Mit dynamisch reagierenden eigensicheren Stromkreisen wie bei Dart (Dynamic Arc Recognition and Termination) lassen sich deutliche Wirkleistungssteigerungen erzielen. Voraussetzung dafür sind umfassende Fehlerbetrachtungen und neuartige Prüfverfahren, die von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zurzeit entwickelt und durch weitere benannte Stellen verifiziert werden. Für Hersteller und Anwender beschreibt dieses Papier die Funktionsweise, die für die Konformitätsbewertung und den Nachweis der Eigensicherheit notwendig sind. Gemeinsam mit Marktteilnehmern und Prüfstellen wird ein internationaler Standard angestrebt, der Interoperabiliät ermöglicht. Der Umgang und die Wartung von elektrischen Stromkreisen und Apparaten im explosionsgefährdeten Bereich sind durch die Zündschutzart Eigensicherheit „Ex i“ so einfach wie in jedem sicheren Bereich. Hauptvorteil ist die Erlaubnis von Wartungsarbeiten und Umbauten im laufenden Betrieb ohne einen Heißarbeitserlaubnisschein. Bis heute erreicht die Schutzart Eigensicherheit jedoch durch eine konsequente Leistungsbegrenzung selten mehr als 2 W. Eine deutlich höhere Wirkleistung bei gleichzeitiger Wahrung aller positiven Eigenschaften der Eigensicherheit stellt die Dart-Technologie zur Verfügung. Dart steht für dynamische Funkenerkennung und -löschung. Umständliche und teure Schutzarten wie erhöhte Sicherheit oder druckfeste Kapselung können in vielen Applikationen durch Eigensicherheit ersetzt werden. Anwendungen mit mehr Wirkleistung in Eigensicherheit sind beispielsweise Waagen, Beleuchtungssysteme, Ventilansteuerungen und Feldbusse.
Das Dart-Grundkonzept
Die Zündschutzart Eigensicherheit i ist eine „Zündschutzart, die auf der Begrenzung von elektrischer Energie innerhalb von Betriebsmitteln und Verbindungsleitungen auf ein Niveau unterhalb dessen beruht, bei dem eine Zündung entweder durch Funkenbildung oder Erwärmung hervorgerufen werden kann.“ [2] Dart ist eine Schnellabschaltung, die einen ungewollten Zustand oder eine Störung des elektrischen Systems bereits im Moment des Entstehens erkennt und diesen in einen sicheren Zustand überführt. Dart verhindert wirkungsvoll die Entstehung zündfähiger Funkenenergie und das bei signifikant höheren zur Verfügung stehenden elektrischen Anschlusswerten als nach IEC/EN-Norm zulässig. Die dazu erforderliche Abschaltung erfolgt in wenigen Mikrosekunden. Ein mit Dart geschützter elektrischer Stromkreis besteht aus einer Quelle, Verbraucher und zugehöriger Verkabelung. Die Quelle enthält dabei Komparatoren, um Stromsprünge und Überlastzustände zu erkennen (siehe Abbildung Prinzipschaltung Dart-Quelle). Der Innenwiderstand Rstart realisiert den klassischen eigensicheren Zustand, in dem nur ein kleiner Strom zur Verfügung steht. Der Arbeitsbereich des dynamisch reagierenden eigensicheren Versorgungskonzeptes kann deutlich oberhalb der jeweiligen Zündgrenzkurven bzw. der in den Tabellen aufgeführten Werten des Anhanges A der EN 60079-11 liegen. Dadurch sind eine Vielzahl der im System möglicherweise auftretenden Funkenszenarien ohne die notwendigen Dart-spezifischen, die Energie begrenzenden Maßnahmen als sicherheitstechnisch kritisch und somit als zündfähig zu bewerten. Grundsätzlich sind Öffnungs- und Schließfunken zu unterscheiden, wobei bei bestimmten Stromkreisarten nur eine Funkenart relevant ist. Beide Funkenarten können an beliebiger Stelle im Längs- oder Querzweig eines Stromkreises auftreten. Im Weiteren werden nur Öffnungsfunken betrachtet. Das Sicherheitskonzept von Dart beruht auf der Annahme, dass jeder entstehende Funke ursächlich mit einem Initialsprung, das heißt dem plötzlichen Anstieg der Funkenspannung von 0 V auf den Wert der Funkenverlustspannung, in Verbindung mit dem daraus resultierenden Abfall des Funkenstromes beginnt. Dieser Nachweis ist relevant, da ein entstehender Funke sofort zu einer Reaktion führen muss. Während des Initialsprunges steigt die Funkenspannung uF(t) schlagartig von 0V, das heißt dem Kurzschlussfall, auf den Wert der Funkenverlustspannung von etwa 10V an. Die Definition einer minimalen Anstiegsgeschwindigkeit ist sicherheitsrelevant, da sonst eine Detektion nicht möglich ist.
Definition der maximalen Dart-Reaktionszeit
Dart beruht auf einer Schnellabschaltung, bei der sämtliche im System verfügbare Energie auf ein sichereres Maß reduziert wird. Da sich die Energie aus dem Leistungseintrag über eine bestimmte Zeit definiert, gilt es, diese Zeit, die hier als Dart-Reaktionszeit bezeichnet werden soll, zu spezifizieren. Sie ergibt sich aus der doppelten Signallaufzeit bei maximaler Leitungslänge zuzüglich der Hardwarereaktionszeit von zum Beispiel 2µs. Eine Dart-Quelle kann im Worst Case, das heißt einer Störung am Ende einer beispielsweise 1.000m langen Leitung, erst nach rund 8,5µs reagieren. Nach weiteren etwa 6,5µs kann die Reaktion der Quelle an der Fehlerstelle zu einer Wirkung führen. Als Richtwert ergibt sich für eine 1.000 m lange Leitung eine maximale Dart-Reaktionszeit von rund 15 µs. Diese Zeit stellt somit die maximale Abschaltzeit des Systems dar. Dart-konforme Verbraucher sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sich im Anfahrmoment für eine kurze Prüfzeit oberhalb des vorgegebenen Systemwiderstandes befinden, das heißt im „konventionell“ eigensicheren Bereich. Nach dieser Prüfzeit schaltet sich der Verbraucher selbsttätig bis zum Erreichen der Nennlast „langsam“ in wenigen Millisekunden auf das System auf. Dadurch lassen sich Fehlerfälle in Form von resistiven Schlüssen verhindern. Der Verbraucher muss bei einer Leitungsöffnung einen di/dt-Sprung erzeugen bzw. darf ihn nicht behindern.
Das Dart-System in der Praxis
Welche Anwendungen und deren Nutzen werden aktuell für den Einsatz von Dart diskutiert?
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- Ventilinseln und Magnetventile erfordern einen erhöhten Strom beim Schalten und nur einen geringen Haltestrom. Durch Dart ergeben sich hier Einsparungen in der Schutzart und der Installationstechnik.
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- Durchflussmesstechnik: Durch erhöhte Leistung wird die Messung genauer und resistent gegen Kavitation.
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- Optische Warngeber: Erste Erfahrungen mit moderner LED-Technik könnten zeigen, dass sich mindestens die Verbindungstechnik, eventuell sogar die Leuchte selbst eigensicher gestalten lässt. Wartungsintervalle für die Beleuchtung würden sich verlängern und der Austausch des Leuchtmittels würde erheblich vereinfacht.
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- Analysentechnik: Mit Dart geschützte Verbindungstechnik ermöglicht lösbare Verbindungen. Dies wäre in der Biochemie bei verfahrbaren Containern von Vorteil, da die Messung nicht mehr in Bypassrohren, sondern direkt im Medium erfolgen kann, was Hygiene und Messgenauigkeit verbessern würde.
Internationalisierung und Ausblick
Für die Prüfung dynamisch wirkender eigensicherer Stromkreise sind die Bestimmungen in der aktuellen Norm EN 60079-11:2007 nicht ausreichend beschrieben. Es fehlen sicherheitstechnische Regelungen für Schaltungen, die aktiv auf eine mögliche Funkenentstehung Einfluss nehmen können. Da die Prüftechnik und auch die Normenanforderungen bei dynamisch wirkenden Stromkreisen neuartig und komplex sind, wird vorgeschlagen, diese Technologie im Normenwerk des Explosionsschutzes zunächst als eine „Technical Specification“ (TS) bei IEC einzubringen. Für den europäischen Wirtschaftsraum können schon heute nach der Richtlinie 94/9/EG (Atex) „Benannte Stellen“ – auch abweichend von aktuell gültigen Normen – EG-Baumusterprüfbescheinigungen für dynamische Quelle ausstellen. Um den Verbreitungsgrad und die industrielle Akzeptanz dieser innovativen Technologie zu erhöhen, hat die PTB Mitte 2009 mit der Bearbeitung eines industriefinanzierten Projektes zum Thema „Mehr eigensichere Wirkleistung durch dynamisch wirkende Stromkreise – Realisierung, Implementierung, Prüfung und Inverkehrbringen“ begonnen.
Literatur
- [1] EN/IEC 60079-11:2007. [2] Udo Gerlach, Thomas Uehlken, Ulrich Johannsmeyer, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB, Andreas Hennecke, Martin Junker, Pepperl+Fuchs, DART oder Die neue Dimension der Eigensicherheit“, Automatisierungstechnische Praxis atp 04/2008, S. 39-51.
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