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Die
Erfindung betrifft eine explosionsgeschützte Schalteinrichtung,
ein Verfahren zum Betreiben einer Schalteinrichtung zum Schalten
von elektrischen Geräten in explosionsgefährdeten
Umgebungen, sowie ein explosionsgeschütztes Gehäuse
für elektrische Geräte, die von einer Schalteinrichtung geschaltet
werden.
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Schalteinrichtungen
zum Schalten von elektrisch betriebenen Geräten in technischen
oder industriellen Umgebungen, insbesondere für Geräte mit
großen elektrischen Leistungen, können nach unterschiedlichen
Prinzipien arbeiten. So sind elektromechanische, elektrische, elektronische,
pneumatische oder thermische Schalteinrichtungen für Anwendungen
in vielfältigen technischen und industriellen Bereichen
bekannt und gebräuchlich. Diese Schalteinrichtungen werden
in der Regel als Schütze oder Relais bezeichnet. Schütze
sind den Relais technisch ähnlich, weisen aber eine wesentlich
höhere Schaltleistung auf. Typische Lasten eines elektromechanischen
oder elektrischen Schützes beginnen bei etwa 500 Watt und
gehen bis hin zu mehreren hundert Kilowatt. Typischerweise können
Stromstärken von einigen Ampere bis hin zu 80 Ampere geschaltet
werden. Schütze mit hoher Schaltleistung werden als Leistungsschütze
bezeichnet. Neben elektromechanischen oder elektrischen Schalteinrichtungen
(Schützen) sind auch pneumatisch betätigte Schalteinrichtungen,
elektronische Schalteinrichtungen bzw. Halbleiterschütze
sowie thermisch (z. B. mittels der Verformung eines Bimetalls) arbeitende
Schalteinrichtungen bekannt und gebräuchlich. Diese verschiedenen
Arten von Schalteinrichtungen haben teilweise unterschiedliche Charakteristika
und Anwendungsgebiete (siehe unten).
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Derartige
Schalteinrichtungen werden dazu verwendet, mittels des Schließens
von elektrischen Kontakten elektrische Geräte und Apparate
mit Strom und Spannung zu versorgen und damit ein- bzw. auszuschalten.
Insbesondere Schütze werden beispielsweise dazu verwendet, einen
Verbraucher mit großer Leistungsaufnahme (z. B. einen Motor oder
Maschinen) über einen handbetätigten Schalter mit
kleiner Schaltleistung einzuschalten. Schütze ermöglichen
schnellere und sicherere Schaltvorgänge als dies mit rein
mechanischen oder handbetätigten Schaltkonstruktionen möglich
ist. Mit einem Schütz sind Schaltvorgänge aus
der Ferne über Steuerleitungen mit relativ geringem Leiterquerschnitt
möglich. Zu den typischen Anwendungsbereichen des Schützes
gehört daher auch die Steuerungs- und Automatisierungstechnik
(z. B. in der Motorsteuerung, Steuerung elektrischer Heizstäbe
und in lichttechnischen Anlagen). Sofern hier von „Schütz” die
Rede ist, sind für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jedoch
immer „Schalteinrichtungen” im oben genannten,
allgemeinen Sinne gemeint. Die anhand eines Schützes dargestellten
Ausführungsbeispiele sind lediglich exemplarisch und als
eine von mehreren möglichen Varianten zu verstehen.
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Ein
elektromechanisches Schütz weist in der Regel einen starken
Elektromagneten als Betätigungsmagneten auf. Fließt
ein Steuerstrom durch die Magnetspule, zieht das Magnetfeld mechanische Kontakte
in den aktiven Zustand. Ohne Strom stellt eine Feder den Ruhezustand
wieder her, indem alle Kontakte in ihre Ausgangslage zurückkehren.
Die Anschlüsse für den Steuerstrom für
die Magnetspule sowie die Kontakte für die zu schaltenden
Ströme sind im Schütz gegeneinander isoliert ausgeführt,
d. h. es gibt keine leitende Verbindung zwischen Steuer- und Schaltkontakten.
Wegen der hohen Schaltleistungen sind die Schaltkontakte in der
Regel stark und massiv ausgeführt, und sie werden durch
den starken Elektromagneten schnell betätigt und haben eine
hohe Kontaktkraft.
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Das
pneumatische Schütz (auch: Druckluftschütz) ist
dem elektromechanischen Schlitz von der Funktion her gleich, es
wird jedoch mit Druckluft anstelle eines Elektromagneten betätigt.
Der Elektromagnet wird durch pneumatische Stellglieder (Druckdosen)
ersetzt, welche über einen Anker auf die Schaltkontakte
wirken. Statt durch Anlegen eines Steuerstromes erfolgt das Umschalten
in den aktiven Zustand hier durch Druckerhöhung.
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Um
bei häufiger Betätigung die Abnutzung (Kontaktabbrand,
Verschleiß beweglicher Bauteile etc.) zu vermeiden, wurden
daneben Schütze auf Basis von Leistungshalbleitern entwickelt
(Halbleiterschütze). Gebräuchlich sind z. B. so
genannte Thyristoren. Anders als beim mechanischen Schütz
kann beim Halbleiterschütz eine sichere Trennung der Leistungskontakte
in der geöffneten Schaltstellung nicht gegeben sein. Es
kann ein kleiner Reststrom fließen und die Spannungsfestigkeit
ist oft niedriger als diejenige offener mechanischer Kontakte. Der Steuerkreis
ist üblicherweise mittels eines Optokopplers galvanisch
vom Laststromkreis getrennt, sodass auch beim Halbleiterschütz
eine sichere Trennung gegeben ist. Die Ansteuerung erfolgt in der
Regel mit einer Schutzkleinspannung von üblicherweise 3
bis 30 Volt.
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Insbesondere
bei elektromechanischen oder elektrischen oder pneumatischen Schalteinrichtungen
(Schützen) können beim Trennen der Kontakte Abreißfunken
oder ein Schaltlichtbogen auftreten, insbesondere, wenn induktive
Lasten geschaltet werden. Dieses kann zu Kontaktabbrand und elektrischen
Störemissionen führen. So genannte Luftschütze
verfügen über Lichtbogen-Löschkammern, in
die sich der Lichtbogen aufgrund seines Magnetfeldes ausbreitet
und in denen er gekühlt wird, sodass er verlöscht.
Je nach Anwendungsfall kann ständig eine Spannung an dem
Schütz anliegen. Im Falle eines Fehlers, z. B. bedingt
durch nicht sachgemäße Anwendung oder bei ungünstigen
Umgebungsbedingungen (wie Nasse oder Verschmutzung), kann es hierbei
auch zu einem Stromfluss über die in dem Schütz
vorhandenen Luft- oder Kriechstrecken kommen, was ebenfalls Funken
oder Lichtbögen verursachen kann.
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Wenn
Schalteinrichtungen (insbesondere Schütze) in besonderen
Anwendungsfällen in explosionsgefährdeten Bereichen
eingesetzt werden, beispielsweise in der chemischen Industrie oder
im Bergbau unter Tage, wo brennbare Gase, Stäube oder andere
explosionsfähige Stoffe vorhanden sein können,
kann es durch die beim Trennen der Schaltkontakte oder die bei einem
Stromfluss über die Luft- oder Kriechstrecken entstehenden
Abreißfunken oder Schaltlichtbögen zu einer Explosion
kommen. Um dieses zu verhindern, bedarf es besonderer Schutz- und
Sicherheitsmaßnahmen bei einem Einsatz von Schützen
in derartigen Umgebungen, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des
Explosionsschutzes. Dabei muss das Schütz folglich so ausgebildet
sein, dass Funken oder Lichtbögen gar nicht erst entstehen,
oder dass die entstehenden Funken oder Lichtbögen nicht
mit der brennbaren, explosionsgefährdeten Atmosphäre
in Kontakt kommen, um nicht eine Zündquelle für
eine Explosion zu bilden. Die Regeln des Explosionsschutzes sehen
hierfür verschiedene technische Maßnahmen vor,
u. a. so genannte „Kapselungen”. Dabei werden
entweder das gesamte Schütz oder jedenfalls die Schaltkontakte
gekapselt und damit entweder von der brennbaren, explosionsfähigen
Atmosphäre getrennt gehalten oder umgekehrt in einem Gehäuse
untergebracht, in das zündfähiges Gemisch eindringen
darf, im Falle einer Explosion in dem Gehäuse diese aber nicht
aus dem Gehäuse nach außen übertragen
werden darf.
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Die
in nationalen und internationalen gesetzlichen Normen und Richtlinien
definierten Regeln des Explosionsschutzes unterscheiden verschiedene
so genannte „Zündschutzarten”, in die
elektrische Geräte abhängig von dem für
sie jeweils geltenden Explosionsschutz klassifiziert und entsprechend
gekennzeichnet werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung
sind die nachfolgend dargestellten Zündschutzarten von
besonderer Bedeutung.
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Bei
der Zündschutzart „Druckfeste Kapselung” (Symbol „Ex-d”)
sind die Komponenten, die eine Zündung einer explosionsfähigen
Atmosphäre auslösen können, in einem
Gehäuse angeordnet, das bei der Explosion eines explosionsfähigen
Gemischs im Inneren des Gehäuses dem Explosionsdruck standhält.
Dabei ist das Gehäuse so beschaffen, dass eine Übertragung
der Explosion nach außen, insbesondere auf die das Gehäuse
umgebende explosionsfähige Atmosphäre, verhindert
wird. Typische Anwendungsfälle für die Zündschutzart „Druckfeste
Kapselung” sind Betriebsmittel, bei denen betriebsmäßig
Funken oder Lichtbögen und/oder heiße Teile auftreten,
wie Schaltgeräte und -anlagen, Transformatoren, Schleifringe,
Kollektoren, Stellwiderstände, Schmelzsicherungen bzw.
Lampen, Heizpatronen oder Reibungsbremsen. Auch für den
Einsatz von Schützen im Bereich von explosionsfähigen Atmosphären
ist diese Zündschutzart geeignet, wie unten weiter im Detail
diskutiert wird.
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Bei
der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit” (Symbol „Ex-e”)
wird das Entstehen von Funken, Lichtbögen oder unzulässigen
Temperaturen, die als Zündquelle wirken könnten,
im Inneren und an äußeren Teilen von elektrischen
Betriebsmitteln, bei denen unzulässig hohe Temperaturen,
Funken oder Lichtbögen im normalen Betrieb sonst nicht
auftreten, durch zusätzliche Maßnahmen und einen
erhöhten Grad an Sicherheit verhindert. Typische Anwendungsfälle
für diese Zündschutzart sind Installationsmaterialien,
wie Anschluss-, Abzweig- und Verbindungskästen, Anschlussräume
für Heizungen, Akkumulatoren, Transformatoren, induktive
Vorschaltgeräte, Kurzschlussläufermotoren oder
Käfigläufermotoren. Auch für den Einsatz
von Schützen im Bereich von explosionsfähigen
Atmosphären ist diese Zündschutzart geeignet,
indem beispielsweise Luft- und Kriechstrecken größer
bemessen sind als sonst üblich. Durch diese Maßnahme
wird bei anliegender Spannung verhindert, dass Kriechströme
fließen oder sich Lichtbögen über die
Luftstrecke aufbauen, wodurch wiederum verhindert wird, dass es
zu einer Explosion kommt. Typische Luftstreckenlängen können
hierbei ca. 15 mm betragen.
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Bei
der Zündschutzart „Überdruckkapselung” (Symbol „Ex-p”)
wird ein Gehäuse, in dem nicht explosionsgeschützte
elektrische Betriebsmittel oder Geräte untergebracht sind,
mit einem Zündschutzgas (Luft, inertes oder ein anderes
geeignetes Gas) gefüllt. Das Zündschutzgas im
Gehäuseinneren wird unter einem Überdruck gegenüber
der umgebenden Atmosphäre gehalten, so dass die umgebende
Atmosphäre aus einem explosiven Gasgemisch nicht zu den
im Inneren des Gehäuses angeordneten Betriebsmitteln oder
Geräten, die mögliche Zündquellen bilden,
gelangen kann. Der Überdruck in dem Gehäuse kann
mit oder ohne laufender Zündschutzgasdurchspülung
aufrechterhalten werden. Vor der Inbetriebnahme der in dem Gehäuse
untergebrachten elektrischen Betriebsmittels oder Geräte
muss das Gehäuse frei- oder vorgespült werden.
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Aufgrund
des Betriebsüberdruckes muss das durchspülte Gehäuse
eine hohe Festigkeit aufweisen. Wichtig ist außerdem die
Möglichkeit der Abschaltung des Systems oder eine Warnung
bei einem Ausfall des Spülgasstromes oder Schutzgasüberdruckes.
Anwendung findet die Zündschutzart „Überdruckkapselung” vorwiegend
bei Betriebsmitteln mit größeren Leistungen, wie
typischerweise bei Großmaschinen, großen Motoren,
Schleifring- bzw. Kollektormotoren, Schalt- und Steuerschränken
oder bei Analysengeräte, sowie bei Betriebsmitteln, bei
denen betriebsmäßig Funken, Lichtbögen
oder heiße Teile auftreten. Komplexe industriemäßige
Ausführungen (Steuerungen) können durch diese
Zündschutzart im explosionsgeführdeten Bereich
betrieben werden. Die Zündschutzart „Überdruckkapselung” („p”)
ist in der Norm DIN EN 60079-2:2007 geregelt.
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Bei
der Zündschutzart „Eigensicherheit” (Symbol „Ex-i”)
wird die Versorgung der elektrischen Betriebsmittel über
eine Sicherheitsbarriere geführt, die Strom und Spannung
soweit begrenzt, dass die Mindestzündenergie und Zündtemperatur
eines explosiven Gemisches nicht erreicht wird. Eigensichere Betriebsmittel
enthalten nur Stromkreise, die den Anforderungen an eigensichere
Stromkreise genügen. Eigensichere Stromkreise kommen nur
für Stromkreise mit geringen Leistungen in Betracht. Eigensichere Stromkreise
sind Stromkreise, in denen kein Funke oder kein thermischer Effekt,
der unter den in der Norm festgelegten Prüfbedingungen
auftritt, eine Zündung einer explosionsfähigen
Atmosphäre bestimmter normierter (Unter-)Gruppen beziehungsweise
eines Staub-Luft-Gemisches verursachen kann. Konstruktiv wird die
zulässige Belastung der Bauelemente gegenüber üblichen
industriellen Anwendungen in Bezug auf Spannung (wegen der elektrischen
Festigkeit) und Strom (hinsichtlich der Erwärmung) reduziert.
Die Spannungs- und Stromwerte sind, einschließlich eines
Sicher heitsfaktors, ständig auf ein so geringes Niveau
begrenzt, dass mit Sicherheit unzulässige Temperaturen
nicht auftreten und Funken und Lichtbögen bei Unterbrechung
oder Kurzschluss eine so geringe Energie aufweisen, dass sie zur
Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre
nicht ausreichen. Anwendung findet die Zündschutzart „Eigensicherheit” z.
B. bei Mess-, Steuer-, Überwachungs- und Informationsanlagen, -kreisen
und -geräten sowie für den elektrischen Anschluss
von Sensoren und Aktoren.
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Weitere
Zündschutzarten, die für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung weniger relevant sind, umfassen eine Einkapselung möglicher
Zündquellen in Form einer Sand- oder Ölfüllung
oder durch eine geeignete Vergussmasse in Verbindung mit einer entsprechenden
Begrenzung der Oberflächentemperatur.
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Detaillierter
dargestellt ermöglicht es die Zündschutzart „Überdruckkapselung” (Ex-p),
nicht explosionsgeschützte Geräte in explosionsgefährdeten
Bereichen zu betreiben. Der Zündschutzart „Überdruckkapselung” liegt
der Gedanke zugrunde, explosionsfähige Gasgemische von
den eingesetzten nicht explosionsgeschützten Geräten
fernzuhalten.
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Der
Explosionsschutz wird bei der Zündschutzart „Ex-p” dadurch
realisiert, dass die nicht explosionsgeschützten Geräte
in einem überdruckgekapselten Gehäuse (Ex-p-Gehäuse)
betrieben werden. Dieses Gehäuse wird durch einen dauerhaften Überdruck
mit Luft oder einem Inertgas vor dem Eindringen der evtl. in der
Umgebung vorliegenden explosionsfähigen Atmosphäre
geschützt. Abhängig von der jeweiligen Anwendung
und der vorhandenen Explosionsschutz-Zone bzw. der vorhandenen Atmosphäre
(z. B. Gas oder Staub) wird bei einer Inbetriebnahme des Gerätes
das Ex-p-Gehäuse vorgespült. Hierdurch wird sichergestellt,
dass ein eventuell im Gehäuse vorhandenes, zündfähiges
Gas-/Luftgemisch entfernt wird. Dieser Vorgang wird als Vorspülen
oder Freispülen bezeichnet.
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Überdruckkapselungssysteme
aus dem Stand der Technik bestehen aus einem integrierten Steuergerät,
welches alle elektronischen und pneumatischen Bauelemente wie Steuerung,
Drucksensoren, Durchflussmesseinrichtung, Funkensperre, Auslassventil,
etc. enthält. Zusätzlich wird eingangsseitig am
Ex-p-Gehäuse eine einstellbare Drossel bzw. ein Magnetventil
für die Spülgaszufuhr eingesetzt. Beide Komponenten
können innerhalb oder außerhalb des Ex-p-Gehäuses
montiert werden. Man unterscheidet die Betriebsarten ”ständige
Durchspülung”, bei der das Ex-p-Gehäuse
permanent mit einem Zündschutzgas durchströmt
wird, sowie ”Aus gleich der Leckverluste”, bei
der nach der Vorspülphase das Auslassventil geschlossen
wird und nur so viel Spülgas in das Gehäuse eingeleitet
wird, dass ein Mindestüberdruck aufrecht erhalten wird.
Eingangsseitig können für die Spülgaszufuhr
sowohl digital arbeitende Magnetventile (auf/zu) als auch Proportionalventile
eingesetzt werden.
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Die
meisten Anwendungsfälle basieren auf der Betriebsart ”Ausgleich
der Leckverluste”. In dieser Betriebsart wird nach Abschluss
der Vorspülphase das Auslassventil geschlossen und dann
nur noch soviel Spülgas in das Ex-p-Gehäuse eingeleitet,
dass ein Mindestüberdruck im mBar-Bereich innerhalb des Ex-p-Gehäuses
gegenüber der Atmosphäre aufrechterhalten wird.
Damit wird in dem Ex-p-Gehäuse ein nicht explosionsgefährdeter
Bereich geschaffen, in dem elektrische Betriebsmittel montiert und
betrieben werden können, die selbst nicht explosionsgeschützt
sind.
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Die
Herstellung und Aufrechterhaltung des Zustands der Überdruckkapselung
erfolgt durch eine Steuerungseinrichtung (Controller), die an dem
oder im Bereich des Ex-p-Gehäuses vorgesehen ist. Diese
Steuerungseinrichtung steuert und überwacht zunächst
den ersten Spülvorgang (Vorspülphase), durch den
das unter Umständen zündfähige Gasgemisch
der umgebenden Atmosphäre aus dem Gehäuse oder
Schaltschrank entfernt wird. Nach Ablauf der Vorspülphase
wird dann nur soviel Druckluft nachgeführt, dass die Undichtigkeiten
des Gehäuses und der eventuellen Einbauten im Gehäuse
(Schaltschrank) ausgeglichen werden. Während der Vorspülphase
wird dabei in dem Gehäuse typischerweise ein Innendruck
von ca. 10 bis 12 mBar und im Betriebszustand von ca. 2,5 bis 3,5
mBar aufgebaut und gehalten.
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Die
Steuerungseinrichtung (Controller) bewerkstelligt somit die Spülzeit-
und Drucküberwachung und -steuerung, wobei die in den Ex-p-Schaltschrank
einströmende Spülgasmenge sowie das Zuschalten
der Einbauten in dem Schrank nach Ablauf der Vorspülzeit
gesteuert und der Überdruck gegenüber der Atmosphäre
im Inneren des Schaltschrankes gehalten und überwacht werden.
Die an einzelnen Bauteilen im Inneren des Schaltschrankes eventuell
auftretenden Heißpunkte werden über Temperatursensoren überwacht,
so dass die betroffenen Bauteile bei Bedarf sicher abgeschaltet
werden können. Dieses gewährleistet, dass keine
unzulässige Oberflächentemperatur auftreten kann.
Die für die Spülgaszufuhr dienenden, von der Steuerungseinrichtung gesteuerten
Spülventile (Digitalventile oder Proportionalventile) richten
sich in ihrer Dimensionierung (Spülmenge) nach den Schaltschrankgrößen.
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In
besonderen Anwendungsfällen in explosionsgefährdeten
Bereichen, beispielsweise in der chemischen Industrie oder im Bergbau
unter Tage, kann es nun erforderlich oder erwünscht sein,
eine oder mehrere der diversen Schalteinrichtungen für große
elektrische Leistungen (z. B. Schütze), deren Aufbau und
Funktion oben erläutert wurde, in Verbindung mit überdruckgekapselten
Gehäuse- oder Schaltschranksystemen (die also unter der
Zünschutzart „Ex-p” gegen Explosionen
geschützt sind) einzusetzen. Dabei kann die Schalteinrichtung (Schütz)
insbesondere dafür vorgesehen sein, die in dem Gehäuse
oder dem Schaltschrank untergebrachten Verbraucher, wie Geräte,
Apparate, Motoren und dergleichen, zu schalten, insbesondere ein- und
auszuschalten. Wenn derartige Geräte als solche ursprünglich
selbst nicht explosionsgeschützt sind, darf dieser Schaltvorgang
jedoch erst durchgeführt werden, wenn das die Geräte
umgebende Gehäuse oder der Schaltschrank in dem Zustand
der Überdruckkapselung sind. Wie oben erläutert
wurde, ist es in solchen Fällen außerdem erforderlich,
die Schalteinrichtung so auszubilden und abzusichern, dass Funken
oder Lichtbögen entweder gar nicht erst entstehen, oder
dass die bei einem Schaltvorgang der Schalteinrichtung entstehenden
Abreißfunken oder Schaltlichtbögen dann jedenfalls
nicht mit einer ggfs. vorhandenen brennbaren, explosionsfähigen Atmosphäre
in Kontakt kommen, um nicht eine Zündquelle für
eine Explosion zu bilden.
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Im
Stand der Technik war es dabei bisher üblich und notwendig,
die Schalteinrichtung (z. B. das Schütz) getrennt von dem überdruckgekapselten
Gehäuse- oder Schaltschranksystem durch geeignete Zündschutz-Maßnahmen
gegen Explosionen zu sichern. Dabei wurden beispielsweise entweder
das gesamte Schütz oder jedenfalls die Schaltkontakte explosionsgeschützt
gekapselt.
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Typischerweise
wurde das Schütz bei diesen Anwendungen in einem eigenen
druckfesten Gehäuse untergebracht, also einem Gehäuse,
das die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung” erfüllt („Ex-d-Gehäuse”).
Dieses druckfeste Gehäuse mit dem darin befindlichen Schütz
wurde dann in der Regel außerhalb, insbesondere an der
Außenseite oder im Außenbereich des mit dem Schütz
zusammenarbeitenden überdruckgekapselten Gehäuse-
oder Schaltschranksystems angebracht. Eine Anbringung des druckfesten
Gehäuses mit dem darin befindlichen Schütz im
Inneren des überdruckgekapselten Gehäuses wäre
grundsätzlich zwar auch möglich gewesen, hat sich
aber aus Gründen des Platzbedarfs des druckfesten Gehäuses
in der Regel nicht angeboten.
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Die
Schalteinrichtung (Schütz) selbst konnte im Stand der Technik
nicht unmittelbar im Inneren des überdruckgekapselten (Ex-p)
Gehäuses oder Schaltschranks untergebracht werden, da das Schütz
selbst nicht ausreichend explosionsgeschützt war, weshalb
es aufgrund einer ggfs. vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre
zu Explosionen hätte kommen können (z. B. aufgrund
von Funken oder Lichtbögen an Luft- oder Kriechstrecken
des Schützes), bevor das Gehäuse oder der Schaltschrank
in Betrieb genommen wurden und bevor sie in dem Zustand der Überdruckkapselung
waren.
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Eine
Schalteinrichtung konnte im Stand der Technik somit nicht unmittelbar
im Inneren des Ex-p-Gehäuses untergebracht werden, da dieses
die Anforderungen der gesetzlichen Normen und Richtlinien für
die Zündschutzart „Überdruckkapselung” (Ex-p)
nicht erfüllt hätte, mithin also auch aus rechtlichen
und gesetzlichen Gründen unzulässig war.
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Die
Unterbringung der Schalteinrichtung in einem eigenen druckfest gekapselten
Gehäuse (Ex-d-Gehäuse) entsprechend dem Stand
der Technik hat jedoch den Nachteil, dass diese Gehäuse
aufgrund der technischen Gegebenheiten und Anforderungen ein hohes
Gewicht und große Abmessungen haben. Folglich verursachen
Ex-d-Gehäuse in ihrer Herstellung, Handhabung und ihrem
Transport einen hohen Aufwand, großen Zeitbedarf und damit
hohe Kosten. Dieser Aufwand und diese Kosten stehen in der Regel
jedoch nicht in einem angemessenen Verhältnis zu dem Aufwand
und den Kosten für das gesamte System.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.
Insbesondere sollen für Schalteinrichtungen (z. B. Schütze
oder Relais), die in Verbindung mit Geräten, Apparaten, Maschinen
und dergleichen in überdruckgekapselten Gehäuse-
oder Schaltschranksystemen (Zündschutzart „Ex-p”)
verwendet werden, verbesserte und einfachere Maßnahmen
für einen Explosionsschutz geschaffen werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Schalteinrichtung zum Schalten von elektrischen Geräten
für Anwendungen in explosionsfähigen Atmosphären
entsprechend Patentanspruch 1. Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst
durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schalteinrichtung zum Schalten
von elektrischen Geräten für Anwendungen in explosionsfähigen
Atmosphären entsprechend Patentanspruch 7. Die genannte
Aufgabe wird erfindungsgemäß schließlich
auch gelöst durch ein Gehäuse für den
Schutz von in dem Gehäuse untergebrachten elektrischen
Geräten gegen Explosionen entsprechend Patentanspruch 11.
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Erfindungsgemäß sind
eine Schalteinrichtung zum Schalten von elektrischen Geräten
für Anwendungen in explosionsfähigen Atmosphären
sowie ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Schalteinrichtung
vorgesehen, wobei die zu schaltenden Geräte in einem in
der Zündschutzart „Überdruckkapselung” (Ex-p)
gegen Explosionen geschützten Gehäuse (Ex-p-Gehäuse)
angeordnet sind. Dabei ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen,
die derart mit dem Ex-p-Gehäuse zusammenarbeitet, dass
sie den Zustand der Überdruckkapselung des Ex-p-Gehäuses
steuert und überwacht, insbesondere die Herstellung und/oder
Aufrechterhaltung und/oder Beendigung dieses Zustands. Die Schalteinrichtung
ist dabei insbesondere selbst gegen Explosionen geschützt,
oder sie wird gegen Explosionen geschützt, und sie ist
in dem Innenraum des Ex-p-Gehäuses angeordnet. Die Steuerungseinrichtung
arbeitet derart mit der Schalteinrichtung zusammen und steuert diese
derart, dass sie ein Schalten der Schalteinrichtung erst zulässt,
wenn sich das Ex-p-Gehäuse im Zustand der Überdruckkapselung befindet.
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Gemäß der
Erfindung können Schalteinrichtungen in Verbindung mit überdruckgekapselten
Gehäuse- oder Schaltschranksystemen (Zünschutzart „Ex-p”)
eingesetzt werden, bei denen die Schalteinrichtung insbesondere
dafür vorgesehen ist, die in dem Gehäuse oder
dem Schaltschrank untergebrachten Verbraucher, wie Geräte,
Apparate, Motoren und dergleichen, zu schalten, insbesondere ein- und
auszuschalten. Da diese Geräte als solche selbst nicht
explosionsgeschützt sind, darf dieser Schaltvorgang erst
durchgeführt werden, wenn das Gehäuse oder der
Schaltschrank in dem Zustand der Überdruckkapselung sind.
Da die Schalteinrichtung selbst explosionsgeschützt ausgeführt
ist, können vor diesem Schaltvorgang trotz des Vorhandenseins einer
explosionsfähigen Atmosphäre keine Explosionen
durch die Schalteinrichtung als solche ausgelöst werden.
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Die
explosionsgeschützte Ausführung der Schalteinrichtung
kann beispielsweise Luft- und Kriechstrecken vorsehen, die gegenüber
einer nicht explosionsgeschützten Ausführung verlängert
sind, so dass in der Schalteinrichtung selbst keine Funken oder
Lichtbögen als Zündquellen für eine Explosion entstehen
können. Damit kann es nicht zu Explosionen kommen, bevor
das Gehäuse oder der Schaltschrank in Betrieb genommen
werden und bevor sie in dem Zustand der Überdruckkapselung
sind (Ex-p).
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Gemäß der
Erfindung ist die Schalteinrichtung nunmehr unmittelbar im Inneren
des überdruckgekapselten (Ex-p) Gehäuses oder
Schaltschranks untergebracht. Durch die Steuerungseinrichtung (Controller),
die den Zustand der Überdruckkapselung des Ex-p-Gehäuses
und insbesondere die Herstellung und/oder Aufrechterhaltung und/oder
Beendigung dieses Zustands steuert und überwacht, wird auch
die Schalteinrichtung gesteuert und sichergestellt, dass die Schalteinrichtung
erst schaltet (und damit evtl. Abreißfunken oder Schaltlichtbögen
erzeugt), wenn das überdruckgekapselte (Ex-p) Gehäuse
vollständig aktiv ist, d. h. wenn nach Abschluss der Vorspülphase
der explosionsfreie Zustand im Inneren des Ex-p-Gehäuses
herrscht. Das Zuschalten bzw. Ein- oder Ausschalten der in dem überdruckgekapselten
Gehäuse oder Schaltschrank untergebrachten Geräte
durch die Schalteinrichtung kann daher nicht zu einer Explosion
führen.
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Sobald
der Betriebszustand der Überdruckkapselung des Gehäuses
erreicht ist, ist die Schalteinrichtung damit gleichzeitig durch
ihre eigene explosionsgeschützte Ausführung sowie
durch das Gehäuse in der Zündschutzart „Überdruckkapselung” (Ex-p)
geschützt. Der geschützte Bereich des Ex-p-Gehäuses
wird somit zugleich auch für den Schutz der Schalteinrichtung
genutzt.
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In
besonderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schalteinrichtung
als solche gegen Explosionen geschützt sein, indem sie
beispielsweise die technischen Anforderungen und/oder elektrischen
Eigenschaften der Zündschutzart „Erhöhte
Sicherheit” (Ex-e) oder der Zündschutzart „Eigensicherheit” (Ex-i)
erfüllt. Dieses gilt insbesondere für die Schalteinrichtung
in einem Zustand, in dem sie nicht schaltet (in dem aber z. B. Kriechströme
vorhanden sein können). Das bedeutet, dass die Schalteinrichtung
für ihre explosionsgeschützte Ausführung die
normativ geregelten Anforderungen und Vorgaben einer betroffenen
Zündschutzart in ihren elektrischen Eigenschaften erfüllt
und für diese explosionsgeschützte Ausführung
bestimmte technische Merkmale der betroffenen Zündschutznorm
verwendet. Es ist dabei aber nicht erforderlich, dass die Schalteinrichtung
als solche in der betroffenen Zündschutzart zugelassen
oder zertifiziert ist, insbesondere von einer für Zulassungen
im Bereich des Explosionsschutzes zuständigen, akkreditierten
Prüfstelle oder Prüfbehörde.
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Damit
ist es möglich, dass für die Zwecke der Erfindung
für die Schalteinrichtung Standardkomponenten oder -bauteile
verwendet werden, die für industrielle Anwendungen verfügbar
sind, ohne dass diese Komponenten hinsichtlich eines Explosionsschutzes
in bestimmten Zündschutzarten zugelassen sein müssen.
Es werden dabei lediglich solche Standardkomponenten oder -bauteile
verwendet, die technisch so ausgebildet sind, dass sie einzelne
oder alle Merkmale einer betreffenden Zündschutznorm erfüllen.
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So
kann eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung beispielsweise
ein Schütz in regulärer Industriequalität
sein, der die Anforderungen der Zündschutzart „Erhöhte
Sicherheit” (Ex-e) insofern erfüllt, als er verlängerte
Luft- und Kriechstrecken aufweist, die die Vorgaben dieser Norm
erfüllen. Dieser Schütz muss aber nicht für
diese Zündschutzart amtlich zugelassen sein. Damit können
die höheren Kosten eingespart werden, die gegenüber
herkömmlichen Bauteilen üblicherweise für
Bauteile aufzuwenden sind, die in bestimmten Zündschutzarten
zertifiziert sind.
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Erfindungsgemäß werden
bestimmte Merkmale oder Vorgaben einer konkreten Zündschutznorm
in ihrer Anwendung für die Schalteinrichtung kombiniert
mit der für das Gehäuse vorgesehenen Zündschutzart „Überdruckkapselung” (Ex-p).
Diese Zündschutzmerkmale der Schalteinrichtung werden somit
auf das überdruckgekapselte Gehäuse übertragen
bzw. in der Überdruckkapselung angewendet, ohne dass sie
Bestandteil der Norm für die Zündschutzart „Überdruckkapselung” sind.
Durch diese Kombination verschiedener Explosionsschutzmaßnahmen
wird ein gutes oder höheres Sicherheitsniveau erreicht,
und insbesondere ein solches Sicherheitsniveau das an sich durch
eine akkreditierte Prüfstelle zugelassen werden würde.
Damit kann hier auch von dem Vorliegen der Zündschutzart „Sonderschutz” (Symbol „Ex-s”)
gesprochen werden. Diese Zündschutzart gilt somit für
die Kombination der Schalteinrichtung mit dem Gehäuse.
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In
einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung
können das Gehäuse oder der Schaltschrank beweglich,
insbesondere fahrbar konstruiert sein. Das Gehäuse oder
der Schaltschrank können dann zunächst in einem
nicht explosionsgefährdeten Bereich vorbereitet und in
den Ex-p-Zustand (Überdruckkapselung) gebracht werden,
wobei hier kein Vorspülen des Gehäuses/Schranks
notwendig ist. In diesem Zustand werden das Gehäuse bzw. der
Schaltschrank dann in den explosionsgefährdeten Bereich
gebracht, insbesondere gefahren, und sie sind hier jetzt regulär
unter Explosionsschutzbedingungen arbeitsfähig. In dieser
Ausführungsform ist es somit nicht erforderlich, dass die
Schalteinrichtung (Schütz) eigenständig gegen
Explosionen geschützt ist (z. B. durch die Erfüllung
der Anforderungen einer der oben genannten weiteren Zündschutzarten
Ex-e oder Ex-i). Vielmehr wird die Schalteinrichtung hier durch
den Einsatz in dem Gehäuse/Schaltschrank und die Herstellung
seines Ex-p-Zustands mit geschützt.
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Neben
den oben diskutierten Sicherheitsaspekten bringt die erfindungsgemäße
Lösung darüber hinaus den weiteren, vor allem
wirtschaftlichen Vorteil mit sich, dass ein separates, druckfest
gekapseltes Gehäuse (Ex-d-Gehäuse) zur explosionsgeschützten
Unterbringung der Schalteinrichtung (Schütz) nicht mehr
erforderlich ist. Damit entfallen der hohe wirtschaftliche und zeitliche
Aufwand, der aufgrund des hohen Gewichts und der großen
Abmessungen eines Ex-d-Gehäuses in seiner Herstellung,
Handhabung und seinem Transport gegeben ist. Die Erfindung bietet
somit eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte
und einfachere und damit wesentlich kostengünstigere Lösung.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.
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1 zeigt
schematisch eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen
Ex-p-Gehäuses mit einer darin untergebrachten erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung.
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2 zeigt
schematisch eine dreidimensionale Ansicht entsprechend der 1,
wobei alle Komponenten zur Veranschaulichung durchsichtig dargestellt
sind.
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Die
Figuren zeigen das überdruckgekapselte Gehäuse
(Ex-p-Gehäuse) bzw. den Schaltschrank 10 mit einer
darin untergebrachten Schalteinrichtung, insbesondere einem Schütz 20.
Das Schütz selbst ist gegen Explosionen geschützt,
indem es die elektrischen Eigenschaften der Zündschutzart „Erhöhte
Sicherheit” (Ex-e) erfüllt. Je nach Anwendungsfall
können alternativ auch die Anforderungen anderer geeigneter
Zündschutzarten erfüllt werden (z. B. „Eigensicherheit” Ex-i).
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In
einer weiteren Alternative muss die Schalteinrichtung (Schütz)
nicht eigenständig gegen Explosionen geschützt
sein (z. B. durch die Erfüllung der Anforderungen einer
der zuvor genannten weiteren Zündschutzarten Ex-e oder
Ex-i). Vielmehr wird die Schalteinrichtung 20 hier alleine
durch die Anordnung in dem Gehäuse/Schaltschrank 10 und
die Herstellung seines Ex-p-Zustands mit geschützt. Diese Ausführungsform
setzt allerdings voraus, dass das Gehäuse oder der Schaltschrank
zuerst in einem nicht explosionsgefährdeten Bereich vorbe reitet
und in den Ex-p-Zustand (Überdruckkapselung) gebracht werden.
Zu diesem Zweck können das Gehäuse oder der Schaltschrank
beweglich, insbesondere fahrbar, konstruiert sein. Nachdem der Ex-p-Zustand
hergestellt ist, können das Gehäuse bzw. der Schaltschrank
dann in den explosionsgefährdeten Bereich gebracht werden,
wo sie regulär unter Explosionsschutzbedingungen arbeitsfähig
sind.
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Das
Schütz ist durch eine explosionssichere Scheibe 12 an
der Vorderseite des Gehäuses hindurch erkennbar. Diese
Scheibe kann optional vorhanden sein und ist hier insbesondere zur
besseren Darstellung des Schützes vorgesehen. Das Schütz 20 sitzt
im Inneren des Ex-p-Gehäuses 10, also in dem von
Spülgas durchspülten Bereich. Das Schütz ist
in geeigneter Weise in dem Gehäuse befestigt, hier beispielsweise
durch übliche Gerätehalterungsschienen 14.
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In
den Figuren ist an der rechten oberen Außenseite des Gehäuses 10 die
Steuerungseinrichtung (Controller) 30 erkennbar. Diese
Steuerungseinrichtung steuert und überwacht den Zustand
der Überdruckkapselung des Gehäuses 10 sowie
das Schalten des Schützes 20, wie es oben erläutert
wurde. Die Steuerungseinrichtung 30 arbeitet derart mit dem
Schütz 20 zusammen und steuert dieses derart, dass
sie ein Schalten des Schützes 20 erst zulässt und
freigibt, wenn für das Ex-p-Gehäuse 10 der
Zustand der Überdruckkapselung vorliegt. Schaltungs- und
steuerungstechnisch sind somit hohe Anforderungen an die Steuerungseinrichtung
und ihre Zuverlässigkeit zu stellen, damit diese ein Schalten
des Schützes nur freigibt und zulässt, wenn tatsächlich der
Zustand der Überdruckkapselung des Gehäuses vorliegt.
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An
der rechten unteren Außenseite des Gehäuses 10 ist
ein Ventil 40 dargestellt, das als Steuerventil für
die Zufuhr von Spülgas (Inertgas) oder Druckluft zu dem
Gehäuse 10 dient. Durch das Spülgas bzw.
die Druckluft wird der Zustand der Überdruckkapselung des
Gehäuses 10 hergestellt und aufrechterhalten,
wie es oben erläutert wurde. Das Steuerventil 40 wird
von der Steuerungseinrichtung 30 gesteuert und überwacht,
um die jeweils richtige Menge an Spülgas oder Druckluft
zuzuführen.
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An
dem Steuerventil 40 ist (in der Zeichnung von rechts kommend)
eine Leitung oder ein Schlauch 42 befestigt, durch die/den
das Spülgas oder die Druckluft zugeführt werden.
Das hier dargestellte Steuerventil 40 weist außerdem
ein Manometer 44 sowie ein Handrad 46 auf, über
die der Druck und die Menge des zugeführten Spülgases
bzw. der Druckluft manuell geregelt werden können.
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In
den Figuren ist des weiteren an der rechten oberen Außenseite
des Gehäuses 10 neben der Steuerungseinrichtung
(Controller) 30 ein Auslassventil 50 dargestellt.
Durch dieses Ventil werden, insbesondere in der Betriebsart ”ständige
Durchspülung” der Zündschutzart „Überdruckkapselung”,
wie es oben erläutert wurde, das durch das Steuerventil 40 zugeführte
Spülgas (Inertgas) bzw. die Druckluft wieder aus dem Gehäuse
abgelassen. Auch dieses Ventil 50 kann typischerweise von
der Steuerungseinrichtung 30 gesteuert und überwacht
werden, um die jeweils richtige Menge an Spülgas oder Druckluft abzulassen.
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An
der rechten Außenseite des Gehäuses 10 sind
des weiteren Buchsen und/oder Leitungsdurchführungen 60 erkennbar,
durch die elektrische Leitungen und dergleichen zur Versorgung der
in dem Gehäuse 10 untergebrachten Geräte
und Apparate explosionsgeschützt in das Gehäuse 10 eingeführt werden
können.
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Im übrigen
weist das Gehäuse 10 an seiner Außenseite
die für explosionsgeschützte Gehäuse oder
Schaltschränke typischen weiteren Komponenten und Bedienelemente
auf. Neben einem Not-Aus-Schalter 70 sind Bedienknöpfe
oder -schalter 72, Taster 74 und Meldeleuchten 76 vorgesehen. Über
diese Komponenten können das Gehäusesystem und/oder
die darin untergebrachten Geräte und Apparate bedient und überwacht
werden. Über Verschlusselemente 78 (wie Riegel
oder Schrauben) kann das Gehäuse 10 geöffnet
werden.
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Die
von dem Ex-p-Gehäuse 10 zu schützenden,
in diesem untergebrachten Geräte und Apparate sind aus
Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt.
Sie sind unmittelbar neben dem Schütz 20 angeordnet
und werden von diesem geschaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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60079-2:2007 [0013]