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Elektrische Sicherheit

5.1 Arbeitsspannung

Eine wichtige Kenngröße für die Auswahl des geeigneten Trennverstärkers oder Messumformers ist die zulässige Arbeitsspannung. Sie gibt die zulässige Potentialdifferenz zwischen den verschiedenen Stromkreisen (Eingangs-, Ausgangs- und Versorgungsstromkreis) an (siehe Abb. 21).

Anschauungsmodell zur Bedeutung der Arbeitsspannung

Abbildung 21: Anschauungsmodell zur Bedeutung der Arbeitsspannung

Die zulässige Arbeitsspannung eines Trenners zwischen den verschiedenen Stromkreisen kann unterschiedlich hoch sein. Zwischen Eingang und Ausgang sowie zwischen Eingang und Versorgung gilt im Allgemeinen die höchste der angegebenen Arbeitsspannungen. Zwischen Ausgangs- und Versorgungsstromkreis kann eine geringere zulässige Arbeitsspannung gelten. Die zulässigen Arbeitsspannungen für Trennverstärker von Knick betragen je nach Typ bis zu 3600 V AC/DC.

Die Anforderungen für die Arbeitsspannungen sind in der DIN EN 61010 Teil 1 festgelegt. Dabei ist zu beachten, dass die zulässige Arbeitsspannung nicht nur durch die Spannungsfestigkeit der für die Trennelemente verwendeten festen Isolierungen bestimmt wird, sondern auch durch konstruktive Eigenschaften wie Luft- und Kriechstrecken sowie durch äußere Gegebenheiten, insbesondere den Verschmutzungsgrad (umgebungsbedingte, mögliche Verschmutzung) und die Überspannungskategorie (Höhe überlagerter Impulsspannungen).

Verschmutzungsgrade

Verschmutzungsgrad 1

Es tritt keine oder nur trockene, nichtleitfähige Verschmutzung auf, z. B. in klimatisierten oder sauberen, trockenen Räumen.

Verschmutzungsgrad 2

Es tritt nur nichtleitfähige Verschmutzung auf. Gelegentlich muss mit vorübergehender Leitfähigkeit durch Betauung gerechnet werden, z. B. in Laboratorien, feinmechanischen Werkstätten, Prüffeldern, Verkaufsräumen.

Verschmutzungsgrad 3

Es tritt leitfähige Verschmutzung auf oder trockene, nichtleitfähige Verschmutzung, die durch zu erwartende Betauung leitfähig wird, z. B. in Räumen von Industriebetrieben, landwirtschaftlichen Betrieben, ungeheizten Lagerräumen, Kesselhäusern.

Verschmutzungsgrad 4

Die Verschmutzung führt zu beständiger Leitfähigkeit, z. B. durch leitfähigen Staub, Regen oder Schnee; in offenen Räumen oder im Freien.

Überspannungskategorien

Überspannungskategorie I

Kein Auftreten von Überspannungen oder Schutz durch Überspannungsableiter oder Filter.

Überspannungskategorie II

Anlagen mit Schaltvorgängen, jedoch ohne Blitzeinwirkungen, z. B. in Privathaushalten.

Überspannungskategorie III

Anlagen ohne Blitzeinwirkungen, Anschluss des Gerätes näher am Anschlusspunkt der Stromversorgung als die Lasten und/oder besondere Anforderungen an die Sicherheit und Verfügbarkeit des Gerätes.

Überspannungskategorie IV

Anlagen mit Blitzeinwirkungen.

5.2 Prüfspannung

Die Spannungsfestigkeit der für die Trennelemente verwendeten Isolationsmaterialien ist um ein Mehrfaches höher als die für das Gerät geltende zulässige Arbeitsspannung. Daher wird für potentialtrennende Geräte zusätzlich die Prüfspannung angegeben, mit der jedes einzelne Gerät geprüft wird. Auf diese Weise werden die für die Arbeitsspannung angegebenen Grenzwerte für jedes Exemplar sichergestellt. Statt der Arbeitsspannung wird als Kenngröße für die Spannungsfestigkeit auch gelegentlich die Prüfspannung verwendet. Diese muss dann entsprechend der für die jeweilige Anwendung geltenden Vorschrift um einen bestimmten Faktor höher sein als die maximal mögliche Potentialdifferenz zwischen den zu trennenden Stromkreisen. Die Prüfspannung für Trennverstärker von Knick beträgt bis zu 15 kV AC.

5.3 Sichere Trennung

Der Begriff „Sichere Trennung“ ist in der DIN EN 61140 (VDE 0140 Teil 1) definiert. Diese Sicherheitsgrundnorm beschreibt Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag und legt damit Anforderungen an die Potentialtrennung zwischen Stromkreisen fest. „Sichere Trennung“ bezeichnet dabei ein Isolationssystem, das durch Basisschutz und weitere Maßnahmen (zusätzliche Isolierung bzw. Schutzschirmung) oder durch eine gleichwertige Isolierung (verstärkte Isolierung gemäß DIN EN 61010-1 bzw. VDE 0411 Teil 1) gekennzeichnet ist und das Ziel hat, Personen gegen gefährliche Körperströme zu schützen. Dieses besonders hohe Sicherheitsniveau ist sowohl durch konstruktive Maßnahmen, z. B. entsprechend dimensionierte Luft- oder Kriechstrecken, als auch durch die Isolationseigenschaften der intern verwendeten Trennelemente sicherzustellen. Die Anforderungen der Sicherheitsgrundnorm wirken sich damit unmittelbar auf die Trennerkonstruktion aus.

Zur Angabe „Sichere Trennung“ gehört immer auch die Angabe einer Arbeitsspannung, bis zu der die „Sichere Trennung“ gewährleistet ist. Alle neuentwickelten Trennverstärker und Messumformer von Knick erfüllen die Anforderungen für „Sichere Trennung“ gemäß DIN EN 61140.

5.4 Zulassungen

International werden häufig die US-amerikanischen und kanadischen Zulassungen UL (Underwriter Laboratories) und CSA (Canadian Standards Association) bzw. ihre Kombination CUL gefordert. Viele Trenner von Knick haben in strengen Zulassungsverfahren nachgewiesen, dass sie den dort gestellten Anforderungen an die elektrische Sicherheit und an Brandschutzbestimmungen genügen.

Die GL-Zulassung des Germanischen Lloyd bestätigt vielen Knick-Trennverstärkern eine besondere Belastbarkeit. Mit ihr ist ein Einsatz beispielsweise auf Schiffen und im Offshore-Bereich möglich. Der Kerntechnische Ausschuss (KTA) im Bundesamt für Strahlenschutz erarbeitet für die Bundesrepublik Deutschland gültige sicherheitstechnische Regeln, die mit dem Kürzel KTA gekennzeichnet sind. Knick bietet Trenner mit der Zulassung KTA 3503 (3507) für den Einsatz in Kernkraftwerken.

5.5 Ex-Trennung

Beim Einsatz elektrischer Betriebsmittel – dazu gehören auch elektrische und elektronische Messgeräte – in explosionsgefährdeten Bereichen muss sichergestellt sein, dass diese Geräte auch im Störungsfall kein explosives Gas-Luft- Gemisch entzünden können. Zu den möglichen Schutzarten gehört u. a. die Zündschutzart „Eigensicherheit“, die gewährleistet, dass die eigensicheren Stromkreise des entsprechenden Gerätes auch im Fehlerfall keinen zündfähigen Funken erzeugen können.

In der Praxis ist eine Insellösung mit eigensicheren Stromkreisen fast nie möglich, d. h., zur Signalverarbeitung ist eine Kopplung mit nichteigensicheren Stromkreisen erforderlich. Die direkte Verbindung würde die Eigensicherheit aufheben und ist daher nicht zulässig. Zur Kopplung entsprechender Stromkreise bietet Knick geeignete Trennverstärker mit oder ohne Hilfsenergie an, die sowohl die Potentialtrennung als auch die Ex-Trennung zwischen eigensicheren und nichteigensicheren Stromkreisen bewirken (siehe Abb. 22).

Kopplung von eigensicheren und nicht-eigensicheren Stromkreisen mit dem passiven Trenner IsoTrans 36 A7

Abbildung 22: Kopplung von eigensicheren und nicht-eigensicheren Stromkreisen mit dem passiven Trenner IsoTrans 36 A7

Die von Knick angebotenen Geräte in Zündschutzart „Eigensicherheit“ entsprechen der Richtlinie 94/9/EG. Diese Richtlinie wird allgemein als ATEX bezeichnet.

Unter Betriebsmitteln für explosionsgeschützte Bereiche werden im europäischen Raum in der Praxis Geräte der Kategorie 1 und 2 verstanden, also für Zone 0 bzw. 1. Betriebsmittel der Kategorie 3 – für den Einsatz in Zone 2 – gewinnen zunehmend an Bedeutung. Zone 2 ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt. Als Normalbetrieb gilt der Zustand, in dem Anlagen und Geräte innerhalb ihrer vom Hersteller angegebenen Auslegungsparameter benutzt werden. Derartige Anlagen und Geräte gewähren das erforderliche Maß an Sicherheit.

Zur Zone 2 können u. a. gehören:

  • Bereiche, welche die Zonen 0 oder 1 umgeben,
  • Bereiche um Flanschverbindungen mit Flachdichtungen üblicher Bauart bei Rohrleitungen in geschlossenen Räumen.

Die Messumformer der Reihe P32x00 und A202x0 sind vorgesehen für den Einsatz in ATEX Zone 2 (DIN EN 60079-15) bzw.
Class 1, Div 2 / Zone 2 (UL 1604).

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