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ATEX-Anforderungen an Motorschutzeinrichtungen
ep7/2003, 4 Seiten
1 Formale Hintergründe Mit der Kurzform „ATEX“ werden zwei EG-Richtlinien bezeichnet, die das Inverkehrbringen und den Betrieb von explosionsgeschützten Betriebsmitteln und Anlagen regeln (s. Tafel ). In ATEX 95 heißt es im Artikel 1 (2) zum hier behandelten Thema: „Unter den Anwendungsbereich dieser Richtlinie fallen auch Sicherheits-, Kontroll- und Regelvorrichtungen für den Einsatz außerhalb von explosionsgefährdeten Bereichen, die im Hinblick auf Explosionsgefahrenjedochfürdensicheren Betrieb von Geräten und Schutzsystemen erforderlich sind oder dazu beitragen.“ In den ATEX-Leitlinien vom Mai 2000 sind im Abschnitt 4.4.1, d) auf den Seiten 21/22 Beispiele für solche Sicherheitseinrichtungen genannt, darunter ausdrücklich auch „Überlastschalter für Elektromotoren der Schutzart EEx e erhöhte Sicherheit“. Weitere Beispiele sind bei sinngemäßer Auslegung, z. B. nach einem Merkblatt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt [1]: · Überlastrelais mit thermischen Bimetall-Auslösern · Elektronische Überlastrelais · TMS-Auslösegeräte für PTC-Fühler · Pt-100-Fühler · Sanftanlaufgeräte mit integriertem oder getrenntem TMS wenn sie als Alleinschutz für Motoren in den Zonen 1 und 21 verwendet werden. Eine EG-Baumusterpüfbescheinigung einer benannten Stelle ist nach allgemeinem Verständnis für eine solche Einrichtung nicht zwingend erforderlich, wenn sie zusätzlich zu einer anderen, zugelassenen Schutzeinrichtung verwendet wird oder wenn sie einen Antrieb in der Zone 2 oder 22 schützt, der eine EG-Konformitätserklärung des Herstellers hat und dessen Schutzeinrichtung in der Betriebsanleitung beschrieben ist. Es ist jedoch zu empfehlen und bei entsprechender Entwicklung des Marktes auch zu erwarten, dass zertifizierte Geräte auch in den Zonen 2 oder 22 verwendet werden. 2 Motorschutzschalter mit thermisch verzögertem Bimetall-Auslöser Vor allem bei der Zündschutzart „e“ übernimmt der Überlastungsschutz des Motors eine wichtige Funktion. Im Abschnitt 11.2.1 der Errichtungsbestimmungen [2] heißt es: „Um den Anforderungen ... zu entsprechen, müssen stromabhängig verzögerte Überlastschutzeinrichtungen so ausgelegt sein, dass nicht nur der Motorstrom überwacht, sondern auch der festgebremste Motor innerhalb der auf dem Leistungsschild angegebenen Zeit tE abgeschaltet wird. Die Strom/Zeit-Kennlinien, die die Verzögerungszeit des Überlastrelais oder Überlastauslösers als eine Funktion des Verhältnisses von Anzugsstrom zu Bemessungsstrom angeben, müssen beim Betreiber verfügbar sein. Diese Kennlinien geben die Auslösezeit an, aus dem kalten Zustand bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C und für ein Anzugsstromverhältnis IA/IN von mindestens 3 bis 8. Die Schutzeinrichtungen müssen die angegebenen Auslösezeiten mit einer zulässigen Abweichung von ± 20 % einhalten. Bei Wicklungen in Dreieckschaltung ist die Auslösezeit bei festgebremstem Motor und bei Phasenausfall mit dem 0,87fachen Motoranzugsstrom zu überprüfen.“ Bild soll zeigen, wie gravierend sich Abweichungen in der Toleranz der Auslösezeit eines Bimetall-Relais auf den Explosionsschutz eines für T3 ausgelegten Käfigläufermotors auswirken können. Die durch Versuch und Rechnung ermittelte Erwärmungszeit tE(r) wird nach den Antriebstechnik Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 7 549 ATEX-Anforderungen an Motorschutzeinrichtungen EG-Baumusterprüfbescheinigung für die Funktionsprüfung H. Greiner, Aichwald Nach den ATEX-Richtlinien dürfen ab 01.07.2003 für den Überlastungsschutz explosionsgeschützter elektrischer Maschinen nur noch Schutzeinrichtungen in Verkehr gebracht werden, deren sichere Funktion nachgewiesen ist. Als Nachweis dient in der Kategorie 2 die EG-Baumusterprüfbescheinigung einer benannte Stelle und in der Kategorie 3 ein Hinweis in der EG-Konformitätserklärung oder in der Betriebsanleitung des Herstellers. Obering. Helmut Greiner, Aichwald, war Mitglied in verschiedenen DKE- und IEC-Komitees und ist heute als beratender Ingenieur tätig. Autor Tafel Bedeutung der Abkürzung ATEX ATEX abgeleitet von Atmosphères explosibles; übliche Kurzbezeichnung unter Verwendung der Artikel-Nummer der Verträge zur Gründung der EU ATEX 100a Richtlinie 94/9/EG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen; jetzt mit neuer Artikel-Nummer 95, daher korrekt ATEX 95 (jedoch weiterhin meist als ATEX 100a zitiert). · verbindlich für das Inverkehrbringen ab 01.07.2003 ATEX 118a Richtlinie 1999/92/EG über Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können; jetzt mit neuer Artikel-Nummer 137, daher korrekt ATEX 137 (jedoch weiterhin meist als ATEX 118a zitiert). · verbindlich für die Errichtung neuer Anlagen ab 01.07.2003 · verbindlich für die Anpassung bestehender Anlagen ab 01.07.2006 2 4 6 8 220 180 160 140 120 100 10 12 14 16 tE(nom) tE(tol) tE(r) 105 K nrotor = 0 Temperaturanstieg in der Wicklung (W), in der Obernut (N) und im Ring (R) eines Kurzschlussläufers mit ausgeprägter Stromverdrängung bei festgebremstem Läufer an voller Spannung · bei Sollwert von tE(nom) = 75 K · bei verlängerter tE(tol) = 105 K Quelle: In Anlehnung an Bild 8 der PTB-Prüfregeln [4] PTB-Prüfregeln auf den Nominalwert tE(nom) reduziert und gerundet und erscheint als tE auf dem Leistungsschild. Würde ein außerhalb der Toleranz liegendes, unzulässiges Bimetallrelais erst nach tE(tol) = 7,5 s ansprechen, so würde sich der temperaturkritische Oberstab des Läufers um etwa 105 K über seine Ausgangstemperatur erwärmen. Bei der genormten Umgebungstemperatur von 40 °C und einer bereits im Nennbetrieb erreichten Übertemperatur von 60 K wäre seine Temperatur 205 °C - also schon über der Zündtemperatur von 200 °C für Gase der Temperaturklasse T3. Bild zeigt die Kennzeichnung eines ATEX-konformen Motorschutzrelais, wie es ab dem 01.07.03 in Verkehr gebracht werden muss. 3 Elektronische Motorschutzrelais Bei diesen Relais kann die thermische Charakteristik eines Motors simuliert werden; die Auslösecharakteristik entspricht also weitgehend der thermischen Belastbarkeit des Motors. Zusätzlich können überwacht werden: Phasenausfall, Netzsymmetrie, Erdschluss, Überlast, Wiedereinschaltbereitschaft [3]. Diese Relais erfordern eine sorgfältige Einstellung bei Inbetriebnahme nach Parametern, die der Motorhersteller liefern kann. Ihr relativ hoher Preis beschränkt derzeit die Verwendung auf größere Maschinen, Hochspannungsmotoren oder Einsatzfälle, bei denen eine hohe Verfügbarkeit verlangt wird. Zunehmend werden diese Relais auch mit Baumusterprüfbescheinigung zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen angeboten und verwendet, weil sie die zentrale Überwachung der Antriebe aus einer Leitwarte ermöglichen. 4 TMS-Auslösegeräte für PTC-Fühler (Thermistorschutz) In vielen Anwendungsfällen ist der Strom allein kein Maßstab für die Erwärmung von Ständerwicklung und Rotorkäfig, z. B. bei · Schalt- und elektrischem Bremsbetrieb, · Kurzzeitbetrieb S2 oder · Aussetzbetrieb S3, · Umrichterbetrieb mit niedrigen Drehzahlen und dadurch reduzierter Kühlung, · erhöhter Umgebungstemperatur oder · Behinderung der Kühlluftzufuhr. In diesen Fällen haben sich temperaturabhängige Widerstände (Thermistoren) bewährt, die nach den Errichtungsbestimmungen für Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen alternativ zu den stromabhängigen Auslösern zugelassen sind. In EN 60079-14 (7 b) und 11.2.2) ist sinngemäß festgelegt: „Als Überlast-Schutzeinrichtung kann wahlweise ... eine Einrichtung zur direkten Temperaturüberwachung mit eingesetzten Temperaturfühlern ... eingesetzt werden. Um diesen Anforderungen zu entsprechen, müssen die Wicklungstemperaturfühler in Verbindung mit den Schutzeinrichtungen für den thermischen Schutz auch bei festgebremster Maschine geeignet sein. Der Einsatz von eingebetteten Temperaturfühlern zur Überwachung der Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 7 550 Kennzeichnung eines ATEX-konformen Motorschutzrelais für einen explosionsgeschützten Motor der Zündschutzart ,,e“ · Gerät darf in Zone 1 (Kategorie 2) hineinwirken · Aufstellung des Gerätes außerhalb der Zone Einfluss einer guten (Index A) und einer schlechten (Index x) thermischen Ankopplung (TK) auf die Ansprechzeit t der Thermistoren und auf den daraus resultierenden Temperaturüberlauf NAT - Nennansprechtemperatur Cu - Erwärmungskurve der Kupferwicklung EX T3 - Grenze für Temperatur klasse T3 ISO B - Grenze für Isolierstoffklasse B Antriebstechnik Kennzeichnung eines elektronischen Motorschutzrelais mit ATEX-Konformität zum Schutz eines explosionsgeschützten Motors in der Zone 1 (Kategorie 2) ·Aufstellung des Gerätes außerhalb der Zone Kennzeichn. eines ATEX-konformen Auslösegerätes für PTC-Thermistoren LIMIT EX T3 LIMIT ISO B NAT TMS TKA TKx 250 200 150 100 5 10 15 20 25 30 35 40 t tA tx nrotor = 0 Zusatzschild auf explosionsgeschütztem Motor mit TMS als Alleinschutz Thermistor PTC DIN 44081/82-145 Relais funktionsgeprüft/function tested II (2) G tA 28 s/20 °C UN IA/IN 5,0 Maschinen-Grenztemperatur ist nur zulässig, wenn in der Maschinendokumentation ein solcher Einsatz festgelegt ist. Der Typ des eingebauten Temperaturfühlers oder der zugehörigen Schutzeinrichtung ist auf der Maschine angegeben." Für den vorhersehbaren Störungsfall „festgebremster Läufer“ bietet das stromabhängige Bimetall einen schnellen und wirksamen Schutz - siehe Abschnitt 2. Wenn der TMS neben dem Schutz bei Dauerbetrieb auch diesen Störungsfall als „Alleinschutz“ übernehmen soll, müssen besonders hohe Anforderungen an die handwerkliche Qualität des Einbaus der Fühler und an die Funktion des Auslösegerätes gestellt werden. Bild soll die hieraus resultierende Problematik dieser Schutzeinrichtung verdeutlichen: Die elektrische Isolierung erschwert den Wärmeübergang vom Wickeldraht zum Thermistor und führt zwangsläufig zu einer Temperaturdifferenz zwischen Kupfer und Temperaturfühler, die bei Dauerbetrieb (S1) durch entsprechende Wahl der Nennansprechtemperatur (NAT) kompensiert werden kann. Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 7 551 Beispiel einer EG-Baumusterprüfbescheinigung für ein Thermistor-Auslösegerät ·zugelassen zur Überwachung eines Drehstrommotors in der Zone 1 (Kategorie 2) ·Aufstellung des Auslösegerätes außerhalb der Zone Widerstand R in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem Platin-Widerstandsthermometer Pt 100 Antriebstechnik 200 160 140 120 100 0 40 80 120 160 200 Beim raschen Temperaturanstieg im Kurzschlussfall (blockierter Läufer nrotor = 0) bestehen je nach „thermischer Ankoppelung“ eine mehr oder weniger ausgeprägte Verzögerung und ein Temperaturüberlauf, die sich durch die „Kopplungszeitkonstante“ TK und die Temperaturdifferenz darstellen lassen. Für deren Überprüfung stellt die Ansprechzeit tA einen wichtigen Maßstab dar, der auf einem Zusatzschild anzugeben ist. Die vom Hersteller in einer Typenprüfung ermittelte optimale Zuordnung von NAT und thermischer Ankoppelung wird auf einem Zusatzschild (Bild ) dokumentiert, das auf diese Weise auch die Ausführung „TMS als Alleinschutz“ anzeigt. Das Zusatzschild ist bei der Auswahl der Schutzeinrichtung zu beachten. Das zugehörige Auslösegerät ist sinngemäß gekennzeichnet (Bild ), die zugehörige EG-Baumusterprüfbescheinigung zeigt Bild . Die Ansprechzeit tA bezieht sich auf die Prüfung mit festgebremstem Läufer; sie ist bei Bemessungspannung UN bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C und beim angegebenen relativen Anzugsstrom zu erwarten. Sie ist ein Maß für die thermische Ankoppelung zwischen Fühler und Kupfer. Wenn keine besonderen Gründe vorliegen, ist es nicht erforderlich, die Funktion der Schutzeinrichtung bei der Erstprüfung und/oder bei der wiederkehrenden Prüfung praktisch zu überprüfen. Nach einer Neuwicklung im Zuge einer Instandsetzung ist die amtlich anerkannte befähigte Person allerdings verpflichtet, die thermische Ankopplung auf den Sollwert zu prüfen; eine Abweichung von tA + 20 % ist erlaubt (PTB-Prüfregeln [4] Abschnitt 10.2). Bei einer Durchgangsprüfung oder Widerstandsmessung der PTC-Fühler dürfen maximal 2,5 V DC pro Fühler (in der Regel sind dies drei Fühler in Reihenschaltung) angelegt werden, sonst besteht die Gefahr der Zerstörung. 5 Widerstandsthermometer mit Pt-100-Fühlern Bei manchen Anwendungen - vor allem beim Einsatz von größeren Maschinen - ist es erforderlich, die Temperatur der Wicklung oder eines Lagers nicht nur zu begrenzen, sondern zu messen und visuell oder automatisch mit einem Sollwert zu vergleichen. Die fast lineare Temperaturabhängigkeit des Widerstandes von Metallen eignet sich gut für dieses Verfahren. Aufgrund der hohen chemischen Beständigkeit und der guten Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften werden Sensoren aus Platin bevorzugt, wie sie in DIN EN 60751 genormt und in [5] ausführlich beschrieben sind. Die Kennlinie eines Pt-100-Temperaturfühlers zeigt Bild . 6 Sanftanlaufgeräte Bei einigen Anwendungen ist das relativ hohe Anzugsmoment (1,6 ... 2,5-faches Bemessungsmoment) beim Direkteinschalten eines Käfigläufermotors für Übertragungsmittel und Arbeitsmaschine störend. Es muss durch ein Sanftanlaufgerät gedämpft werden. Zudiesem Themaenthält DINEN60079-14 in Abschnitt 11.2.3 folgende Anweisung: „Der Überlastschutz für Motoren, bei denen der Anlauf durch spezielle Verfahren erfolgt, die die elektrischen, mechanischen und thermischen Beanspruchungen elektrisch begrenzen, muss vom Anwender einer speziellen Beurteilung der Einsatzbedingungen unterzogen werden, sofern die Anforderungen (für die thermische Überwachung) nicht erfüllt werden können.“ Es erscheint jedoch fraglich, ob der Anwender eines Elektromotors in allen Fällen (so zum Beispiel bei läuferkritischen Motoren) ohne eine eingehende Prüfung in der Lage ist, die thermische Gefährdung unter Berücksichtigung der Belange von Wicklungsisolierung und Explosionsschutz zu beurteilen. Die PTB empfiehlt daher, den thermischen Zustand von Ständerwicklung und Läuferkäfig mit TMS als Alleinschutz zu überwachen. Wenn das Thermistor-Auslösegerät im Sanftanlauf integriert ist, wird es zusammen mit diesem zertifiziert. Getrennte TMS-Auslösegeräte müssen den in Abschnitt 4 beschriebenen Anforderungen entsprechen. Die zusätzlichen Anforderungen bei Motorbetrieb an Sanftanlaufgeräte fasst Tafel zusammen. Als Beispiel ist in Bild ein Sanftanlauf durch Spannungsabsenkung dargestellt, bei dem in Stufe 1 das vom Motor entwickelte, reduzierte Drehmoment nicht ausreicht, um die rot gezeichnete Lastkennlinie zu überwinden. Annahme: Sanftanlaufgerät bleibt in Stufe 1 hängen Folge: · Motor nimmt im Stillstand den Nennstrom auf. · Relais spricht nicht an. · Starke Erwärmung im Ständer (wegen fehlender Kühlung) und · ebenso im Käfig (wegen Schlupf 100 %). Abhilfe: Überwachung der Erwärmung in Ständer und Läufer unter Verwendung des TMS als Alleinschutz. In einfachen Fällen (z. B. bei kleinen, ständerkritischen Maschinen) könnte eine Überwachung der Zeit und/oder der Drehzahl ausreichend sein. Aus antriebstechnischen Gründen werden Sanftanlaufgeräte jedoch meist für relativ große Antriebe benötigt, die meist läuferkritisch sind. Literatur [1] EG-Baumusterprüfbescheinigung für Motorschutzgeräte. PTB-Merkblatt unter www.explosionsschutz.ptb.de/pruefung. [2] DIN EN 60079-14/VDE 0165 Teil 1 Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche. Elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen. [3] Sturm, W. u. a.: Schalten, Schützen, Verteilen in Niederspannungsnetzen. SIEMENS-Handbuch, Erlangen und München: Publicis MCD Verlag 1997. [4] Dreier, H.; Stadler, H.; Engel, U.; Wickboldt, H.: Explosionsgeschützte Maschinen der Schutzart „Erhöhte Sicherheit“ (Ex)e. Band 3 der PTB-Prüfregeln. Braunschweig: Deutscher Eichverlag Gmb H 1969; Nachdruck 1978. Zu beziehen durch das Referat „Schrifttum“ der PTB, Braunschweig. [5] Sauer, K.: Aufbau und Einsatz von Widerstands-Temperatur-Sensoren. Elektropraktiker, Berlin 49(1995)8, Lernen und Können, S. 5 - 8. Antriebstechnik Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 7 552 Tafel Zusammenfassung der zusätzlichen Anforderungen bei Sanftanlauf Zündschutzart e d Beurteilung durch den Anwender erforderlich erforderlich (bedingt ausreichend) Zertifizierung, falls Alleinschutz durch benannte Stelle durch Hersteller durch TMS erforderlich Schutzeinrichtung zur Überwachung erforderlich; zertifiziert durch erforderlich; zertifiziert durch von Zeit und/oder Drehzahl benannte Stelle Hersteller Sanftanlauf durch Spannungsabsenkung in vier Stufen M - Drehmoment; n - Drehzahl
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- H. Greiner
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