Explosionsschutzarten

Alle Ex-Schutzarten an einem Ort. Jede Methode verfolgt einen anderen Ansatz zum Explosionsdreieck, und jede hat Vor- und Nachteile hinsichtlich Kosten, Gewicht, Wartung und abgedeckter Zonen.

Fünf Grundprinzipien

Alle Schutzarten basieren auf einem oder mehreren dieser Prinzipien:

Schutzarten. Gas/Dampf

Ex d. Druckfeste Kapselung (IEC 60079-1)

Prinzip: Einschluss. Das Gehäuse ist stark genug, um einer internen Explosion standzuhalten. Präzisionsbearbeitete Spalte („Zünddurchschlagspalte") kühlen austretende heiße Gase unter die Zündtemperatur der umgebenden Atmosphäre.

Funktionsweise:

• Betriebsmittel in einem robusten Gehäuse (Gusseisen, Aluminium, Edelstahl) eingeschlossen
• Interne Explosion kann auftreten, wird aber eingeschlossen
• Zünddurchschlagspalte (Flanschverbindungen, Gewindeeinführungen) kühlen austretende Gase unter die Zündtemperatur
• Austretende Gase können über 1.000 °C erreichen, aber die Kontaktzeit ist zu kurz, um ausreichend Energie zu übertragen

Unterniveaus:

• Ex db: für EPL Gb (Zone 1)
• Ex dc: für EPL Gc (Zone 2)

Wichtige Konstruktionsparameter:

• Wandstärke: volumenabhängig (min. 3–6 mm für Gusseisen)
• Zünddurchschlagspalt: 0,1–0,5 mm je nach Gasgruppe
• Zünddurchschlagspaltlänge: 9,5 mm (IIA) bis 25 mm (IIC)
• Innendruckfestigkeit: bis zu 10 bar
• Freiabstände um das Gehäuse: 10 mm (IIA), 30 mm (IIB), 40 mm (IIC)

Kritische Anforderungen:

• Kabelverschraubungen müssen Ex-d-zertifiziert sein (niemals Ex-e-Verschraubungen an Ex-d-Gehäusen verwenden)
• Zünddurchschlagspaltflächen müssen sauber und leicht gefettet sein, niemals lackiert
• Inhalte dürfen nicht ohne Neuzertifizierung geändert werden
• Nur vollständig zertifizierte Gehäuse dürfen verwendet werden (nicht nur „U"-Komponentenzertifikate)

Typische Anwendungen: Motoren, Schaltgeräte, Anschlusskästen, Beleuchtung, Energieverteilung, Transformatoren

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Ex e. Erhöhte Sicherheit (IEC 60079-7)

Prinzip: Vermeidung. Das Betriebsmittel kann im Normalbetrieb oder bei vorhersehbarer Fehlfunktion keine Funken, Lichtbögen oder heißen Oberflächen erzeugen. Erhöhte Konstruktionsmargen stellen sicher, dass keine Zündquelle entsteht.

Funktionsweise:

• Keine funkenerzeugende Komponenten erlaubt
• Erhöhte Luft- und Kriechstrecken
• Mindestens IP54 Gehäuseschutz
• Erhöhte Isolationsmargen
• Thermisch geschützte Klemmen und Verbindungen

Unterniveaus:

• Ex eb: für EPL Gb (Zone 1)
• Ex ec: für EPL Gc (Zone 2)

Wichtige Konstruktionsparameter:

• Kriech- und Luftstrecken überschreiten Standardnormen
• Klemmenverbindungen für bestimmte Fehlerstrom-/Zeitkombinationen ausgelegt
• IP54 oder besserer Schutzgrad
• Thermische Überwachung für Motoren und Transformatoren

Kritische Anforderungen:

• Alle elektrischen Verbindungen müssen ordnungsgemäß angezogen sein (lose Verbindungen = Funken)
• Dichtungen müssen die IP-Schutzart aufrechterhalten
• Kabelverschraubungen sollten Ex-e-zertifiziert sein (Ex-d-Verschraubungen auch akzeptabel)
• Nicht geeignet für Betriebsmittel mit normalem Schaltfunkenkontakt

Typische Anwendungen: Klemmen-/Anschlusskästen, Motoren (nicht funkender Typ), Schaltschränke, Leuchten, Kabelverschraubungen, Sammelschienen

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Ex i. Eigensicherheit (IEC 60079-11)

Prinzip: Energiebegrenzung. Die elektrische Energie im Stromkreis wird auf ein Niveau begrenzt, das die explosionsfähige Atmosphäre nicht zünden kann, weder durch Funkenbildung noch durch Oberflächenerwärmung.

Funktionsweise:

• Strom und Spannung werden durch Sicherheitsbarrieren oder galvanische Trenner begrenzt
• Gesamte Stromkreisenergie (einschließlich gespeicherter Energie in Kapazität und Induktivität) bleibt unter der Mindestzündenergie (MZE) des Gases
• Selbst unter Fehlerbedingungen ist nicht genügend Energie für eine Zündung vorhanden

Unterniveaus:

• Ex ia: für EPL Ga (Zone 0), sicher bei 2 gleichzeitigen Fehlern + 1,5× Sicherheitsfaktor
• Ex ib: für EPL Gb (Zone 1), sicher bei 1 Fehler + 1,5× Sicherheitsfaktor
• Ex ic: für EPL Gc (Zone 2), sicher im Normalbetrieb

Wichtige Konstruktionsparameter:

• Maximale Spannung, Strom, Leistung pro Gasgruppe definiert
• Kapazitäts- und Induktivitätsgrenzen für Kabel und Betriebsmittel
• Sicherheitsbarrieren: Zenerdioden-Barrieren (erdungsbezogen) oder galvanische Trenner
• Kabelparameter (Kapazität pro Meter, Induktivität pro Meter) müssen in die Bewertung einbezogen werden

Mindestzündenergien:

• IIA (Methan): ~280 μJ
• IIB (Ethylen): ~60 μJ
• IIC (Wasserstoff): ~17 μJ

Kritische Anforderungen:

• Eigensichere Stromkreise müssen von nicht-eigensicheren Stromkreisen getrennt sein
• Blaue Kabel/Verdrahtung zur Kennzeichnung
• Systemdokumentation (Entity-Parameter) muss verifiziert werden
• Kabelverlegung getrennt von Leistungskabeln
• Erdungsverbindung für Zenerdioden-Barrieren muss zuverlässig sein (<1 Ω)

Typische Anwendungen: Sensoren, Messumformer, Thermoelemente, Grenzstandschalter, tragbare Gasdetektoren, Kommunikationsgeräte, HART-Instrumente

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Ex p. Überdruckkapselung (IEC 60079-2)

Prinzip: Ausschluss + Verdünnung. Das Gehäuse wird mit Reinluft oder Inertgas unter Überdruck gesetzt, um das Eindringen explosionsfähiger Atmosphäre zu verhindern. Alternativ wird die interne Atmosphäre unter die UEG verdünnt.

Unterniveaus:

• Ex px: für EPL Gb, reduziert Zone 1 im Gehäuse auf nicht-explosionsgefährdet
• Ex py: für EPL Gb, reduziert Zone 1 im Gehäuse auf Zone 2
• Ex pz: für EPL Gc, reduziert Zone 2 im Gehäuse auf nicht-explosionsgefährdet

Funktionsweise:

• Vorspülung: Gehäusevolumen wird mit Reinluft/-gas durchspült (typisch 5× Volumen)
• Aufrechterhaltung des Überdrucks während des Betriebs (typisch >50 Pa über Umgebungsdruck)
• Druck-/Durchflussüberwachung mit Alarm und automatischer Abschaltung bei Druckverlust

Typische Anwendungen: Große Motoren, Schaltwarten, Analysenhäuser, Frequenzumrichter, Motorschaltanlagen, große Verteilerschränke

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Ex n. Typ „n" / Nicht funkend (IEC 60079-15)

Prinzip: Vermeidung (hauptsächlich). Das Betriebsmittel erzeugt im Normalbetrieb keine Lichtbögen oder Funken, die eine Zündung verursachen können. Weniger streng als Ex e, nur für Zone 2 ausgelegt.

Untertypen:

• Ex nA: nicht funkendes Betriebsmittel
• Ex nC: funkendes Betriebsmittel mit Kontakten in geschlossener oder hermetisch geschlossener Kapselung
• Ex nR: schwadensicheres Gehäuse (begrenzt Gaseintritt)
• Ex nL: energiebegrenztes Betriebsmittel (ähnlich Ex ic)

EPL: Nur Gc (Zone 2)

Typische Anwendungen: Allzweckinstrumente, Magnetventile, Relaiskästen, Meldeleuchten in Zone-2-Bereichen

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Ex m. Vergusskapselung (IEC 60079-18)

Prinzip: Ausschluss. Bauteile werden vollständig in eine Vergussmasse (Harz, Epoxid) eingebettet, die den Kontakt mit der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert.

Unterniveaus:

• Ex ma: für EPL Ga (Zone 0)
• Ex mb: für EPL Gb (Zone 1)
• Ex mc: für EPL Gc (Zone 2)

Typische Anwendungen: Magnetspulen, LED-Module, Elektronik-Leiterplatten, Sensoren, kleine Aktoren

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Ex o. Ölkapselung (IEC 60079-6)

Prinzip: Ausschluss. Elektrische Kontakte und lichtbogenerzeugende Komponenten werden in Schutzöl eingetaucht.

EPL: Gb (Zone 1)

Typische Anwendungen: Transformatoren, Schaltgeräte (hauptsächlich Bestandsanlagen)

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Ex q. Sandkapselung (IEC 60079-5)

Prinzip: Einschluss. Das Betriebsmittel wird von feinem Quarzsand umgeben, der die Flammenausbreitung unterdrückt und Wärme absorbiert.

EPL: Gb (Zone 1)

Typische Anwendungen: Kondensatoren, Sicherungen, kleine Elektronikmodule

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Ex Op. Optische Strahlung (IEC 60079-28)

Untertypen:

• Ex Op is: inhärent sichere optische Strahlung
• Ex Op pr: geschützte optische Strahlung (Verriegelungsabschaltung)
• Ex Op sh: optische Strahlung mit abgeschirmtem Gehäuse

Typische Anwendungen: Glasfasersysteme, optische Sensoren, laserbasierte Instrumente

Schutzarten. Staub

Ex t. Schutz durch Gehäuse (IEC 60079-31)

Prinzip: Ausschluss. Ein staubdichtes Gehäuse verhindert, dass Staub Zündquellen erreicht, und begrenzt die Oberflächentemperatur.

Unterniveaus:

• Ex ta: für EPL Da (Zone 20). IP6X erforderlich
• Ex tb: für EPL Db (Zone 21). IP6X erforderlich
• Ex tc: für EPL Dc (Zone 22), mindestens IP5X

Die maximale Oberflächentemperatur muss sowohl die Zündtemperatur der Staubwolke als auch der Staubschicht berücksichtigen, siehe Temperaturklassen.

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Zonen-Schutzart-Matrix

Kombinierter Schutz

Betriebsmittel verwenden häufig mehrere Schutzarten. Gängige Kombinationen:

• Ex db eb: druckfestes Gehäuse mit Erhöhte-Sicherheit-Klemmenfach
• Ex de: ältere Notation für dasselbe
• Ex db [ib]: druckfestes Gehäuse mit eigensicheren Stromkreisen
• Ex eb [ia]: Erhöhte-Sicherheit-Gehäuse mit IS-Stromkreisen
• Ex tb [ib]: staubgeschütztes Gehäuse mit IS-Stromkreisen

Die Klammernotation [ib] zeigt an, dass die Schutzart für zugehörige Betriebsmittel verwendet wird (nicht für das Hauptgehäuse).

Die richtige Schutzart wählen

Zu berücksichtigen:

1. Zone: bestimmt das erforderliche Mindest- EPL
2. Gas-/Staubgruppe: einige Methoden haben Gasgruppenbeschränkungen
3. Leistungsniveau: Ex i funktioniert nur für Niedrigstromkreise; Ex d bewältigt hohe Leistung
4. Wartungszugang: Ex e und Ex n sind leichter zu warten als Ex d
5. Kosten: Ex n (Zone 2) ist am günstigsten; Ex ia (Zone 0) und Ex d (Zone 1) sind am teuersten
6. Größe/Gewicht: Ex-d-Gehäuse sind schwer; Ex-i-Geräte sind leicht
7. Umgebung: Korrosion, Vibration, extreme Temperaturen beeinflussen die Methodenwahl

Verwandte Themen

• Grundlagen: Explosionsdreieck und Schutzprinzipien
• EPL: Geräteschutzniveaus und Zonenzuordnung
• Gasgruppen: Gasgruppe bestimmt Schutzstrenge
• Temperaturklassen: Temperaturgrenzwerte pro Methode
• Ex-Kennzeichnungen: wie die Schutzart auf dem Etikett erscheint
• Normen: IEC 60079-Teilnummern pro Schutzart
• Zertifizierung: wie Betriebsmittel zertifiziert werden
• Installation & Inspektion: Aufrechterhaltung der Schutzintegrität