DGUV Information 203-077 - Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen Hilfe bei der Auswahl der persönlichen Schutzausrüstung

In den nachfolgenden Beispielen werden Arbeiten an verschiedenen Arbeitsorten eines typischen städtischen Niederspannuns-Versorgungssystems betrachtet.

Hinweis: Die nachfolgenden Beispiele wurden aus Sicht der Experten, die an dieser DGUV Information mitgearbeitet haben, erstellt. Sie sollen dem Anwender dieser Auswahlhilfe als Unterstützung bei der Anwendung bieten. In der betrieblichen Praxis können einzelne Bewertungen unter Berücksichtigung zum Beispiel der örtlichen Gegebenheiten oder der konkreten Arbeitsverfahren unterschiedlich ausfallen.

Abb. A 5-1
Betrachtetes städtisches Niederspannungs-Versorgungssystem

A 5.1
Beispiel 5.1: Niederspannungsverteilung in einer Transformatorstation (Arbeitsort 1)

Häufig werden Tätigkeiten an Niederspannungs-Verteilungen von Transformatorstationen durchgeführt. Dies sind zum Beispiel das Entfernen oder Einsetzen von NH-Sicherungseinsätzen, An- und Abklemmen von Abgängen, Reinigungsarbeiten oder das Messen und Prüfen an aktiven Teilen.

Abb. A 5-3
Ersatzschaltbild Arbeitsort 1

Gefährdungsbeurteilung der geplanten Tätigkeit

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja

• Es werden Arbeiten mit Kontakt zu einer offenen unter Spannung stehenden Anlage durchgeführt, bei denen ein Störlichtbogen entstehen kann.

Phase 2: Erste Bewertung der Störlichtbogenenergie des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Ja

• Auf eine PSAgS kann bei Arbeiten in Niederspannungsanlagen in den folgenden Fällen verzichtet werden:

  • Bei Arbeiten an Mess-, Steuer- und Regelungsanlagen mit vorgelagerten Stromkreisabsicherungen bis 25 A.

    • nicht zutreffend

  • Bei Arbeiten an Stromkreisen mit Nennspannungen bis 400 V mit vorgelagerter Absicherung bis einschließlich 63 A, wenn handelsübliche Arbeitskleidung bestehend aus langärmeliger Oberbekleidung und langer Hose getragen wird.

    • nicht zutreffend

  • Bei Arbeiten an Stromkreisen mit Nennspannungen bis 400 V AC und einem Kurzschlussstrom < 1 kA. (Ein solcher Lichtbogen brennt nicht stabil und erlischt unmittelbar wieder.)

    • nicht zutreffend

Bei den betrachteten Arbeiten besteht eine erhöhte Gefährdung, da am Arbeitsort im Fehlerfall die Kurzschlussleistung maßgeblich ist, die sich unmittelbar hinter dem Transformator ergibt. Entscheidend für die in einem Störlichtbogen freigesetzten Energien sind die Transformatorleistungen und die Ausschaltzeiten der Transformatorsicherungen bzw. der Leistungsschalter der Speisezweige. Ein wichtiger Einfluss resultiert aus der Struktur bzw. dem Schaltzustand des Niederspannungs-Netzes im Zusammenhang mit der Art der Speisung der Niederspannungs-Stationen (Stationsvermaschung oder stationsweise gespeiste Niederspannungs-Netze). Die Kurzschlussleistung und der prospektive Kurzschlussstrom am Arbeitsort werden davon mitbestimmt, ob eine ein- oder mehrseitige Speisung besteht.

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

Schritt 1: Daten der betrachteten Arbeitsstelle

Im Beispielfall handelt es sich um ein städtisches Versorgungssystem (Abb. A 5-2), in dem der Arbeitsort 1 betrachtet wird. In den Netzstationen sind Transformatoren 20/0,4 kV mit Bemessungsscheinleistungen S_rT von 630 kVA oder 400 kVA und Kurzschlussspannungen u_k von 4 % vorhanden. Die Standardquerschnitte der 1-kV-Aluminiumkabel betragen 150 mm² bei den Netzkabeln und 35 mm² bei den Hausanschlusskabeln. In Abb. A 5-1 sind die Trennstellen im Netz eingezeichnet, die bei AuS geöffnet werden, um jeweils einseitige Speisungen in den betreffenden Netzbereichen herzustellen. Der Arbeitsort 1 wird von einem 630-kVA-Transformator über eine NH-Transformatorsicherung 630 kVA der Betriebsklasse gTr AC 400 V gespeist. Die Strom-Zeit-Kennlinie der Sicherung ist in Abb. A 5-4 dargestellt.

Abb. A 5-2
Arbeiten an einer Niederspannungs-Verteilung

Schritt 2: Bestimmung I"_{k 3}, R/X

Aus der Kurzschlussstromberechnung gemäß VDE 0102 [7] ergibt sich für den Schaltzustand einseitiger Speisung für den Arbeitsort ein prospektiver Kurzschlussstrom (Anfangskurzschlusswechselstrom) I"_{k 3} von

Das R/X-Verhältnis der Netzimpedanz im Fehlerstromkreis beträgt ca. 0,27.

Schritt 3: Bestimmung Lichtbogenstrom

Der für die Ausschaltzeit der NH-Sicherung relevante minimale Fehlerstrom bei einem Lichtbogenkurzschluss ergibt sich aus dem minimalen prospektiven Kurzschlussstrom I"_{k 3,min} mit Hilfe des Begrenzungsfaktors k_B, der die strombegrenzenden Wirkungen der Störlichtbögen im Fehlerstromkreis charakterisiert. Da es sich um eine Niederspannungs-Anlage handelt und im ersten Ansatz eine Worst-Case-Betrachtung vorgenommen wird, wird nach Abschnitt 4.2.2 ein Strombegrenzungsfaktor von k_B = 0,5 angenommen. Für den minimalen Fehlerstrom folgt daraus

Abb. A 5-4
Mittlere Zeit-Strom-Kennlinien der verwendeten Sicherung gTr AC 400 V

Für diesen Strom ergibt sich aus der Sicherungskennlinie in Abb. A 5-4 eine Ausschaltzeit von t = 0,113 s. Diese Zeit entspricht der Kurzschlussdauer t_k.

Anmerkung:

In der praktischen Anwendung ist die Kennlinie der tatsächlich verwendeten Überstromschutzeinrichtung zu benutzen.

Schritt 4: Lichtbogenleistung am Arbeitsort

Mit dem maximalen prospektiven Kurzschlussstrom I"_{k 3,max} folgt für die Kurzschlussleistung am Arbeitsort

Unter Worst-Case-Bedingungen kann mit der Formel der maximal mögliche Wert der bezogenen Lichtbogenleistung ermittelt werden. Für dieses Beispiel ergibt die Berechnung k_P,max = 0,36.

Daraus resultiert eine Lichtbogenenergie W_LB:

Diese Energie ist der Erwartungswert der Lichtbogenenergie im Fehlerfall am Arbeitsort 1.

Schritt 5: Arbeitsabstand festlegen

Für die Arbeiten in der Niederspannungs-Verteilung wird ein Arbeitsabstand von a = 300 mm angesetzt. Das entspricht einem Minimalabstand vom Oberkörper zur Vorderfront der geöffneten Anlage.

Schritt 6: Prüfpegel für PSA

Die Prüfpegel für PSA unter den Normbedingungen des Boxtests nach VDE 0682-306-1-2 betragen

Störlichtbogenschutzklasse APC 1: W_{LB P1} = 168 kJ

Störlichtbogenschutzklasse APC 2: W_{LB P2} = 320 kJ

Schritt 7: Transmissionsfaktor, Schutzpegel der PSAgS

Bei Arbeiten an Niederspannungs-Verteilungen in Transformatorstationen soll von großräumigen Anlagen, deren Raumbegrenzung hauptsächlich durch die Rückwand gegeben ist, ausgegangen werden. Es wird hier ein Transmissionsfaktor von k_T = 1,5 angenommen. Mit dem Arbeitsabstand a = 300 mm folgt für die äquivalente Lichtbogenenergie mit

W_{LBS_APC 1} = 252 kJ bei Störlichtbogenschutzklasse APC 1

W_{LBS_APC 2} = 480 kJ bei Störlichtbogenschutzklasse APC 2

Schritt 8: Auswahl der Störlichtbogenschutzklasse

Es gilt W_LB = 690,3 kJ > W_{LBS_APC 2} = 480 kJ.

Die zu erwartende Lichtbogenenergie ist größer als der Schutzpegel W_{LBS_APC 2} einer PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 2. In diesem Fall muss mit Phase 4 der Gefährdungsbeurteilung fortgefahren werden.

In der Abarbeitung der erforderlichen Arbeitsschritte ergeben sich folgende Ergebnisse (siehe Tabelle A 5-1).

Phase 4: Weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Lichtbogenenergie und der Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch Störlichtbögen umsetzen

Für die betrachtete Anlage und die Arbeitssituation ist keine geeignete Maßnahme zur Reduzierung der Lichtbogenenergie und der Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch Störlichtbögen möglich. Folglich wird mit Phase 5 weiter verfahren.

Tabelle A 5-1 Ergebnis der Berechnung W_LB und W_LBS für Beispiel 5.1 (Transformatorstation 630 kVA)

Rechnung		Kenngröße	Resultat (Worst-Case)	Resultat bei genauer Berechnung nach [21]
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	60 mm
Kurzschlussstromberechnung	Max. Kurzschlussstrom	I"k 3,max	24,5 kA
	Min. Kurzschlussstrom	I"k 3,min	21,6 kA
	Verhältnis R/X	R/X	0,27
Strombegrenzung		kB	0,5	0,633
Minimaler Fehlerstrom	IkLB = kB · I"k 3,min	IkLB =	10,8 kA	13,67 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,113 s	0,045 s
Kurzschlussleistung		S"k =	16,97 MVA
Bezogene LB-Leistung		kp =	0,36	0,338
Lichtbogenleistung	PLB = kp · S"k	PLB =	6,1 MW	5,7 MW
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = kp · S"k · tk	WLB =	690,3 kJ	258 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,5
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	480 kJ
		WLBS_APC 1 =	252 kJ

Phase 5: Eintrittswahrscheinlichkeit und Verletzungsschwere einer Störlichtbogenverletzung nach Anwendung der getroffenen Maßnahmen abschätzen; Restrisiko bewerten und entscheiden (Risikomatrix)

In dieser Phase wird die mögliche Schadensschwere (Verletzungsschwere) und die Eintrittswahrscheinlichkeit einer Verletzung durch einen Störlichtbogen abgeschätzt und damit das Restrisiko bestimmt.

Abschätzung der Verletzungsschwere

Es wird für dieses Beispiel angenommen, dass die Berechnung (nach Kapitel 4) für die betrachteten Arbeitsbedingungen folgende Ergebnisse liefert:

Aus dem Verhältnis W_LB / W_LBS = 1,44 ergibt sich dann entsprechend Tabelle A 4-1 eine erwartete Verletzungsschwere von "reversible Verletzung".

Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit einer Verletzung

Tabelle A 5-2 Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit einer Verletzung für 5.1

Abb. A 5-5
Anwendung der Risikomatrix für Beispiel 5.1

Die Risikobewertung mit Verletzungsschwere W_LB / W_LBS = 1,3 "reversible Verletzung" und Eintrittswahrscheinlichkeit 16 Punkte "denkbar, aber sehr unwahrscheinlich" ergibt in der Risikomatrix (Abb. A 5-5) den grünen Bereich. Die Durchführung der Arbeiten mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 2 auf Basis der getroffenen Bewertungsansätze ist somit zulässig.

Im Falle einer Station mit einem 400-kVA-Transformator (Kurzschlussspannung 4 %; NH-Sicherung 400 kVA gTr AC 400 V) liegen - unter sonst gleichen Bedingungen wie oben - die prospektiven Kurzschlussströme im Bereich I"_{k 3} = 12,7 ... 14,1 kA. Das R/X-Verhältnis beträgt 0,27. Aus der Strom-Zeit-Kennlinie der NH-Sicherung (Abb. A 5-4) ergibt sich für k_B = 0,5 und I_kLB = 6,9 kA eine Kurzschlussdauer von t_k = 0,04 s. Die Kurzschlussleistung beträgt S"_k = 10,8 MVA. Mit der bezogenen Lichtbogenleistung k_P = 0,356 folgt für die Lichtbogenleistung P_LB = 3,8 MW und der Erwartungswert der Lichtbogenenergie W_LB = 152 kJ. Für gleichen Arbeitsabstand a = 300 mm und gleichen Transmissionsverhältnisse (k_T = 1,5) wie zuvor bedeutet dies, dass PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 erforderlich ist.

Ergebnis der Berechnung siehe Tabelle A 5-3.

Tabelle A 53 Ergebnis der Berechnung W_LB und W_LBS für Beispiel 5.1 (Transformatorstation 400 kVA)

Rechnung		Kenngröße	Resultat (Worst-Case)	Resultat bei genauer Berechnung nach [21]
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	60 mm
Kurzschlussstromberechnung	Max. Kurzschlussstrom	I"k 3,max	15,5 kA
	Min. Kurzschlussstrom	I"k 3,min	13,7 kA
	Verhältnis R/X	R/X	0,30
Strombegrenzung		kB	0,5	0,64
Minimaler Fehlerstrom	IkLB = kB · I"k 3,min	IkLB =	6,9 kA	8,8 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,04 s	0,02 s
Kurzschlussleistung		S"k =	10,8 MVA
Bezogene LB-Leistung		kp =	0,356	0,326
Lichtbogenleistung	PLB = kp · S"k	PLB =	3,8 MW	3,5 MW
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = kp · S"k · tk	WLB =	152,0 kJ	122,7 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,5
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	480 kJ
		WLBS_APC 1 =	252 kJ

A 5.2
Beispiel 5.2: Niederspannungskabel (Arbeitsort 2)

Häufig werden Arbeiten im Kabelnetz an Muffen durchgeführt (siehe Abb. A 5-6). Der beispielhaft betrachtete Arbeitsort 2 (Kabelmuffe nach ca. 100 m Netzkabel) ist Abb. A 5-1 zu entnehmen. Die Höhe der Fehlerströme und Lichtbogenenergien ist stark von der Entfernung des Arbeitsortes zur speisenden Netzstation (Transformator) und damit von der diesbezüglichen Netzkabellänge abhängig.

Abb. A 5-6
Arbeiten an einer Kabelmuffe

Im Beispiel wird der Arbeitsort durch ein Netzkabel aus einer Station mit einem 630-kVA-Transformator gespeist. Maßgeblich für die Ausschaltung des Störlichtbogenfehlers ist die NH-Sicherung im Kabelabzweig der speisenden Station. Hierbei handelt es sich

um eine Leitungs-Ganzbereichssicherung NH 250 A Betriebsklasse gG bzw. gL AC 400 V. Die Strom-Zeit-Kennlinie ist in Abb. A 5-7 dargestellt.

Gefährdungsbeurteilung

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja

• Es werden Arbeiten mit Kontakt zu unter Spannung Leitern durchgeführt, bei denen ein Störlichtbogen entstehen kann.

Phase 2: Basisbewertung des Störlichtbogenrisikos des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Ja

• Keine der in Kapitel 1 aufgezählten Bedingungen, in denen auf eine PSAgS verzichtet werden kann, ist erfüllt.

Abb. A 5-7
Mittlere Zeit-Strom-Kennlinien der betrachteten Leitungssicherungen NH gL/gG AC 400 V

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

In der Abarbeitung der erforderlichen Arbeitsschritte ergeben sich folgende Ergebnisse.

Tabelle A 5-4 Ergebnis der Berechnung W_LB und W_LBS für Beispiel 5.2 (Muffen in Kabelnetzen)

Rechnung		Kenngröße	Resultat (Worst-Case)	Resultat bei genauer Berechnung nach [21]
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	45 mm
Kurzschlussstromberechnung	Max. Kurzschlussstrom	I"k 3,max	8,3 kA
	Min. Kurzschlussstrom	I"k 3,min	7,5 kA
	Verhältnis R/X	R/X	1,3
Strombegrenzung		kB	0,5	0,57
Minimaler Fehlerstrom	IkLB = kB · I"k 3,min	IkLB =	3,7 kA	4,3 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,107 s	0,049 s
Kurzschlussleistung		S"k =	5,8 MVA
Bezogene LB-Leistung		kp =	0,28	0,24
Lichtbogenleistung	PLB = kp · S"k	PLB =	1,6 MW	1,4 MW
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = kp · S"k · tk	WLB =	170,6 kJ	68,9 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,9
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	608 kJ
		WLBS_APC 1 =	319 kJ

Die Arbeiten am betrachteten Arbeitsort 2 (Kabelmuffe) erfordern bei Abschätzung nach Kapitel 3 und bei genauer Berechnung PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1.

A 5.3
Beispiel 5.3: Hausanschlusskasten (Arbeitsort 3)

Häufige Arbeiten unter Spannung sind das Wechseln von Hausanschlusskästen (Abb. A 5-8; innen/außen). Im Beispielfall wird der Arbeitsort 3 nach Abb. A 5-1 betrachtet. Die Speisung des Arbeitsortes erfolgt wiederum aus einer vorgeordneten Netzstation mit 630-kVA-Transformator. Im Vergleich zu Beispiel 2 ergeben sich noch deutlich geringere Kurzschlussströme, da die Hausanschlusskabel nur vergleichsweise geringe Querschnitte besitzen. Im Beispiel beträgt die Länge des Hausanschlusskabels ca. 15 m.

Für die Kurzschlussausschaltung ist die Abzweigsicherung im vorgeordneten Kabelverteilerschrank maßgeblich; es handelt sich um eine Sicherung NH 250 A Betriebsklasse gG AC 400 V.

Abb. A 5-8
Arbeiten am Hausanschlusskasten

Gefährdungsbeurteilung der geplanten Tätigkeit

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja.

• Es werden Arbeiten mit Kontakt zu einer offenen unter Spannung stehenden Anlage durchgeführt, bei denen ein Störlichtbogen entstehen kann.

Phase 2: Erste Bewertung der Störlichtbogenenergie des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Ja.

• Keine der in Kapitel 1 aufgezählten Bedingungen, in denen auf eine PSAgS verzichtet werden kann, ist erfüllt.

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

Die Abarbeitung der erforderlichen Arbeitsschritte ergibt folgende Ergebnisse (siehe Tabelle A 5-5).

Abb. A 5-9
Mittlere Zeit-Strom-Kennlinien der betrachteten Leitungssicherungen NH gL/gG AC 400 V

Tabelle A 5-5 Ergebnis der Berechnung W_LB und W_LBS für Beispiel 5.3 (geöffneter Hausanschlusskasten)

Rechnung		Kenngröße	Resultat (Worst-Case)	Resultat bei genauer Berechnung nach [21]
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	45 mm
Kurzschlussstromberechnung	Max. Kurzschlussstrom	I"k 3,max	3,4 kA
	Min. Kurzschlussstrom	I"k 3,min	3,0 kA
	Verhältnis R/X	R/X	2,0
Strombegrenzung		kB	0,5	0,554
Minimaler Fehlerstrom	IkLB = kB · I"k 3,min	IkLB =	1,5 kA	1,66 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	1,0 s *	1,0 s *
Kurzschlussleistung		S"k =	2,353 MVA
Bezogene LB-Leistung		kp =	0,26	0,24
Lichtbogenleistung	PLB = kp · S"k	PLB =	0,61 MW	0,56 MW
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = kp · S"k · tk	WLB =	607 kJ	565 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WWLBP_APC 2 =	320 kJ
		WWLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,0
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	320 kJ
		WLBS_APC 1 =	168 kJ

Phase 4: Weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Lichtbogenenergie und der Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch Störlichtbögen umsetzen

Im Ergebnis zeigt sich, dass im Beispielfall für die Arbeiten am Hausanschlusskasten PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 2 nicht ausreichend ist. Der hohe Erwartungswert der Lichtbogenenergie kommt durch die große Kurzschlussdauer zustande, aus der eine lange Expositionsdauer resultiert.

Um das Arbeiten in diesem Fall zu ermöglichen, können z. B.

• Überstromschutzeinrichtungen, die eine definierte ausreichend schnelle Ausschaltung garantieren, angewendet oder

• die Einhaltung eines ausreichenden Mindestabstandes gefordert oder

• für höhere Einwirkenergien geprüfte PSA eingesetzt

werden.

Für die nachfolgende Betrachtung wird die erstgenannte Option ausgewählt. Dazu ist zu fordern, dass die im Kabelabzweig der speisenden Netzstation vorhandene Abzweigsicherung NH 250 A gG für die Dauer der Arbeiten gegen eine Arbeitssicherung mit geringerer Bemessungsstromstärke und/oder einer flinken oder superflinken Betriebscharakteristik ausgetauscht wird, so dass sich vor Beginn der Arbeiten ein Sicherungswechsel und nach Abschluss der Arbeiten ein Sicherungswechsel erforderlich machen. Setzt man eine Arbeitssicherung NH 160 A Betriebsklasse aR (flink: üf2; überflink: üf1; superflink: üf01; hyperflink: üf02) ein, ergibt sich in jedem Fall eine strombegrenzende Ausschaltung. Für die Berechnungen ist in diesem Fall eine Kurzschlussdauer von t_k = 0,01 s anzusetzen. Im Beispielfall wird eine Sicherung NH 160 A aR/690 V - üf01 eingesetzt, woraus eine Ausschaltzeit von 6,87 ms resultiert.

Tabelle A 5-6 Ergebnis der Berechnung W_LB und W_LBS für Beispiel 5.3 bei Einsatz einer

Arbeitsschutzsicherung (geöffneter Hausanschlusskasten)

Rechnung		Kenngröße	Resultat (Worst-Case)	Resultat bei genauer Berechnung nach [21]
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	45 mm
Kurzschlussstromberechnung	Max. Kurzschlussstrom	I"k 3,max	3,4 kA
	Min. Kurzschlussstrom	I"k 3,min	3,0 kA
	Verhältnis R/X	R/X	2,0
Strombegrenzung		kB	0,5	0,554
Minimaler Fehlerstrom	IkLB = kB · I"k 3,min	IkLB =	1,5 kA	1,66 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,01 s	0,01 s
Kurzschlussleistung		S"k =	2,353 MVA
Bezogene LB-Leistung		kp =	0,26	0,24
Lichtbogenleistung	PLB = kp · S"k	PLB =	0,61 MW	0,56 MW
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = kp · S"k · tk	WLB =	6,1 kJ	5,2 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WLBS_APC 2 =	320 kJ
		WLBS_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,0
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBP_APC 1 =	320 kJ
		WLBP_APC 2 =	168 kJ

Die Berechnung ergibt, dass die zu erwartende Lichtbogenenergie kleiner 50 kJ ist. Damit ist für die betrachtete Tätigkeit keine besondere PSAgS erforderlich. Eine handelsübliche Arbeitskleidung, bestehend aus langärmeliger Oberbekleidung und langer Hose ist ausreichend.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass zum Einsetzen der Arbeitsschutz-Sicherung eine PSAgS (APC 1 oder APC 2) benötigt wird.

A 5.4
Beispiel 5.4: Elektroinstallation bei vorgeschaltetem Hausanschlusskasten (Arbeitsort 4)

Werden Arbeiten unter Spannung oder Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile in der elektrischen Hausinstallation (400 V), die über eine Sicherung mit maximal 63 A Nennstrom abgesichert ist, durchgeführt, ist handelsübliche Arbeitskleidung bestehend aus langärmeliger Oberbekleidung und langer Hose ausreichend (siehe Anwendungsbereich).

Anmerkung:

Der Vollständigkeit halber wird dieses Beispiel aus der ersten Auflage dieser DGUV Information (Ausgabe Oktober 2012) hier aufgeführt. Die Berechnungen der ersten Auflage zeigen, die abgeschätzten Werte für W_LBdeutlich (Faktor >27) unterhalb des Schutzpegels einer PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 liegen.

Abb. A 5-10
Arbeiten hinter der Hauseinspeisung

Gefährdungsbeurteilung der geplanten Tätigkeit

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja

• Bei Arbeiten an einer Verteilung wie z. B. das Wechseln eines Stromzählers unter Spannung kann zu einem Störlichtbogenereignis kommen.

Phase 2: Erste Bewertung der Störlichtbogenenergie des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Nein

• Auf eine PSAgS kann bei Arbeiten in Niederspannungsanlagen in den folgenden Fällen verzichtet werden:

  • Bei Arbeiten an Mess-, Steuer- und Regelungsanlagen mit vorgelagerten Stromkreisabsicherungen bis 25 A.

    • nicht zutreffend

  • Bei Arbeiten an Stromkreisen mit Nennspannungen bis 400 V mit vorgelagerter Absicherung bis einschließlich 63 A, wenn handelsübliche Arbeitskleidung bestehend aus langärmeliger Oberbekleidung und langer Hose getragen wird.

    • zutreffend

  • Bei Arbeiten an Stromkreisen mit Nennspannungen bis 400 V AC und einem Kurzschlussstrom < 1 kA. (Ein solcher Lichtbogen brennt nicht stabil und erlischt unmittelbar wieder.)

    • nicht zutreffend

A 5.5
Beispiel 5.5: Entfernen von NH-Sicherungseinsätzen

Das Tätigkeitsfeld von Zählermonteuren kann Arbeitsbereiche mit unterschiedlicher Störlichtbogengefährdung umfassen:

1. a)

   Arbeiten an Anlagen (Zähler) hinter einer Hausanschlusssicherung (vgl. Beispiel Arbeitsort 4):

   Diese Tätigkeiten umfassen z. B. Spannung prüfen, Wechsel von Zählern (im spannungsfreien Zustand oder unter Spannung). Entsprechend der Rechenergebnisse ist dazu PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 ausreichend.

2. b)

   Arbeiten am geöffneten Hausanschlusskasten (vgl. Beispiel Arbeitsort 3): Zur Vorbereitung von Arbeiten am Zähler müssen ggf. Hausanschlusssicherungen entfernt oder wieder eingesetzt werden. Entsprechend der Rechenergebnisse wird hier der rechnerische Schutzpegel der PSAgS Störlichtbogenschutzklasse APC 1 überschritten (W_LB / W_LBS = 1,3).

Zählermonteure sind im Regelfall mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 ausgerüstet. Es ergibt sich die Frage, ob für das Entfernen und das Einsetzen von Hausanschlusssicherungen eine Ausrüstung mit PSAgS Störlichtbogenschutzklasse APC 2 zwingend erforderlich ist, oder ob diese Tätigkeit auch mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 ausgeführt werden kann?

Abb. A 5-11
Entfernen und Einsetzen von NH-Sicherungen am Hausanschlusskasten

Gefährdungsbeurteilung der geplanten Tätigkeit

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja.

• Es werden Arbeiten mit Kontakt zu einer offenen unter Spannung stehenden Anlage durchgeführt.

Phase 2: Erste Bewertung des Störlichtbogenrisikos des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Ja.

• Keine der in Kapitel 1 aufgezählten Bedingungen, in denen auf eine PSAgS verzichtet werden kann, ist erfüllt.

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

Die Berechnung von W_LB ergibt 607 kJ (vgl. Tabelle A 5-5, Hausanschlusskasten). Ausgehend von einem Arbeitsabstand von a = 500 mm beträgt der Schutzpegel der PSAgS Störlichtbogenschutzklasse APC 1 467 kJ (bei k_T = 1).

Da bei diesen Arbeiten mit fast gestrecktem Arm gearbeitet wird, wird von einem Arbeitsabstand von 500 mm ausgegangen.

Damit überschreitet W_LB den Schutzpegel der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 um den Faktor 1,3.

Phase 4: Weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Lichtbogenenergie und der Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch Störlichtbögen umsetzen

Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch Störlichtbögen wäre der Einsatz einer PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 2. Zur Untersuchung, ob diese Tätigkeit auch mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 ausgeführt werden kann, wird diese Abschätzung mit Phase 5 weiter betrachtet.

Phase 5: Eintrittswahrscheinlichkeit und Verletzungsschwere einer Störlichtbogenverletzung nach Anwendung der getroffenen Maßnahmen abschätzen; Restrisiko bewerten und entscheiden (Risikomatrix)

Abschätzung der Verletzungsschwere

Es wird für dieses Beispiel angenommen, dass die Berechnung (nach Kapitel 4) für die betrachteten Arbeitsbedingungen folgende Ergebnisse liefert:

Aus dem Verhältnis W_LB / W_LBS = 1,3 ergibt sich dann entsprechend Tabelle A 4-2 eine erwartete Verletzungsschwere von "reversible Verletzung".

Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit einer Verletzung

Tabelle A 5-7 Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit einer Verletzung für 5.5

Abb. A 5-12
Anwendung der Risikomatrix für Beispiel 5.5

Die Risikobewertung mit Verletzungsschwere W_LB / W_LBS = 1,3 "reversible Verletzung" und Eintrittswahrscheinlichkeit 16 Punkte "denkbar, aber sehr unwahrscheinlich" ergibt in der Risikomatrix (Abb. A 5-12) den grünen Bereich. Die Durchführung der Arbeiten mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 auf Basis der getroffenen Bewertungsansätze ist somit zulässig.

A 5.6
Beispiel 5.6: Industrieverteiler

Das nachfolgende Beispiel zeigt die Berechnung für eine typische Konfiguration hinter einer NH 315 A gG Sicherung. An dieser Beispielanlage werden hinter der NH Sicherung unterschiedliche Tätigkeiten durchgeführt (siehe Abb. A 5-13). Dies geht vom Austausch von Betriebsmitteln bis hin zu einfachsten Einstellarbeiten an Schutzorganen und Betriebsmitteln.

Der Arbeitsort ist die elektrotechnische Ausrüstung der Kältemaschine und liegt hinter einem Kabel von 86 m.

Abb. A 5-13
Anlagenübersicht Industrieanlage

Abb. A 5-14 Niederspannungsanlage in der Industrie (Schaltschrank Kältemaschine)

Abb. A 5-15
Mittlere Zeit-Strom-Kennlinien der betrachteten Leitungssicherungen NH gL/gG AC 400 V

Gefährdungsbeurteilung der geplanten Tätigkeit

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja

• Es werden Arbeiten mit Kontakt zu einer offenen unter Spannung stehenden Anlage (AuS) oder in der Nähe von unter Spannung stehenden Teilen der Anlage durchgeführt, bei denen ein Störlichtbogen entstehen kann.

Phase 2: Erste Bewertung der Störlichtbogenenergie des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Ja

• Keine der in Kapitel 1 aufgezählten Bedingungen, in denen auf eine PSAgS verzichtet werden kann, ist erfüllt.

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

In der Abarbeitung der erforderlichen Arbeitsschritte ergeben sich folgende Ergebnisse (siehe Tabelle A 5-8).

Anmerkung: Bei genauer Berechnung ergibt sich aus der Kennlinie der Schutzeinrichtung eine Zeit < 10 ms; die Kurzschlussdauer wird deshalb auf 10 ms festgelegt.

Tabelle A 5-8 Ergebnis der Berechnung W_LB und W_LBS für Beispiel 5.6 (Niederspannungs-Anlage in der Industrie)

Rechnung		Kenngröße	Resultat (Worst-Case)	Resultat bei genauer Berechnung nach [21]
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	20 mm
Kurzschlussstromberechnung	Max. Kurzschlussstrom	I"k 3,max	16,4 kA
	Min. Kurzschlussstrom	I"k 3,min	14,7 kA
	Verhältnis R/X	R/X	0,81
Strombegrenzung		kB	0,5	0,761
Minimaler Fehlerstrom	IkLB = kB · I"k 3,min	IkLB =	7,4 kA	11,4 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,013 s	0,01 s
Kurzschlussleistung		S"k =	11,4 MVA
Bezogene LB-Leistung		kp =	0,3	0,17
Lichtbogenleistung	PLB = kp · S"k	PLB =	3,5 MW	1,9 MW
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = kp · S"k · tk	WLB =	45,2 kJ	19,1 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,5
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	480 kJ
		WLBS_APC 1 =	252 kJ

Anmerkung:

Bei genauer Berechnung ergibt sich aus der Kennlinie der Schutzeinrichtung eine Zeit < 10 ms; die Kurzschlussdauer wird deshalb auf 10 ms festgelegt.

Die Berechnung ergibt, dass die zu erwartende Lichtbogenenergie kleiner als

W_{LB, min} = 50 kJ ist. Damit ist für die hier betrachtete Arbeit keine besondere PSAgS erforderlich. Eine handelsübliche Arbeitskleidung bestehend aus langärmeliger Oberbekleidung und langer Hose ist ausreichend. Eine Schutzkleidung der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 wird jedoch empfohlen.

A 5.7
Beispiel 5.7: Schalten an nicht störlichtbogengeprüften Anlagen älterer Bauart

Aufgrund des hohen Leistungsbedarfs im industriellen Bereich findet man dort häufig Anlagen mit hohen Kurzschlussleistungen. Gängige Transformatorgrößen für die Umspannung von Mittel- auf Niederspannung sind 1,0 MVA, 1,6 MVA, 2,0 MVA sowie 2,5 MVA, teilweise auch bis zu 4 MVA. Damit einhergehend treten sehr hohe Kurzschlussströme auf. Teilweise bestehen auch relativ lange Abschaltzeiten.

Abb. A 5-16 Ersatzschaltbild Schaltanlage

Im Weiteren wird der Fall betrachtet, wie ein Schaltfeld (Strahlennetz) freigeschaltet wird, damit z. B. an der unterlagerten Verteilung gearbeitet werden kann.

Hierzu wird zunächst von außen, mittels eines Hebels, der dem Abgang zugeordnete Lasttrennschalter betätigt (Betrachtung a). Danach werden die NH-Sicherungen entfernt (Betrachtung b) und die Spannungsfreiheit festgestellt (Betrachtung c).

Gefährdungsbeurteilung der geplanten Tätigkeit

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja.

• Infolge des Versagens des Schaltorgans, sowie später beim Entfernen der NH-Sicherung an der unter Spannung stehenden Anlage, kann ein Störlichtbogen nicht ausgeschlossen werden.

Phase 2: Erste Bewertung der Störlichtbogenenergie des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Ja.

• Keine der in Kapitel 1 aufgezählten Bedingungen, in denen auf eine PSAgS verzichtet werden kann, ist erfüllt.

Abb. A 5-17 Leistungsstarke Schaltanlage älterer Bauart; eingesetzt in der Industrie

Abb. A 5-18
Geöffnetes Feld

A 7.7.1 Betrachtung a - Öffnen des Lasttrennschalters

Abb. A 5-19
Öffnen des Lastrennschalters bei geschlossener Tür mittels Bedienhebel

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

Die Berechnung in Tabelle A 5-9 zeigt, dass für das Öffnen des Lastrennschalters Schutzkleidung APC 1 ausreichend ist. Bei der Berechnung wird die Schutzwirkung der Tür beim Auftreten eines Lichtbogens nicht berücksichtigt, da diese nicht quantifizierbar ist.

Anmerkung:

Lichtbogenversuche an realen Schaltanlagen habe eine große Schutzwirkung von Türen ergeben. Im Falle eines starken Lichtbogens wird die Tür vorrausichtlich öffnen und die Lichtbogenenergie durch die entstehende Öffnung entweichen (Richtwirkung). Daher ist es sinnvoll, sich so vor der Anlage zu positionieren, dass man sich nicht im Bereich der entstehenden Öffnung befindet (seitliches Stehen). Hierdurch kann ein zusätzlicher Schutz für den Ausführenden erreicht werden. Bei den Versuchen hat sich ebenfalls gezeigt, dass normalerweise die Bänder der Tür halten und die Öffnung im Bereich der Verriegelung entsteht.

Tabelle A 5-9 Ergebnis der Berechnung W_LB und W_LBS für Beispiel 5.7.1 (Öffnen des Lasttrennschalters)

Rechnung		Kenngröße	Resultat (Worst-Case)	Resultat bei genauer Berechnung nach [21]
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	20 mm
Kurzschlussstromberechnung	Max. Kurzschlussstrom	I"k 3,max	36 kA
	Min. Kurzschlussstrom	I"k 3,min	29 kA
	Verhältnis R/X	R/X	0,12
Strombegrenzung		kB	0,5	0,9
Minimaler Fehlerstrom	IkLB = kB · I"k 3,min	IkLB =	14,5 kA	26,1 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,01 s	0,01 s
Kurzschlussleistung		S"k =	24,9 MVA
Bezogene LB-Leistung		kp =	0,42	0,19
Lichtbogenleistung	PLB = kp · S"k	PLB =	10,4 MW	4,7 MW
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = kp · S"k · tk	WLB =	103,7 kJ	47,4 kJ
Arbeitsabstand		a	600 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,9
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	2432 kJ
		WLBS_APC 1 =	1277 kJ

A 7.7.2 Betrachtung b - Entnehmen der NH-Sicherungen

Abb. A 5-20
Entnehmen der NH-Sicherungseinsätze, zusätzlich mobile Trennstege um Potentiale gegeneinander zu isolieren

Phase 3 (Betrachtung b): Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

Das Ergebnis der Berechnung zeigt Tabelle A 5-10.

Phase 4: Weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Lichtbogenenergie und der Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch Störlichtbögen umsetzen

Für die betrachtete Anlage und die Arbeitssituation ist keine geeignete Maßnahme zur Reduzierung der Lichtbogenenergie und der Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch Störlichtbögen möglich. Folglich wird mit Phase 5 weiter verfahren.

Phase 5: Eintrittswahrscheinlichkeit und Verletzungsschwere einer Störlichtbogenverletzung nach Anwendung der getroffenen Maßnahmen abschätzen; Restrisiko bewerten und entscheiden (Risikomatrix)

Abschätzung der Verletzungsschwere

Es wird für dieses Beispiel angenommen, dass die Berechnung (nach Kapitel 4) für die betrachteten Arbeitsbedingungen folgende Ergebnisse liefert:

Aus dem Verhältnis W_LB / W_LBS = 2,1 ergibt sich dann entsprechend Tabelle A 5-11 eine erwartete Verletzungsschwere von "reversible Verletzung".

Tabelle A 5-10 Ergebnis der Berechnung W_LB und W_LBS für Beispiel 5.7.2 (Entnehmen NH-Sicherungseinsätze)

Rechnung		Kenngröße	Resultat (Worst-Case)	Resultat bei genauer Berechnung nach [21]
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	60 mm
Kurzschlussstromberechnung	Max. Kurzschlussstrom	I"k 3,max	36 kA
	Min. Kurzschlussstrom	I"k 3,min	29 kA
	Verhältnis R/X	R/X	0,12
Strombegrenzung		kB	0,5	0,67
Minimaler Fehlerstrom	IkLB = kB · I"k 3,min	IkLB =	14,75 kA	19,4 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,424 s	0,44 s
Kurzschlussleistung		S"k =	24,9 MVA
Bezogene LB-Leistung		kp =	0,42	0,32
Lichtbogenleistung	PLB = kp · S"k	PLB =	10,4 MW	8,0 MW
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = kp · S"k · tk	WLB =	4564 kJ	3512 kJ
Arbeitsabstand		a	500 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,9
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	1689 kJ
		WLBS_APC 1 =	887 kJ

Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit einer Verletzung

Tabelle A 5-11 Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit einer Verletzung für 5.7

Abb. A 5-21
Anwendung der Risikomatrix für Beispiel 5.7

Die Risikobewertung mit Verletzungsschwere W_LB / W_LBS = 2,1 "reversible Verletzung" und Eintrittswahrscheinlichkeit 16 Punkte "denkbar, aber sehr unwahrscheinlich" ergibt in der Risikomatrix (Abb. A.5-21) den grünen Bereich. Die Durchführung der Arbeiten mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 2 auf Basis der getroffenen Bewertungsansätze ist somit zulässig.

A 7.7.3 Betrachtung c - Spannungsfreiheit feststellen

Abb. A 5-22
Feststellen der Spannungsfreiheit

Zum Abschluss der Freischaltung muss nun noch die Spannungsfreiheit festgestellt werden. Hierbei muss im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung in der Phase 1 geprüft werden, ob eine Gefährdung durch Störlichtbogenexposition gegeben ist. Im vorliegenden Fall erfolgt die Prüfung mit einem Spannungsprüfer CAT IV mit verlängerten Spitzen. Diese sind hier nicht zwangsweise erforderlich, in dem Unternehmen für das Schaltpersonal aber Standard, da mit ihnen ein größerer Arbeitsabstand erreicht wird. Die Spitzen haben an ihren Enden nur einen sehr kurzen metallischen Teil, wodurch im vorliegenden Fall keine Überbrückung der potentiell unter Spannung stehender Teile erfolgen kann. Da somit das Entstehen eines Störlichtbogens ausgeschlossen werden kann, könnte das Feststellen der Spannungsfreiheit ohne PSAgS erfolgen. Da im vorherigen Arbeitsschritt (Entnehmen NH-Sicherungen) aber ohnehin PSAgS erforderlich war, wird der kurze Vorgang des Feststellens der Spannungsfreiheit ebenfalls mit dieser ausgeführt.

Da im Arbeitsschritt b - "Entnehmen der NH-Sicherungen" PSAgS APC 2 erforderlich ist, werden letztlich alle drei Arbeitsschritte mit dieser PSAgS durchgeführt. Durch die kurze Zeitdauer der gesamten Arbeiten von 5-10 Minuten ist das Tragen der PSAgS auch ergonomisch unproblematisch.

A 5.8
Beispiel 5.8: Arbeiten an DC-Anlagen (USV)

Arbeiten an einer USV-Anlage

Im Beispiel handelt es sich um Arbeiten an einer USV-Anlage (unterbrechungsfreie Stromversorgung) 200 kVA (Verschiebungsfaktor cos ϕ = 0,9, Wirkungsgrad DC/AC = 0,9) mit einer leistungsstarken Batterie im Zwischenkreis des Wechselrichters. Die Zwischenkreisspannung beträgt 400 V (siehe Abb. A 5-23).

Abb. A 5-23
Prinzipschaltbild der USV-Anlage mit den Arbeitsorten 1 und 2 (Fehlerorte)

Aus der Ausgangsleistung des Wechselrichters, einer Entladeschlussspannung von 350 V und der vorgegebenen Entladezeit (Überbrückungszeit) von 15 min ergibt sich der Batterieentladestrom (maximaler Betriebsstrom) von 571 A. Für den Schutz der Batterie ist ein Sicherungslasttrennschalter mit DC-Batteriesicherung NH gR Bat 500 A (500 V, Baugröße NH3) vorgesehen.

Die Batterie besteht aus einer Reihenschaltung von 100 Batteriezellen 4 V. Der Hersteller gibt im Datenblatt dafür einen Innenwiderstand von 97,9 mΩ (0,98 mΩ/Zelle) an, woraus sich ein prospektiver Kurzschlussstrom von I_kDC = 4,086 kA ergibt.

Gefährdungsbeurteilung der geplanten Tätigkeit

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja.

• Bei Arbeiten am Wechselrichte oder im Bereich der Batterien kann ein Störlichtbogen nicht ausgeschlossen werden.

Phase 2: Erste Bewertung der Störlichtbogenenergie des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Ja.

• Keine der in Kapitel 1 aufgezählten Bedingungen, in denen auf eine PSAgS verzichtet werden kann, ist erfüllt.

A 5.8.1
Arbeiten im Batteriebereich und direkt an den Batteriezellen (Arbeitsort 1)

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

Bei Arbeiten im Batteriebereich und direkt an den Batteriezellen ist bei Einleitung eines Lichtbogenkurzschlusses am Fehlerort von einem Leiterabstand von d = 30 mm auszugehen, woraus sich ein Strombegrenzungsfaktor von k_B = 0,677 und ein tatsächlicher Fehlerstrom (Lichtbogenkurzschlussstrom) I_kLB = 2,76 kA ergibt. Da der Arbeitsort nicht im Schutzbereich der Sicherung NH gR Bat liegt, ist vom ungünstigsten Fall der Einwirkzeit von t_k = 1 s auszugehen (maximale Einwirkzeit bzw. Zeitdauer, in der sich die Person aus dem unmittelbaren Gefahrenbereich zurückziehen kann).

Aus der Iterationsrechnung ergibt sich für die Lichtbogenleistung P_LB = 358 kW, was einer bezogenen Lichtbogenleistung von k_P = 0,219 entspricht. Mit der Kurzschlussdauer von t_k = 1000 ms resultiert daraus ein Erwartungswert für die am Arbeitsort (Fehlerort) umgesetzte Lichtbogenleistung von W_LB = 358 kJ.

Rechnet man die Lichtbogenleistung aus der Worst-Case-Abschätzung (ohne Berücksichtigung eines Elektrodenabstandes) über die Beziehung P_LB = 0,25 P_K mit den Netzkenngrößen Netzspannung und prospektiver Kurzschlussstrom und der Kurzschlussleistung P_K = U_N · I_kDC aus, so folgt P_{LB max} = 0,25 · 1,634 MVA = 0,408 MW. Für den Erwartungswert der Lichtbogenenergie ergibt sich dann W_{LB max} = 408,5 kJ.

Der Schutzpegel der PSAgS wird aus den Prüfpegeln der Lichtbogenenergie unter Berücksichtigung der Transmissionsverhältnisse und des Arbeitsabstandes a ermittelt. Geht man hier entsprechend des Anlagenvolumens von Bedingungen aus, bei denen hauptsächlich eine Rückwandwirkung besteht, was einem Transmissionsfaktor von k_T = 1,5 entspricht, und einem Abstand von a = 300 mm aus, so ergeben sich die Schutzpegel der PSAgS W_LBS aus den Prüfpegeln W_LBP gemäß W_LBS = k_T · (a / 300 mm)² · W_LBP . Für Störlichtbogenschutzklasse APC 1 gilt W_{LBS_APC 1} = 252 kJ und für Störlichtbogenschutzklasse APC 2 W_{LBS_APC 2} = 480 kJ. Für die Arbeiten sind folglich PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 2 notwendig.

Die Berechnungen sind in der Übersicht Tabelle A 5-12 in Form der Arbeitsschritte dargestellt.

Tabelle A 5-12 Zusammenfassung für das Beispiel Arbeiten an USV-Anlage Arbeitsort 1

Rechnung		Kenngröße	Resultat
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	30 mm
Kurzschlussstromberechnung	Dauerkurzschlussstrom	IkDC	4,0 kA
	Zeitkonstante τ	τ	0,002 s
Strombegrenzung		kB	0,677
Lichtbogenstrom (Fehlerstrom)		IkLB =	2,76 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	1,000 s
Kurzschlussleistung	Pk = UNn · IkDC	Pk =	1,6 MW
Lichtbogenleistung	PLB = ULB · IkLB	PLB =	0,36 MW
Bezogene LB-Leistung	kp = PLB / Pk	kp =	0,219
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = PLB · tk	WLB =	357,46 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,5
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	480 kJ
		WLBS_APC 1 =	252 kJ

A 5.8.2
Arbeiten im Bereich des Wechselrichters (DC-Zwischenkreis, Arbeitsort 2)

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

Am Fehlerort ist von einem Leiterabstand von d = 20 mm auszugehen, woraus sich ein Strombegrenzungsfaktor von k_B = 0,710 und ein tatsächlicher Fehlerstrom (Lichtbogen-kurzschlussstrom) I_kLB = 2,9 kA ergibt. Da der Fehler im Schutzbereich der Sicherung entsteht, wird er durch die Sicherung ausgeschaltet. Ausgehend vom Datenblatt des Herstellers ergibt sich für die Sicherung NH gR Bat 500 A für den Fehlerstrom von 2,9 kA eine Ausschaltzeit von t_k = 210 ms aus (siehe Abb. A 5-24).

Aus der Iterationsrechnung ergibt sich für die Lichtbogenleistung P_LB = 337 kW, was einer bezogenen Lichtbogenleistung von k_P = 0,206 entspricht. Mit der Kurzschlussdauer von t_k = 210 ms resultiert daraus ein Erwartungswert für die am Arbeitsort (Fehlerort) umgesetzte Lichtbogenleistung von W_LB = 70,7 kJ.

Rechnet man die Lichtbogenleistung aus der Worst-Case-Abschätzung (ohne Berücksichtigung eines Elektrodenabstandes) über die Beziehung P_LB = 0,25 P_k mit den Netzkenngrößen Netzspannung und prospektiver Kurzschlussstrom und der Kurzschlussleistung P_K = U_N · I_kDC aus, so folgt P_{LB max} = 0,25 · 1,634 MVA = 408,5 kW. Für den Erwartungswert der Lichtbogenenergie ergibt sich dann W_{LB max} = 85,8 kJ.

Abb. A 5-24
Mittlere Zeit-Strom-Kennlinien der betrachteten Sicherungen NH gR Bat

Der Schutzpegel der PSAgS wird aus den Prüfpegeln der Lichtbogenenergie unter Berücksichtigung der Transmissionsverhältnisse und des Arbeitsabstandes a ermittelt. Geht man hier von den Standardbedingungen eines kleinräumigen Anlagenvolumens (mit Seiten- und Rückwänden), was einem Transmissionsfaktor von k_T = 1,0 entspricht, und einem Abstand von a = 300 mm aus, so ist der Schutzpegel W_LBS mit dem Prüfpegel W_LBP identisch. Der Schutzpegel beträgt unter diesen Bedingungen für PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 W_LBP = 168 kJ, so dass Arbeiten am betrachteten Arbeitsort mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 ausgeführt werden können.

Im Falle abweichender Anlagenbedingungen würden sich größere Werte für den Transmissionsfaktor und für den Arbeitsabstand ergeben, sodass der Schutzpegel gemäß W_LBS = k_T · (a / 300 mm)² · W_LBP ebenfalls höhere Pegel besitzt. Die Arbeiten sind folglich auch für diese Verhältnisse mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 möglich.

Die Berechnungen sind in der Übersicht Tabelle 5-13 in Form der Arbeitsschritte dargestellt.

Tabelle A 5-13 Zusammenfassung für das Beispiel Arbeiten an USV-Anlage Arbeitsort 2

Rechnung		Kenngröße	Resultat
Netzparameter	Nennspannung	UNn	400 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	20 mm
Kurzschlussstromberechnung	Dauerkurzschlussstrom	IkDC	4,09 kA
	Zeitkonstante τ	τ	0,002 s
Strombegrenzung		kB	0,71
Lichtbogenstrom (Fehlerstrom)		IkLB =	2,90 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,210 s
Kurzschlussleistung	Pk = UNn · IkDC	Pk =	1,6 MW
Lichtbogenleistung	PLB = ULB · IkLB	PLB =	0,34 MW
Bezogene LB-Leistung	kp = PLB / Pk	kp =	0,206
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = PLB · tk	WLB =	70,72 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,0
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	320 kJ
		WLBS_APC 1 =	168 kJ

A 5.9
Beispiel 5.9: Arbeiten an DC-Anlagen (Bahnnetz)

Arbeiten in einem Gleichrichter-Unterwerk im Abgang nach dem Speise-Leistungsschalter

In dem DC-Versorgungssystem wird jeder Fahrleitungsabschnitt aus einer Parallelschaltung versorgt (siehe Abb. A 5-25). Es sind Arbeiten im Abgang in einem Unterwerk A vorgesehen. Das Unterwerk wird demnach zweiseitig gespeist: über die Speiseleitung SL A sowie mit der Leitung SL B über das Unterwerk B und die Fahrleitung FL.

Abb. A 5-25
Ersatzschaltbild Arbeitsort DC-Bahnstromversorgung

Gefährdungsbeurteilung der geplanten Tätigkeit

Phase 1: Besteht prinzipiell die Gefahr der Störlichtbogenexposition von Personen?

• Ja.

• Bei Arbeiten Bereich der Unterwerke A oder B kann ein Störlichtbogen nicht ausgeschlossen werden.

Phase 2: Erste Bewertung der Störlichtbogenenergie des Tätigkeits- bzw. Arbeitsplatzbereichs. Ist eine Berechnung erforderlich?

• Ja.

• Keine der in Kapitel 1 aufgezählten Bedingungen, in denen auf eine PSAgS verzichtet werden kann, ist erfüllt.

Phase 3: Berechnungsverfahren anwenden: W_LB, W_LBSermitteln!

Betrachtet wird das arbeitsbedingte Einleiten eines Kurzschlusses im Abgangsbereich des UW A hinter dem Speiseschalter LS A. Bei beidseitiger Einspeisung entsteht ein Fehlerstromkreis, der über die Parallelschaltung des Zweiges mit Speiseleitung SL A und Leistungsschalter LS A und des Zweiges mit Speiseleitung SL B, Unterwerk B mit Leistungsschalter LS B, die Fahrleitung FL, die Fehlerstelle im UW A und die Parallelschaltung des Zweiges aus Rückleitung RL A des UW A und des Zweiges mit Rückleitung RL B des UW B und der Bahnschiene S führt.

Für Arbeiten im Unterwerk wird zunächst ein geeigneter Schaltzustand hergestellt, indem eine einseitige Einspeisung gewählt wird. In den Parallelschaltungen besitzen die Zweige mit Speiseleitung SL A und mit Rückleitung RL A des UW A jeweils den geringeren Widerstand. Vor Beginn der Arbeiten wird deshalb der Speiseschalter im UW A ausgeschaltet. Die Höhe des Stroms bei Kurzschluss wird damit herabgesetzt, so dass im Fehlerfall eine geringere Leistung und Energie in einem Störlichtbogen umgesetzt werden.

Die Speisung der Fehlerstelle am Arbeitsort wird dann bei Entstehen eines Kurzschlusses nur noch über das UW B vorgenommen (Kurzschlussstromkreis über Speiseleitung SL B, geschlossenen Leistungsschalter LS B und Fahrleitung FL, Fehlerort, Schiene S und Rückleitung RL B. Die Ausschaltung des Fehlers erfolgt durch den Leistungsschalter LS B im Unterwerk UW B.

Für den genannten Arbeits- bzw. Fehlerort ist ein prospektiver Kurzschlussstrom von I_kDC = 6,54 kA bei einer Netzspannung von 807 V ermittelt worden, was auch durch einen durchgeführten Kurzschlussversuch messtechnisch bestätigt wurde. Am Fehlerort ist von einem Leiterabstand von d = 30 mm auszugehen, woraus sich ein Strombegrenzungsfaktor von k_B = 0,826 und ein tatsächlicher Fehlerstrom (Lichtbogenkurzschlussstrom) I_kLB = 5,4 kA ergibt. Der Leistungsschalter LS B im UW B (Einstellung statischer Auslöser 5 kA) schaltet den Fehlerstromkreis in der Kurzschlussdauer t_k = 100 ms aus (bei einem di/dt-Schutz schaltet der Leistungsschalter im Allgemeinen noch schneller aus).

Aus der Iterationsrechnung ergibt sich für die Lichtbogenleistung P_LB = 760 kW, was einer bezogenen Lichtbogenleistung von k_P = 0,143 entspricht. Mit der Kurzschlussdauer von t_k = 100 ms resultiert daraus ein Erwartungswert für die am Arbeitsort (Fehlerort) umgesetzte Lichtbogenenergie von W_LB = 75,7 kJ.

Rechnet man die Lichtbogenleistung aus der Worst-Case-Abschätzung (ohne Berücksichtigung eines Elektrodenabstandes) über die Beziehung P_LB = 0,25 P_K mit den Netzkenngrößen Netzspannung und prospektiver Kurzschlussstrom und der Kurzschlussleistung P_K = U_N · I_kDC aus, so folgt P_{LB max} = 0,25 · 5,3 MVA = 1,325 MW. Für den Erwartungswert der Lichtbogenenergie ergibt sich dann W_{LB max} = 133 kJ.

Der Schutzpegel der PSAgS wird aus den Prüfpegeln der Lichtbogenenergie unter Berücksichtigung der Transmissionsverhältnisse und des Arbeitsabstandes a ermittelt. Geht man hier von den Standardbedingungen eines kleinräumigen Anlagenvolumens (mit Seiten- und Rückwänden), was einem Transmissionsfaktor von k_T = 1,0 entspricht, und einem Abstand von a = 300 mm aus, so ist der Schutzpegel W_LBS mit dem Prüfpegel W_LBP identisch. Der Schutzpegel beträgt unter diesen Bedingungen für PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 W_LBP = 168 kJ, so dass Arbeiten am betrachteten Arbeitsort mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 ausgeführt werden können.

Im Falle abweichender Anlagenbedingungen würden sich größere Werte für den Transmissionsfaktor und für den Arbeitsabstand ergeben, sodass der Schutzpegel gemäß W_LBS = k_T · (a / 300 mm)² · W_LBP ebenfalls höhere Pegel besitzt. Die Arbeiten sind folglich auch für diese Verhältnisse mit PSAgS der Störlichtbogenschutzklasse APC 1 möglich.

Die Berechnungen sind in der Übersicht Tabelle A 5-14 in Form der Arbeitsschritte dargestellt.

Tabelle A 5-14 Zusammenfassung für das Beispiel Arbeiten im Abgangsbereich eines GR-Unterwerkes der Bahnstromversorgung

Rechnung		Kenngröße	Resultat
Netzparameter	Nennspannung	UNn	807 V
Anlagengeometrie	Leiterabstand	d	30 mm
Kurzschlussstromberechnung	Dauerkurzschlussstrom	IkDC	6,54 kA
	Zeitkonstante τ	τ	0,030 s
Strombegrenzung		kB	0,826
Lichtbogenstrom (Fehlerstrom)		IkLB =	5,40 kA
Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (Einstellwert des Leistungsschalters / Abschaltzeit aus der Sicherungskennlinie)		tk	0,100 s
Kurzschlussleistung	Pk = UNn · IkDC	Pk =	5,3 MW
Lichtbogenleistung	PLB = ULB · IkLB	PLB =	0,76 MW
Bezogene LB-Leistung	kp = PLB / Pk	kp =	0,143
Lichtbogenenergie (Erwartung)	WLB = PLB · tk	WLB =	75,71 kJ
Arbeitsabstand		a	300 mm
PSA Normprüfpegel		WLBP_APC 2 =	320 kJ
		WLBP_APC 1 =	168 kJ
Transmissionsfaktor		kT	1,0
Schutzpegel der PSAgS am Lichtbogenort		WLBS_APC 2 =	320 kJ
		WLBS_APC 1 =	168 kJ