Schutzarten Ex d und Ex i in explosionsgefährdeten Bereichen

Physikalisch-chemische Grundlagen der Explosionsfähigkeit und Zonenklassifizierung

Das Vorhandensein explosionsfähiger Atmosphären in industriellen Anlagen erfordert ein strenges Verständnis der Phänomene der schnellen Verbrennung und Detonation. Eine explosionsfähige Atmosphäre ist definiert als ein Gemisch aus Luft und brennbaren Stoffen in Form von Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben unter atmosphärischen Bedingungen, in dem sich der Verbrennungsvorgang nach erfolgter Entzündung auf das gesamte unverbrannte Gemisch überträgt. Das Phänomen der Gasphasen-Deflagration wird durch die chemische Kinetik der exothermen Oxidationsreaktion und die Strömungsmechanik der erzeugten Druckwelle bestimmt.

Um das Explosionspotenzial eines Fluids zu bestimmen, muss der Entflammbarkeitsbereich analysiert werden, der durch die Untere Explosionsgrenze (UEG / LEL) und die Obere Explosionsgrenze (OEG / UEL) begrenzt wird. Zwischen diesen Grenzen ermöglicht die Konzentration von Brennstoff und Sauerstoff eine selbstständige Flammenausbreitung. Die Stöchiometrie der Reaktion definiert den Punkt der maximalen Explosionsheftigkeit, an dem der maximale Explosionsdruck $P_{\max}$ und die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit $(dP/dt)_{\max}$ ihre Spitzenwerte erreichen.

Die Dynamik des Druckanstiegs in einem geschlossenen Volumen $V$ folgt dem kubischen Gesetz für Gasexplosionen, wobei der Deflagrationsindex des Gases $K_g$ die Reaktivität des Systems charakterisiert:

\left( \frac{dP}{dt} \right)_{\max} \cdot V^{1/3} = K_g

Wobei $K_g$ in $bar \cdot m/s$ angegeben wird. Dieser Wert ermöglicht die Klassifizierung von Gasen nach ihrer Explosionsgewalt und ist eng mit den grundlegenden Zündparametern verknüpft: der Maximale experimentelle Sichere Weite (MESG, Maximum Experimental Safe Gap) und dem Mindestzündstromverhältnis (MIC, Minimum Igniting Current).

Die MESG repräsentiert den maximalen Abstand zwischen zwei Teilen einer standardisierten Prüfkammer (IEC 60079-1-1), der bei Entzündung eines internen Gasgemisches das Durchzünden desselben Gemisches nach außen über eine Spaltlänge fester Dimension (üblicherweise $25 mm$ ) verhindert. Der MIC ist der minimale Strom, der in einer standardisierten Prüfeinrichtung ein Gasgemisch durch einen induktiven oder kapazitiven Entladungsfunken entzünden kann, bezogen auf den erforderlichen Zündstrom von Methan.

Basierend auf der MESG und dem MIC-Verhältnis (bezogen auf Methan) teilt die Norm IEC 60079-0 die Gase der Gruppe II (Oberflächenanlagen) in drei Untergruppen mit zunehmender Gefährdung ein:

Gruppe IIA: $MESG > 0.9 mm$ und $MIC > 0.8$ . Beispiel: Propan, Industriemethan, Benzin.
Gruppe IIB: $0.5 mm \le MESG \le 0.9 mm$ oder $0.45 \le MIC \le 0.8$ . Beispiel: Ethylen, Cyclopropan.
Gruppe IIC (Subgruppe IIB+H2): Erfordert extreme Sorgfalt; Gase der Gruppe IIC besitzen $MESG < 0.5 mm$ oder $MIC < 0.45$ . Beispiel: Wasserstoff, Acetylen, Kohlenstoffdisulfid.

Für brennbare Stäube (Gruppe III) hängt die Klassifizierung von der Natur und dem elektrischen Spezifischen Widerstand des Materials in Suspension oder Schichtform ab (IEC 60079-10-2):

Gruppe IIIA: Brennbare Flusen/Schwebstoffe (Partikeldurchmesser $> 500\ \mu m$ ).
Gruppe IIIB: Nichtleitfähiger Staub (spezifischer Widerstand $\rho_e > 10^3\ \Omega\cdot m$ ).
Gruppe IIIC: Leitfähiger Staub (spezifischer Widerstand $\rho_e \le 10^3\ \Omega\cdot m$ ), welcher aufgrund der Kombination aus Dispersionsexplosion und Kurzschlussrisiko durch Ablagerung auf elektrischen Isolierungen das höchste Risiko darstellt.

Die Bewertung der Zündtemperatur ( $T_{ auto }$ ) bestimmt die Temperaturklasse der Betriebsmittel (T1 bis T6). Keine freiliegende Oberfläche elektrischer Betriebsmittel, die innerhalb des klassifizierten Bereichs installiert sind, darf die entsprechende maximale Oberflächentemperatur überschreiten, unter Einbeziehung eines Sicherheitsabstands gegenüber der Zündtemperatur des vorhandenen Gases oder Staubes:

T_{\text{ superficie\_máx }} \le T_{ auto } - \Delta T_{ margen }

Die Temperaturklassen werden in der standardisierten Beziehung zusammengefasst: T1 ( $\le 450^\circ C$ ), T2 ( $\le 300^\circ C$ ), T3 ( $\le 200^\circ C$ ), T4 ( $\le 135^\circ C$ ), T5 ( $\le 100^\circ C$ ) und T6 ( $\le 85^\circ C$ ).

Die Zoneninteilung (IEC 60079-10-1 für Gase, IEC 60079-10-2 für Stäube) ist ein probabilistischer Prozess, der auf der Häufigkeit und Dauer des Vorhandenseins einer explosionsfähigen Atmosphäre aus Gas (G) oder Staub (D) basiert:

Zone 0 / Zone 20: Kontinuierlich, langzeitig oder häufig vorhanden (Häufigkeit $> 1000 Stunden/Jahr$ ). Freisetzungsgrad: Ständig.
Zone 1 / Zone 21: Gelegentlich im Normalbetrieb wahrscheinlich (Häufigkeit zwischen $10 und 1000 Stunden/Jahr$ ). Freisetzungsgrad: Primär.
Zone 2 / Zone 22: Im Normalbetrieb normalerweise nicht oder nur kurzzeitig vorhanden (Häufigkeit $< 10 Stunden/Jahr$ ). Freisetzungsgrad: Sekundär.

Elektrische Zündschutzarten und Ex-Sicherheitsmethodiken

Die Sicherheitsphilosophie in ATEX-Umgebungen basiert auf drei physikalisch-chemischen Präventionsprinzipien: Einschluss der Explosion (Kapselung), Verhinderung der Zündung (thermische und elektrische Begrenzung) und Abtrennung der explosionsfähigen Atmosphäre (Ausschluss). Die Normen der Reihe IEC 60079 definieren die Konstruktions- und Prüfungsanforderungen für jede Zündschutzart.

Druckfeste Kapselung "Ex d" (IEC 60079-1)

Die Zündschutzart Ex d basiert auf der Theorie der Flammenkühlung durch physikalischen Einschluss. Das Gehäuse hält dem Innendruck stand, der durch die Deflagration eines in sein Inneres eingedrungenen Gasgemisches entsteht, ohne eine bleibende Verformung oder Risse zu erleiden. Gleichzeitig entweichen die Flamme und die heißen Verbrennungsgase über die Spaltöffnungen (eben-parallele, zylindrische, gewindegängige oder Labyrinth-Spalte).

Während die Verbrennungsgase den Spalt der Länge $L$ durchqueren, übertragen sie Wärme an die Metallmassen der Gehäusewandungen. Die Spaltweite $i_o$ ist genau dimensioniert, um sicherzustellen, dass die Temperatur der nach außen austretenden Restflamme unter der Zündtemperatur der umgebenden Atmosphäre liegt. Die Grenzbedingung zur Verhinderung der Übertragung der Zündung wird durch die Wärmebilanzgleichung im Spalt beschrieben:

q_{\text{ pérdida\_junta }} = h \cdot A_s \cdot (T_{ gas } - T_{ metal }) > q_{\text{ generación\_cinética }}

Wobei $h$ der Wärmeübergangskoeffizient durch Konvektion und Leitung im engen Spalt ist, $A_s$ die Spaltoberfläche darstellt und $T_{ gas }$ unter die kritische Reaktionstemperatur sinkt, bevor es das äußere Volumen erreicht.

Erhöhte Sicherheit "Ex e" (IEC 60079-7)

Die Methode Ex e ist ein Konzept zur Fehlervermeidung bei Betriebsmitteln, die im Normalbetrieb keine Funken, Lichtbögen oder gefährlichen Temperaturen erzeugen (Kurzschlussläufermotoren, Leuchten, Anschlusskästen). Es werden erhöhte Sicherheitsbeiwerte auf die elektrischen Isolierungen angewendet, Luft- (clearance) und Kriechstrecken (creepage) vorgegeben, die über den herkömmlichen Industriestandards liegen, und ein Mindestschutzgrad von IP54 (IP55/IP66 in rauen Umgebungen) garantiert.

Ein kritischer Parameter bei Ex e-Motoren ist die Erwärmungszeit bzw. Blockierzeit $t_E$ . Dieser Parameter definiert die Zeit, die ein mit dem Anlaufstrom $I_A$ gespeister Wicklungsstrang benötigt, um ausgehend von der Betriebstemperatur bei maximaler Umgebungstemperatur die durch die Temperaturklasse (T1-T6) vorgegebene Grenztemperatur oder die thermische Zersetzungsgrenze der Dielektrikumsimprägnierung zu erreichen. Das zugehörige Schutzkreisauslöserelais muss die Maschine in einer Zeit $t_{ disparo } < t_E$ abschalten:

t_E = \frac{C_{\text{ térmica }} \cdot (T_{\text{ límite }} - T_{ servicio })}{\left( \frac{I_A}{I_N} \right)^2 \cdot R_{ CA } \cdot I_N^2}

Eigensicherheit "Ex i" (IEC 60079-11)

Eigensicherheit ist die einzige Zündschutzart, die in Zone 0 angewendet werden kann (mit Unterstufe "ia"). Sie begrenzt die in den elektronischen Schaltkreisen gespeicherte und freigesetzte elektrische Energie auf ein Niveau, das unter dem Wert der Mindestzündenergie (MIE, Minimum Ignition Energy) des vorhandenen Gases oder Dampfes liegt. Die MIE für Gase der Gruppe IIC wie Wasserstoff beträgt lediglich $20\ \mu J$ .

Ein eigensicherer Stromkreis besteht aus einem zugehörigen Betriebsmittel (Zenerbarriere oder Galvanisches Trennglied) im sicheren Bereich, dem Verbindungskabel und dem einfachen oder eigensicheren Betriebsmittel im explosionsgefährdeten Bereich. Die kapazitive und induktive Energie des Stromkreises wird gemäß den grundlegenden Energiegleichungen begrenzt:

E_{ capacitiva } = \frac{1}{2} C_{ total } U_o^2 < MIE , \quad E_{ inductiva } = \frac{1}{2} L_{ total } I_o^2 < MIE

Die Schutzniveaus der Schutzart Ex i werden nach der Anzahl der gleichzeitig simulierten zählbaren Fehler unterteilt, ohne dass der Sicherheitszustand verloren geht:

Ex ia: Sicher bei zwei unabhängigen zählbaren Fehlern ( $N+2$ ). Geeignet für Zone 0, 1 und 2.
Ex ib: Sicher bei einem zählbaren Fehler ( $N+1$ ). Geeignet für Zone 1 und 2.
Ex ic: Sicher im Normalbetrieb ohne zählbare Fehler ( $N+0$ ). Ausschließlich geeignet für Zone 2.

Überdruckkapselung "Ex p" (IEC 60079-2)

Besteht darin, im Inneren des Gehäuses gegenüber der externen explosionsfähigen Atmosphäre einen positiven Überdruck eines zündfähigen bzw. inerten Spülgases (Stickstoff oder saubere Luft) aufrechtzuerhalten (mindestens $50 Pa$ oder $0.5 mbar$ ). Dadurch wird das Eindringen brennbarer Gase oder Dämpfe zu den nicht geschützten unter Spannung stehenden Teilen mechanisch verhindert. Beinhaltet obligatorische Vorspülzyklen, um vor dem Einschalten der Energie jegliches vorhandene explosive Gemisch zu entfernen.

Geräteschutzniveau (EPL - Equipment Protection Level)

Die Norm IEC 60079-0 führt das EPL-Konzept ein, um das Gesamtrisiko von Betriebsmitteln unabhängig von der spezifisch angewendeten Schutzart zu bewerten und sich an internationale Richtlinien anzupassen:

EPL Ga / Da / Ma \longrightarrow Schutzniveau "Sehr Hoch" (Geeignet für Zone 0 / 20 / Bergbau)

EPL Gb / Db / Mb \longrightarrow Schutzniveau "Hoch" (Geeignet für Zone 1 / 21 / Bergbau)

EPL Gc / Dc \longrightarrow Schutzniveau "Erweitert / Normal" (Geeignet für Zone 2 / 22)

Forensische Analyse elektro-thermischer Fehler in explosionsgefährdeten Bereichen

Fehler in ATEX-Anlagen führen zu verheerenden Zündungen, wenn die physikalischen Schutzmechanismen der Betriebsmittel degradieren. Die elektro-thermische forensische Analyse offenbart charakteristische Muster der strukturellen und elektrischen Schädigung in klassifizierten Anlagen.

Fehler durch Korrosion und Mikrodeformation an zünddurchschlagsicheren Spalten "Ex d"

In aggressiven maritimen oder petrochemischen Umgebungen führt das Eindringen von Feuchtigkeit und Chloridionen in den Spaltbereich eines ebenen Spaltes eines Ex d-Gehäuses zu Lochfraßkorrosion und der Bildung volumetrischer Oxide. Die Expansion von Eisenoxid ( $Fe _2 O _3$ ) übt einen mechanischen Druck auf die Befestigungsschrauben des Deckels aus, was zu plastischer Dehnung oder Mikrodeformation der Spaltebene führt.

Tritt im Gerät ein Kurzschluss oder eine Lichtbogenentladung auf, berechnet sich der durch die Ausdehnung der heiß erzeugten Luft und Metallspritzer verursachte Innendruckanstieg nach dem modifizierten thermodynamischen Modell des idealen Gases:

P_{ peak } = P_0 \cdot \left( \frac{T_{ arco }}{T_0} \right) \cdot \left( \frac{V_0}{V_{ neto }} \right) + \Delta P_{\text{ combustión }}

Wenn der verbleibende kinematische Spalt aufgrund der ebenen Verformung des Gehäuses die Grenze der MESG überschritten hat (z. B. ein Anstieg von $i_o$ von $0.15 mm$ auf $0.65 mm$ für eine IIC-Gruppe), schleudert die Druckwelle glühende Gase ohne die erforderliche konvektive Abkühlung in die äußere Atmosphäre, was zur sofortigen Zündung der Umgebung führt.

Dielektrischer Fehler durch Zirkulationsströme und Übertemperatur in "Ex e"-Motoren

Hocheffizienzmotoren in Ex e-Anlagen, die über Frequenzumrichter (VFD) betrieben werden, unterliegen beschleunigten Fehlermodi, die durch hochfrequente Oberschwingungen und repetitive Spannungsspitzen aufgrund von Wellenreflexionen ( $dV/dt$ ) verursacht werden. Wenn die Kabellänge zwischen Umrichter und Motor kritische Distanzen überschreitet, erzeugt die Kabelimpedanz Resonanzspannungsspitzen, die das Isolationssystem der Statornuten durchschlagen.

Gleichzeitig zirkulieren Wellenströme (shaft currents), die durch Nullsequenzspannungen induziert werden, durch die Lager, wenn sie nicht über zertifizierte kapazitive Erdungsringe abgeleitet werden. Die Durchschlagsfunkenentladungen im Schmierfilm (fluting) erzeugen Mikroschweißungen und erhöhen die lokale Lagertemperatur über den T-Klassen-Punkt hinaus (z. B. Überschreitung von $135^\circ C$ bei einem T4-Gerät), wodurch das Lager zu einer Zündquelle durch hohe Oberflächentemperatur wird.

Fehler durch transienten Isolationsdurchschlag in eigensicheren Stromkreisen "Ex i"

Eine häufige Ursache für Fehler in Ex ia-Systemen liegt in der Induktion von transienten Überspannungen durch Blitzeinschläge oder Schalthandlungen in benachbarten Mittelspannungsleitungen. Verfügt ein Instrumentierungsnetzwerk nicht über koordinierte Überspannungsschutzgeräte (SPD) oder wird das geschirmte Kabel an beiden Enden geerdet, wodurch eine Erdschleife mit einer Potentialdifferenz von $\Delta V_{ GND } > 500 V _{ rms }$ entsteht, erleidet die dielektrische Barriere des galvanischen Trennglieds oder der Zenerdioden einen thermischen Lawinendurchbruch durch Kurzschluss.

Bei Kurzschluss der Zenerdioden im offenen Fehlermodus geht die Strombegrenzung verloren. Die unregulierte Quelle aus dem sicheren Bereich speist das gesamte Nennnetzpotenzial ( $230 V _{ CA }$ ) direkt in den in Zone 0 installierten Sensor ein. Die resultierende kapazitive Energie setzt hochenthalpische Funken frei, die die MIE des Umgebungsmediums augenblicklich überschreiten.

Strenge Kriterien für Design, Leiterdimensionierung und Betriebsmittelauswahl

Die Planung elektrischer Anlagen nach IEC 60079-14 erfordert die strenge Integration thermischer, mechanischer und Dichtigkeitskriterien, um Funkenbildung oder Gasübertragung zu verhindern.

Thermische und Kurzschluss-Dimensionierung von Kabeln (IEC 60287 / IEC 60079-14)

In explosionsgefährdeten Bereichen verlegte Kabel müssen nicht nur dem Nennlaststrom $I_z$ standhalten, sondern müssen mit drastischen thermischen Derating-Faktoren dimensioniert werden, um zu verhindern, dass die Temperatur des Außenmantels die der Temperaturklasse des Projekts zugewiesene Grenze überschreitet.

Die Stromtragfähigkeit wird durch Korrektur des zulässigen Dauerstroms $I_0$ anhand der Einflussfaktoren ermittelt:

I_z = I_0 \cdot \prod f = I_0 \cdot (f_{ temp } \cdot f_{ agrupamiento } \cdot f_{\text{ armónicos }} \cdot f_{\text{ ATEX\_térmico }})

Ebenso wird der Mindestquerschnitt des Leiters $S$ aufgrund der Kurzschlussfestigkeit während der Ansprechzeit der Schutzeinrichtung $t_k$ nach der in IEC 60364-5-54 festgelegten adiabatischen Erwärmungsformel berechnet:

S \ge \frac{I_k \sqrt{t_k}}{k}

Wobei $k$ die Materialkonstante des Leiters und der Isolation ist (z. B. $k = 143 A \cdot s ^{1/2}/ mm ^2$ für Kupfer mit XLPE-Isolierung). In ATEX-Zonen muss die Kurzschlussabschaltung unverzüglich erfolgen, um eine Überhitzung des Leiters über die Zersetzungstemperatur der Isolation ( $250^\circ C$ bei XLPE) zu vermeiden, die Leitungswärme nach außen übertragen könnte.

Auswahl von Kabelverschraubungen und Dichtungssystemen

Die Kabeleinführung in Ex-Gehäuse muss die Integrität der Zündschutzart des Betriebsmittels bewahren. Die Wahl zwischen Kompressionskabelverschraubungen und Verguss-Kabelverschraubungen (barrier glands) richtet sich nach dem normativen Entscheidungsschema der IEC 60079-14:

Eine Kabelverschraubung mit Dichtungsharz (Ex d barrier gland) ist erforderlich, wenn:
1. Das Betriebsmittel Ex d ausgeführt ist, die Zone Zone 1 oder Zone 2 ist, das interne Gehäusevolumen mehr als $2.0 Liter$ beträgt und die Atmosphäre die Untergruppe IIC erfordert.
2. Das verwendete Kabel keine extrudierte Betoneinbettung aus einer nicht hygroskopischen, kompakten Masse aufweist, was eine interne Gasmigration (Kamineffekt) entlang der Zwickel der Einzeldrähte ermöglichen würde.
Für Ex e-Geräte müssen zertifizierte Ex e-Kabelverschraubungen verwendet werden, die mit Dichtungsscheiben ausgestattet sind, die den Schutzgrad IP66 gewährleisten und die mechanischen Kriechstrecken zwischen dem Eintrittsgewinde und den internen aktiven Teilen aufrechterhalten.

Erdung und Potentialausgleich

Die Verhinderung unbeabsichtigter Funkenbildung durch Erdschlussströme oder elektrostatische Entladungen erfordert ein umfassendes Potentialausgleichssystem. In ATEX-Netzen ist das bevorzugte Netzsystem das TN-S-System, bei dem der Neutralleiter (N) und der Schutzleiter (PE) im gesamten Netz strikt getrennt sind. Die Verwendung von TN-C-Systemen in explosionsgefährdeten Bereichen ist wegen des ständigen Flusses von Betriebsrückströmen über Gehäuse oder Metallstrukturen verboten.

Wird aus Gründen der Betriebsfeineinstellung ein IT-System (isoliertes oder impedanzgeerdetes Netz) eingesetzt, muss zwingend ein Isolationsüberwachungsgerät installiert werden, das beim ersten Erdschluss einen sofortigen Alarm auslöst, sowie eine automatische Abschaltung beim Auftreten eines zweiten Fehlers an einem anderen Außenleiter.

Alle metallischen Strukturen, Kabeltrassen, Rohrleitungen und Elektrogehäuse müssen über Kupferleiter mit einem Mindestquerschnitt an ein primäres Potentialausgleichsnetz angeschlossen werden:

S_{ bond } \ge \frac{1}{2} S_{ fase } \quad ( mit einem absoluten Minimum von 4 mm ^2 für mechanischen Schutz )

Die Impedanz des Erdungsnetzes muss sicherstellen, dass die maximale Potentialdifferenz zwischen jedem freiliegenden Metallpunkt in der ex-gefährdeten Zone und der Haupterdungsschiene unter Erdschlussbedingungen weniger als $15 V _{ rms }$ beträgt.

Bewertung und Simulation eigensicherer Stromkreise und Schutzkoordination in der Vexten Suite

Die analytische Überprüfung und Softwaresimulation des statischen und dynamischen Verhaltens von ATEX-Anlagen garantieren die strikte Einhaltung der normativen Vorschriften vor der Inbetriebnahme.

Bewertung der Entity-Parameter in "Ex i"-Stromkreisen

Die Sicherheit eines eigensicheren Stromkreises hängt von der mathematischen Kompatibilität der Entity-Parameter zwischen dem zugehörigen Betriebsmittel (Speisegerät/Barriere) im sicheren Bereich und dem eigensicheren Betriebsmittel (Sensor/Aktor) im ex-gefährdeten Bereich ab, unter Berücksichtigung der verteilten Impedanz des Verbindungskabels der Länge $L_{ cable }$ :

U_o \le U_i, \quad I_o \le I_i, \quad P_o \le P_i

C_o \ge C_i + C_{ cable } \cdot L_{ cable } = C_i + c_c \cdot L_{ cable }

L_o \ge L_i + L_{ cable } \cdot L_{ cable } = L_i + l_c \cdot L_{ cable }

Wobei $c_c$ und $l_c$ die Kapazität und Belaginduktivität pro Längeneinheit des Kabels darstellen (typischerweise in $nF/km$ und $\mu H/km$ oder $mH/km$ ). Zusätzlich muss das Induktivitäts-zu-Widerstands-Verhältnis ( $L/R$ ) des Kabels überprüft werden:

\frac{L_{ cable }}{R_{ cable }} \le \left( \frac{L}{R} \right)_{ barrera }

Praktische Berechnungsvalidierung eines Druckmesskreises in Zone 0 (IIC T6)

Es wird ein $4-20 mA$ -Druckmessumformer bewertet, der in Zone 0 installiert ist (erfordert Ex ia IIC T6). Systemdaten aus den technischen Datenblättern:

Zugehöriges Betriebsmittel (Galvanisches Trennglied):
- $U_o = 28 V$
- $I_o = 93 mA$
- $P_o = 0.65 W$
- $C_o = 83 nF$ (für Gruppe IIC)
- $L_o = 4.2 mH$ (für Gruppe IIC)
Feldgerät (Messumformer Ex ia IIC T6):
- $U_i = 30 V$
- $I_i = 100 mA$
- $P_i = 0.75 W$
- $C_i = 12 nF$
- $L_i = 0.05 mH$
Instrumentierungskabel AP-ATEX (Länge $L = 350 Meter$ ):
- $c_c = 110 pF/m = 0.11 nF/m$
- $l_c = 0.65\ \mu H/m = 0.00065 mH/m$
- $r_c = 36\ \Omega/ km$ ( $0.036\ \Omega/ m$ )

Schritt 1: Überprüfung der maximalen Spannungen, Ströme und Leistungen:

U_o (28 V ) \le U_i (30 V ) \quad \Rightarrow \quad \textbf{ERFÜLLT}

I_o (93 mA ) \le I_i (100 mA ) \quad \Rightarrow \quad \textbf{ERFÜLLT}

P_o (0.65 W ) \le P_i (0.75 W ) \quad \Rightarrow \quad \textbf{ERFÜLLT}

Schritt 2: Überprüfung der Gesamtkapazität:

C_{ cable } = 0.11 nF/m \cdot 350 m = 38.5 nF

C_{ total } = C_i + C_{ cable } = 12 nF + 38.5 nF = 50.5 nF

C_{ total } (50.5 nF ) \le C_o (83 nF ) \quad \Rightarrow \quad \textbf{ERFÜLLT (Sicherheitsmarge: } 32.5 nF)

Schritt 3: Überprüfung der Gesamtinduktivität:

L_{ cable } = 0.00065 mH/m \cdot 350 m = 0.2275 mH

L_{ total } = L_i + L_{ cable } = 0.05 mH + 0.2275 mH = 0.2775 mH

L_{ total } (0.2775 mH ) \le L_o (4.2 mH ) \quad \Rightarrow \quad \textbf{ERFÜLLT}

Kurzschlusssimulation und Integration von Ex e-Motoren in der Vexten Suite

Im Modul Vexten Power Flow & Short-Circuit Engine (basierend auf IEC 60909) bestimmt die Berechnung des minimalen unsymmetrischen Kurzschlussstroms ( $I_{k1 min }$ ) an den Klemmen eines Ex e-Motors die Auslösegeschwindigkeit des magnetischen Schutzschalters oder Überstromrelais. Wenn der Kurzschlussstrom am Ende der Leitung aufgrund einer hohen Fehlerschleifenimpedanz ( $Z_{ falla }$ ) zu niedrig ist, könnte die Ansprechzeit der Schutzeinrichtung die zulässige Erwärmungszeit / Blockierzeit $t_E$ überschreiten.

Betrachtet wird ein Drehstrommotor Ex e mit $45 kW$ , $400 V$ , $50 Hz$ , $I_N = 82 A$ , einem Anlaufstromverhältnis $I_A/I_N = 6.8$ und einer werkseitig zugewiesenen Erwärmungszeit $t_E = 9 Sekunden$ . Der Anlaufstrom beträgt:

I_A = 6.8 \cdot 82 A = 557.6 A

Die in der Vexten Suite eingestellte Auslösekurve des thermischen Schutzrelais muss genau in dem Bereich zwischen Nenn- und Anlaufstrom liegen und gewährleisten, dass die Schutzeinrichtung die Stromversorgung bei Vorliegen des Stroms $I_A$ in einer Auslösezeit $t_{\text{ desconexión }}$ trennt:

t_{\text{ desconexión }} \le 0.8 \cdot t_E = 0.8 \cdot 9 s = 7.2 Sekunden

Wenn der vom Berechnungsmodul nach IEC 60909 berechnete Einphasen-Klemmen-Kurzschlussstrom gegen Erde beträgt:

I_{k1 min } = \frac{c_{ min } \cdot \sqrt{3} \cdot U_n}{2 \cdot |Z_1 + Z_2 + Z_0|} = 410 A

Da $I_{k1 min } (410 A ) < I_A (557.6 A )$ , würden Standard-Magnetauslöser den Kurzschluss nicht als unverzügliches Ereignis erkennen und über die verlangsamte thermische Kennlinie reagieren. In diesem Szenario gibt die Vexten Suite eine kritische Warnung wegen Verletzung der ATEX-Norm aus und fordert die Neukonfiguration der Auslöseeinheit auf ein hochempfindliches Differenzstromschutzorgan ( $I_{\Delta n} = 300 mA$ unverzögert) oder die Erhöhung des Leiterquerschnitts zur Reduzierung der Impedanz $Z_0$ .

Matrix-Vergleichstabelle der Schutzparameter und normativen Grenzwerte

Nachfolgend werden die technischen Eigenschaften, betrieblichen Einschränkungen, anwendbaren Normen sowie mechanische und elektrische Parameter der repräsentativsten Ex-Zündschutzarten zusammengefasst, die in der modernen Industrie eingesetzt werden:

Zündschutzart	IEC-Norm	Typisches EPL	Zulässige Zonen	Wesentlicher Physikalischer Mechanismus	Kritische Technische Einschränkung	Vorherrschender Forensischer Fehlermodus	Dielektrische Prüfung / Kritischer Test
Druckfeste Kapselung (Ex d)	IEC 60079-1	Gb / Mb	Zone 1, Zone 2	Einschluss der Explosion und Flammenkühlung durch maßhaltige Spalte (MESG).	Einhaltung von Spaltweite und Oberflächenrauheit. Keine Farbe auf Spaltflächen.	Erosion/Korrosion der Spaltflächen, strukturelle Verformung der Schrauben durch internen Lichtbogen.	Prüfung mit statischem Überdruck (bis zum 4-fachen des Referenzdrucks) und Übertragungsfreiheit der Zündung.
Erhöhte Sicherheit (Ex e)	IEC 60079-7	Eb / Ec	Zone 1, Zone 2	Vermeidung von Funken, Lichtbögen und heißen Stellen durch überdimensioniertes thermisch-dielektrisches Design.	Überwachung der Erwärmungszeit ( $t_E$ ). Strikte IP-Schutzart (mindestens IP54).	Durchschlag der Nutisolation durch Schaltungberspannungen/VFD. Funkenbildung in den Lagern.	Prüfung der Isoliereigenschaften ( $2U_n + 1000 V$ ), mechanische Schlagprüfung (7 Joule).
Eigensicherheit (Ex ia)	IEC 60079-11	Ga / Da	Zone 0, 1, 2, 20, 21, 22	Strikte Begrenzung der augenblicklichen elektrischen Energie ( $E < MIE$ ) durch Energiebarrieren.	Nachweis der Entity-Parameter ( $U_o, I_o, P_o, C_o, L_o$ ). Fehlertoleranz bei $N+2$ Fehlern.	Dielektrischer Ausfall in galvanischen Trenngliedern durch atmosphärische Entladungen; Erdschleifen.	Zündprüfung im standardisierten Funkenprüfgerät (Cadmium/Wolfram) mit Sicherheitsfaktor $1.5 \times$ .
Eigensicherheit (Ex ib)	IEC 60079-11	Gb / Db	Zone 1, Zone 2, 21, 22	Energiebegrenzung, die beim Auftreten eines einzelnen zählbaren Fehlers sicher bleibt ( $N+1$ ).	Überprüfung der äquivalenten Kapazitäten und Induktivitäten des Feldkabels.	Eingekoppelte transiente Überspannung, welche die internen Zenerdioden ohne Redundanz überlastet.	Induktiver/kapazitiver Funkentest mit Energiesicherheitsfaktor $1.5 \times$ .
Überdruckkapselung (Ex p)	IEC 60079-2	Gb / Gc	Zone 1, Zone 2	Physikalischer Ausschluss von Gasen durch inneren Überdruck mit Luft/Inertgas ( $\Delta P > 50 Pa$ ).	Sicherheitsverriegelung: Automatische Abschaltung bei Druckverlust.	Ausfall der Strömungs-/Drucksensoren der Spülung; Alterung der Türdichtungen.	Dichtigkeitsprüfung, Überdruckprüfung mit maximalem statischem Druck (1,5-facher Überdruck).
Vergusskapselung (Ex m)	IEC 60079-18	Ma / Mb / Gc	Zone 0, Zone 1, Zone 2	Vollständige physikalische Abtrennung elektrischer Komponenten durch thermohärtendes Harz.	Mindestharzschichtdicke, Durchschlagfestigkeit des Harzes, kontinuierliche thermische Grenze.	Rissbildung im Harz durch schwere thermische Zyklen, was das Eindringen von Gas ermöglicht.	Temperaturschockprüfung, Feuchte konditionierung, Wasserabsorptionsprüfung.
Staubschutz durch Gehäuse (Ex t)	IEC 60079-31	Da / Db / Dc	Zone 20, Zone 21, Zone 22	Verhinderung des Staubeintritts durch staubdichte Gehäuse (IP6X) und Kontrolle der Oberflächentemperatur.	Maximale Oberflächentemperatur geprüft unter einer Staubschicht festgelegter Dicke ( $5-50 mm$ ).	Ablagerung von leitfähigem Staub (IIIC) auf internen Isolatoren durch Degradation der IP-Dichtung.	Prüfung in der Talkum-Staubkammer unter internem Unterdruck nach ISO 20653 / IEC 60529.