Für explosionsgefährdete Bereiche

Überspannungsschutzgeräte mit Monitoring-Funktion

Mit Überspannungsschutzgeräten lassen sich Systeme der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik wirksam vor Überspannungen schützen. In explosionsgefährdeten Bereichen müssen die Überspannungsschutzgeräte speziell auf die zu schützende Einrichtung hin ausgelegt sein. Condition Monitoring-Funktionen, die den Zustand der Schutzelemente im Überspannungsschutzgerät kontinuierlich überwachen, gewinnen zunehmend an Bedeutung.

In der EN 60079-10-1 [3] sind Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche definiert. Die Einteilung erfolgt nach Häufigkeit des Auftretens von explosionsfähiger Atmosphäre und ist wie folgt festgelegt:
  • • Zone 0:
  • • ständig, häufig oder für lange Zeiträume
  • • Zone 1:
  • • gelegentlich
  • • Zone 2:
  • • normeilerweise nicht oder nur kurzzeitig
Zündschutzart Eigensicherheit

In Ex-Bereichen werden für MSR-Systeme häufig Geräte in der Zündschutzart „Eigensicherheit – ia“ eingesetzt. In eigensicheren Stromkreisen sind Spannung und Strom derart begrenzt, dass eine mögliche Funkenbildung ein explosionsfähiges Gemisch nicht entzündet.

Überspannungen können zur Zerstörung elektronischer Komponenten in Systemen der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (MSR) führen und damit deren Verfügbarkeit deutlich herabsetzen. Durch den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten (ÜSG) werden Überspannungsschäden vermieden – die Verfügbarkeit dieser Systeme wird dadurch wesentlich erhöht. Weil moderne Überspannungsschutz-Schaltungen so dimensioniert werden, dass Überspannungen auf ein für die zu schützenden Systeme verträgliches Maß begrenzt werden, bieten ÜSG einen wirksamen Schutz.

Schutz für Ex-Bereiche

Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen – sogenannten Ex-Bereichen – müssen die Geräte aber spezielle Anforderungen erfüllen. Neben der eigentlichen Schutzfunktion besitzen moderne ÜSG daher ein Condition Monitoring für die integrierten Schutzelemente. Dieses Monitoring ermöglicht eine zustandsorientierte und somit kostensparende Wartungsstrategie. Neben den Anforderungen an das Stoßstrom-Ableitvermögen und an die spannungsbegrenzende Wirkung müssen ÜSG für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen weitere – Ex-Schutz-spezifische – Anforderungen erfüllen. So müssen beispielsweise erhöhte Trennabstände und maximale Oberflächen-Temperaturen eingehalten sowie die Anforderungen der jeweiligen Zündschutzart erfüllt werden. Diese Anforderungen sind in der Normenreihe EN60079 festgelegt. Zu Beginn der Entwicklung wurden die Anforderungen so gesteckt, dass das ÜSG in der Ex-Zone 2 installiert werden kann. Dabei können Signaladern vor Überspannungen geschützt werden, die bis in die Ex-Zone 0 geführt werden dürfen. Durch das integrierte Condition Monitoring ist es nun möglich, Informationen zum Zustand der im explosionsgefährdeten Bereich installierten ÜSG fern zu melden. Das Überspannungsschutzsystem Plugtrab PT-IQ Ex von Phoenix Contact erfüllt die strengen Anforderungen, die an Oberflächen-Temperaturen gemäß der Temperaturklasse T6 gestellt werden. So wird die Zündung eines umgebenden Gases durch heiße Oberflächen am ÜSG wirksam vermieden.

Schutzschaltung für eigensichere Stromkreise

Das Ableitvermögen für Stoßströme von ÜSG, die zum Schutz eigensicherer Stromkreise (Zündschutzart Eigensicherheit ia) eingesetzt werden, beträgt für Stoßströme der Kurvenform 8/20µs in der Regel 10 kA. Die zu diesem Zweck eingesetzten Schutzschaltungen sind üblicherweise mehrstufig aufgebaut, damit das geforderte Ableitvermögen für Stoßströme in Verbindung mit den notwendigen spannungsbegrenzenden Eigenschaften erreicht wird. Dabei ist der Einsatz von Gasentladungs-Ableitern (gas discharge tube, GDT) in Kombination mit Suppressordioden (transient voltage suppressor, TVS) gängige Praxis (Bild 2). Die Vorteile von TVS-Dioden liegen in einer schnellen Ansprechzeit sowie in einer guten spannungsbegrenzenden Wirkung. Nachteilig ist aber die vergleichsweise geringe Stoßstrom-Tragfähigkeit. Ein hohes Stoßstrom-Ableitvermögen von mehreren kA wird erst im Zusammenspiel mit einem GDT erreicht. Neben dem Vorteil des hohen Stromableitvermögens weisen GDTs jedoch ein vergleichsweise langsames Ansprechverhalten auf. Sollen die Vorzüge beider Bauteile miteinander kombiniert werden, muss der GDT die Stoßströme ‚übernehmen‘, bevor die TVS-Diode überlastet wird. Dieses Zusammenspiel – auch Kommutierung genannt – wird durch die integrierten Widerstände R gesteuert. Während der Dimensionierung der Schaltung ist neben einem guten Kommutierungsverhalten auch die Verlustleistung, die der fließende Betriebsstrom verursacht, und die damit einhergehende Erwärmung zu begrenzen. Ein zusätzlich in der Schutzschaltung eingesetzter 3-Elektoden-GDT erfüllt die Anforderungen an die Isolationsfestigkeit von eigensicheren Stromkreisen gegen Erde (EN 60079-14). Gleichzeitig schützt dieser GDT vor Überspannungen, die zwischen Signaladern und Erdpotential auftreten. Werden die zuvor beschriebenen Zusammenhänge berücksichtigt, empfiehlt sich der Einsatz von leistungsfähigen TVS-Dioden, GDTs mit niedriger Ansprechspannung sowie niederohmiger Kommutierungs-Widerstände. Dieses moderne Schaltung-Design liegt allen ÜSG der Produktfamilie Plugtrab PT-IQ zu Grunde.

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