Schaltschränke für den Ex-Bereich

Diesen Vorteilen stehen aber auch einige gravierende Nachteile gegenüber: Ab einer gewissen Gehäusegröße werden druckfest gekapselte Betriebsmittel sehr schwer und klobig. Der Grund dafür ist im hohen Explo­sionsdruck zu finden, den die druckfesten Kapselungen im Fall der Zündung einer eingedrungenen explosionsfähigen Atmosphäre auffangen müssen. Je nach der Größe und Geometrie des inneren Volumens der druckfesten Kapselung, der Zusammensetzung der entzündeten explosionsfähigen Atmosphäre und der Lage der Zündquelle können dabei Explosionsdruckspitzen im Bereich von 8…15 bar auftreten. Die Folge davon sind häufig sehr hohe Installations- und Betriebskosten, da die tragenden Anlagen und Gebäudeteile entsprechend stabil und großzügig gestaltet werden müssen.

Betrachtet man umfangreichere Steuerungen und Verteilungen, die man für sichere Industriebereiche ohne besondere Aufwände in ausreichend große Schaltschränke einbauen kann, ergibt sich ein weiterer empfindlicher Nachteil der herkömmlichen Technik: Die erforderliche Druckfestigkeit der Gehäuse bedingt hohe Wandstärken im Bereich von 10…20 mm. Dadurch wird eine wirtschaftlich und technisch sinnvolle Baugröße auf Gehäusevolumen von maximal etwa 500 l beschränkt.

Große und komplexe elektrische Steuerungen und Verteilungen müssen daher auf verschiedene kleinere druckfest gekapselte Gehäuse aufgeteilt werden, die man miteinander kombiniert. Die Projektierung und Herstellung solcher Gehäusekombinationen ist wesentlich komplizierter und zeitaufwendiger als die von herkömmlichen Industrie-Schaltschränken. Die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Ex-d-Gehäusen erfolgen durch zünddurchschlagsichere Leitungsdurchführungen, die wegen der notwendigen Explosionsschutz­anforderungen in der Herstellung und Installation relativ aufwendig sind. Die gesamte Gehäusekombination muss aufwendig auf spezielle Traggestellen montiert werden.

Nicht nur die Projektierung und Herstellung solcher für explosionsgefährdete Bereiche geeigneter Steuerungen und Verteilung sind daher sehr zeit- und kostenintensiv, sondern auch der Betrieb, die Wartung und Instandsetzung. Nachträgliche Änderungen an der inneren elektrischen Verdrahtung führen somit zwangsläufig zu umfangreichen, zeitraubenden und teuren Umbaumaßnahmen, die in der Regel vor Wiederinbetriebnahme durch Ex-Sachverständige abgenommen werden müssen.

Neue Lösung: Druckentlastung

Zur Beseitigung der oben beschriebenen Nachteile und Einschränkungen der Technik beschäftigt man sich seit einigen Jahren mit modernen Leichtbauprinzipien. Unter anderem wurden auch zahlreiche Versuche mit verschiedenen porösen Materialien durchgeführt. Ziel dieser Versuche war es, effiziente und sichere Möglichkeiten zu finden, mit denen die Wirkung der zünddurchschlagsicheren Spalte multipliziert werden konnte und sich dadurch ein deutlich erhöhter und schnellerer Druckabbau nach einer erfolgten inneren Explosion ergab. Ein erster Meilenstein war die Entwicklung und Patentierung eines Druckentlastungselementes aus porösem gesintertem Material. Mit diesem Element, das bereits 2015 eine Atex-Zertifizierung bekam, konnte eine Druckreduzierung von bis zu 30 % gegenüber herkömmlichen druckfesten Gehäusen erzielt werden.

Darauf aufbauend setzte R. Stahl in enger Zusammenarbeit mit namhaften deutschen Hochschulen, sowie den beiden führenden deutschen Prüfstellen PTB und Dekra Exam die Suche nach noch besser geeigneten Materialien fort. Am Ende kristallisierte sich ein spezielles Drahtgittergewebe heraus, das speziell für den Zweck einer zünddurchschlagsicheren, effizienten Druckentlastung entwickelt wurde.

Das aus feinen Edelstahldrähten gewebte Metallgitter wird in mehreren übereinanderliegenden Schichten aufgebaut (Bild 1). Jede dieser Schichten wurde durch zahlreiche Versuche hinsichtlich ihrer geometrischen und technologischen Parameter wie Drahtstärke, Maschenweite und Webart optimiert. Die verschiedenen Schichten wiederum werden zu einem stabilen Verbund versintert. Das fertige Drahtgittergewebe weist neben der Zünddurchschlagfestigkeit eine hohe Gasdurchlässigkeit, mechanische Festigkeit und Wärmekapazität bei einer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit auf und eignet sich daher sehr gut für eine Integration in druckfest gekapselte Gehäuse. Es kann mit spe­ziellen Verfahren sowohl in Aluminiumgussgehäuse eingegossen als auch in Edelstahlgehäuse eingeschweißt werden.

Als optimal hat sich ein Verhältnis zwischen gasdurchlässigen Flächen und geschlossenen Seitenwänden von 10…15 % herausgestellt. Kommt es zur Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre im Inneren eines so präparierten Gehäuses, wird die freigesetzte chemische Energie sehr schnell und effizient abgebaut. Dabei werden unterschiedliche physikalische Effekte wirksam, die an dieser Stelle nur sehr vereinfacht dargestellt werden können. Das gasdurchlässige Gewebe ermöglicht einen raschen Druckabbau nach außen. Dabei wird, je nach Lage der Zündquelle im Druckraum, auch ein gewisser Teil des unverbrannten Gas-Luft-Gemisches herausgedrückt und kann so nicht explosionswirksam werden. Ein nicht unbeträchtlicher Teil der entstehenden Reaktionswärme wird aber auch von der Gitter-Luft-Struktur des Drahtgewebes aufgenommen und steht somit zum inneren Druckaufbau nicht zur Verfügung.

Das Ergebnis: Misst man in einem gleich großen herkömmlichen Ex-d-Gehäuse Spitzendrücke von etwa 10 bar, so liegt der gemessene Spitzendruck in den neuen Gehäusen lediglich bei Werten weit unter 1 bar. Durch eine geeignete Anordnung konnte auch sicher verhindert werden, dass die äußere Oberfläche der Gitterschichten auf Temperaturen über den für die Temperaturklasse T4 zulässigen Wert erhöht werden.

Zur Sicherstellung des Funktionierens der neuen Lösung unter den unterschiedlichen harten Umgebungsbedingungen wie Verschmutzung oder Vereisung ist ein guter Schutz dieser außenliegenden Gitteroberflächen erforderlich. Dies wird durch die Montage von herkömmlichen Berstscheiben ermöglicht, die im Normalbetrieb eine IP-Schutzart 66 gewährleisten (Bild 2), im Explosionsfall sich aber bei einem Solldruckwert von 0,1 bar öffnen und so dem ausströmenden Gas den Weg ins Freie ebnen (Bild 3).

Wandstärke 3 mm

Die geschilderte Druckreduzierung eröffnet neue Möglichkeiten für die Gestaltung druckfest gekapselter Gehäuse. Die unter dem Markennamen »Expressure« von R. Stahl entwickelten Gehäuse kommen mit Wandstärken von rund 3mm aus. Damit sind sie nicht mehr weit von den entsprechenden Maßen der Industrieschaltschränke entfernt. Dies wirkt sich deutlich auf das Gewicht und die Kompaktheit der Bauweise aus. Vergleichende Beispielberechnungen ergaben so Einsparungen von ca. 30 … 50 % beim Gewicht und 25 % bei den äußeren Abmessungen gegenüber herkömmlichen Schaltgerätekombinationen. Dies ist insbesondere relevant, wenn es um eng gepackte Installationen im Offshore-Bereich geht.

Andererseits ist es jetzt auch möglich, druckfest gekapselte Schaltschränke mit sehr großen Abmaßen zu bauen. Der größte derzeit verfügbare »Expressure«-Schrank hat eine Höhe von 1400 mm bei einer Breite von 1000 mm und einer Tiefe von 700 mm. Noch größere Schrankabmaße sind geplant. Damit wird die Projektierung aus den oben geschilderten Gründen deutlich erleichtert. Brauchte man mit der herkömmlichen Technik noch die Kombination mehrerer Gehäuse zur Aufnahme komplexer Steuerungen und Verteilungen, so kommt man jetzt in der Regel mit einem einzigen Gehäuse aus. Große Betriebsmittel wie z. B. Transformatoren oder Frequenzumformer, die man bislang entweder gar nicht oder nur mit sehr viel Aufwand für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ertüchtigen konnte, können jetzt sicher in die großvolumigen Gehäuse eingebaut werden.

Die Atex- und IECEx-Zertifizierung wurde bei den beiden namhaften deutschen Prüfstellen parallel durchgeführt. Für die ersten vier Gehäusegrößen liegen die notwendigen Zertifikate bereits vor. Für den Atex-Bereich konnten unter Inanspruchnahme des Anhangs II der Richtlinie 2014/34/EU reine Ex-d-Zertifikate ausgestellt werden (dieser Anhang ermöglicht bewusst innovative Lösungen, die noch nicht 100 % in den relevanten harmonisierten Normen enthalten sind). Für die IECEx-Zertifikate wurden sowohl die Norm IEC 60079-1 als auch die Norm IEC 60079-33: Sonderschutz verwendet. Beide genannten Prüfstellen wirkten dabei als die zwei von der 60079-33 geforderten »Unabhängigen Gutachter« (»Independent verifier«).