Weitläufige Anlagen

Funktionspotentialausgleich im Ex-Bereich

15. April 2019

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Oft gibt es in industriellen Anlagen und Maschinen, die sich über große Areale sowohl im Innen- als auch im Außenbereich erstrecken. Da Metall hierbei häufig als Konstruktionsmaterial zum Einsatz kommt, spielt der Potentialausgleich eine große Rolle.

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Quelle: Phoenix Contact

Quelle: Phoenix Contact

So stellt sich einem Anlagenbetreiber z.B. die Frage, wie mit aneinandergereihten Stahlgitterrosten einer Länge von 80 m in der Ex-Zone 1 umzugehen ist. Da in diesem Bereich viele elektronische Geräte errichtet sind, könnte auch ein Funktionspotentialausgleich notwendig sein.

Grundlegendes zum Funktionspotentialausgleich

Es gibt etliche Gründe, die für die Errichtung eines Funktions­potentialausgleichs an derartigen Stahlgitterrosten im explosionsgefährdeten Bereich der Zone 1 sprechen könnten. Für eine konkrete Prüfung des jeweiligen Einzelfalls sollte daher auf die existierenden Normen – zum Beispiel der Informationstechnik und Telekommunikation – zurückgegriffen werden. Verwiesen werden soll in diesem Zusammenhang auf DIN EN 50310 (VDE 0800-2-310):2017-02 »Telekommunikationstechnische Potentialausgleichsanlagen für Gebäude und andere Strukturen«. In dieser Norm finden sich konkrete Anforderungen an den Funktions­potentialausgleich in Anlagen der Telekommunikation und viele andere nützliche Verweise (Bild).

Der Funktionspotentialausgleich erfüllt verschiedene Aufgaben. Die Anforderungen richten sich nach der Funktionsweise der anzuschließenden Geräte. Im Grunde zielt der Funktionspotentialausgleich in Verbindung mit einer Funktionserdung auf eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit ab, d. h.:

  • Vermeidung von Störspannungen durch Begrenzung von Spannungsfällen auf den Ableitungen der Störströme,
  • Herstellung eines gemeinsamen Bezugspotentials für Signalspannungen und Abschirmungen und
  • Erdung von Antennen, Funkgeräten.

Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit kommen allerdings in der Regel erst bei Frequenzen oberhalb von 10 MHz zum Tragen.

Betrachtung wichtiger Normen zum Thema

Möglicherweise reicht schon der in explo­sionsgefährdeten Bereichen nach DIN EN 60079-14 (VDE 0165-1): 2014 »Explosionsgefährdete Bereiche –Teil 14: Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen« geforderte Schutzpotentialausgleich aus. Alle sonstigen Anforderungen an einen geforderten Funktionspotentialausgleich müssen mindestens die nachstehenden für explosionsgeschützte Anlagen geltende Anforderungen erfüllen, da der Funktionspotentialausgleich gleichzeitig in einem explosionsgefährdeten Bereich der Zone 1 liegt. Damit ist ein kombinierter Potentialausgleich auszuführen, in dem die Anforderungen des Schutzpotentialausgleichs Vorrang haben.

In Zone 1 ist ebenfalls ein Blitzschutz erforderlich, so dass hierfür noch die Norm DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) »Blitzschutz –Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen Abschnitt 6.2« sowie speziell das zugehörige Beiblatt 2, Abschnitt 5 einzuhalten ist. Für explosionsgefährdete Bereiche der Zone 1 ist danach ein Blitzschutz des Gefährdungspegels (LPL) II mit der Blitzschutzklasse II gefordert. Abschnitt 6.2 der Norm gibt in den Tabellen 8 und 9 Querschnittsangaben für den Blitzschutzpotential­ausgleich für metallene Installationen.

Abschnitt 6.4.1 der Norm DIN EN 60079-14 (VDE 0165-1): 2014 fordert grundsätzlich für Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen einen Potentialausgleich. Dieser ist in Ex-Bereichen als zusätzlicher örtlicher Potentialausgleich zu verstehen. Bei TN-, TT- und IT-Systemen müssen alle Körper elektrischer Betriebsmittel und fremde leitfähige Teile an das Potentialausgleichssystem angeschlossen werden.

Fremde leitfähige Teile

Bild: Beispiel chemische Industrie: Hier gibt es viele räumlich ausgedehnte Anlagen im Außen- und Innenbereich – sehr oft auch in Metallausführung

Bild: Beispiel chemische Industrie: Hier gibt es viele räumlich ausgedehnte Anlagen im Außen- und Innenbereich – sehr oft auch in Metallausführung

Ein 80 m langer Stahlgitterrost ist mit hoher Wahrscheinlichkeit als fremdes leitfähiges Teil anzusehen. Dies ist immer dann der Fall, wenn ein Kontakt zu geerdeten Körpern elektrischer Betriebsmittel oder anderen das ganze Gebäude durchziehenden nicht isolierten Leitern, wie z. B. Wasser- oder Gasleitungen, Geländern etc. besteht, über welche ein fremdes Potential (auch Erdpotential) verschleppt werden kann. Fremde leitfähige Teile, die nicht Bestandteil der Konstruktion oder der elektrischen Anlage sind, brauchen nicht an das Potentialausgleichssystem angeschlossen zu werden, wenn keine Gefahr einer Spannungsverschleppung besteht – z. B. bei Tür- oder Fensterrahmen.

In explosionsgefährdeten Bereichen muss für den Potentialausgleich zusätzlich gewährleistet werden, dass beim Stromübergang über die Potentialausgleichsverbindung kein Funken und keine unzulässige Erwärmung entstehen kann. Eine Ausnahme bilden in Deutschland die Zonen 2 und 22 (siehe dazu TRBS 2152-3 bzw. TRGS 723). Ein Verzicht auf den »zusätzlichen« Potentialausgleich in den Zonen 2 und 22 ist danach möglich, wenn nicht schon im Normalbetrieb Ausgleichsströme fließen, die zu zündfähigen Funken führen können.

Funken und unzulässige Erwärmung beim Stromübergang sind dann verhindert, wenn die Verbindung stromtragfähig für den zu erwartenden Strom und ein zuverlässiger metallischer Kontakt gegeben ist. Letzteres ist gegeben, wenn die Verbindungen von Potentialausgleichsleitern gegen Selbstlockern gesichert sind und sichergestellt wird, dass Korrosionen die Wirksamkeit der Verbindung nicht verringern.

Schutz gegen Selbstlockern

Im Grundsatz sollte der Anwender nur Verbindungen einsetzen, für die der Hersteller schon bescheinigt, dass ein Schutz gegen Selbstlockern gegeben ist. Dies ist bei bestimmten Potentialausgleichsschienen und den Anschlussstellen für den Potentialausgleich an elektrischen explosionsgeschützten Geräten nach der Richtlinie 2014/34/EU (ATEX) gegeben. Lediglich bei Rohrleitungen und sonstigen Anschlüssen an fremde leitfähige Teile muss der Anwender sich auf seine eigene Beurteilung abstützen. Er benötigt dabei fundierte Kenntnisse der Ursachen des Selbstlockerns und der in Frage kommenden Verbindungsmethoden.

Die Sache ist relativ komplex und es gibt keine einfache Antwort. Es gibt genormte sowie nicht genormte Sicherungselemente und nicht alle in der Mechanik geeigneten Sicherungsmethoden sind auch für Anwendungen in der Elektrotechnik geeignet. Wichtig ist dabei zu verstehen, welche Prinzipien beim Lockern der Schraube wirksam sind. Man muss unterscheiden zwischen dem Verlust der Vorspannung und selbständigem Los­drehen. Der Verlust der Vorspannung lässt sich nur durch konstruktive Maßnahmen beherrschen, zum Beispiel durch Veränderung des Klemmlängenverhältnisses oder durch die Verwendung elastischer Elemente. Gegen selbständiges Losdrehen wirken besondere Sicherungselemente, die Vibrationen auffangen, indem die Gewinde verklebt werden oder der Drehbewegung eine Sperre entgegensetzen (Losdrehsicherungen).

Treten keine hohen Vibrationskräfte auf und sind auch keine hohen Festigkeitsklassen gefordert – was bei Potentialausgleichsverbindungen in der Regel gegeben ist –, sind die mitverspannenden federnden Elemente (mit Ausnahme von Zahn- und Fächerscheiben) sicher einsetzbar. Bei Letzteren wurde festgestellt, dass ein ausreichender elektrischer Kontakt nicht garantiert werden kann. Bei den meisten mitverspannenden federnden Elementen sind die Normen wegen Nicht-Wirksamkeit gegen Losbrechen zurückgezogen worden. Für höhere Anforderungen können als Losbrechsicherungen sperrende Elemente eingesetzt werden.

Wie bei allen nicht genormten Sicherungselementen liegt es in der Verantwortung des Anwenders die Verwendbarkeit im Einzelfall nachzuweisen. Wer sicher gehen will – insbesondere wenn Vibrationen zu erwarten sind –, sollte Schrauben mit Sägezahnflansch, ­Rippzahnschrauben, Keilsicherungsscheiben nach DIN 25201 oder Schnorrscheiben einsetzen. Dies schließt letztlich nicht aus, dass für die Verbindungen von Schutz- und Potentialausgleichsleitern weiterhin die nicht mehr genormten Sicherungselemente wie Feder­ringe, Sprengringe und Federscheiben einsetzbar sind (bei lediglich geringen mechanischen Anforderungen, hinsichtlich notwendiger Vorspannung, Vibrationen und Erwärmung). Entscheidend hierfür ist dann die Erfahrung der Hersteller und Anwender für ihre Anwendungen.

Querschnitt des Potentialausgleichs

Der Potentialausgleich ist so auszuführen, dass nur mit geringen Spannungsdifferenzen zu rechnen ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Verbindungen ausreichenden Querschnitt aufweisen. Bei der Auslegung des Querschnitts, ist DIN VDE 0100 Teil 540 zu beachten. Sie fordert für die Potentialausgleichverbindung zwischen Körpern einen Querschnitt, der mindestens dem Querschnitt des kleineren Schutzleiters entspricht, und für die Verbindung zwischen Körper und fremden leitfähigen Teilen einen Querschnitt, der mindestens halb so groß ist wie der Querschnitt des entsprechenden Schutzleiters. Für die Verbindung zwischen fremden leitfähigen Teilen muss der Schutzpotentialausgleichsleiter den Anforderungen von Abschnitt 544.1 für die Verbindung zur Haupt­erdungsschiene genügen. Damit darf der Querschnitt für diese Verbindungen

  • 6 mm2 bei Kupfer
  • 16 mm2 bei Aluminium
  • 50 mm2 bei Stahl

nicht unterschreiten.

Als weitere einschränkende Bedingung gilt für explosionsgefährdete Bereiche, dass der Querschnitt des Potentialausgleichsleiters nicht kleiner als 2,5 mm2 sein darf, wenn mechanischer Schutz vorgesehen ist, und nicht kleiner als 4 mm2, wenn kein mechanischer Schutz vorgesehen ist.

Die Querschnittsforderungen für allgemeine elektrische Anlagen und im Explosionsschutz dienen nur dem Zweck der ausreichenden Stromtragfähigkeit und der ausreichenden mechanischen Steifigkeit zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen. Gesichtspunkte bezüglich hochfrequenter Einflüsse sind hier nicht betrachtet.

Einfluss von Hochfrequenz

Muss also ein Funktions-Potentialausgleich auch EMV-Gesichtspunkte erfüllen, ist der Skineffekt bei solchen Verbindungen zu betrachten. Dies bedeutet, weil hochfrequente Ströme sich wesentlich nur auf der Oberfläche von Leitern ausbreiten, dass der Querschnitt der Leiter für diese Ströme nicht die entscheidende Größe ist. Dazu kommt, dass runde Leiter eine geringere Oberfläche als rechteckförmige, flache Leiter gleichen Querschnitts haben. Daraus ergibt sich die Forderung für Verbindungen des Funktionspoten­tialausgleichs, dass einerseits der Querschnitt für den Schutzpotentialausgleich einzuhalten ist und andererseits, falls der Funktionspotentialausgleich auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sicherstellen muss, für die hochfrequenten Ströme eine ausreichend große Oberfläche zur Verfügung gestellt wird.

Normen zum Beitrag

  • DIN EN 50310 (VDE 0800-2-310)
  • DIN EN 60079-14 (VDE 0165-1)
  • DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3)
  • Richtlinie 2014/34/EU (ATEX)

Ein Potentialausgleich zu Zwecken der Störspannungsminderung muss deshalb hochfrequenztauglich und niederohmig ausgeführt werden. Das wird oft durch flache Verbindungen (Bänder, Blechstreifen) von metallischen Anlageteilen ermöglicht. Geflecht-Erdungsbänder haben sich für diesen Einsatz bewährt. Diese Erdungsbänder weisen in der Regel Querschnitte von 10 mm² bis 25 mm² auf. Damit wird die Impedanz der Verbindung niedrig gehalten, was bei Frequenzen größer 10 MHz wichtig wird. Die Metallstreifen oder Bänder sollten möglichst kurz sein, eine großflächige Kontaktfläche haben und ein großes Verhältnis von Länge zu Breite aufweisen. Das Länge-Breite-Verhältnis von Poten­tialausgleichsleitern sollte für Infor-mations­anlagen nicht mehr als 5:1 betragen.

Um eine wirksame, impedanzarme Verbindung zwischen den einzelnen Anschlüssen und dem Erder zu erzielen, sollten die folgenden Bedingungen eingehalten sein:

  • Rechteckige Blechstreifen oder flexible Metallbänder mit großen Kontaktflächen.
  • Kurze Verbindung (Verringerung der Induktivität, welche längenabhängig ist).
  • Die Kontaktflächen müssen fett- und schmutzfrei und dürfen nicht lackiert sein sowie keine Oxidschichten haben. Zur Vermeidung von nachträglich entstehenden Oxidschichten an den Kontaktstellen sind, wenn möglich, geschweißte Masseverbindungen den Schraubverbindungen vorzuziehen.
  • Der Gleichstrom-Kontaktübergangswiderstand sollte < 0,1 mΩ betragen.
  • Die Passflächen aller Verbindungsbauteile müssen aus einem Werkstoff hergestellt sein, der ein elektrochemisches Potential von kleiner 300 mV aufweist – mit Bezug auf EN 60950-1 (siehe DIN EN 50310 (VDE 0800-2-310):2017-02).

PP18110

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