Explosionsgeschützt vs. eigensicher

Kurze Antwort

Explosionsgeschützt (Ex d, druckfeste Kapselung) hält interne Explosionen innerhalb eines schweren Gehäuses zurück und verhindert die Ausbreitung von Flammen in die Außenatmosphäre. Eigensicher (Ex i) begrenzt die elektrische Energie so stark, dass selbst unter Fehlerbedingungen keine Entzündung stattfinden kann. Ex d ist robust und leistungsstark, Ex i ist leicht und von Natur aus sicher.

Das Kernprinzip

Explosionsgeschützt (Ex d): Eindämmung

„Lass es explodieren, aber halte es im Inneren.“

Flammgeschützte Geräte akzeptieren, dass es zu einer internen Zündung kommen kann. Das Gehäuse ist so konstruiert, dass es

1. dem maximalen Druck einer internen Explosion standzuhalten
2. die austretenden Gase beim Durchströmen präzise gefertigter flammgeschützter Verbindungen unter die Zündtemperatur zu kühlen
3. eine externe Zündung zu verhindern, selbst wenn die interne Atmosphäre detoniert

Eigensicherheit (Ex i): Prävention

„Entzündung unmöglich machen.“

Eigensichere Geräte begrenzen die elektrische Energie (Spannung, Strom, gespeicherte Energie in Kapazität/Induktivität) auf so niedrige Werte, dass keine Funken, Lichtbögen oder heißen Oberflächen die umgebende Atmosphäre entzünden können – selbst wenn alle Komponenten gleichzeitig ausfallen.

So funktioniert Explosionsschutz (Ex d)

Druckfeste Gehäuse unterliegen der Norm IEC 60079-1 (siehe alle Schutzmethoden). Wichtige Konstruktionsmerkmale:

Druckbegrenzung

Das Gehäuse muss einem internen Explosionsdruck standhalten, der mindestens dem 1,5-fachen des Referenzdrucks für die Gasgruppe entspricht. Für die Gruppe IIC (Wasserstoff) bedeutet dies, dass das Gehäuse einer internen Explosion standhält, die eine erhebliche Kraft erzeugt – mehrere zehn Atmosphären in Millisekunden.

Flammgeschützte Verbindungen

Die Spalte zwischen den Passflächen (Flansche, Abdeckungen, Wellen) werden präzise kontrolliert:

• Maximaler Spalt: In der Regel 0,1–0,5 mm, abhängig von der Gasgruppe und der Verbindungslänge
• Minimale Verbindungslänge: 6–25 mm, abhängig von der Gasgruppe und dem Gehäusevolumen
• Oberflächenqualität: Bearbeitet oder geschliffen mit engen Toleranzen, keine Gewinde-/Kabeleinführungen in druckfesten Verbindungen

Wenn Gase während einer Explosion durch diese engen Spalten entweichen, kühlen sie durch den Kontakt mit den Metalloberflächen schnell ab. Bis sie die Außenatmosphäre erreichen, ist ihre Temperatur unter die Zündtemperatur des Gases gefallen.

Mechanische Festigkeit

Gehäuse bestehen in der Regel aus Aluminiumguss, Gusseisen oder Edelstahl. Die Wandstärke wird auf der Grundlage des Volumens, der Gasgruppe und des maximalen experimentellen Sicherheitsabstands (MESG) berechnet. Ein 10-Liter-IIC-Gehäuse kann eine Wandstärke von 8–10 mm haben.

Eingangsvorrichtungen

Kabeleinführungen müssen ihre Flammendichtigkeit bewahren. Zu den Optionen gehören:

• Zertifizierte Ex d-Kabelverschraubungen mit Anschlagkästen
• Indirekte Einführungen über Terminalräume mit erhöhter Sicherheit (Ex e)
• Kabelverschraubungen gemäß NEC 501.15 (in nordamerikanischen Installationen)

So funktioniert Eigensicherheit (Ex i)

Die Eigensicherheit wird durch die Norm IEC 60079-11 geregelt (siehe Normenübersicht). Das System umfasst drei Elemente:

1. Eigensichere Geräte (im explosionsgefährdeten Bereich)

Das Feldgerät – Sensor, Messumformer, Regelventil usw. Die Komponenten sind so konstruiert und zertifiziert, dass sie auch unter Fehlerbedingungen keine gefährliche Energie freisetzen können.

2. Zugehörige Geräte (im sicheren Bereich)

In der Regel eine Sicherheitsbarriere oder ein Isolator, der die Spannung, den Strom und die gespeicherte Energie begrenzt, die an den Stromkreis im explosionsgefährdeten Bereich abgegeben werden. Gängige Typen:

• Zener-Barrieren: Passive Geräte, die Zenerdioden zur Klemmung der Spannung und Widerstände zur Begrenzung des Stroms verwenden
• Galvanische Trennvorrichtungen: Aktive Geräte, die Transformatoren oder Optokoppler verwenden, um eine elektrische Trennung mit höheren Leistungsbudgets zu gewährleisten

3. Verbindungskabel

Das Kabel führt Kapazität und Induktivität ein, die Energie speichern können. Bei der Systemkonstruktion muss Folgendes berücksichtigt werden:

• Maximale Kabellänge basierend auf Kapazität/Induktivität pro Meter
• Kabelparameter (C_cable, L_cable), die in den Installationsunterlagen dokumentiert sind

Berechnungen der Energiegrenzen

Die Sicherheit wird durch Berechnungen oder Funkenprüfungen nachgewiesen. Für ohmsche Stromkreise beträgt die Zündschwelle in einer Wasserstoffatmosphäre ungefähr:

20 µJ (microjoules)

Diese winzige Energiemenge – weit weniger als eine statische Entladung, die Sie spüren würden – bestimmt die Designphilosophie. Typische eigensichere Schaltungen arbeiten bei:

• Spannung: 12–30 V DC (oft viel niedriger)
• Strom: 20–100 mA (4–20-mA-Schleifen sind üblich)
• Leistung: Milliwatt bis einige Watt

ia vs. ib

Es gibt zwei Stufen der Eigensicherheit:

• Ex ia: Sicher bei zwei gleichzeitig auftretenden Fehlern (geeignet für Zone 0, EPL Ga)
• Ex ib: Sicher bei einem Fehler (geeignet für Zone 1, EPL Gb)

Zu den Fehlern zählen Kurzschlüsse, Unterbrechungen, Erdschlüsse, Komponentenausfälle und Kombinationen davon.

Praktischer Vergleich

Wann ist Explosionsschutz (Ex d) zu verwenden?

Beste Anwendungsbereiche:

• Elektromotoren – Hohe Anlaufströme und kontinuierlicher Leistungsbedarf
• Beleuchtungskörper – Halogen-, LED- oder Leuchtstofflampen, die Netzspannung benötigen
• Große Anschlusskästen – Sammelschienen mit Dutzenden von Stromkreisen
• Aktuatoren und Magnetspulen – Ventile, die eine erhebliche Kraft erfordern
• Bedienfelder – Lokale Bedienerschnittstellen mit Drucktasten, Anzeigen, Relais

Vorteile:

• Keine Leistungsbeschränkungen – Verwendung von Standard-Industriespannungen und -stromstärken
• Robuste und bewährte Technologie – wird seit über 80 Jahren eingesetzt
• Eigenständiger Schutz – keine Abhängigkeit von externen Barrieren oder Berechnungen
• Standard-Industriekomponenten können in Ex d-Gehäusen untergebracht werden

Nachteile:

• Schwere Gehäuse erschweren die Installation und erhöhen die Anforderungen an die strukturelle Unterstützung
• Können ohne Heißarbeitsgenehmigung nicht geöffnet werden, wenn sie im klassifizierten Bereich unter Spannung stehen
• Höhere Kosten für das Gehäuse aufgrund von Bearbeitung und Druckprüfung
• Die Wartung erfordert eine sorgfältige Wiedermontage, um die Flammschutzintegrität zu erhalten (Drehmomentspezifikationen, Sauberkeit der Verbindungsstellen)

Wann ist die Verwendung von Eigensicherheit (Ex i) angezeigt?

Beste Anwendungsbereiche:

• Prozessinstrumentierung – Temperatur-, Druck-, Füllstands- und Durchflusstransmitter (4–20-mA-Schleifen)
• Gasdetektoren – tragbare und fest installierte Monitore
• Steuerungssysteme – DCS/PLC-E/A-Schaltungen, Feldbusnetzwerke (HART, Profibus, Foundation Fieldbus)
• Telekommunikation – Telefone, Gegensprechanlagen, Datenverbindungen in explosionsgefährdeten Bereichen
• Analysegeräte – Laborgeräte, Chromatographen, die in Bereichen der Zone 1 betrieben werden

Vorteile:

• Geeignet für Zone 0 (Ex ia) – die einzige gängige Schutzmethode, die bei kontinuierlicher Gaspräsenz zulässig ist
• Leichte und kompakte Feldgeräte
• Einfache Installation – keine speziellen Gehäuse oder Kabelverschraubungen
• Fehlerbehebung an aktiven Stromkreisen vor Ort möglich (vorbehaltlich der örtlichen Vorschriften)
• Eigensicher – ein Ausfall von Komponenten beeinträchtigt die Sicherheit nicht

Nachteile:

• Leistungsbegrenzt – ungeeignet für Motoren, Heizungen oder Geräte mit hoher Wattzahl
• Kabel-Längenbeschränkungen aufgrund von Kapazitäts-/Induktivitätsgrenzen (oft max. 1–3 km)
• Das Systemdesign erfordert sorgfältige Berechnungen und Dokumentation
• Zugehörige Geräte (Barrieren/Isolatoren) verursachen zusätzliche Kosten und benötigen Platz im sicheren Bereich
• Die Vermischung von ia- und ib-Stromkreisen erfordert eine Trennung, um eine gegenseitige Kontamination zu verhindern

Kostenvergleich

Die Kosten variieren je nach Anwendung, aber allgemeine Trends:

Kleine Anschlussdose (6-Kreis)

• Ex d: 400–800 € für das Gehäuse + 50–100 € pro zertifizierter Kabelverschraubung = insgesamt 700–1.400
• Ex e (Terminalbox mit erhöhter Sicherheit): 200–400 € + Standard-Kabelverschraubungen = insgesamt 300–600
• Ex i-System: Feldanschluss in Nicht-Ex-Gehäuse (50 €) + 6× Sicherheitsbarrieren (jeweils 100–300 €) = insgesamt 650–1.850

Gewinner: Ex e für Anschlusskästen. Ex d ist überdimensioniert; Ex i-Kosten steigen mit der Anzahl der Barrieren.

Temperaturtransmitter

• Ex d-Gehäuse + Messumformer: 800–1.500 € (schweres Gehäuse erforderlich)
• Ex i-Transmitter + Barriere: 400–700 € (Transmitter) + 100–300 € (Barriere) = insgesamt 500–1.000

Gewinner: Ex i für Prozessinstrumentierung.

10-kW-Motor

• Ex d-Motor: 2.500–5.000 € (flammgeschützter Rahmen und Gehäuse)
• Ex nA-Motor (funkenfrei): 1.800–3.000 € (nur Zone 2)
• Ex i: Bei dieser Leistungsstufe nicht realisierbar

Gewinner: Ex d (oder Ex nA für Zone 2). Keine Alternative für hohe Leistung in Zone 1.

Unterschiede in Größe und Gewicht

Beispiel: Anschlusskasten für 12 Anschlüsse

• Ex d: 300 × 250 × 150 mm, 15 kg (Aluminiumguss)
• Ex e: 250 × 200 × 120 mm, 3 kg (Kunststoff oder glasfaserverstärkter Polyester)
• Ex i-Feldgehäuse: 150 × 100 × 80 mm, 0,5 kg (Polycarbonat), Anschlüsse in der Regel im Kontrollraum

Auswirkung: Explosionsgeschützte Gehäuse erfordern massive Befestigungswinkel und möglicherweise strukturelle Verstärkungen. Eigensichere Feldgeräte können oft mit einfachen Klemmen oder DIN-Schienenclips montiert werden.

Häufige Missverständnisse

„Explosionsgeschützt bedeutet, dass es nicht explodiert.“

Nein. Es bedeutet, dass eine interne Explosion eingedämmt wird und sich nicht nach außen ausbreitet. Das Gerät ist so konstruiert, dass es eine interne Explosion übersteht und sicher entlüftet.

„Eigensichere Geräte können niemals ein Gas entzünden“

Das ist richtig, wenn das System ordnungsgemäß konstruiert, installiert und gewartet wird. Die Eigensicherheit ist jedoch ein Systemkonzept – Feldgerät + zugehörige Apparatur + Kabel. Wenn ein Teil nicht korrekt ist (falsche Barriere, übermäßige Kabellänge, Installationsfehler), ist die Sicherheit beeinträchtigt.

„Ex i ist immer sicherer als Ex d“

Beide Methoden bieten bei korrekter Anwendung die gleiche Sicherheit. Ex ia ist insofern einzigartig, als es für Zone 0 geeignet ist, aber innerhalb ihrer jeweiligen Zonen sind beide gleichermaßen zuverlässig.

„Sie können Standard-Kabelverschraubungen mit Ex d-Geräten verwenden.“

Nein. Für Kabeleinführungen in druckfeste Gehäuse müssen zertifizierte Ex d-Kabelverschraubungen oder zugelassene Stopptechniken verwendet werden. Standard-Industrieverschraubungen gewährleisten keine druckfeste Integrität.

„Eigensichere Stromkreise benötigen keine Kabelkanäle“

Dies gilt für den Explosionsschutz (keine speziellen Kabelkanäle oder Kabelverschraubungen erforderlich), aber der physische Schutz und die Trennung von Nicht-IS-Stromkreisen gelten weiterhin gemäß den Installationsnormen IEC 60079-14.

Kombination von Ex d und Ex i

Hybride Ansätze sind üblich:

Ex d + Ex i Feldbus

Eine druckfeste Anschlussdose (Ex d) in Zone 1 beherbergt ein eigensicheres Feldbussegment (Ex ia). Das Ex d-Gehäuse bietet mechanischen Schutz und eine wetterfeste Umgebung, während der IS-Stromkreis Zone 0-Abzweigverbindungen zu Instrumenten ermöglicht.

Ex e + Ex i-Anschlüsse

Für IS-Stromkreise werden häufig Klemmenkästen mit erhöhter Sicherheit (Ex e) verwendet. Das Ex e-Gehäuse verhindert Lichtbögen/Funken an den Klemmen, und der IS-Stromkreis sorgt für die Zündsicherung. Diese Kombination ist für Sammelschienenschränke in Zone 1 beliebt.

Ex d-Motor mit Ex i-Steuerungen

Ein druckfester Motor (Ex d) sorgt für den mechanischen Antrieb, während seine Steuersignale (Start/Stopp, VFD-Rückmeldung) IS-Schaltungen verwenden, um Flexibilität zu gewährleisten und die Verkabelungskosten zu senken.

Unterschiede bei Installation und Wartung

Explosionsgeschützt (Ex d)

• Installation: Schrauben mit dem angegebenen Drehmoment anziehen (in der Regel 5–20 Nm, je nach Größe). Flammgeschützte Verbindungen vor der Montage reinigen (keine Farbe, Fett oder Rückstände). Zertifizierte Kabelverschraubungen mit korrektem Gewindeeingriff und Kabel-Durchmesserbereich verwenden.
• Inspektion: Sichtprüfung auf Beschädigungen, Korrosion oder Spalten an den Verbindungsstellen. Überprüfen Sie das Drehmoment der Schrauben jährlich. Überprüfen Sie auf unbefugte Änderungen (Bohrlöcher, geschweißte Befestigungen).
• Wartung: Vor dem Öffnen in explosionsgefährdeten Bereichen die Stromversorgung unterbrechen, es sei denn, es werden Heißarbeitsverfahren angewendet. Fugen mit einem fusselfreien Tuch und Isopropylalkohol reinigen. Beschädigte Dichtungen oder Dichtringe ersetzen. Bei der Montage das Drehmoment erneut überprüfen.

Eigensicher (Ex i)

• Installation: Überprüfen Sie die Kabelparameter (C_o, L_o) anhand der Entitätsparameter (C_i, L_i, C_o, L_o). Stellen Sie eine ordnungsgemäße Erdung der Barriere/des Isolators sicher. Trennen Sie IS-Kabel von Nicht-IS-Stromkreisen (separate Leitung/Kabelrinne oder mindestens 50 mm Abstand).
• Inspektion: Überprüfen Sie die Integrität der Erdungsverbindung der Barriere/des Isolators (geringer Widerstand zur Äquipotentialverbindung). Überprüfen Sie das Kabel auf Beschädigungen oder unbefugte Schaltungsänderungen. Vergewissern Sie sich, dass die Systemdokumentation mit der installierten Konfiguration übereinstimmt.
• Wartung: Die Arbeiten können unter Spannung durchgeführt werden (sofern die Standortvorschriften dies zulassen). Feldgeräte können ohne Abschalten der Spannung ausgetauscht werden. Die Prüfung der Barriere/des Isolators erfolgt in der Regel in einem sicheren Bereich. Verwenden Sie nur zertifizierte Ersatzteile mit übereinstimmenden Entitätsparametern.

Zusammenfassung: Auswahl der richtigen Methode

Goldene Regel: Verwenden Sie eigensichere Geräte für Instrumentierungs- und Kommunikationskreise. Verwenden Sie explosionsgeschützte Geräte für Stromkreise und Geräte, die die IS-Energiegrenzwerte überschreiten. Im Zweifelsfall konsultieren Sie die Norm IEC 60079-14 (Installationsnorm) oder einen zertifizierten Ex-Fachmann.

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