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Recht, Normen und Technik
Geschichte
des Explosionsschutzes
von Michal Górny
Bild 1: Abfackelung von Methangas
Vorwort
Diese Arbeit beschreibt die Geschichte
der Entwicklung des Explosionsschutzes in
Polen. Ähnlich wie auch in anderen industrialisierten
Ländern gehen die Anfänge des
Explosionsschutzes auf die 1920‘er Jahre
des 20. Jahrhunderts zurück. Der erste Industriebereich,
in dem der Explosionsschutz
eine Rolle spielt, war der Bergbau. In den
Vorkriegsjahren stützten sich weitere Industriezweige
auf die einschlägigen Erfahrungen
im Bergbau. Der Erfolg und die Weiterentwicklung
von Prüfmethoden des
Explosionsschutzes basierten vorwiegend
auf der Grundlage der Druckfestigkeit von
Gehäusen.
Dieser Beitrag befasst sich zum einen mit
den historischen Unterlagen (Normen, Vorgaben)
und enthält zum anderen die Daten
aus den Archiven des Versuchsstollens
›BARBARA‹ bei Katowice, bei dem es sich
um den einzigen und sehr zuverlässigen polnischen
Prüfstand handelt (wie später ausgeführt).
Das extreme industrielle Wachstum im
18. Jahrhundert führte zu einem rasanten
Anstieg des Energiebedarfs (Kohle), So wurden
immer mehr Stollen für die Förderung
ausgehoben.
Zu den größten natürlichen Gefahren bei einem
Kohlestollen gehört die Freisetzung von
Methan. So war das Schreckgespenst einer
Methangasexplosion der ständige Begleiter
der Bergleute. Am Anfang reduzierte man
diese Gefahren weitgehend durch das Abfackeln.
1815 entwickelte der britische Chemiker
Sir Humphry Davy eine Lichtquelle, die sich
zur Arbeit unter Schlagwetter eignete, eine
Grubenlampe, bei der die offene Flamme von
einem Drahtgeflecht umgeben war. Diese
Grupenlampe wurde hier dadurch geschützt,
dass es keine Möglichkeit einer Schlagwetterexplosion
(ausgelöst durch Methan) gab.
Spezielle Grubenlampen kommen auch heute
noch in den Gruben zum Einsatz.
Ein Vergleich der Grubenlampe nach
Davy mit dem aktuellen Stand der Technik
zeigt, dass der Aufbau der Lampe dem
druckfest gekapselten Gehäuse ähnelt, bei
dem die aktive Zündquelle durch ein spezielles
Gehäuse von der umgebenden explosionsfähigen
Atmosphäre so isoliert wird,
dass kein Zünddurchschlag nach außen erfolgen
kann.
Zu radikalen Veränderungen kam es
dann mit der Einführung elektrischer Betriebsmittel
in den Gruben, die ab etwa 1870
einsetzte. Ab 1882 kam damit auch elektrische
Beleuchtung zum Einsatz und 1882
wurde in der Trafalgar Grube der erste
Elektromotor (3 kW, DC) aufgestellt. Galileo
Ferraris erfand 1885 das dreiphasige Wechselstromsystem
(Drehstrom) und der erste
Käfigläufer-Asynchronmotor wurde 1888 von
Michael von Dolivo-Dobrowolsky entwickelt.
Die ersten Untersuchungen der wichtigsten
Parameter einer Schlagwetterzündung
führten Lehman und Wülner in den Jahren
1884 bis 1885 in Deutschland durch. Die ersten
Tests für die konstruktionsbedingten Parameter
schlagwetterfester Gehäuse wur-
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Bild 2: Druckfest gekapselter Elektromotor um 1950,
Foto CELMA INDUKTA, Polen
Bild 3: Elektromotor in verbesserter Explosionsschutzausführung
um 1950, Foto CELMA INDUKTA,
Polen
den von Statham und Wheeler (Sheffield
University) und von Carl Beyling (Berggewerkschaftliche
Versuchsstrecke Gelsenkirchen
und Dortmund) durchgeführt.
Diese Arbeiten wurden mit der Ausgabe
der ersten Vorschriften und Normen in
Deutschland und Großbritannien abgeschlossen.
1912 gab der Verband Deutscher
Elektrotechniker (VDE) die Norm VDE 0170
zum Geräteschutz in schlagwetterexplosionsgefährdeten
Gruben heraus. 1929 gab
die British Standards Institution die Norm
BS 229-1929 für druckfest gekapselte Geräte
heraus. Die ersten Gutachten (heute Zertifikate)
hinsichtlich druckfest gekapselter Betriebsmittel
stammen unter anderem von der
Sheffield University. So wurden zwischen
1922 und 1931 etwa 285 Gutachten erstellt.
Im Rahmen der zunehmenden internationalen
Normung wurde 1906 die International
Electrotechnical Commission (IEC) gegründet.
1948 wurde unter dieser Organisation
das Technische Komitee TC31 (Explosionsschutz
elektrischer Betriebsmittel) gegründet.
In Polen wurde die erste Norm für explosionsgeschützte
Anlagen 1929 vom Polnischen
Verband für Elektrotechnik (SEP) erlassen:
PNE-17:1929. Diese Norm wurde in
Zusammenarbeit mit dem Tschechoslowakischen
Verband für Elektrotechnik erarbeitet
und 1930 zum ersten Mal, 1937 und unmittelbar
nach dem zweiten Weltkrieg 1946 in
überarbeiteter Fassung herausgegeben.
Untersucht man die Entwicklung der
Testmethoden von Anlagen mit Explosionsschutz
sowie die einschlägige Normung, so
muss man sich zunächst vor Augen führen,
dass die Ursprünge des Explosionsschutzes
im Bergbau liegen. Die technischen Lösungen
zum Explosionsschutz im Bergbau bildeten
später auch die Grundlage für ähnliche
Lösungen in der chemischen Industrie. Dies
wird auch durch den Umstand bestätigt,
dass die erste polnische Norm für elektrische
Betriebsmittel zum Einsatz in explosionsgefährdeten
Bereichen der chemischen
Industrie erst im Jahr 1963 herausgegeben
wurde.
Die Elektromotoren verdeutlichen am
aussagekräftigsten die Entwicklung explosionsgeschützter
elektrischer Betriebsmittel,
obgleich auch andere Konstruktionen eine
ganz ähnliche Geschichte erzählen könnten
(z. B. Trafos, Schaltgeräte und andere).
Mit der ersten Norm zum Explosionsschutz
für die chemische Industrie 1963 gab es
zahlreiche weitere Informationen zum Explosionsschutz
in diesem Industriebereich. Es
existierten aber auch vor diesem Zeitpunkt
schon einige eigene Entwicklungen in der
Chemieindustrie, die Prüfverfahren und
auch die Vorschriften der staatlichen Seite,
nahmen jedoch dabei stets Bezug auf die
Normen im Bergbau.
Im Jahr 1934 wurde eine Verordnung zu
Acetylenanlagen und auch die Norm PNE-17
für Beleuchtungsanlagen herausgegeben.
Prüfmethoden
Parallel zur verstärkten Berücksichtigung
von Explosionsgefahren wurden immer mehr
Prüfmethoden für explosionsgeschützte Anlagen
entwickelt. Im Anschluss an die Prüfung
der Eigenschaften von Gasgemischen
wurden Verfahren zur Prüfung elektrischer
Betriebsmittel und später auch für die Errichtung
von explosionsgeschützten Anlagen
weitergeführt. Zunächst wurden staatliche
Verordnungen erlassen, die dann später
durch Normen zur Installation und zu den
Prüfmethoden ersetzt wurden.
Die ersten Normen enthielten keine präzisen
Anforderungen. Vielmehr war hier von ›einem
zuverlässigen Prüfstand‹ die Rede, auf
dem alle Prüfungen und Beurteilungen vorzunehmen
waren.
Die Norm PNE-17:1929 schrieb Folgendes
vor: ›Sämtliche Maschinen, Anlagen, Kabel
etc. sind in der Form herzustellen, zu installieren,
zu sichern und zu warten, dass sie
unter den üblichen Betriebsbedingungen
keine Funken an die umgebende Atmosphäre
abgeben.‹ Interessant ist hier auch, dass
es keine Vorgabe zur Fehleranalyse gab und
sich der Explosionsschutz lediglich auf die
üblichen Arbeitsbedingungen beschränkte.
Es wurden hier weder Prüf- noch Wartungsverfahren
präzisiert. Die heutigen Ver-
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Geschichte des Explosionsschutzes in Polen
Bild 4: Explosionsgeschütztes Schaltgerät mit druckfester
Kapselung, Polen, um 1930
fahren auf Grundlage der Zündwahrscheinlichkeit
(z. B. eigensichere Stromkreise Ex i)
wurden lediglich im Rahmen von Empfehlungen
für die Gestaltung des Arbeitsplatzes
berücksichtigt:
Die Auswahl der unten aufgeführten baulichen
Systeme sollte auf Grundlage der folgenden
Methode erfolgen: Die Zündwahrscheinlichkeit
eines explosionsfähigen
Gemischs auf Grundlage eines elektrischen
Funkens in einer Grube ist das Produkt der
beiden folgenden Faktoren:
> die Bildung eines solchen Gemischs und
> die gleichzeitige Entstehung eines elektrischen
Funkens an derselben Stelle und
zur selben Zeit.
Ein druckfest gekapseltes Gehäuse wurde
folgendermaßen definiert: ›Gehäuse, das die
Ausbreitung von Feuer verhindert, das gegebenenfalls
im Innenraum entsteht.‹
Die erste Norm wurde 1930, 1946 und
1957 überarbeitet und durch die Norm PN-
57/E-08101 ersetzt. Der wichtigste Unterschied
bei der Neufassung lag hier insbesondere
in deren Umfang. Auf mehr als 40
Seiten waren Definitionen, bauliche Vorschriften,
Zeichnungen, Prüfmethoden,
Kennzeichnungsgrundlagen sowie Beschreibungen
der Unterlagen zu Prüfungen
aller bekannten Schutzarten festgehalten
(druckfeste oder lamellenförmige Gehäuse,
erhöhte Sicherheitsanforderungen, Ölbefüllung
und Sonderkonstruktionen). Diese
Norm definiert zwei Niveaus von Geräteprüfungen:
Typprüfungen für neue Geräte und
Routineuntersuchungen bei der serienmäßigen
Herstellung.
Bei Typprüfungen für druckfest gekapselte
Gehäuse wurden ein Drucktest und ein
Methanexplosionstest definiert. Zum ersten
Mal wurde hier auch vorgegeben, dass eine
Prüfung dahingehend vorzunehmen sei,
dass Explosionen im Inneren nicht nach außen
dringen dürfen. Die Druckprüfung basiert
auf definierten Standarddruckwerten
(es ist keine Prüfung zur Messung eines maximalen
Explosionsdrucks vorgeschrieben,
sondern beim sechsfachen Explosionsdruck
darf kein Zünddurchschlag nach außen erfolgen).
Die nächste wichtige Norm war die PN-
63/E-08102, also die erste Norm für die chemische
Industrie (nicht für den Bergbau).
Hier ist besonders bemerkenswert, dass eigensichere
Stromkreise in dieser Norm
nicht berücksichtigt wurden. Diese Norm
führte Zündgruppen (G1 bis G5) ein und unterteilte
die Anlagen nach Explosionsklassen
(I, II, III, IV) und schrieb die Markierung
des Explosionsschutzes über ein entsprechendes
Kennzeichen vor.
1972 wurden die gemeinsamen Vorschriften
Für Stellen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit
des Faktors 1 sollten zuverlässigere
elektrische Konstruktionen verwendet werden,
wie beispielsweise druckfest gekapselte
Gehäuse. Um die Wahrscheinlichkeit
nach Faktor 1 und damit die Gefahren zu
senken, sollten elektrische Betriebsmittel an
gut belüfteten Standorten aufgestellt werden.
So galt von Anfang an ein druckfest gekapseltes
Gehäuse als zuverlässigste Methode
zur Einhaltung des Explosionsschutzes.
Bild 5: Die erste polnische Norm für Industriezweige außerhalb des Bergbaus (Gruppe II-Betriebsmittel) und
die entsprechenden französischen Vorschriften
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für den Explosionsschutz im Bergbau und
außerhalb des Bergbaus in einer einzigen
Norm festgehalten. Zudem wurde für jede
Zündschutzart eine weitere Norm erlassen.
Die Normen von 1972 führten eine Unterteilung
in zwei Gruppen ein: Gruppe I für den
Bergbau und Gruppe II für die chemische Industrie.
Die Gruppe II wurde wiederum in
die Gruppen IIA, IIB und IIC unterteilt und
die Zündgruppen entsprechen den Temperaturklassen
T1-T6.
Im Jahr 1983 wurden die letzten polnischen
Normen erlassen. Ab diesem Jahr
gab es dann die international gemeinsamen
Kennzeichnungsvorschriften, die gemeinsamen
Symbole zur Kennzeichnung der
Schutzklassen etc., die denjenigen anderer
Länder entsprechen. Am interessantestem
ist hier die Vorschrift für die Prüfung unter
Kurzschlussbedingungen. Für bestimmte Anlagen
im Bergbau wurden Kurzschlusstests
zwingend vorgeschrieben. Diese Untersuchungen
mussten in einem Methan-Luft-Gemisch
ausgeführt werden und ähnelten den
Verfahren zur Messung des Explosionsdrucks
und zur Feststellung des Schutzes
gegen die Ausbreitung von Explosionen. Die
typischen Kurzschlussparameter sind dabei:
1.000 V, 10 kA und 100 ms Dauer.
Der Kurzschlusstest endete mit Einführung
der europäischen Normen EN 50014 in
Polen im Jahr 1997. Solche Kurzschlusstests
sind aber nach wie vor in den Ländern ein
wichtiges Thema, in denen es noch eine
ausgeprägte Bergbauindustrie gibt. Die europäischen
Normen sollten entsprechend
ergänzt werden. Aus der Perspektive der internationalen
Normierung gab es hier einzelstaatliche
Normen, die, wie gleich zu Beginn
vermutet, ins ›Leere laufen mussten‹.
2006 wurden die EN-Normen in die weltweiten
IEC-Normen eingebunden.
Die letzten 20 Jahre waren so für die pol-
Norm
PNE-17: 1929
PN-57 / E-08101
PN-63 / E-08102
PN-72 / E-08110
PN-83 / E-08110
PN-EN 50014:1997
Anmerkungen
Erste polnische Norm. Nur Bergbauanlagen. Regierungsvorschrift, auf
die der Explosionsschutz häufig Bezug nimmt Neufassungen 1930 und
1946
Nur Bergbauanlagen. Definition druckfester und lamellenförmiger Gehäuse
(Kennzeichnung: BM) sowie der Zündschutzarten ›Erhöhte Sicherheit‹
und ›Ölkapselung‹)
Erste Normen für elektrische Betriebsmittel zum Einsatz außerhalb
des Bergbaus. Einteilung in Zündgruppen (G1-G5) und in Explosionsklassen
in Abhängigkeit der Parameter der Druckfestigkeit.
Ex-Kennzeichnung zusammen mit einem Symbol für den Schutzgrad
(landesweites Symbol)
Gemeinsame Norm für die Gruppe I (Bergbau) und die Gruppe II (chemische
Industrie). Die Gruppe II wurde in die Gruppen IIA, IIB und IIC
unterteilt. Getrennte Kennzeichnung der Anlagen für Gruppe I und II.
Zusätzliche Norm für die einzelnen Schutzeinrichtungen
Einführung einer gemeinsamen Ex-Kennzeichnung für alle Anlagen
(Bergau und chemische Industrie). Einführung internationaler Schutzsymbole.
Für einige Hochspannungsanlagen nach Gruppe I Anforderung
von Kurtschlusstests (in Methan-Luft-Gemisch)
Einführung der EEx-Kennzeichnung, keine weitere Vorgabe von Kurzschlusstests.
Tabelle 1: Polnische Normierung im Bereich des Explosionsschutzes elektrischer Betriebsmittel
nischen Hersteller von Ex-Anlagen recht unruhig,
denn die Änderungen der Normen erfordern
permanente Anpassungen der
Produkte. Zuvor wurde eine Norm etwa alle
10 Jahre geändert. Ab 1993 müssen sich die
Hersteller an folgenden Normen halten:
> PN-83/E-08110,
> PN-EN 50014:1997,
> PN-EN 50014:2002,
> PN-EN 50014:2004,
> PN-EN 60079-0:2006,
> PN-EN 60079-0:2009.
Außerdem mussten sich die Hersteller in
der EG an die Änderungen durch die Einführung
der IEC-Normen anpassen. Die Veränderungen
der polnischen Normen sind in Tabelle
1 festgehalten.
Entwicklung der Prüfmethoden und des
Versuchsstollens ›BARBARA‹
In Polen haben sich die Prüfverfahren in
ähnlicher Weise entwickelt wie in anderen
Ländern, in denen die Kohleförderung entscheidend
zur Wirtschaft beiträgt. Wie in
Großbritannien wurde auch in Deutschland
dafür eine unabhängige Testanlage eingerichtet.
Bei der ersten Testanlage ging es lediglich
um die Sicherheit in einem Bergbaustollen.
1925 wurde der Versuchsstollen ›BARBA-
RA‹ eingerichtet. Im Anschluss an einen Beschluss
des Parlaments wurde dafür am
Standort einer stillgelegten Kohlegrube ein
Institut für Grubensicherheit in Mikołów
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Geschichte des Explosionsschutzes in Polen
Bild 6: Versuchsstollen ›BARBARA‹ in den 1920er Jahren
(in der Nähe von Katowice) aufgebaut. Die
Hauptaktivität bei dieser neuen Versuchsanlage
bestand in der wissenschaftlichen Forschung
zu Methan- und Kohlestaubexplosionen
sowie Rettungsmaßnahmen im Stollen.
Bei dem Versuchsstollen ›BARBARA‹
nach PNE-17:1929 handelt es sich um eine
Versuchsanlage zur Ausführung von Prüfungen
und Untersuchungen zur Ausgabe von
Bescheinigungen. Obgleich es am Anfang
keine Norm für elektrische Betriebsmittel
zum Einsatz in chemischen Betrieben gab,
wurden dort auch Geräte und Anlagen der
Gruppe II getestet und beurteilt (siehe Bild
8).
Die Entwicklung der Prüfverfahren in
Polen ähnelt stark den Entwicklungen in anderen
Ländern. Bemerkenswert hier ist allerdings,
dass bei den ersten Versuchen ein
definierter Explosionsdruck zugrunde gelegt
wurde (Definition in Normen). Die ersten
Vorgaben hinsichtlich des Explosionsdrucks
gab es um 1957.
Damals gab es noch keine Sicherheitszuschläge
– die Versuche zur Verhinderung
der Ausbreitung von Explosionen erfolgten
in einem Gemisch mit demselben brennbaren
Gas, das auch in den betreffenden Betriebsanlagen
auftreten konnte. Für Details
zur Entwicklung der Prüfmethoden für
druckfeste Gehäuse siehe Tabelle 2.
Bild 7: Ex d Motor, 65 kW, 500 V, getestet im Versuchsstollen
›BARBARA‹
Bild 8: Werbebroschüre für Ex-Induktionsmotoren eiens
polnischen Unternehmens zum Einsatz in der
chemischen Industrie, Foto ZME, ›EMIT‹
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Bild 9: Tests an einem Ex d Motor mit ca. 6.000 kg
Gewicht in Niedrigtemperaturausführung, Foto ZME
›EMIT‹
Zusammenfassung
Die Entwicklung des Bewusstseins über
die Bedeutung explosionsgeschützter Anlagen
und die entsprechende Anpassung der
rechtlichen und technischen Anforderungen
haben in Polen einen ähnlichen Verlauf wie
auch in anderen industrialisierten Ländern
genommen. Zudem gilt es auch für Polen,
dass der Explosionsschutz seine Anfänge im
Bergbau hatte.
Die Weiterentwicklung der Prüfmethoden
sowie die neuen Vorschriften und Verordnungen
ergaben sich in Zusammenarbeit mit
dem Versuchsstollen ›BARBARA‹, der als
verlässlichster Prüfstand für die polnische
Normung herangezogen wurde.
Im vergangenen Jahr haben die KDB-Mitarbeiter
(KDB steht für den Versuchsstollen
›BARBARA‹) innerhalb des internationalen
IECEx-Schemas einen besonderen Beitrag
geleistet und dabei eine große Exd-Anlage
unter sehr niedrigen Temperaturen getestet.
Norm
PNE-17:1929
PN-57 / E-08101
PN-63 / E-08102
PN-72 / E-08110
PN-83 / E-08110
PN-EN 50018:2000
PN-EN 60079-1
Anforderung
8 bar Überdrucktest für Gehäuse mit 1 Liter Inhalt für kleinere Gehäuse
und 3 bar, Prüfung auf Mängel in der Druckfestigkeit, jedoch nur Anforderungen
hinsichtlich der Flanschverbindungen und der Gelenkwellen,
Mindestlänge der Gelenkwelle 50 mm
Statischer Überdrucktest 6 bar für Gehäuse 0,05 – 0, 1 dm 3 und 8 bar
für Gehäuse von mehr als 0,1 dcm 3 ; Explosionstest: Prüfung auf Verhinderung
der Ausbreitung mit Methan-Luft-Gemisch (ca. 9 % CH4).
Testreihe: 6 Mal
Testreihe: 5 Mal. Drucktest mit einem maximalen Explosionsdruck. Der
Test erfolgt anhand einer geeigneten Gasmischung (unterschiedlich
für die einzelnen Explosionsklassen I, II, III, IVa, IVb, IVc, IVn). Testreihe:
5 Mal. Drucktest mit einem maximalen Explosionsdruck. 10 Mal
Prüfung der Verhinderung der Ausbreitung einer Explosion anhand
derselben Gasgemische.
Gemeinsame Norm für Anlagen der Gruppe I und II. Feststellung des
Explosionsdrucks für Anlagen der einzelnen Sicherheitsklassen (I, IIA,
IIB, IICa, IICb). Feststellung (außer für die Klassen IICa und IICb) anhand
von 3-Komponenten-Gemischen (Methan + Wasserstoff + Luft).
Testreihe: 3 Mal. Bei uneinheitlichen Ergebnissen zwei weitere Prüfungen;
Überdrucktest mit dem 1,5-fachen des maximalen Explosionsdrucks;
Prüfung der Verhinderung der Ausbreitung anhand derselben
Gemische. Für Elektromotoren Prüfungen beim laufenden und blockiert
Motor. Testreihe: 10 Mal
Feststellung des maximalen Explosionsdrucks anhand charakteristischer
Gasluftgemische für die einzelnen Gruppen (und Untergruppen):
Gruppe I
9,8 % Methan + Luft
Gruppe IIA 4,6 % Propan + Luft
Gruppe IIB 8,0 % Ethylen + Luft und beim Druckaufbau
20,4 % Wasserstoff + 3,6 % Methan + Luft
Guppe IIC 31,0 % Wasserstoff + Luft und 8 % Acetylen + Luft
Testreihe: 3 Mal. Für manche Anlagen der Gruppe I werden zusätzliche
Kurzschlussprüfungen in einem Methan-Luft-Gemisch vorgeschrieben;
Prüfung der Verhinderung der Ausbreitung von Explosionen anhand
von Gasgemischen mit Sicherheitszschlägen. Testreihe: 5 Mal.
Anpassung der Kurzschlussversuche
Zusätzliche Anforderungen für Tests unter niedrigen (unter -20° C) und
hohen Temperaturen (über +60° C)
Tabelle 2: Entwicklung der Prüfmethoden von druckfest gekapselten Gehäusen
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