Lampenlebensdauer („End-of-life“-Phänomen) bei explosionsgeschützten Langfeldleuchten zum Einsatz in Zone 1

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Technischer Erkenntnisstand

Explosionsgeschützte Langfeldleuchten in der bestimmenden Zündschutzart "Erhöhte Sicherheit" haben sich als wirtschaftliche und zuverlässige Technik für allgemeine Beleuchtungszwecke in Ex-Bereichen durchgesetzt. Allein in Deutschland kann abgeschätzt werden, dass in unterschiedlichen Varianten mehr als 1 Million Stück installiert sind bei einem jährlichen Produktionsvolumen von mehr als 300 000 Stück.

Um das Schutzziel für "Erhöhte Sicherheit" zu erreichen, können T8-Leuchtstofflampen (Ø 26 mm) mit Sockel G13 nach dem heutigen Stand der Technik nur mit kurzgeschlossenen Sockelstiften betrieben werden, so dass ein Heizen und eine Überwachung der Wendel nicht möglich ist. In der Normung sind für diese Lampen im Wesentlichen nur äußere Parameter festgelegt ohne Berücksichtigung spezieller physikalischer Eigenschaften wie Emittermaterial usw.

Beim Betrieb der Leuchten mit diesen Leuchtstofflampen sind in jüngerer Zeit einige Schadensfälle mit lokaler Überhitzung des Lampensockels und der Lampenfassung in der Leuchte bekannt geworden. Diese Schadensfälle können durch verschiedene Fehlerquellen verursacht worden sein. Ein möglicher Prozess ist der "End-of-Life"-Effekt (EOL) der Lampe, der nur in Ausnahmefällen am Lebensdauerende der Lampe auftritt. Der EOL-Effekt ist bisher nicht im Laborversuch eindeutig reproduzierbar, lässt sich aber qualitativ folgendermaßen beschreiben.

Wenn das Emittermaterial der Kathode (Wendel der üblichen Zweistiftlampe) aufgebraucht ist oder aus anderen Gründen seine Emissionsfähigkeit verliert, wird der Austritt der Elektronen erschwert, was zu einem erhöhten Spannungsabfall an der Kathode führt. Häufige Kaltstarts beschleunigen diesen Verlust an aktivem Emitter. Durch den Betrieb der Lampe mit konstantem Strom (das elektronische Vorschaltgerät (EVG) ist näherungsweise eine Konstantstromquelle) entsteht eine hohe Verlustleistung, die auch den Lampensockel und die Lampenfassung erhitzt und ggf. beschädigen kann. Dieser Vorgang wird häufig als EOL-Effekt bezeichnet und äußert sich elektrotechnisch im so genannten "partiellen Gleichrichtereffekt". Die kurzzeitig entstehenden Oberflächentemperaturen der Lampenenden übersteigen deutlich die vom Explosionsschutz vorgegebenen Grenzwerte. Bauteile wie die Lampenfassung könnten so stark beschädigt werden, dass sie ihre Funktion für den Explosionsschutz nicht mehr gewährleisten.

Dieser Effekt kann auch in gleicher Weise bei Einstift-Lampen auftreten, so dass auch eine druckfest gekapselte Lampenfassung keine zusätzliche Sicherheit bieten würde.

Maßnahmen im Rahmen der Beschaffenheitsanforderungen

Da grundsätzlich explosionsgeschützte Geräte neben den spezifischen Explosionsschutznormen auch die jeweiligen produktspezifischen Normen einhalten müssen, ist auch die im Februar 2005 erschienene Norm DIN EN 61347-2-3 (VDE 0712 - 33) für wechselstromgespeiste elektronische Vorschaltgeräte zum Betrieb von Leuchtstofflampen zu beachten. In dieser Norm wird eine permanent überwachende EOL-Sicherheitsabschaltung gefordert, deren Funktion mit drei verschiedenen Prüfschaltungen getestet werden kann (asymmetrischer Pulstest, asymmetrischer Leistungstest oder offener Wendeltest). Wenn einer der drei Tests erfüllt wird, bietet das EVG demnach für Allgemeinbeleuchtung ausreichenden Schutz für das EOL-Verhalten von Leuchtstofflampen. Allerdings gilt dies bisher nur für T5- und T4-Lampen (Durchmesser 16 mm oder dünner) zur Vermeidung zu hoher Temperaturen im Hinblick auf den Brandschutz.

Für die explosionsgeschützten Leuchten in der Zündschutzart "Erhöhte Sicherheit" gelten jedoch besondere Betrachtungen.

Unter anderem ist zu beachten, dass

1. bei den in Ex-e Leuchten eingesetzten Lampen mit Zweitstiftsockel die Wendeln kurzgeschlossen sind,
2. üblicherweise T8-Lampen mit 26 mm Durchmesser eingesetzt werden und
3. Lampen mit Einstiftsockel ebenfalls zum Einsatz kommen.

Aufgrund umfangreicher Untersuchungen in der PTB mit Unterstützung durch Hersteller von Leuchten und Lampen und es ZVEI konnte ein Normungsvorschlag für IEC 60079-7 "Erhöhte Sicherheit" erarbeitet werden. Der Vorschlag wurde in das Maintenance Team (MT 60079-7) bei IEC TC 31 eingebracht und in (leicht modifizierter Form) in IEC 60079-7:2006 veröffentlicht. Hier ein Auszug aus IEC 60079-7:2006 (erscheint Anfang 2007 auch als EN 60079-7):

5.3.7 Luminaires for tubular fluorescent bi-pin lamps

5.3.7.3 Temperature class
As the limiting temperature of a luminaire with tubular fluorescent bi-pin lamps employing an electronic ballast will exceed the temperatures appropriate for temperature classes T5 and T6, those temperature classes shall not be permitted. See 6.3.2.3.

6.3.2.3 Power dissipation of cathodes of lamps supplied by electronic ballasts
The asymmetric pulse test and the asymmetric power dissipation test according to Annex H shall be conducted. For T8, T10, and T12 lamps, the maximum cathode power observed during the tests shall not exceed 10 W.
The values for the maximum cathode power of size T4 (12 mm) and T5 (16 mm) lamps in increased safety luminaires is under consideration.
NOTE The limits for the power dissipation in cathodes of lamps supplied by electronic ballasts limits were derived from experimental data on luminaires operated in an ambient temperature of 60 °C and with a temperature class of T4.

Unter Laborbedingungen konnte in sehr seltenen Ausnahmefällen auch unterhalb dieses Grenzwertes von 10 W für die asymmetrische Leistung die Zündung von Diethylether/Luft-Gemisch (als Prüfgemisch für T4) erreicht werden. Dies ist wegen der sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeit sicherheitstechnisch akzeptabel, weil die Richtlinie 94/9/EG im Anhang II, Ziffer 2.2.1.1, für Geräte der Kategorie 2 (Einsatz in Zone 1) fordert:
"Die Geräte sind so zu konzipieren und herzustellen, dass sogar bei häufig auftretenden Gerätestörungen oder fehlerhaften Betriebszuständen, mit denen üblicherweise gerechnet werden muss, Zündquellen vermieden werden."

Der Vorschlag zur Umsetzung dieser Ergebnisse in die Praxis der Zertifizierung ist im Kreise der europäischen "Benannten Stellen " (ExNB) diskutiert und bestätigt worden. Für Anträge auf Prüfung und Zertifizierung elektronischer Vorschaltgeräte werden ab 01.01.2005 die oben genannten Anforderungen der IEC 60079-7:2006 angewendet.

Maßnahmen im Rahmen der Betriebsvorschriften
Die genannten Maßnahmen sind für neue Zertifizierungen vorgesehen, um aus den gewonnenen Kenntnissen einen technischen Fortschritt zu erreichen.
Die Beurteilung potentieller Zündrisiken und die Zahl der bisher bekannt gewordenen Fehlerfälle rechtfertigen nicht bei bisher bescheinigten Leuchten der Kategorie 2G (Zone 1) und Kategorie 3G (Zone 2) eine Nachrüstung oder Umrüstung zu fordern.

Im Rahmen von vorbeugenden Instandhaltungsmaßnahmen erscheint es jedoch sinnvoll auf Veränderungen an den Leuchten zu achten. So könnten dunkelgefärbte Röhrenenden oder außergewöhnliches Brennverhalten der Lampen ein Symptom für den EOL-Effekt sein. In diesem Fall sollten die Leuchtmittel vorsorglich getauscht werden.