Eigensicherheit ist ein Explosionsschutzverfahren, das die elektrische und thermische Energie in einem Stromkreis so weit begrenzt, dass selbst bei einem Fehler im Stromkreis kein Funke oder keine heiße Oberfläche entstehen kann, die eine entzündbare Atmosphäre zünden könnten. Im Gegensatz zu druckfesten Gehäusen, die eine Entzündung nach ihrem Auftreten einschließen, verhindert die Eigensicherheit, dass die Zündquelle überhaupt erst entsteht.
Alle anderen großen Schutzkonzepte, druckfeste Gehäuse (Ex d), erhöhte Sicherheit (Ex e), gehen davon aus, dass ein Funke oder Lichtbogen auftreten kann und enthalten entweder die daraus resultierende Explosion oder beseitigen die Bedingungen, die Funken entstehen lassen.
Die Eigensicherheit (Ex i) verfolgt einen anderen Ansatz: Sie begrenzt Spannung und Strom bereits an der Quelle, sodass selbst ein abgerissener Leiter, ein Kurzschluss oder ein kurzgeschlossener Bauteil nicht genügend Energie freisetzen kann, um das umgebende Gas-, Dampf- oder Staubatmosphäre zu entzünden.
Feldgeräte wie Transmitter, Schalter und kleine Antriebe arbeiten typischerweise auf Leistungsniveaus, bei denen dieser Ansatz praktikabel ist, weshalb die Eigensicherheit in der Prozessmesstechnik in Gefahrenbereichen vorherrscht.
Die Norm IEC/EN 60079-11 definiert Unterstufen der Eigensicherheit danach, wie viele unabhängige Fehler der Stromkreis tolerieren muss, ohne zündfähig zu werden:
Die Norm unterscheidet „anrechenbare“ Fehler, glaubhafte Ausfälle wie ein Bauteilkurzschluss oder ein Unterbruch, die für die ia- oder ib-Fehlerzählung berücksichtigt werden müssen, von Fehlern, die als nicht anrechenbar behandelt werden, weil ausreichende Abstände, Kriech- und Luftstrecken in der Konstruktion des Geräts sie hinreichend unwahrscheinlich machen. Nur anrechenbare Fehler werden zur Bemessung des Fehler-Toleranzfalls für ia, ib oder ic herangezogen.
Die Fehlertoleranz, die ein Stromkreis bietet, bestimmt, in welche anspruchsvollste Zone er eingesetzt werden darf:
| Schutzstufe | Equipment Protection Level (EPL) | Typische Gaszone | Fehlertoleranz |
|---|---|---|---|
| Ex ia | Ga | Zone 0 | Zwei Fehler |
| Ex ib | Gb | Zone 1 | Ein Fehler |
| Ex ic | Gc | Zone 2 | Kein Fehler (nur Normalbetrieb) |
Zone 0 umfasst Bereiche, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre kontinuierlich oder über lange Zeiträume vorhanden ist; deshalb muss die dort eingesetzte Ausrüstung auch nach zwei unabhängigen Fehlern sicher weiterarbeiten, weshalb Ex ia die Mindestanforderung für Zone 0 ist (in Ex ia zertifizierte Geräte dürfen auch in Zone 1 oder Zone 2 installiert werden, da sie deren Anforderungen erfüllen oder übertreffen).
Zone 1 umfasst Bereiche, in denen die Atmosphäre bei normalem Betrieb wahrscheinlich auftritt, und Zone 2 umfasst Bereiche, in denen sie nur kurzzeitig oder unter ungewöhnlichen Bedingungen zu erwarten ist.
Dieselbe energiebegrenzende Logik liegt auch anderen Zoneneinstufungsentscheidungen zugrunde, die Anlagenbetreiber im Zusammenhang mit dem Risiko von Lichtbögen ( Lichtbogen ) und dem Schutz vor Fehlerströmen zur Erde ( Schutz gegen Erdschlussströme ) treffen, wo das Ziel ebenfalls ist, zu verhindern, dass ein elektrischer Fehler zur Zündquelle oder zur Verletzungsursache wird.
Eine Zener-Barriere ist ein passives Netzwerk aus Zener-Dioden, Widerständen und einer Sicherung, das an der Grenze zwischen dem sicheren Bereich und dem Gefahrenbereich installiert wird. Im Normalbetrieb begrenzen die Widerstände den Strom und das Signal des Instruments wird unverändert weitergeleitet.
Wenn ein Fehler in der sicheren Bereichsausrüstung die Spannung über die Zener-Schwelle treibt, klemmen die Dioden die Spannung ab und leiten den überschüssigen Fehlerstrom an eine dedizierte eigensichere Erdung ab, während die Sicherung die Dioden vor thermischer Beschädigung schützt.
Zener-Barrieren sind einfach und kostengünstig, benötigen jedoch eine niederohmige, verifizierte eigensichere Erdverbindung, damit sie funktionieren, und diese Erdung muss als Teil der Schleife gewartet und geprüft werden.
Ein galvanischer Trenner erreicht dieselbe Energiebegrenzung ohne gemeinsamen elektrischen Pfad. Intern trennt er den Gefahrenbereichskreis vom sicheren Kreis mithilfe eines Transformators, Relais oder Optokopplers, lässt dabei aber trotzdem das Mess- oder Steuersignal über die Grenze passieren.
Da es keine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden Seiten gibt, sind galvanische Trenner nicht auf eine dedizierte eigensichere Erdung angewiesen, was die Installation vereinfacht und eine häufige Fehlerquelle eliminiert. Sie sind in der Regel teurer als Zener-Barrieren, sind aber aus diesem Grund inzwischen die häufigere Wahl bei Neuanlagen.
Jedes zugehörige Gerät (die Barriere oder der Isolator) und jedes eigensichere Feldgerät (der Transmitter, Schalter oder ein anderes Gerät) trägt einen Satz zertifizierter Entity-Parameter auf dem Typenschild oder im Datenblatt. Damit die Schleife eigensicher ist, müssen diese Parameter vor der Verdrahtung verglichen und aufeinander abgestimmt werden:
Dieses Entity-Konzept erlaubt es Ingenieuren, zertifizierte Barrieren und Feldgeräte verschiedener Hersteller zu kombinieren, ohne einen systemweiten Zertifizierungstest durchführen zu müssen, solange jeder Parameterabgleich bestanden ist und die kombinierte Ausgangsleistung innerhalb der zertifizierten Grenzen für die beteiligte Gasgruppe und Temperaturklasse bleibt. Ein falsches Zusammenpassen dieser Werte oder das Überspringen dieser Prüfung beim Austausch eines Feldgeräts ist einer der häufigsten Wege, wie eine eigensichere Schleife unbeabsichtigt kompromittiert wird.
Eigensichere Schleifen versagen genauso wie jede andere Instrumentierungsschleife: Barrieresicherungen können durchbrennen, eigensichere Erdungen korrodieren, Kabelisolierungen altern, und Feldgeräte driften oder fallen ganz aus. Da sich diese Fehler oft zunächst als subtile Leistungsverluste statt als sofortiger Alarm zeigen, ist zustandsbasierte Überwachung der Leitung in Gefahrenbereichen genauso wichtig wie in jedem anderen Bereich der Anlage.
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Nein. Druckfeste/explosionsgeschützte (Ex d, flammendichte) Geräte erlauben eine innere Entzündung, schließen diese jedoch in einem robusten Gehäuse ein, sodass sie nicht entweichen kann. Eigensicherheit begrenzt die Energie so, dass erst gar kein zündfähiger Funke oder keine heiße Oberfläche entsteht.
Nur nach erneuter Überprüfung des Abgleichs der Entity-Parameter des neuen Geräts gegen die installierte Barriere oder den Isolator. Ein Ersatz mit höherer Ci oder Li oder geringerer Vmax oder Imax kann die zertifizierte Schleife ungültig machen, auch wenn er mechanisch passt.
IS-Leitungen werden typischerweise in separatem, deutlich gekennzeichnetem Kabel (oft hellblau) verlegt oder von Nicht-IS-Leitern getrennt und müssen die Isolations- und Trennungsanforderungen der relevanten Installationsnorm erfüllen, sodass ein Fehler in einem Nicht-IS-Kreis keine Energie in die IS-Schleife koppeln kann.
Ex ia ist nur dort erforderlich, wo die Ausrüstung in Zone 0 betrieben werden muss. In Zone 1 erfüllt Ex ib die geforderte Schutzstufe bei üblicherweise geringeren Kosten und geringerer Designkomplexität, sodass die Spezifikation von ia überall Überdimensionierung statt zusätzlichen Schutz bedeuten würde.
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