Kabel und Leitungen für ex-geschützte Bereiche

Tragweite der Auswahl geeigneter Kabel und Kabelleitungseinführungen für Ex-Anwendungen

Die Eigenschaften von Kabeln und Leitungen in explosionsgefährdeten Bereichen sind integraler Bestandteil des elektrischen Explosionsschutzes. Deshalb ist die Auswahl geeigneter Kabel und Kabelleitungseinführungen für Ex-Anwendungen und deren Kombination von sehr großer Bedeutung. Diese Aussage klingt zunächst trivial – ist sie jedoch nicht: Der klassische europäische Explosionsschutz (Richtlinie 2014/34/EU – im Folgenden ATEX Richtlinie genannt) bezieht sich auf das Gerät, also zum Beispiel auf eine Leuchte, ein Messegerät, eine Kamera oder Ähnliches. Die Sicherheit solcher Geräte wird in der Regel über die Anwendung einer oder mehrerer Zündschutzarten sichergestellt. Solche Zündschutzarten sind in Normen klar definiert: Die Norm IEC/EN 60079-1 beschreibt zum Beispiel, wie die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ funktioniert. Verantwortlich für die Funktion der Zündschutzart sind die Gerätehersteller. Im Groben läuft die Zulassung eines ex-geschützten Gerätes wie folgt ab:

Der Hersteller legt die Konstruktion und die Zündschutzart fest, die er anwenden möchte um sein Gerät sicher zu machen.
Die vom Hersteller benannte Prüfstelle (z.B. die PTB in Braunschweig) prüft, ob die Konstruktion des Herstellers den Sicherheitsanforderungen genügt.
Besteht das Gerät alle Tests, wird ein Prüfzertifikat ausgestellt und der Hersteller darf das Gerät in Verkehr bringen.

Aber: Weder der Hersteller, noch die benannte Prüfstelle legen im Detail fest, wie der Kabelanschluss zu erfolgen hat. Insbesondere bei druckfesten Geräten (Ex-d) oder Geräten in erhöhter Sicherheit (Ex-e) werden weder das Kabel, noch die zu verwendenden Kabelleitungseinführungen in dem oben beschriebenen Zertifizierungsprozess definiert, geschweige denn geprüft. Kabel und Leitungen fallen nicht in den Anwendungsbereich der ATEX Richtlinie und können folglich auch nicht gemäß der ATEX Richtlinie zertifiziert werden. Unsere Kabeltypen erfüllen die Anforderungen der DIN EN 60079-14. Durch falsch gewählte Kabel oder deren Einführungen kann ein gesamtes Schutzsystem unsicher werden. Dass dies zu einem Problem führen kann, wird an folgendem Beispiel deutlich: Mit einem druckfesten Gerät (Ex-d), welches z.B. 10 bar an Explosionsdruck erzeugt, wird eine Kabel- KLE -Kombination verwendet, welche nur 6 bar Explosionsdruck standhält. Dadurch ist das Gerät unsicher.
Resümee:

Explosionsgeschützte Geräte werden in der Regel ohne Kabelanschluss vom Hersteller geprüft.
Kabel und Leitungen fallen nicht in den Anwendungsbereich der ATEX Richtlinie.
Ungeeignete Kabel und/oder Kabelleitungseinführungen für den Ex-Bereich können den Geräteschutz aufheben und somit Explosionen verursachen.

Verantwortung von Betreibern und Errichtern

Den internationalen (IEC) sowie den europäischen Normengebern (CENELEC) ist dieses Problem bekannt: Zunehmend konkreter und detaillierter werden allgemeine und konkrete Anforderungen an Kabel und Leitungen in den Normen der jeweiligen Zündschutzarten (Ex-d, Ex-e), aber auch in der „Betreibernorm“: IEC/EN 60079-14: Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen, festgelegt. Der technische Rahmen, z.B. für Kabelleitungseinführungen, wird in den Gerätenormen IEC/EN 60079-0/1 definiert. Die Auswahl der Kabel und Leitungen ist aber nicht Aufgabe der Gerätehersteller, sondern der Errichter und Betreiber von explosionsgefährdeten Anlagen. Dieser Verantwortungssprung ist schwierig, aber sinnvoll. Im Prinzip definiert die Verantwortungschronologie folgendes Vorgehen:

Für sein Gerät ist der Gerätehersteller bis zum Gewinde, welches die KLE aufnimmt, verantwortlich.
Der KLE-Hersteller ist dafür verantwortlich, dass seine Leitungseinführung für definierte Kabeltypen (z.B. Durchmesser von/bis) bis zu einem Druck von 30 bar sicher ist.
Es liegt in der Verantwortung von Errichtern und/oder Betreibern das Ex-Gerät, einen geeigneten Kabeltyp, sowie eine geeignete KLE auszuwählen und zu kombinieren.

Allgemeine Anforderungen an Kabel und Leitungen / Mechanischer Aufbau

Allgemeine Anforderungen an Kabel und Leitungen für Ex-Anwendungen werden im Kapitel 9.3 der IEC/EN 60079-14 gestellt. Im Rahmen der üblichen Projektierungen werden überwiegend „normale“ Kupfer oder LWL Leitungen eingesetzt. All unsere Ex-Kabel erfüllen die Anforderungen der Norm IEC 60079-14-9.3.1. Dass ein Kabel für den Ex-Bereich mechanisch robust sein sollte ist einleuchtend. Kein Projektierer käme auf die Idee ein Netzwerk-Patchkabel aus der Office-Welt im ex.-Bereich zu installieren, oder? Aber: Wann ist ein Kabel mechanisch robust?
In der IEC/EN 60079-14 wird hier Folgendes festgelegt:

Mantelmaterial

Der Außenmantel des Kabels muss aus einem thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Werkstoff bestehen… Nahezu alle handelsüblichen Leitungen fallen in eine dieser Kategorien. PUR Leitungen, zum Beispiel, können je nach Vernetzungsgrad, duroplastisch, thermoplastisch oder elastomer sein (siehe unsere Kabeltypen für Ex-d-Bereiche).

Form der Kabel und Leitungen

Kabel für Ex-Anwendungen müssen kreisförmig und kompakt sein… Sie müssen kreisförmig sein, da die zu verwendenden KLEs kreisförmige Gummidichtungen haben, die für die nötige Abdichtung des Kabels sorgen. Sie müssen kompakt sein, da eine wenig-kompakt-verseilte Leitung dem Anpressdruck des Gummirings der KLE schlichtweg nachgeben würde. Hier würde also die Haftreibung zwischen Gummiring und Leitung nicht ausreichen um die nötige Druckfestigkeit zu gewährleisten. Insbesondere bei direkten Einführungen in druckfeste Räume (Ex-d) ist die Kreisform sowie die Kompaktheit eine wesentliche sicherheitstechnische Eigenschaft der Leitung.

Die Norm legt aber, rein messtechnisch, also über eine konkrete Definition der tolerierbaren Formabweichung, nicht explizit fest wann „rund verseilt“ noch „rund verseilt“ ist – also welche Formabweichung noch tolerierbar ist. Um die Eignung einer Leitung zu überprüfen testen wir unsere Kabel in einem einfachen Überdrucktest: Die Kombination Ex-d Gehäuse – KLE – Kabel muss 30-bar-druckfest sein, ohne dass sich das Kabel aus der KLE löst. Anschlussräume in erhöhter Sicherheit (Ex-e) müssen keinem hohen Druck standhalten. Hier leiten sich die Anforderungen an Kompakt- und Rundheit der Leitung aus der Schutzart, sowie der Bauform der Ex-e KLEs her.

Einbettung und Füllstoffe

Jegliche Einbettungen oder Mäntel müssen extrudiert sein. Füllstoffe, falls vorhanden, dürfen nicht hygroskopisch sein… Druck- oder Schlauchextrusion sind heute Standardverfahren in der Kabelproduktion und handelsübliche Leitungen sind mit nicht-hygroskopischen Füllstoffen versetzt (siehe Kabel für explosionsgeschützte Anlagen).

Potentieller Flammen und/oder Zünddurchschlag

Theoretisch kann es vorkommen, dass es, insbesondere bei großen druckfesten Gehäusen, in welchen die Explosionsdrücke entsprechend hoch sind, zu einem Zünddurchschlag durch das Kabel kommt. Dieser Sachverhalt wird in der IEC/EN 60079-14 nur sehr allgemein im Kapitel 9.3.2. behandelt. Sinngemäß heißt es dort: Wo ein Flammendurchschlag durch die Leitung (z.B. Lücken zwischen Adern) auftreten kann, ist dieser zu verhindern. Wann, bzw. bei welchen Leitungen, so etwas passieren und wie es verhindert werden kann, wird hier leider nicht weiter erörtert.

Die kausale Folge ist, dass die Länge und die mechanische Robustheit der Leitung wichtige Parameter sind. Je länger die Leitung ist, desto größer ist das Länge-zu-Breite-Verhältnis eines potentiellen Spaltes; desto sicherer ist das System.
Wann ist mit dieser Gefahr zu rechnen?
Diese Gefahr besteht, wenn die Leitung nicht den Kriterien gegen die Zonenverschleppung entspricht, also über eine schlechte Längsdichtheit verfügt (siehe Anhang E der IEC/EN 60079-14).
Wie kann dieser Gefahr begegnet werden?
Hier schlägt die IEC/EN 60079-14 zwei mögliche Maßnahmen vor:
Die erste mögliche Maßnahme ist die Verwendung von Barriereverschraubungen (siehe IEC/EN 60079-14 Kapitel 10.6.2). Bei solchen Verschraubungen werden die Zwischenräume der Aderisolierungen mit Knetmasse oder Vergussharz (Compound) gefüllt. Solche Barriereverschraubungen verhindern sicher einen Zünddurchschlag zwischen den Aderisolierungen. Der Nachteil solcher Verschraubungen ist der erhebliche „handwerkliche“ Montageaufwand. Zudem lassen sich solche Verschraubungen im Winter auf der Anlage nicht montieren, da der Compound eine Mindesttemperatur braucht um auszuhärten.
Die Zweite mögliche Maßnahme, ist, ausreichende Robustheit vorausgesetzt, ein möglichst langes Kabel zu verwenden. Hier schreibt die IEC/EN 60079-14 in Kapitel 10.6.2 eine Mindestlänge von drei Metern vor. Dies ist durchaus sinnvoll; hat die Länge der Leitung doch direkten Einfluss auf das Länge-zu-Breite-Verhältnis der Leitung.

Potentielle Zünddurchschläge zwischen Aderzwischenräumen

Oft werden in Leitungen Einzeldrähte verseilt (Litze). So beschreibt zum Beispiel AWG22/7 eine Litze mit 7 rundverseilten Einzeldrähten, während es sich bei AWG22/1 um einen starren Draht handelt. Auch beim Verseilen runder Einzeladern entstehen Zwischenräume, die zu einer ähnlichen Problematik führen können wie oben beschrieben. Auch hier entsteht im ungünstigsten Fall ein schlechtes Länge-zu-Breite-Verhältnis des Aderzwischenraumes und der zünddurchschlagsichere Spalt des gesamten Schutzsystems wird verschlechtert.
Wann ist mit dieser Gefahr zu rechnen?
Wenn die Leitung nicht den Kriterien gegen die Zonenverschleppung entspricht, also über eine schlechte Längsdichtheit (siehe Anhang E der IEC/EN 60079-14) verfügt.
Anmerkung: Der Effekt des Zünddurschlags durch Aderzwischenräume ist bei hohen Querschnitten schon geometriebedingt größer als bei niedrigeren Querschnitten. Uns ist lediglich eine Baumusterprüfung mit einem nachgewiesenen Zünddurchlag bei einer sehr kurzen Leitung (Ex-d – Ex-e Aderleitungsdurchführung) mit einem Nennquerschnitt von 95mm² bekannt.
Wie kann dieser Gefahr begegnet werden?
Eine Barriereverschraubung wendet die Gefahr nicht ab, deshalb ist es wichtig, das Betriebshandbuch auf maximal zulässige Querschnitte und Kabellängenzu prüfen.

Potentielle Zonenverschleppung & Längsdichtheit

Die „Längsdichtheit“ oder auch „Druckfestigkeit in Längsrichtung“ oder auch „Längsatmung“ ist eine Kabeleigenschaft. Sie leitet sich von der Konstruktion der Leitung ab und kann präzise gemessen werden. Die „Längsdichtheit“ einer Leitung (so wollen wir diese Eigenschaft im Folgenden nennen) ist hinsichtlich des Ex-Schutzes gleich in Zweierlei Hinsicht ein wichtiges Kriterium:

Leitungen mit einer guten Längsdichtheit sind sicherer hinsichtlich potentieller Zünddurchschläge (Gerätesicherheit!)
Leitungen mit einer guten Längsdichtheit verhindern zuverlässig Zonenverschleppungen (Anlagensicherheit)

Was versteht man unter Längsdichtheit?

Wir überprüfen die Längsdichtheit unserer Kabeln mit einem simplen Prüfstand: Ein druckfester 5-Liter-Behälter hat zwei Anschlüsse: Einen um eine Luftpumpe anzuschließen und einen weiteren, um das zu überprüfende Kabel anzuschließen. Was würde passieren, wenn man den Behälter, z.B. mit 300Pa (das ist nicht viel) aufpumpt? Das Ergebnis spielt sich zwischen zwei Extremen ab: Ist das Kabel in Längsrichtung hermetisch dicht, wie z.B. ein Stahlbolzen, so bleibt der Druck im Behälter bei 300Pa, da die Luft nicht entweichen kann. Ist das angeschlossene Kabel in Längsrichtung so undicht wie ein Wasserschlauch, so fällt der Behälterdruck rasch ab.
Fazit: Wenn man die Zeit stoppt, die für einen definierten Druckabfall (z.B. zwischen 300Pa und 150Pa) benötigt wird, erhält man ein zuverlässiges Kriterium für die Längsdichtheit: Leitungen mit guter Längsdichtheit brauchen mindestens 5 Sekunden, bis der Druck von 300Pa auf 150Pa abfällt. Bei Leitungen mit schlechter Längsdichtheit fällt der Druck deutlich schneller ab. Anmerkungen: LWL Breakoutkabel halten Druck kürzer als eine Sekunde!

Was versteht man unter Zonenverschleppung?

Kabel werden verwendet, um Geräte, ggf. über Klemmkästen, mit Schaltschränken zu verbinden. Explosionsgeschützte Geräte befinden sich in der Regel in Ex-Zone 1 oder Ex-Zone 2, wohingegen Schaltschränke sich in der Regel in sicheren Bereichen befinden. Daraus ergibt sich, dass das Kabel, welches ein Gerät mit einem Schaltschrank verbindet in der Regel auch zwei unterschiedliche Ex-Zonen, z.B. die Ex-Zone 1 mit dem sicheren Bereich, verbindet. Wenn nun eine schlechte Längsdichtheit der Leitung sowie ungünstige Druckverhältnisse zusammenkommen, kann es zu einer Gaswanderung durch die Leitung kommen. Zündfähiges Gas könnte somit in den sicheren Bereich vordringen, wo es wiederum gezündet werden könnte. Diesen Effekt der ungewollten Gaswanderung nennt man Zonenverschleppung.

Wie kann dieser Gefahr begegnet werden?
Falls möglich sollten Leitungen verwendet werden, die über eine gute Längsdichtheit verfügen und den Kriterien der IEC/EN 60079-14 standhalten. Unsere Ex-Kabel tun dies. Falls dies nicht möglich ist, z.B. bei LWL Leitungen, verbessern Barriereverschraubungen die Situation da sie zuverlässig die Gaswanderung durch die Isolationszwischenräume verhindern. Wer wirklich viele Leitungen mit schlechter Längsdichtheit in einen E-Raum rangieren muss, kann zudem noch die Möglichkeit in Erwägung ziehen den E-Raum, z.B. mittels geeigneter Klimatisierung auf einen leichten atmosphärischen Überdruck anzuheben. Durch leichten Überdruck des E-Raumes gegenüber dem Feld kann man kritische Zoneverschleppungen vermeiden.

Umwelt, Prozess und Anwendungsparameter

Flammwidrigkeit

Die Anforderungen an die Flammausbreitung werden im Kapitel 9.3.9 der IEC/EN 60079-14 festgelegt: Unsere Ex-Kabel sind flammwidrig gemäß IEC 60332-1-2 bzw. IEC 60332-2-2. Im Konkreten heißt dies, dass die Leitung mit einer 1KW Flamme „angezündet“ wird und es dann nicht zur Ausbreitung der Flamme kommen darf. Ansonsten würde ein zündfähiger Funke von einem Brand im sicheren Bereich über das Kabel in den Ex-Bereich übertragen, was unweigerlich zu einer Explosion führen würde. Die Norm nennt hier die Optionen brandsichere Verlegung oder Brandbarrieren, falls flammwidrige Leitungen für diese Anwendungen nicht verfügbar sind, auch Brandschottungen kommen in der Praxis häufig vor. Wo möglich, sollte mit flammwidrigen Leitungen projektiert werden. Unsere

UV-Beständigkeit

Wenn die Leitungen im Ex-Bereich UV-Strahlen ausgesetzt sind, ist die UV-Beständigkeit der Leitung eine sehr wichtige Eigenschaft, da nicht UV-beständige Leitungen unter UV-Strahlung Ihre Festigkeit verlieren und porös werden. Die wichtige Anforderung an die Robustheit des Mantels ist dann nicht mehr gewährleistet. Die IEC/EN 60079-14 behandelt die Gefahr durch UV-Strahlung lediglich in Kapitel 9.3.7, wo man aufgefordert wird, das Kabel so zu verlegen, dass es vor UV-Strahlung geschützt ist, was in der Praxis allerdings nicht immer möglich ist. Für die Praxis geeignete Kriterien liefert die UL 2556 Sec. 4.2.8.5 (720h). Gemäß dieser Richtlinie sind unsere Ex-Kabel beständig bei Sonnenlicht.

Oberflächentemperatur

Kabel und Leitungen können, je nach Strombelastung, heiß werden. Heiße Oberflächen können im Ex-Bereich zünden, (die Zündtemperatur von Schwefelkohlenstoff liegt bereits bei 95°C). Insofern ist es klar, dass eine Leitung nicht heißer werden darf, als das Betriebsmittel welches von Ihr versorgt wird. Oder anders formuliert: Die Oberflächentemperatur von Kabeln darf die Temperaturklasse für die Anlage nicht überschreiten. Die IEC EN 60079-14 behandelt diese Frage in Kapitel 9.3.8.

Umgebungstemperatur

Dieser Punkt wird in der Errichter Norm nicht definiert, wahrscheinlich, weil er selbsterklärend ist: Ein Kabel muss innerhalb der vom Hersteller angegebenen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.

Öl- und Schlamm-Beständigkeit

Oft fallen, insbesondere im Offshore Bereich, explosionsgefährdete Bereiche und Bereiche mit Öl- oder Bohrschlammbelastung zusammen. Zum Beispiel die „Shakerrooms“ auf Bohrplattformen. Hier sollte darauf geachtet werden, dass die Leitungen diesen Umgebungsbedingungen standhalten. Auch hier ist die Grundregel: Die ex-relevanten Kerneigenschaften der Leitungen dürfen nicht durch Öl- oder Bohrschlammbelastung aufgehoben werden. Die Errichter-Norm IEC/EN 60079-14 behandelt beide Punkte nicht. Hilfreich sind die Standards IEC 60811-2-1 (z.B. IRM 902, 4h bei 70°C) für die Ölbeständigkeit sowie die norwegische Norm NEK 606 für die Schlammbeständigkeit. Unsere Ex-Kabel erfüllen beide Kriterien.

Installation

Da der europäische sowie der IEC- Explosionsschutz sich auf die Geräte – nicht auf die Kabel – bezieht, sind diese geschützt zu verlegen. Die IEC/EN behandelt das Installationsthema in Kapitel 9.3.7 „Vermeidung von Beschädigungen“. Die wesentlichen Regeln sind:

Kabel so geschützt verlegen, dass sie allen potentiellen mechanischen, chemischen und Umweltgefährdungen standhalten.
Maximal zulässige Biegeradien (min. 8 x Da) berücksichtigen.
Nicht direkt hinter der KLE biegen – Kabel ein paar Zentimeter (min. 2,5 cm) hinter der KLE gerade lassen.

Flexible Kabel für ortsfeste oder ortsveränderliche Geräte

Generell können im Ex-Bereich auch flexible Leitungen für ortsfeste Geräte verwendet werden. Oft sind hier Schleppkettenleitungen gefordert (SKD04-T.flex). Hier lohnt sich ein detaillierter Blick in die Anwendung. Wie viele Zyklen bei welchem Biegeradius und bei welcher Temperatur beanspruchen die Leitung? Die Norm ist hier recht schwammig: Von widerstandsfähiger kunststoffisolierter Leitung – bis zur leichten Gummischlauchleitung darf alles projektiert werden, solange sichergestellt ist, dass die Leitung nicht beschädigt werden kann. Wer flexible Leitungen für ortsveränderliche Geräte projektieren muss, sollte auch bezüglich der maximalen Spannungen, Ströme, Querschnitte, sowie der Erdungsanforderungen einen Blick in Kapitel 9.3.2 und 9.3.3 der Errichter Norm (IEC/EN 60079-14) werfen.

LWL Leitungen

LWL Leitungen, insbesondere solche, die direkt in druckfeste Räume eingeführt werden, sind im Ex-Bereich potentiell kritischer als Kupferleitungen. Hierbei geht es nicht um die Frage, wie viel Energie transportiert wird, sondern vielmehr darum, wie längsdicht eine Leitung konstruiert und gebaut werden kann. In der Praxis sind uns weder klassische LWL Leitungen mit oder ohne Kabelaufteiler, noch „Breakoutkabel“ bekannt, welche den Kriterien an Längsdichtheit gemäß Anhang E der IEC/EN 60079-14 genügen.
Klassische LWL Kabel mit Kabelaufteiler oder Spleißfeld erfordern viel Platz. Für eine solche Installation empfiehlt sich die Verwendung eines Ex-e Anschlussraumes. Dieser verhindert sicher den Zünddurchschlag durch die Leitung, nicht aber eine potentielle Zonenverschleppung.
Breakoutkabel können recht einfach in Ex-d Räume eingeführt werden. Sie sind dadurch definiert, dass sie hinsichtlich der Stecker- Konfektionierung bereits vorkonfektioniert sind. Für LWL Leitungen haben sich die folgenden „Praxisregeln“ bewährt:

Für die Einführung in druckfeste Räume grundsätzlich Barriereverschraubungen verwenden um die Gefahr eines Zünddurchschlages durch die Leitungen zu minimieren.
Hohen Wert auf die mechanische Robustheit und Rundheit der Leitung legen.

Auswahl der Kabelleitungseinführung für den Ex-Bereich

Die Auswahl geeigneter Kabeleinführungen ist detailliert in Kapitel 10 der IEC/EN 60079-14 beschrieben. Unter den oben beschriebenen Kriterien kann man folgende Regeln aus der Projektierungspraxis für direkte Ex-d Einführungen ableiten:

Immer gerätezertifizierte KLEs verwenden, die sowohl hinsichtlich der Ex-Parameter, als auch hinsichtlich der Umgebungsparameter zum Ex-Gerät passen.
Wenn alle genannten Parameter eingehalten werden und die Leitung mindestens 3 Meter lang ist, können gummiringabdichtende Verschraubungen verwendet werden.
Wenn die Leitung kürzer als drei Meter ist, Barriereverschraubungen verwenden.
Wenn die Gefahr der Zonenverschleppung besteht und die Leitung nicht ausreichend längsdicht ist, so müssen Sekundärmaßnahmen eingeleitet werden um die Zonenverschleppung zu verhindern.

Quellen:

Richtlinie 2014/34/EU
IEC/EN 60079-0
IEC/EN 60079-1
IEC/EN 60079-7
IEC/EN 60079-14
UL 2556 Sec. 4.2.8.5 (720h)
NEK 606
IEC/EN 60811-2-1