsschutzes

Ungewollte Zündungen sind älter als der Mensch. Atmosphärische Entladungen – Gewitterblitze – lösten Brände aus, lange, bevor der Mensch die Erde betrat. 1753 als der erste Blitzableiter erfunden wurde konnten die elektrostatisch erzeugten Gefahren als Zündquellen für Brände deutlich reduziert werden. „Brandgefährlich“ war lange Zeit auch die Beleuchtung im Bergbau, denn Grubenluft mit Methan vermischt – sogenannte schlagende Wetter – konnten durch ausreichend starke Zündquellen zu Explosionen führen. 1815 stellte Sir Humphrey Davy die erste Benzinsicherheitslampe, ein nicht-elektrisches Betriebsmittel, für den Bergbau vor. Zwei übereinander angeordnete feinmaschige Metalldrahtgewebe trennten die möglichst klein zu haltende Flamme im inneren Sieb vom anstehenden brennbaren Gemisch, ließen aber eine Verbrennung innerhalb der Siebe zu. Die Siebe verhinderten - bei entsprechendem Umgang - eine äußere Zündung.

Im 19. Jahrhundert hielt die Elektrotechnik ihren Einzug in Industrie und Haushalte. Unmittelbar danach entwickelten sich, begründet durch das im Steinkohlenbergbau auftretende Methan und den Kohlenstaub, die ersten Grundlagen für den elektrischen Explosionsschutz. Die Vorteile der Elektrizität waren so überzeugend, dass man intensiv daran arbeitete, Mittel und Wege zu finden, wie das Zusammentreffen von explosionsfähiger Atmosphäre und Zündquellen - bedingt durch die Anwendung elektrischer Betriebsmittel - ausgeschlossen und wie somit Explosionen verhindert werden können.

Nach anfangs bitteren Erfahrungen konnten die Schlagwetterexplosionen sehr stark zurückgedrängt werden und elektrische Betriebsmittel mit hohem Sicherheitsstandard eingesetzt werden. Heute ist die Zahl der Ereignisse, die durch elektrische Zündquellen verursacht werden, erfreulicherweise gering. Der Aufwand an Entwicklung und Fertigung sowie die gesetzlichen Regelungen haben sich bewährt, deshalb muss die häufig gestellte Frage „ob der Aufwand gerechtfertigt ist“ mit ja beantwortet werden.

Ein Nachlassen wäre sträflicher Leichtsinn. Leider gibt es noch genügend Beispiele, die uns die verheerenden Auswirkungen von Explosionen für Menschen, Umwelt und Anlagen, bei Vernachlässigung bekannter Zusammenhänge, vor Augen führen. Vor den Lösungen, die die Vermeidung wirksamer Zündquellen betreffen, man bezeichnet sie als sekundären Explosionsschutz, hat der primäre Explosionsschutz Vorrang, d.h. man bemüht sich um Maßnahmen (nicht-brennbare Stoffe, Lüftung), die die Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre vermeiden.

Brennbare Stoffe, z.B. Methan oder Steinkohlenstaub in Gruben sowie Benzin oder vielleicht zukünftig Wasserstoff beim Kraftfahrzeug können nicht immer ausgeschlossen werden. Schutz und Sicherheit gewährleisten in diesem Fall Betriebsmittel, die zuverlässig explosionsgeschützt sind. Eine solche Lösung durch Bereitstellung von Zündschutzarten wird als sekundärer Explosionsschutz bezeichnet. Heute geht die Ausführung explosionsgeschützter Geräte und Maschinen längst über das Gebiet der Elektrotechnik hinaus. Auch nicht-elektrische Betriebsmittel sind prüf- oder wenigstens beurteilungspflichtig. Jahrzehntelange Erfahrungen und das angesammelte Wissen der Hersteller elektrischer Betriebsmittel auf dem Gebiet des Explosionsschutzes, ist nun für Hersteller nicht-elektrischer Betriebsmittel nützlich. Es gibt vielfältige Anwendungsfälle, die explosionsgeschützte Betriebsmittel erfordern. In den über 100 Jahren elektrischer Explosionsschutz sind Prinzipien und Techniken entwickelt worden, die es ermöglichen, elektrische Sensoren und Messtechniken auch dann einzusetzen, wenn die explosionsfähige Atmosphäre in Reaktionsgefäßen permanent vorhanden ist.

Der Anwendungsbereich im Bergbau war der Anfang. Die Nutzung und Verarbeitung von Erdöl und Erdgas ist ein weites Einsatzfeld für explosionsgeschützte Betriebsmittel. Die organische Chemie, die Lack- und Farbenindustrie oder die pharmazeutische Industrie verarbeiten brennbare Flüssigkeiten und brennbare Gase. Mit der Gewinnung und Nutzung von Biogas entwickeln sich ständig neue Anwendungsbereiche. Die Nutzung von Wasserstoff wird intensiv diskutiert, in Versuchsanlagen praktiziert und wird als erneuerbare Energie in unser Leben treten.

Zoneneinteilung

Bedeutung und Nutzen der Zoneneinteilung in Arbeitsstätten

Es hat sich bewährt, explosionsgefährdete Bereiche in Zonen einzuteilen. Diese Einteilung berücksichtigt die unterschiedlichen Gefahren durch explosionsfähige Atmosphären und ermöglicht einen Explosionsschutz, der den Verhältnissen sowohl aus sicherheitstechnischer Sicht als auch der Wirtschaftlichkeit entspricht. Für die Europäische Union ist die Zonendefinition in der Richtlinie 1999/92/EG einheitlich geregelt. Sie muss mit Sachverstand auf die konkreten Verhältnisse übertragen werden.

Explosionsgefährdete Bereiche werden nach Häufigkeit und Dauer des Auftretens von explosionsfähiger Atmosphäre in Zonen unterteilt.

Explosionsgefährdete Bereiche

Gase, Dämpfe

Zone 0
Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist.

Zone 1
Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln bilden kann.

Zone 2
Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt.

Staub

Zone 20
Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist.

Zone 21
Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub bilden kann.

Zone 22
Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt.

IEC 60079-10-1 geht für Gase und Dämpfe von einer annähernd gleichen Einteilung aus, die auch für zukünftige Anlagen nach USA-Norm NEC 505 Gültigkeit hat. IEC 60079-10-2 gibt Unterstützung für die Zoneneinteilung bei Stäuben und gilt auch für Anlagen, die nach der US-Norm NEC 506 errichtet wurden.

Aus dieser Einteilung ergibt sich der Umfang der zu ergreifenden Maßnahmen nach Anhang II, Abschnitt A der Richtlinie 1999/92/EG in Verbindung mit Anhang I der Richtlinie 2014/34/EU.

In Arbeitsstätten weisen die explosionsgefährdeten Bereiche allgemein höchstens Zone 1 oder 2 und 21 oder 22 auf. Die Zonen 0 und 20 beschränken sich auf sehr kleine unzugängliche Abschnitte von Arbeitsstätten oder sind in der Regel dem Innenbereich technologischer Einrichtungen vorbehalten.

Organisatorische Maßnahmen

Hersteller explosionsgeschützter Systeme, Geräte und Komponenten, Errichter und Betreiber von Anlagen schaffen gemeinsam die Voraussetzungen für den sicheren Betrieb von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen. Beim Betreiber ist das Wissen der Mitarbeiter um die Zusammenhänge des Explosionsschutzes und um die getroffenen Maßnahmen, die zu ihrer Vermeidung angewendet werden, eine wichtige Voraussetzung dafür.

Über den Inhalt des Explosionsschutzdokumentes nach Richtlinie 1999/92/EG in Europa und die betrieblich geltenden Regelungen sollten die Mitarbeiter in regelmäßigen Zeitabständen geschult und mit schriftlichen Betriebsanweisungen, die regelmäßig aktualisiert werden müssen, informiert werden.

Anmerkungen:

1. Schichten, Ablagerungen und Aufhäufungen von brennbarem Staub sind wie jede andere Ursache, die zur Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre führen kann, zu berücksichtigen.
2. Als Normalbetrieb gilt der Zustand, in dem Anlagen innerhalb ihrer Auslegungsparameter benutzt werden.
3. Die Definitionen für explosionsfähige Atmosphären entsprechen den europäischen Richtlinien und EN-IEC Normen:
   Explosionsfähige Atmosphäre: Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben unter atmosphärischen Bedingungen, indem sich der Verbrennungsvorgang nach erfolgter Entzündung auf das gesamte unverbrannte Gemisch überträgt.
   Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre: Explosionsfähige Atmosphäre, die bei Explosion zu Schaden führt und Maßnahmen zum Schutz der Arbeitnehmer vor Explosionsgefahren erforderlich machen.

Explosionstechnische Kennzahlen

Beispiele für die Zuordnung von Gasen und Dämpfen zu den jeweiligen Temperaturklassen und Explosionsuntergruppen:

Zündtemperatur von Stäuben (Schicht und Wolke)

Für Stäube ist das Bestimmungsverfahren der Zündtemperatur ebenfalls vereinheitlicht und in dem Dokument IEC 61241-2-1 festgeschrieben. Zu beachten ist, dass der Staub in abgelagerter Form - als Schicht - und in aufgewirbelter Form - als Wolke - unterschiedliche Zündtemperaturen aufweist.

Die zulässige Oberflächentemperatur (für den Staub zugängliche Teile der Systeme, Geräte und Komponenten) ergibt sich, indem von der Zündtemperatur der Staubschicht der Wert 75 K (Tzul. S = Tmin. S - 75 K) abgezogen wird und von der Zündtemperatur der Staubwolke 2/3 (Tzul. W = 2/3 Tmin. W) errechnet wird.

Der kleinere der beiden so ermittelten Werte stellt die zulässige Oberflächentemperatur der Betriebsmittel dar (Tzul. S > Tzul. < Tzul. W). Oberfläche ist die Fläche, die für den Staub zugänglich ist, Temperaturklassen sind bei Stäuben nicht definiert, so dass immer vom konkreten Staub ausgegangen werden muss. In umfangreichen Tabellenwerken stehen Kennzahlen zur Verfügung, Labors bestimmen die Werte auf Anfrage und eine kleine nichtoffizielle Übersicht enthält die Tabelle 1.

Explosionsuntergruppen - Leitfähigkeit des Staubes

Die IEC 61241-2-2 beinhaltet das Prüfverfahren zur Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes von Stäuben. Entsprechend dieses Widerstands werden Stäube in 3 Untergruppen aufgeteilt:

• IIIA - brennbare Flusen
• IIIB - nicht leitfähiger brennbarer Staub, spezifischer elektrischer Widerstand > 10³ Ω
• IIIC - leitfähiger brennbarer Staub, spezifischer elektrischer Widerstand < 10³ Ω
  
  

Schutzprinzipien

Um zu verhindern, dass Geräte und Komponenten zu Zündquellen werden, sind vier Schutzprinzipien definiert.

Die Schutzprinzipien können für elektrische und nicht-elektrische Betriebsmittel und für Gase oder Stäube angewendet werden. Die Prinzipien ermöglichen eine Auslegung in verschiedenen Sicherheitskategorien gemäß der Richtlinie 2014/34/EU bzw. dem Geräteschutzniveau (EPL) nach der Reihe EN- IEC 60079-0:

Gerätekategorie 1
sehr hoher Schutzgrad und damit sehr hohes Maß an Sicherheit

Gerätekategorie 2
hoher Schutzgrad und damit hohes Maß an Sicherheit

Gerätekategorie 3
normaler Schutzgrad und damit erhöhtes Maß an Sicherheit

Geräteschutzniveau a
sehr hoher Schutzgrad und damit sehr hohes Maß an Sicherheit

Geräteschutzniveau b
hoher Schutzgrad und damit hohes Maß an Sicherheit

Geräteschutzniveau c
normaler Schutzgrad und damit erhöhtes Maß an Sicherheit

Eine wesentliche Grundvoraussetzung für alle Schutzprinzipien ist, dass die Teile, zu denen die explosionsfähige Atmosphäre ungehinderten Zugang hat, hinsichtlich der Zündtemperatur der am Einsatzort vorhandenen Stoffe keine unzulässigen Temperaturen annehmen können. Damit ist die Zündtemperatur für alle Schutzprinzipien von Bedeutung. Vier Schutzprinzipien können Betriebsmittel als Zündquelle ausschließen. Die in der Übersicht als Beispiel genannten Zündschutzarten werden in einem weiteren Abschnitt behandelt.

Zündquellen, die aus Reib- und Schlagfunken sowie elektrostatischen Aufladungen herrühren, sind an explosionsgeschützten Betriebsmitteln durch Werkstoffauswahl wie auch durch konstruktive Maßnahmen auszuschließen. Dieser Sachverhalt wird durch entsprechende Prüfungen nachgewiesen und bestätigt.

Explosionsfähige Gemische können in das Betriebsmittel, in dem sich eine Zündquelle befinden kann, eindringen und gezündet werden. Die Übertragung der im Inneren ablaufenden Explosion auf den umgebenden Raum wird ausgeschlossen.

Zündschutzarten Beispiele:

• Druckfeste Kapselung (Ex d) - elektrische und nicht-elektrische Geräte
• Sandkapselung (Ex q) - elektrische Geräte

Das Betriebsmittel besitzt eine Kapselung, die das Eindringen des explosions-fähigen Gemisches und/ oder den Kontakt mit den funktionsbedingten möglichen inneren Zündquellen verhindert. Zündschutzarten Beispiele:

• Überdruckkapselung (Ex p) - elektrische und nicht-elektrische Geräte
• Schutz durch Gehäuse (Ex t) - elektrische Geräte
• Ölkapselung (Ex o) - elektrische Geräte
• Flüssigkeitskapselung (Ex h (alt k)) - nicht-elektrische Geräte
• Vergusskapselung (Ex m) - elektrische Geräte

Explosionsfähige Gemische können in das Gehäuse des Betriebsmittels eindringen, dürfen aber nicht gezündet werden. Funken und zündfähige Temperaturen müssen verhindert sein. Zündschutzarten Beispiele:

• Erhöhte Sicherheit (Ex e) - elektrische Geräte
• Konstruktive Sicherheit (Ex h (alt c)) - nicht-elektrische Geräte

Explosionsfähige Gemische können in das Gehäuse des Betriebsmittels eindringen, dürfen aber nicht gezündet werden. Funken und erhöhte Temperaturen dürfen nur begrenzt auftreten. Zündschutzarten Beispiele:

• Eigensicherheit (Ex i) - elektrische Geräte
• Zündquellenüberwachung (Ex h (alt b)) - nicht-elektrische Geräte

Zündschutzarten

Für alle Zündschutzarten gilt, dass die Teile, zu denen die explosionsfähige Atmosphäre ungehinderten Zugang hat, keine unzulässig hohen Temperaturen annehmen dürfen. Die Temperaturen dürfen unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur und der Erwärmung maximale Werte annehmen, die der Temperaturklasse oder der für brennbare Stäube bestimmten zulässigen Temperatur entsprechen, nach denen die explosionsfähige Atmosphäre eingestuft ist.

Kennzeichnung

Kennzeichnungsbeispiel nach RL 2014/34/EU, EN IEC 60079-0 ff - Elektrisches Gerät

A. Hersteller und Adresse
B. Typ-Nummer des Produktes
C. Sonstige Angaben mit Relevanz für industrielle Geräte

1. Konformitätszeichen (CE)
2. Kennnummer der notifizierten Stelle, die - wo erforderlich - das QS System zertifiziert oder die Produkte überprüft hat (Kategorie 1 und 2)
3. Ex-Zeichen
4. Gerätegruppe II - übrige Bereiche (über Tage) Gerätekategorie 2 - Gase/Dämpfe G, geeignet für Zone 1 und 2 - Stäube D, geeignet für Zone 21 und 22
5. EU-Baumusterprüfbescheinigung Symbol der Prüfstelle, Jahr, Registrierungsnummer der Prüfstelle
6. CoC Certificate of Conformity Symbol der Prüfstelle, Jahr, Registrierungsnummer der Prüfstelle
7. Explosionsschutz nach EN IEC 60079-0 ff Zündschutzart “druckfeste Kapselung” und “erhöhte Sicherheit” - Kennzeichnung Ex d und Ex e, “Schutz durch Gehäuse” - Kennzeichnung Ex t
   Explosionsschutz nach IEC 60079-0 ff Zündschutzart “druckfeste Kapselung” und “erhöhte Sicherheit” - Kennzeichnung Ex d und Ex e, “Schutz durch Gehäuse” - Kennzeichnung Ex t
8. Explosionsgruppe IIC (über Tage, Untergruppe C), Explosionsgruppe IIIC (leitfähige Stäube)
9. Temperaturklasse T6 (Gas), max. Oberflächentemperatur +80 °C (Staub)
10. Geräteschutzniveau Gb (hohes Schutzniveau) (Gas), Geräteschutzniveau Db (hohes Schutzniveau) (Staub)
11. wenn vorhanden:
    “X” besondere Bedingungen beachten: z. B. Das Leuchtmodul ist so zu errichten, dass es vor einer Stoßenergie gemäß EN 60079-0 mechanisch geschützt ist.
    “U” Ex-Bauteil mit Teilbescheinigung alleine nicht einsatzfähig. CE-Konformität wird mit dem Einbau in ein komplettes Betriebsmittel bescheinigt. Einzelne Komponenten haben keine Temperaturklasse.
12. Umgebungstemperaturbereich
13. Kennzeichnung nach INMETRO (Beispiel)

Kennzeichnungsbeispiel nach RL 2014/34/EU, EN 13463-1ff/EN ISO 80079-36, -37 – Nicht-elektrisches Gerät

A. Hersteller und Adresse
B. Typ-Nummer des Produktes
C. Sonstige Angaben mit Relevanz für industrielle Geräte (getriebespezifische Angaben)

1. Konformitätszeichen (CE)
2. Kennnummer der notifizierten Stelle, die - wo erforderlich - das QS System zertifiziert oder die Produkte überprüft hat (nur bei Kategorie 1)
3. Ex-Zeichen
4. Gerätegruppe II - übrige Bereiche (über Tage) Gerätekategorie 2 - Gase/Dämpfe G, geeignet für Zone 1 und 2 - Stäube D, geeignet für Zone 21 und 22
5. EU-Baumusterprüfbescheinigung Symbol der Prüfstelle, Jahr, Registrierungsnummer der Prüfstelle (nur bei Kategorie 1)
6. Explosionsschutz nach EN ISO 80079-36, -37 Alle Zündschutzarten - Kennzeichnung Ex h Explosionsschutz nach EN 13463-1 ff Zündschutzart “konstruktive Sicherheit” - Kennzeichnung c
   Explosionsschutz nach ISO 80079-36, -37 Alle Zündschutzarten - Kennzeichnung Ex h
7. Explosionsgruppe IIC (über Tage, Untergruppe C), Explosionsgruppe IIIC (leitfähige Stäube)
8. Temperaturklasse T6 (Gas), max. Oberflächentemperatur +80 °C (Staub)
9. Geräteschutzniveau Gb (hohes Schutzniveau) (Gas), Geräteschutzniveau Db (hohes Schutzniveau) (Staub)
10. “X” besondere Bedingungen beachten: z. B. das Getriebe ist nur in bestimmter Einbaulage einzubauen.
    “U” Ex-Bauteil mit Teilbescheinigung alleine nicht einsatzfähig. CE-Konformität wird mit dem Einbau in ein komplettes Betriebsmittel bescheinigt. Einzelne Komponenten haben keine Temperaturklasse.
11. Umgebungstemperaturbereich