Weiterhin erlaubt sie Wartungsarbeiten sowie Umbauten im laufenden Betrieb. Daneben ist der Einsatz von einfachen elektrischen Betriebs­mitteln ohne spezielle Zulassung möglich.

Das Schutzprinzip der der Zündschutzart Ex i basiert auf der Begrenzung der in den explosionsgefährdeten Bereich geleiteten und dort speicherbaren Energie. Die Energie eines möglichen Funkens ist daher immer kleiner als die Mindestzündenergie der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre. Zudem können keine unzulässig heißen und somit zündfähigen Oberflächen beispielsweise elektronischer Bauteile entstehen. Im Gegensatz zu allen weiteren Zündschutzarten bezieht sich Ex i entsprechend der EN/IEC 60079-11 nicht auf ein einziges Betriebsmittel, sondern auf den gesamten eigensicheren Stromkreis.

‚Ex i‘-Trenner erforderlich

Der eigensichere Stromkreis setzt sich in der Regel aus den folgenden Komponenten zusammen:

• dem eigensicheren Betriebsmittel, also einem im ‚Ex i‘-Bereich installierten Verbraucher, zum Beispiel einem ‚Ex i‘-Temperaturtransmitter;

• dem zugehörigen Betriebsmittel, wobei es sich um eine im Nicht-‚Ex i‘-Bereich verbaute Quelle (‚Ex i‘-Trenner) handelt,

• sowie der verbindenden Leitung (Kabel).

‚Ex i‘-Trenner trennen gemäß EN/IEC 60079-0 und -11 den eigensicheren Stromkreis galvanisch sicher von sämtlichen anderen nicht-eigensicheren Stromkreisen und sind deshalb in jedem ‚Ex i‘-MSR-Kreis zwingend notwendig. Ferner begrenzen sie die in den Ex-Bereich geführte Energie – die maximale Leerlaufspannung Uo, den maximalen Kurzschlussstrom Io und die maximale Leistung Po – auf ein nicht zündfähiges Niveau. Gleichzeitig legen sie über die Angaben Co und Lo fest, welche maximalen zusätzlichen Energiespeicher – konzentrierte Kapazität Ci sowie konzentrierte Induktivität Li im Feldgerät, Leitungskapazitäten Cc und Leitungsinduktivtäten Lc – angeschlossen werden dürfen, ohne die Eigensicherheit des Stromkreises zu ge­fährden. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Zündschutzart Ex i ist die Zuverlässigkeit der Energiebegrenzung selbst unter der Annahme bestimmter Fehler. Eigensichere elektrische Betriebsmittel und die ‚Ex i‘-relevanten Schaltungsteile der zugehörigen Betriebsmittel werden daher entsprechend der erforderlichen Zuverlässigkeit ausgelegt und in verschiedene Schutzniveaus eingeteilt, die wiederum auf unterschiedliche Zonen des Ex-Bereichs abgestimmt sind. Das Schutzniveau Ex ia (Zweifehlersicherheit) eignet sich für die Nutzung in Zone 0 und somit auch in Zone 1 und 2, das Schutzniveau Ex ib (Einfehlersicherheit) für die Verwendung in Zone 1 und folglich ebenfalls in Zone 2, das Schutzniveau Ex ic (Nullfehlersicherheit) eignet sich lediglich zum Einsatz in Zone 2. 

Nachweis der Eigensicherheit

Bild 2: Ein Beispiel eines eigensicheren Temperaturmesskreises.

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Um sicherzustellen, dass die jeweilige Zusammenschaltung keine zündfähigen Funken und heißen Oberflächen erzeugen kann, muss der Anwender oder Anlagenbetreiber den ‚Nachweis der Eigensicherheit‘ durchführen und dokumentieren. Dies ist in der ATEX-Richtlinie RL1999/92/EG und der BetrSichV respektive der neuen GefStoffV festgelegt sowie in den normativen Anforderungen für den elektrischen Explosionsschutz, zum Beispiel der EN/IEC 60079-14, beschrieben. Dem Anwender bietet das Verfahren den Vorteil, dass sich ‚Ex i‘-Feldgeräte und -Trenner herstellerunabhängig gemäß den spezifischen Anforderungen auswählen und kombinieren lassen.  

Bild 2 zeigt einen blau dargestellten eigensicheren Stromkreis, der aus einem zugehörigen Betriebsmittel (Quelle) mit linearer respektive ohmscher Quellenkennlinie, einem eigensicheren Betriebsmittel und den verbindenden Leitungen besteht. Ebenso aufgeführt sind die für den Nachweis der Eigensicherheit benötigten sicherheitstechnischen Parameter sowie die Kriterien, die erfüllt sein müssen, damit der Stromkreis tatsächlich eigensicher ist. Die Parameter können den EU-Baumusterprüfbescheinigungen und Betriebsanleitungen oder Datenblättern entnommen werden.  

Entsprechend den aktuellen Ausgaben der DIN EN 60079-11 und der Errichternorm DIN EN 60079-14 (VDE 0165-1) ist darüber hinaus zu bewerten, ob die 50-%-Regel angewendet werden muss. Denn die bescheinigten Co- und Lo-Werte der zugehörigen Betriebsmittel dürfen nur in folgenden Fällen voll ausgenutzt werden: 

• bei einfachen eigensicheren Stromkreisen ohne konzentrierte Kapazitäten (= Ci) und ohne konzentrierte Induktivitäten (= Li),

• in einem gemischten eigensicheren Stromkreis mit konzentrierten Kapazitäten und/oder konzentrierten Induktivitäten unter der Bedingung, dass Li < 1 % von Lo oder Ci < 1 % von Co ist.

Ist im gemischten eigensicheren Stromkreis Li ≥ 1 % von Lo und Ci ≥ 1 % von Co, müssen die bescheinigten Co- und Lo-Werte um 50 % reduziert werden. Hier gilt dann: 

Ci + CC < 0,5 Co

Li + LC < 0,5 Lo

Für diesen Fall stehen teilweise – wie bei der Produktlinie MACX MCR-EX – speziell von den Prüfstellen ermittelte Co- und Lo-Wertepaare zur Verfügung, die bis Faktor 1,5 größer sind als die halbierten Werte.

Beispiel eines eigensicheren Temperaturmesskreises

Bild 3: Die 12,5 mm schmale ‚Ex i‘-Trennerserie MACX MCR-EX-SL… zeichnet sich durch abgestimmte Io-, Uo- und Po-Werte aus, sodass sie kompatibel zu einer großen Anzahl an ‚Ex i‘-Feldgeräten ist. Bei ihrer Entwicklung wurde zudem Wert auf möglichst hohe Co-Werte gelegt, da dies der wesentliche Parameter ist, der die maximal realisierbare Leitungslänge bestimmt.

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In prozesstechnischen Anwendungen werden Prozessvariablen wie Tempe-ratur, Druck, Durchfluss, Feuchte oder pH-Wert im Ex-Bereich durch eigen-sichere Messumformer (Transmitter) erfasst und in ein elektrisches Norm-signal mit 4 bis 20 mA umgewandelt. Dabei zählt die Temperatur zu den am häufigsten gemessenen physikalischen Größen. Nachfolgend wird der Nachweis der Eigensicherheit daher am Beispiel eines eigensicheren Temperatur-messkreises bis in Ex-Zone 0 einer Ex-Atmosphäre aus einem Wasserstoff-/Luftgemisch durchgeführt. Beim ‚Ex i‘-Messkreis handelt es sich um eine Zusammenschaltung aus dem Speise-trennverstärker MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I als aktives zugehöriges Betriebs-mittel mit linearer Quellenkennlinie sowie zwei passiven eigensicheren Betriebsmitteln: dem Temperaturtransmitter FA MCR-EX-HT-TS-I-OLP-PT und der Prozessanzeige FA MCR EX-FDS-I-I-OLP (siehe Bild auf Seite 2). 

Für den Nachweis der Eigensicherheit müssen die folgenden Punkte erfüllt sein: 

• Die Schutzniveaus Ex ia für Zone 0 und die Kategorien stimmen mit den Zonen überein. Mit dem Hinweis in der EU-Baumusterprüfbescheinigung der Feldanzeige, dass das Gerät innerhalb eines ‚Ex i‘-Stromkreises des Schutzniveaus ia eingesetzt werden kann, ohne dessen Schutzniveau zu beeinflussen, wird dieses Kriterium eingehalten.

• Die Stoffgruppen korrespondieren. Alle ‚Ex i‘-Geräte sind entsprechend der Kennzeichnung IIC für eine Ex-Atmosphäre aus einem Wasserstoff-/Luftgemisch zugelassen. Das gleiche gilt für die Temperaturklasse T4, weshalb dieser Anforderung ebenfalls entsprochen wird. 

Bild 1: Die Parameter und Kriterien eines eigensicheren Stromkreises im Überblick.

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• Die aufgelisteten fünf Kriterien (siehe Bild rechts) des Vergleichs der ‚Ex i‘-Parameter sind erfüllt. Diese Voraus-setzung ist gemäß den im Bild auf Seite 2 dargestellten ‚Ex i‘-Parametern gegeben. Außerdem handelt es sich um einen gemischten ‚Ex i‘-Stromkreis, bei dem die 50-%-Regel nicht angewendet werden muss. Lediglich die Prozess-anzeige hat eine konzentrierte Induktivität von 35,1 μH. Somit ist rechnerisch mit einer spezifischen Kabelkapazität Cc von 140 nF/km und einer Kabelinduktivität Lc von 1 mH/km bei einem Co-Wert von 107 nF eine Leitungslänge von 750 m, bei einem Lo-Wert von 2 mH und einem Ci-Wert von 35,1 μH eine Leitungslänge von 1.964,9 m möglich. 

Somit ist diese Zusammenschaltung eigensicher mit einer Leitungslänge von maximal 750 m. Für die Zusammenschaltung der feldseitigen Anschlüsse des Kopfmessumformers mit dem Thermoelement und dem Widerstands-thermometer ist der oben beschriebene Nachweis der Eigensicherheit separat umzusetzen. 
Thermoelemente und Widerstands-thermometer gelten entsprechend der EN 60079-11 als ‚einfache elektrische Betriebsmittel‘. Alternativ lassen sich somit auch Temperatursensoren ohne Zulassung verwenden. In diesem Fall muss der Anwender allerdings sicherstellen, dass die Thermoelemente und Widerstandsthermometer die in der EN 60079-11 geforderten Kennwerte der Energiespeicher und Baubestimmungen einhalten. Darüber hinaus hat er die Oberflächenerhitzung der Geräte über den Po-Wert zu ermitteln, um sie einer Temperaturklasse zuzuordnen.