Worldwide China Indien

Ex-Schutz/Sicherheitstechnik

Keine Angst vor Blitz und Donner

08.02.2007 | Autor / Redakteur: Redaktion PROCESS /

Rohöl-Pipelines sind für die Versorgung von Raffinerien unverzichtbar. So werden jährlich Millionen Tonnen Rohöl alleine in den deutschen Streckenabschnitten der Pipeline-Netze befördert. Statistisch gesehen, sind Pipelines das sicherste Transportmittel für Roh- und Mineralölprodukte. Jedoch stellen sie gleichzeitig ein nicht zu unterschätzendes Gefährdungspotenzial dar. Wie der folgende Beitrag zeigt, tragen zum sicheren Betrieb Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen bei.

Rohöl-Pipelines sind für die Versorgung von Raffinerien unverzichtbar. So werden jährlich Millionen Tonnen Rohöl alleine in den deutschen Streckenabschnitten der Pipeline-Netze befördert. Statistisch gesehen, sind Pipelines das sicherste Transportmittel für Roh- und Mineralölprodukte. Jedoch stellen sie gleichzeitig ein nicht zu unterschätzendes Gefährdungspotenzial dar. Wie der folgende Beitrag zeigt, tragen zum sicheren Betrieb Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen bei.

Schon ein Einfamilienhaus vor zerstörendem Blitzeinschlag zu sichern, ist keine leichte Aufgabe, aber eine ganze Rohölpipeline zu schützen, ist ein Mammut-Projekt. Immerhin gehören zu einer solchen Pipeline neben der eigentlichen Rohrleitung selbst auch verschiedene technische Einrichtungen. In Tanklagern werden die Mineralölprodukte nach Sorten getrennt und an ihre weiteren Bestimmungsorte gepumpt. Zudem sind Pump- und Druckentlastungsstationen notwendig, um die Druckverhältnisse in der Pipeline stabil zu halten.

Darüber hinaus müssen Pipelines in mehrere Streckenabschnitte unterteilt werden. Dies erfolgt durch Schieberstationen, die ein partielles Öffnen und Schließen von Sektionen der Rohrleitung erlauben. Zur Versorgung der einzelnen Raffineriegesellschaften und zum Weitertransport des Öls kommen schließlich Übergabestationen hinzu. Alle diese Einheiten – ebenso wie die gesamte Instrumentierung – müssen in einem umfassenden Schutzkonzept betrachtet werden.

Blitzschutz bei der Transalpinen Ölleitung (TAL)

Bereits seit 1967 betreibt die Deutsche Transalpine Ölleitung GmbH die wichtigste Rohölpipeline Europas zwischen dem italienischen Triest und Ingolstadt. Über 465 km muss der Rohstoff bis zur Zentralstation in Ingolstadt gepumpt werden. Ein Abzweig mit einer Länge von 270 km verbindet Karlsruhe mit dem zentralen Lager. Im gesamten Streckenabschnitt sind fast 1600 m Höhenunterschied über die italienischen und österreichischen Alpen zu überqueren. Die TAL deckt zu 100% den Rohölbedarf von Bayern, 75% von Österreich und zu 55% von Baden-Württemberg.

Insgesamt verfügt die TAL über zwei Tanklager in Triest und Ingolstadt, 25 Pump-, vier Druckausgleichs-, drei Übergabe- und 73 Schieberstationen. Die Kapazität der Pipeline beträgt 6000 Kubikmeter pro Stunde. Im Jahr 2002 wurden in Triest 34,8 Millionen Tonnen Öl an die Übergabestationen geliefert.Durch die Schließung der Central European Line (CEL) 1996 aufgrund von Umweltproblemen und hohem Sanierungsbedarf, stieg der Stellenwert der TAL-Pipeline zur Rohölversorgung Deutschlands. Es wurde deshalb bereits 1994 von der Betreibergesellschaft, zu der alle großen namhaften Mineralölkonzerne gehören, der Auftrag zum Projekt TAL-C94 erteilt. Ziel dieses Projektes war, die gesamte Kommunikations- und Steuerungstechnik zu erneuern und einen automatisierten Betrieb der Pipeline mit zentraler Steuerung von Triest und Ingolstadt zu erreichen.

Dabei musste der Betrieb der TAL mit voller Auslastung und ohne Unterbrechung weitergeführt werden. Das mit dem Projektmanagement beauftragte Ingenieurbüro führte neben der Entwurfs- und Ausschreibungsplanung der Stationsautomatisierung sowie der Feldinstrumentierung auch die Planung der Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen nach dem Blitz-Schutzzonen-Konzept noch gemäß DIN VDE 0185-103 (jetzt enthalten in DIN V VDE V 0185-4) durch.

Schutzprinzip

Der Anwendung des Blitz-Schutzzonen-Konzeptes ging eine Risikoabschätzung voraus, deren Ergebnis die Forderung nach Schutzmaßnahmen nach Blitzschutzklasse I waren. Das Schutzprinzip besteht in der Reduzierung feld- und leitungsgeführter Störungen, welche durch Blitzentladungen oder Schalthandlungen hervorgerufen werden. Diese transienten Störgrößen müssen so verringert werden, dass die elektromagnetische Verträglichkeit mit Anlagen und Systemen sichergestellt ist. Um dies zu erreichen, werden bauliche Anlagen in Blitz-Schutzzonen eingeteilt.

In der Blitz-Schutzzone 0 (LPZ 0) außerhalb der zu schützenden baulichen Anlage ist der Blitz als elektromagnetische Störquelle uneingeschränkt wirksam. Die Blitz-Schutzzone 0A (LPZ 0A) kennzeichnet diejenigen Bereiche, in denen direkte Blitzeinschläge möglich sind und das ungedämpfte elektromagnetische Blitzfeld herrscht. In der Blitzschutzzone LPZ 0B sind direkte Blitzeinschläge nicht möglich, jedoch wirken dort feldgebundene Störungen aufgrund des ungedämpften elektromagnetischen Feldes des Blitzes. Durch Fang-Systeme wird erreicht, dass sich zu schützende Anlagen in der LPZ 0B befinden. Weitere Schutzzonen werden anschließend nach technisch sinnvollen und wirtschaftlich orientierten Gesichtspunkten definiert.

Raum- und Gebäudeschirme, die aus durchverbundenen Armierungseisen gebildet werden, grenzen dabei die Schutzzonen ein. Metallene Gehäuse von Geräten können zusätzliche Schutzzonen bilden. Ältere Bauten weisen oft keine Schirmungseigenschaften auf, weil diese bei der Errichtung und früheren Nutzung nicht vorgesehen waren. Deshalb ist gerade bei der Nutzung bereits bestehender Gebäude darauf zu achten, dass bei der Installation neuer sensibler Automatisierungstechnik Schirmungsmaßnahmen ergriffen werden. Dies kann z.B. erreicht werden, indem Automatisierungs-Schränke mit guten Schirmungseigenschaften verwendet werden.

Äußerer Blitzschutz

Das zentrale Leittechnik-Gebäude in Ingolstadt befindet sich etwa 200 Meter entfernt von den Tankbehältern. Für das gesamte Betriebsgebäude besteht ein äußerer Blitzschutz entsprechend Blitzschutzklasse I. Somit ist der Schutz der baulichen Anlage und der sich darin befindlichen Personen bei einem direkten Blitzeinschlag gegeben. Um im Falle eines Brandes im Tanklager keine zu hohe Hitzeentwicklung in der Zentralstelle entstehen zu lassen und damit auch in dieser Situation die Anlage funktioniert, wurde die zentrale Leitstelle in einem Anbau mit einer Dachberegnungsanlage errichtet. Diese ist mittels Fangstangen in die LPZ 0B integriert, sodass kein direkter Blitzeinschlag in diese Sicherheitseinrichtung stattfinden kann.

Vermaschte Erdungsanlage

Als Schutz-Erdung verbindet die Erdungsanlage elektrische Einrichtungen mit dem Erdreich und sorgt im Falle eines elektrischen Fehlers für die Sicherheit von Personen und Sachwerten. Um einen sicheren und möglichst störungsfreien Betrieb elektrischer und elektronischer Einrichtungen zu gewährleisten, erfüllt die Erdungsanlage Funktions-Erdungsaufgaben. In der Praxis wurden früher Erdungsanlagen oft getrennt ausgeführt (Blitzschutz- und Schutzerdung getrennt von Funktionserdung). Dies hat sich als ungünstig erwiesen und kann sogar gefährlich werden.

Bei einem Blitzeinschlag können Spannungsdifferenzen bis zu einigen 100 kV auftreten, die zur Zerstörung von elektronischen Komponenten, Personengefährdung und durch Funkenüberschläge zu Explosionen in explosionsgefährdeten Bereichen führen können. Aus diesem Grund besitzt bei der TAL jedes einzelne Gebäude und jeder Anlagenteil eine eigene Erdungsanlage, die miteinander vermascht sind. Dies verringert die Potenzialunterschiede zwischen den baulichen Anlagen und somit auch die Amplituden leitungsgebundener Blitzteilströme.

Die Potenzialdifferenzen zwischen den Anlagenteilen sind im Falle eines Blitzeinschlages um so geringer, je engmaschiger das Maschennetz der Erdung aufgebaut ist. Als wirtschaftlich haben sich Maschenweiten von 10 x 20 m erwiesen. Bei der Auswahl des Erdungsmaterials ist zu beachten, dass eine Korrosionsbeeinflussung der im Erdreich verlegten Rohrleitungen vermieden wird.

Potenzialausgleich

Im gesamten Verlauf der TAL-Pipeline befinden sich Abschnitte und Anlagenteile in explosionsgefährdeten Bereichen. Gerade hier wurde ein konsequenter Potenzialausgleich durchgeführt. Gebäudestützen und Konstruktionsteile, Rohrleitungen und Tankbehälter sind in den Potenzialausgleich so einbezogen, dass mit einer gefährlichen Potenzialdifferenz - auch im Fehlerfall - nicht zu rechnen ist. Überspannungsschutz der NiederspannungsverbraucheranlageAm Zonenübergang von LPZ 0A auf LPZ 1 war der Blitzschutzpotenzialausgleich für die stromführenden und unter Spannung stehenden Leitungen durchzuführen. Leistungsfähige Blitzstrom-Ableiter stellen dies am Gebäudeeintritt der Energieversorgungskabel sicher.

Zur Versorgung der Steuerungsschränke mit Energie kommen Elektrounterverteiler zum Einsatz. Diese wurden zusammen mit der zentralen Automatisierungstechnik in Blitz-Schutzzone (LPZ 2) eingeteilt und sind deshalb mit Überspannungs-Ableitern ausgestattet. Wichtig war der Einsatz aufeinander abgestimmter und energetisch koordinierter Überspannungs-Schutzeinrichtungen. Dies ist nur durch Verwendung von Schutzgeräten eines Herstellers möglich.

Überspannungsschutz der Automatisierungstechnik

Durch die teilweise Reinstrumentierung der Messwertaufnehmer für Druck, Durchfluss, Temperatur und Füllstand und die Umstellung auf das neue Stations-Leittechnik-System galt es, nahezu 18 000 Ein-/Ausgangssignale in das Schutzkonzept zu integrieren. Dabei war im Besonderen darauf zu achten, dass sowohl der Schutz der Einrichtungen in den Betriebsgebäuden und -stationen als auch vor Ort an den Messwertaufnehmern entsprechend dem Blitz-Schutzzonen-Konzept erfolgte.

Unter Beachtung der vorhandenen Platzverhältnisse und des Wunsches, dass gewöhnliche 0/4...20 mA-Signale ebenso wie Signale aus eigensicheren Messkreisen mit Schutzgeräten gleicher Mechanik zu beschalten waren, wurde ein universelles Schutzgerät ausgewählt. Zur optischen Unterscheidung und schnellen Erkennung sind die Schutzgeräte für EEx(i)-Messkreise in blauer Farbe und diejenigen zum Schutz binärer und analoger Signale in gelber Farbe ausgeführt.Schon bei der Planung des Überspannungsschutzes im explosionsgeschützten Bereich wurden die Blitz-Schutzzonen und Ex-Zonen in Einklang gebracht.

Dies hat zur Folge, dass die Forderungen zum Einsatz von Überspannungs-Schutzgeräten im Ex-Bereich und an den Blitz-Schutzzonen-Grenzen gleichermaßen erfüllt werden müssen. Der Installationsort der Überspannungs-Ableiter wurde somit festgelegt. Dieser befindet sich am Übergang LPZ 0B nach LPZ 1. Damit wird das Eindringen von gefährlichen Überspannungen in die Ex-Schutzzone 0 verhindert, da Störimpulse schon vorher abgeleitet werden. Auch die für den Prozess wichtige Verfügbarkeit der Messwertaufnehmer wird dadurch wesentlich erhöht. Zusätzlich müssen die Anforderungen nach EN 60079-14 (DIN VDE 0165-1) erfüllt werden:

  • Einsatz von Überspannungs-Schutzgeräten mit einem Mindestableitvermögen von 10 Impulsen mit jeweils 10 kA (8/20 µs) ohne Defekt oder Beeinträchtigung der Überspannungs-Schutzfunktion.
  • Einbau des Schutzgerätes in einem metallisch geschirmten Gehäuse und Erdung mit mindestens 4 mm2 Cu.
  • Installation der Leitungen zwischen dem Schutzgerät und dem Betriebsmittel im beidseitig geerdeten Metallrohr oder Verwendung geschirmter Leitungen mit einer max. Länge von 1m.

Entsprechend der Festlegung im Schutzkonzept ist die zentrale Leittechnik in der Leitwarte als LPZ 2 definiert. Die von den Messumformern abgehenden, eigensicheren Messleitungen werden am Übergang von LPZ 0B nach LPZ 1 ebenfalls über Überspannungs-Schutzgeräte geführt. Ein Schutzgerät am anderen Ende einer gebäudeüberschreitenden Feldleitung muss dasselbe Ableitvermögen besitzen wie das am Tank installierte.

Nach dem Überspannungs-Schutzgerät wird die eigensichere Leitung über einen Trennverstärker geführt. Von dort aus wird eine geschirmte Leitung zur Leittechnik in LPZ 2 verlegt. Durch das beidseitige Auflegen des Kabelschirmes wird am Übergang LPZ 1 nach LPZ 2 kein Schutzgerät mehr benötigt, da die noch zu erwartende elektromagnetische Reststörung durch den beidseitig geerdeten Kabelschirm stark gedämpft wird.

Beim Einsatz von Überspannungs-Schutzgeräten in eigensicheren Messkreisen ist zu berücksichtigen, ob es sich um einen erdfreien oder geerdeten Messkreis handelt. Als geerdet gilt der Messkreis, wenn das zu schützende Betriebsmittel eine Isolationsfestigkeit von <500 V AC besitzt. In diesem Fall müssen Schutzgeräte verwendet werden, deren Schutzpegel Up beim Nennableitstoßstrom von 10 kA (8/20 µs) unterhalb der Isolationsfestigkeit des „geerdeten“ Betriebsmittels liegt (z.B. Up (Ader/PG) <35 V). Durch die Montage des Schutzgerätes im Feld in Ex-Schutzzone 1 ist die Zündschutzart ib ausreichend. Der eingesetzte Überspannungs-Schutz erfüllt gemäß Zertifizierung nach ia die schärfsten Anforderungen und eignet sich somit auch für ib-Applikationen.

Bevor EEx(i)-Messkreise in Betrieb genommen werden, muss der Nachweis für die Eigensicherheit der Messkreise erbracht werden. Hier müssen das Speisegerät, der Messumformer, die verwendeten Kabel sowie die Überspannungs-Schutzgeräte die Zusammenschaltbedingungen erfüllen. Gegebenenfalls sind die Induktivitäten und Kapazitäten der Schutzgeräte in die Betrachtung mit aufzunehmen. Gemäß der EG-Baumusterbescheinigung (PTB 99 Atex 2092), sind die inneren Kapazitäten und Induktivitäten der bei der TAL eingesetzten Überspannungs-Schutzgeräte vernachlässigbar und brauchen bei der Betrachtung der Zusammenschaltbedingungen nicht berücksichtigt werden

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 128165 / Explosionsschutz)