DGUV Information 203-077 - Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen Hilfe bei ...

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Anhang 3, Kenngrößen und Risikoanalyse der thermischen Licht...
Anhang 3
Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen Hilfe bei der Auswahl der persönlichen Schutzausrüstung (bisher: BGI/GUV-I 5188)

Anhangteil

Titel: Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen Hilfe bei der Auswahl der persönlichen Schutzausrüstung (bisher: BGI/GUV-I 5188)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: DGUV Information 203-077
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Satzung

Anhang 3 – Kenngrößen und Risikoanalyse der thermischen Lichtbogengefährdung von Personen

A 3.1 Energetische Kenngrößen der thermischen Lichtbogengefährdung von Personen

Die elektrische Energie, die in einen Störlichtbogen eingespeist wird, wird dort nahezu vollständig umgewandelt und in unterschiedlichen Formen abgegeben bzw. wieder freigesetzt. Die Auswirkungen von Störlichtbögen werden deshalb primär von der elektrischen Lichtbogenenergie W LB bestimmt. Die elektrische Lichtbogenenergie kennzeichnet die Verhältnisse bei einem Lichtbogenkurzschluss in einer Anlage eindeutig. Für unterschiedliche Netz- und Anlagenbedingungen ergeben sich verschiedene Lichtbogenenergien.

Die für eine Person infolge thermischer Wirkungen maßgebliche Expositions- bzw. Gefährdungsgröße ist die Energiedichte, die an der exponierten Oberfläche der Haut auftritt. Das ist die Einwirkenergie E i, die bei unmittelbarerthermischer Lichtbogeneinwirkung als direkte Einwirkenergie E i0 vorliegt. Trägt die Person eine PSA, dann ist die Einwirkenergie als Durchgangsenergie E it zu betrachten. In der Prüfung von PSA wird festgestellt, ob die Durchgangsenergie die Grenze für das Einsetzen von Hautverbrennungen 2. Grades übersteigt. Die erfolgreiche Prüfung erbringt damit den Nachweis, dass diese PSAgS bis zu dem Niveau der direkten Einwirkenergie, das in dieser Prüfung eingestellt ist, lichtbogenbeständig ist und schützt.

Zwischen der elektrischen Lichtbogenenergie und der direkten Einwirkenergie gibt es einen komplexen nichtlinearen Zusammenhang, der durch die konkreten Transmissions- und Expositionsverhältnisse einschließlich der Anlagenkonfiguration und des Wirkabstandes zwischen dem Lichtbogen und der Person (Übertragungsverhältnisse) bestimmt wird. Die Transmissions- und Expositionsbedingungen für die thermischen Wirkungen können sehr vielfältig sein. Eine Gefährdungsbeurteilung muss alle diesbezüglichen Fälle einschließen bzw. abdecken und erfordert eine "worst-case"-Betrachtung.

Für den Box-Test von PSA (Schutztextilien und -kleidung) nach DIN VDE 0682-306-1-2 ("Arbeiten unter Spannung - Schutzkleidung gegen thermische Gefahren eines elektrischen Lichtbogens - Teil 1-2: Prüfverfahren - Verfahren 2: Bestimmung der Lichtbogen-Schutzklasse des Materials und der Kleidung unter Verwendung eines gerichteten Prüflichtbogens (Box-Test)") ist der Zusammenhang zwischen elektrischer Lichtbogenenergie und direkter Einwirkenergie für die beiden Schutzklassen bekannt. Sie sind die Kontrollgrößen für die Prüfeinstellung und charakterisieren die Übertragungsverhältnisse des Prüfaufbaus.

Beim Box-Test bestehen insbesondere infolge der durch den kleinräumigen Boxaufbau realisierten Lichtbogen-Richtwirkung (Gasströmung), die Strahlungseinwirkung (einschließlich Reflexionen) und durch die Elektrodenmaterialauswirkungen "worst-case"-Übertragungsbedingungen. Vergleichende Untersuchungen zu anderen Anordnungen zeigen, dass sich bei gleicher eingespeister elektrischer Lichtbogenenergie im Box-Test-Aufbau die höchsten thermischen Einwirkenergien ergeben.

A 3.2 Verfahren der Risikoanalyse

In der Risikoanalyse ist deshalb die elektrische Lichtbogenenergie WLB, die im Anwendungsbereich zu erwarten ist, zu bestimmen. Es wird der maximale Wert der zu erwartenden elektrischen Lichtbogenenergie, gemessen in kJ, ermittelt. Auf dieser Basis ist dann nachzuweisen, dass die maximal auftretenden Beanspruchungen (thermischen Wirkungen) das Schutz- und Festigkeitsniveau der PSAgS nicht übersteigen. Die diesbezügliche Kenngröße ist die Lichtbogenenergie der Prüfklasse des Boxtests. Das Niveau der äquivalenten Lichtbogenenergie der PSA-Prüfung muss diesen Pegel abdecken. Im Anwendungsfall vorliegende Abweichungen von den Abstands-, Geometrie- und Transmissionsverhältnissen der Prüfung können in der Bestimmung der äquivalenten Lichtbogenenergie WLBä berücksichtigt werden.

Ausgehend von der äquivalenten Lichtbogenenergie ist bei der Wahl der Prüf- oder Schutzklasse der PSAgS die Relation zum Erwartungswert für die elektrische Lichtbogenenergie zu betrachten. Die thermischen Gefahren eines Störlichtbogens sind abgedeckt, wenn

W LBW LBä

gilt.

Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die Prüfströme der Prüfklassen des Boxtests nicht den Einsatzgrenzen der PSAgS im Hinblick auf das Kurzschlussstromniveau entsprechen!

Die Risikoanalyse umfasst folgende Arbeitsschritte:

  • Bestimmung des Erwartungswertes der elektrischen Lichtbogenenergie,

  • Betrachtung des Lichtbogenschutzpegels der PSAgS,

  • Berücksichtigung abweichender Expositionsbedingungen.

Innerhalb der Arbeitsschritte sind für den zu analysierenden Arbeitsplatz bzw. -bereich zu bestimmen:

  • Die Nennspannung bzw. Vereinbarungsspannung des Netzes.

  • Der prospektive (metallische) Kurzschlussstrom.

  • Das R/X-Verhältnis der Netz- bzw. Kurzschlussstromkreisimpedanz.

  • Die Anlagengeometrie (Elektrodenabstände und Volumenverhältnisse an möglichen Fehlerorten).

  • Die Arbeitsabstände (mögliche Entstehungs- und Brennorte für Störlichtbögen, minimale Wirkabstände zu Lichtbögen).

  • Art, Typ, Einstellung und Charakteristika der Schutzeinrichtung(en) (dem Arbeitsbereich vorgeordnete Leistungsschalter, Sicherungen oder andere spezielle Schutzeinrichtungen).

  • Die Schutzpegel der Prüfklassen der PSAgS.

ANMERKUNG:

Es soll darauf hingewiesen werden, dass verschiedene Schaltzustände des Verteilungsnetzes bzw. speisenden Energieversorgungssystems zu unterschiedlichen Kurzschlussleistungen und Energiewerten führen können. Es kann deshalb erforderlich sein, für eine Anlage mehrere solcher Fälle zu analysieren.

Die Analyse des Energieversorgungssystems muss für alle Arbeitsbereiche, d. h. im Allgemeinen vom Einspeisepunkt des betreffenden Netzes bis in den Abnehmerbereich, erfolgen.

A 3.3 Arbeitsschritte

A.3.3.3 Erfassung der allgemeinen Betriebsbedingungen

Ausgangspunkt ist die Betrachtung der allgemeinen Betriebsbedingungen. Zuerst ist eine Liste der Netzspannungsebenen, Anlagenarten und Anlagenorte im Netz sowie der Arbeitsaufgaben aufzustellen.

ANMERKUNG:

Dabei ist zu beachten, dass sich für unterschiedliche Schaltzustände des Netzes und des vorgeordneten Versorgungssystems verschiedene prospektive Kurzschlussströme ergeben. Der Kurzschlussstrom ist am höchsten, wenn der Netzknotenpunkt (die Sammelschiene einer Schaltanlage oder eines Verteilers) durch mehrere Einspeisungen oder Transformatoren gespeist wird. Für die gleiche Anlage müssen die unterschiedlichen Werte des Kurzschlussstroms bei verschiedenen Schaltzuständen dennoch berücksichtigt werden, da die Lichtbogenenergie bei dem kleineren Kurzschlussstrom infolge der längeren Ausschaltzeit der Schutzeinrichtung durchaus größer als für den höheren Strom sein kann.

Hinsichtlich der Arbeitsaktivitäten (elektrotechnische Arbeiten) spielen alle Tätigkeiten eine Rolle, die an offenen elektrischen Anlagen ausgeführt werden oder bei denen die Anlagen geöffnet werden (Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile, Arbeiten unter Spannung).

ANMERKUNG:

Im Falle typgeprüfter Schaltanlagen, für die der prüftechnische Nachweis der Lichtbogenfestigkeit vorliegt (MS: Lichtbogenprüfung nach VDE 0671-200, NS: Lichtbogenprüfung Kriterium 1-5 nach EN 60439-1 Beiblatt 2) kann beim Bedienen und Arbeiten an einer geschlossenen Anlage immer ein Personenschutz vorausgesetzt werden; sie brauchen nicht in die weitere Analyse einbezogen werden. Bei nichtgeprüften Anlagen kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Anlagen im Falle eines inneren Lichtbogenfehlers geschlossen bleiben und/oder dass keine unzulässigen Lichtbogenwirkungen außerhalb der Anlage auftreten (z. B. durch austretende heiße Gase, berstende Teile etc.); hier muss eine Behandlung wie im Falle geöffneter Anlagen erfolgen.

A.3.3.4 Berechnung der Kurzschlussströme an den betrachteten Arbeitsplätzen

Voraussetzung für die Risikoanalyse und Auswahl der PSAgS ist die Kenntnis der prospektiven Kurzschlussströme bzw. Kurzschlussleistungen in den Anlagen (bzw. Netzknotenpunkten), die als Arbeitsorte in Frage kommen.

ANMERKUNG:

In der Regel ist die Risikoanalyse für verschiedene Arbeitsplätze in einem Netz oder Versorgungssystem vorzunehmen. Oft ist es in größeren Systemen zweckmäßig, struktur- und parametergleiche oder ähnliche elektrische Grundkonfigurationen (Schaltungen) zu bilden und zu betrachten.

Die Kurzschlussstromberechnung ist nach Standardverfahren (VDE 0102 Kurzschlussströme in Drehstromnetzen - Teil 0: Berechnung der Ströme) durchzuführen. Dafür steht in der Regel Berechnungssoftware zur Verfügung. Für jeden Arbeitsplatz/Anlagenbereich sind die maximalen und minimalen prospektiven dreipoligen Anfangskurzschlusswechselströme

I" k3max

und

I" k3min

für die möglichen/relevanten Schaltzustände des Netzes zu bestimmen. Diese Ströme werden standardgemäß für metallischen, d. h. impedanzlosen Kurzschluss (Fehlerstellenimpedanz ist Null) ermittelt.

Angaben zum Kurzschlussstrom bzw. der Kurzschlussleistung können auch durch den Versorgungsnetzbetreiber zur Verfügung gestellt werden. Wichtig ist, dass die Kurzschlussströme für den Fehlerort gelten, der dem betrachteten Arbeitsort entspricht.

ANMERKUNG:

Sollte für Niederspannungsnetze vom Versorgungsnetzbetreiber nur der Kurzschlussstrom (bzw. die Kurzschlussleistung) am speisenden Abspanntransformator bereitgestellt werden, dann muss der Kurzschlussstrom für Arbeitsorte (Fehlerorte), die entfernt vom Transformator im Niederspannungsnetz liegen, eine Berechnung auf der Grundlage der technischen Daten des Einspeisetransformators von MS auf NS und unter Berücksichtigung der verwendeten NS-Kabeltypen und -längen erfolgen. Es sollte ggf. eine Mehrfachspeisung des Fehlerortes beachtet werden.

Im Falle eines realen Kurzschlusses (mit Störlichtbogen) fließt infolge der Störlichtbögen (Fehlerstellenimpedanzen) ein reduzierter Strom, der Lichtbogenkurzschlussstrom oder Fehlerstrom bei Lichtbogenkurzschluss. Steht Software zur Verfügung, die auch die Bestimmung des Kurzschlussstroms bei Lichtbogenkurzschluss IkLB vornimmt, so ist dieser Strom ebenfalls für die relevanten Schaltzustände zu ermitteln.

Der Lichtbogenkurzschlussstrom lässt sich ausgehend von I" k3min auch mit Hilfe eines Strombegrenzungsfaktors kB berechnen5. Es gilt

I kLB = k B I" k3min

Der Faktor kB wird auf der Grundlage der Lichtbogenspannung UB in Abhängigkeit von der Nennspannung des Netzes, dem R/X-Verhältnis der Impedanz des Kurzschlussstromkreises und des Elektrodenabstandes d (Abstand benachbarter Leiter in der elektrischen Anlage) ermittelt5.

ANMERKUNG:

Die Reduzierung bzw. Begrenzung des Fehlerstroms infolge der Störlichtbögen an der Fehlerstelle spielt praktisch nur in NS-Systemen eine Rolle. Für MS- oder HS-Netze kann die Strombegrenzung praktisch vernachlässigt werden (k B = 1).

A.3.3.5 Bestimmung der Kurzschlussdauer (Lichtbogendauer)

Die Lichtbogen- bzw. Kurzschlussdauer tk ist eine wesentliche Größe, die für die Risikoanalyse benötigt wird. Sie wird durch die Schutzeinrichtungen bestimmt und kann im Allgemeinen aus Selektivitätsberechnungen und/oder den Ausschalt-Kennlinien (Strom-Zeit-Kennlinien) der Hersteller der Schutzeinrichtungen entnommen werden.

Es ist zu beachten, dass die Ausschaltzeit bei Strom-Zeitabhängigen Schutzeinrichtungen von der Höhe des tatsächlichen Kurzschlussstroms und damit von der Strombegrenzung durch die Störlichtbögen selbst beeinflusst wird. Im NS-Bereich entspricht der tatsächliche Kurzschlussstrom nicht dem prospektiven Kurzschlussstrom, sondern dem Lichtbogenkurzschlussstrom IkLB, und kann deutlich begrenzt sein. Der tatsächliche Kurzschlussstrom IkLB lässt sich unter Berücksichtigung einer Reihe von Einflussgrößen nur näherungsweise5 und mit gewissen Unsicherheiten bestimmen (siehe A.3.3.4).

Man liegt im Allgemeinen im sicheren Bereich, wenn man von einer Strombegrenzung von 50 % ausgeht und mit diesem reduzierten Strom die Ausschaltzeit aus der Schutzkennlinie bestimmt.

Der Strombegrenzungsfaktor beträgt dann kB = 0,5; es folgt

I kLB = 0,5 I" k3pmin

Bei Angabe von Streubereichen für die Strom-Zeit-Kennlinie einer Schutzeinrichtung (z. B. Sicherung) ist der Wert der oberen Bereichsgrenze für die Kurzschlussdauer anzusetzen.

ANMERKUNG:

Als Schutzeinrichtung ist jeweils die dem Arbeitsbereich vorgeordnete Einrichtung anzusehen oder auch eine gesonderte Schutzeinrichtung, die speziell im Zusammenhang mit den Arbeiten installiert oder aktiviert wird. Bei Mehrfachspeisung der Fehlerstelle ist die Schutzeinrichtung mit der längsten Ausschaltzeit zur Bestimmung der Kurzschlussdauer zugrunde zu legen.

ANMERKUNG:

Bei Nutzung von Softwaretools (Selektivitätsberechnungen) ist darauf zu zu achten, dass die Berechnung auf der Grundlage des begrenzten Lichtbogenkurzschlussstroms I kLB erfolgt.

Hinsichtlich der Schutzeinrichtungen sind Schutzbereiche und Selektivitätsstufungen zu beachten. Bei nicht strombegrenzenden Sicherungen und Leistungsschaltern mit Direktauslöser kann die Kurzschlussdauer direkt aus der Strom-Zeit-Kennlinie bzw. dem Staffelplan entnommen werden. Bei Leistungsschaltern ist dabei gegebenenfalls die Einstellung von Zeitverzögerungsstufen oder Staffelzeiten zu beachten. Für die Ausschaltzeit von Leistungsschaltern ohne Zeitverzögerung können folgende Richtwerte als typisch angesehen werden:

LeistungsschalterUnverzögerte Ausschaltzeit
NS (< 1000 V)60 ms
MS (1...35 kV)100 ms
HS (> 35 kV)150 ms

Tabelle 9 Typische Ausschaltzeiten von Leistungsschaltern

Herstellerinformationen können diesbezüglich genauere Daten liefern.

Bei strombegrenzend wirkenden Sicherungen liegt die Kurzschlussdauer unter 10 ms. Die Strom-Zeit-Kennlinien der Sicherungen weisen die virtuelle Schmelzzeit aus, so dass die tatsächliche Ausschaltzeit damit nicht übereinstimmen muss. Bei Sicherungen im Strombegrenzungsfall sollte aus Sicherheitsgründen eine Kurzschlussdauer von tk = 10 ms angesetzt werden. Dieser Wert liegt auf der sicheren Seite.

ANMERKUNG:

Bei Kurzschlussdauern über 1 s kann ggfs. davon ausgegangen werden, dass die Person sich aus dem unmittelbaren Gefahrenbereich zurückziehen kann und deshalb längere Zeiten nicht berücksichtigt werden müssen. Dies gilt nicht, wenn das Arbeitsumfeld ein Entfernen der Person verhindert oder einschränkt (z. B. Arbeiten in engen Kabelgräben oder -kanälen, schmalen Arbeitsgängen, Arbeiten auf Leitern oder Hebeeinrichtungen).

A.3.3.6 Bestimmung des Erwartungswertes der elektrischen Lichtbogenenergie

Es ist die maximal zu erwartende elektrische Lichtbogenenergie für den betreffenden Fehlerort bzw. den betrachteten Anwendungsbereich zu ermitteln.

Die elektrische Lichtbogenenergie hängt von den Netzbedingungen ab, d. h. von der Kurzschlussleistung S" k des Netzes an den in Frage kommenden Fehlerorten und der Kurzschlussdauer tk, die durch die elektrischen Schutzeinrichtungen (Ausschaltzeiten der Leistungsschalter und Sicherungen, ggfs. von gesonderten Schutzeinrichtungen) bestimmt wird und aus den Schutzkennlinien zu ermitteln ist:

W LB = P LB t LB = k P S" k t k
 = k P (Wurzel)3 U Nn I" k3max

Die Kurzschlussleistung des Netzes am Fehlerort ergibt sich aus der Nennspannung bzw. Vereinbarungsspannung des Netzes Un und dem maximalen prospektiven dreipoligen Kurzschlussstrom I" k3max für die relevanten Netzschaltzustände.

ANMERKUNG:

Bei Mehrfachspeisung der Fehlerstelle setzt sich der Kurzschlussstrom I" k3max aus den entsprechenden Teilströmen zusammen. Gegebenenfalls sind Kurzschlussstromanteile von Motoren, die auf die Fehlerstelle rückspeisen können, zu beachten.

Bei Fehlerorten in Schaltanlagen und Verteilungen sind im Allgemeinen die Leitungsimpedanzen zwischen Speisequelle (meist Transformator) und Anlage zu berücksichtigen.

Die Lichtbogenenergie ist außerdem von den Anlagenbedingungen abhängig, die durch einen Faktor kp charakterisiert werden, der die Art der Lichtbogenausbildung und die Elektrodengeometrie am Fehlerort berücksichtigt. Dieser Faktor lässt sich mit Hilfe der Lichtbogenspannung näherungsweise ermitteln5. Für Lichtbogenspannungen gibt es empirische Bestimmungsgleichungen, die - neben den elektrischen Stromkreisparametern - die Kenntnis der Leiterabstände der Anlagen erfordert. Man kann dann von der Bestimmung der 50-%-Lichtbogenspannungswerte ausgehen.

Für eine sehr grobe Abschätzung ohne Berücksichtigung der Anlagengeometrie können auch die theoretischen Maxima der Größe k p benutzt werden, die sich nach der Gleichung

k Pmax =0,29
__________
(R/X)0,17
 

bestimmen lassen. R ist dabei der Wirkanteil, X der Blindanteil der Impedanz des Kurzschlussstromkreises5.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass für die praktisch üblichen Anlagenkonfigurationen die nachfolgend angegebenen k P-Wertebereiche typisch sind und als Richtwerte angewendet werden können:

U n d R/X k P
400 V30 mm0,20,229
0,50,215
1,00,199
> = 2,00,181
45 mm0,20,289
0,50,263
1,00,240
> = 2,00,222
60 mm0,20,338
0,50,299
1,00,270
> = 2,00,253
10 ... 20 kV120 ... 2400,10,04 ... 0,08

Tabelle 10 Richtwerte für bezogene Lichtbogenleistung

ANMERKUNG:

Bei Anwendung der Maximalwerte oder der Richtwerte umgeht man die Ermittlung der Geometrieverhältnisse auf Kosten der Genauigkeit. Gerade bei der Anwendung der Maximalwerte entsteht u. U. ein deutlicher Sicherheitsabstand.

A.3.3.7 Bestimmung des Arbeitsabstandes

Der Arbeitsabstand a ist der Abstand zwischen dem Störlichtbogen und dem Körper der Person (Oberkörper), der bei Arbeitshandlungen im betrachteten Arbeitsumfeld wirksam wird oder auch einzuhalten ist. Bei unterschiedlichen Handlungen in einem Arbeitsumfeld ist der geringste entstehende Abstand anzusetzen. Für die Fehlerstelle (Ort eines Störlichtbogens) ist die Anordnung der potentiellen Elektroden des Lichtbogens in der Anlage (Leiteranordnung) maßgebend.

Als Arbeitsumfeld und Arbeitsplätze gelten die elektrischen Anlagen, an denen Personen elektrotechnische Arbeiten bei geöffneter Anlage (Reparaturen, Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten, Montage, Prüfen, Messen etc.) ausführen. Das sind Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile (AiN) oder Arbeiten unter Spannung (AuS).

Typische Arbeitsabstände, die sich aus den Arbeitshaltungen der Personen und den charakteristischen Konstruktionen bzw. Geometrien und Abmessungen von elektrischen Anlagen ergeben, betragen:

AnlagentypTypische Arbeitsabstände
NS-Verteiler, Hausanschlusskästen, MCC300 ... 450 mm
NS-Schaltanlagen300 ... 600 mm
>1 kVgemäß DIN VDE 0105-100

Tabelle 11 Typische Arbeitsabstände

Es sind möglichst die genauen Abstandsverhältnisse zu bestimmen und der Bestimmung des Arbeitsabstands zugrunde zu legen. Man kann jedoch grundsätzlich davon ausgehen, dass bei Arbeiten der Abstand von a = 300 mm zum Oberkörper einer Person nur selten unterschritten wird und insbesondere im NS-Bereich als Richtwert angesetzt werden kann.

ANMERKUNG:

Bei Arbeiten an geschlossenen Anlagen, die eine Typprüfung auf Lichtbogenfestigkeit bestanden haben, kann Personenschutz vorausgesetzt werden; ein Arbeitsabstand braucht folglich nicht bestimmt zu werden (siehe e Abschnitt 4.3.1). Im Falle nichtgeprüfter Anlagen muss von Lichtbogenwirkungen außerhalb der Anlage (z. B. durch sich öffnende Türen) gerechnet werden. Der dann zu berücksichtigende Arbeitsabstand setzt sich aus dem Abstand zur Anlagenhülle und den o.g. typischen Arbeitsabständen (Werte der unteren Grenze) zusammen.

Die Festlegung eines Sicherheitsabstandes, der bei Arbeiten nicht unterschritten werden darf, ist eine mögliche Maßnahme, Arbeitshandlungen mit der PSAgS eines bestimmten Schutzniveaus (Prüf- bzw. Schutzklasse) zu ermöglichen.

A.3.3.8 Lichtbogenschutzpegel der PSAgS

Für den Prüfaufbau des Box-Tests nach DIN VDE 0682-306-1-2 ("Arbeiten unter Spannung - Schutzkleidung gegen thermische Gefahren eines elektrischen Lichtbogens - Teil 1-2: Prüfverfahren - Verfahren 2: Bestimmung der Lichtbogen-Schutzklasse des Materials und der Kleidung unter Verwendung eines gerichteten Prüflichtbogens (Box-Test)") ist sichergestellt, dass die thermischen Übertragungsverhältnisse (einschließlich Wirkung Elektrodenmaterial) "worst-case"-Bedingungen entsprechen. Für die Anwendungsgrenzen der PSAgS kann man von den elektrischen Lichtbogenenergien WLBP der Prüfeinstellung ausgehen, die den jeweiligen Einwirkenergien Ei0P im Test entsprechen:

Box-TestStatistische Mittelwerte
VDE 0682-306-1-2Elektrische LichtbogenenergieDirekte Einwirkenergie
W LBP E i0P 1
Klasse 1158 kJ135 kJ/m2
Klasse 2318 kJ423 kJ/m2

Tabelle 12 Parameter des Box-Tests

ANMERKUNG:

Die angegebenen direkten Einwirkenergiewerte E i0 , die die Box-Testklassen kennzeichnen, entsprechen nicht den ATPV-Werten, die in Tests nach DIN VDE 0682-306-1-1 ("Arbeiten unter Spannung - Schutzkleidung gegen thermische Gefahren eines Lichtbogens - Teil 1-1: Prüfverfahren - Verfahren 1: Bestimmung der Lichtbogenkennwerte (ATPV oder EBT50) von schwer entflammbaren Bekleidungsstoffen") oder in daran anschließenden Verfahren nach NFPA 70e (Standard for Electrical Safety in the Workplace) und IEEE 1584 (Guide for performing arc-flash hazard calculations) bestimmt werden; es sind weder die zugrunde liegenden Transmissions- und Expositionsbedingungen vergleichbar noch sind analytische Umrechnungen oder mathematische Überführungen in diese Werte möglich.

Die Lichtbogenenergiewerte WLBP führen im Wirkabstand von a = 300 mm (dem Prüfaufbau entsprechend) zu den betreffenden Einwirkenergien. Die Lichtbogenenergie WLBP, die die Prüfklasse des Box-Tests kennzeichnet, wird als Vergleichsgröße WLBä für die ermittelte Lichtbogenenergie WLB des Anwendungsbereichs benutzt.

Dabei ist vorausgesetzt, dass die PSAgS-Anwendung für Arbeitsabstände von a = 300 mm und Anlagen vorgesehen wird, die analog zum Box-Test-Aufbau (mit einem Volumen von rund V = 1,6 10-3 m3) kleinräumig und durch Seiten-, Rück- und Schottwände begrenzt sind. Bei abweichenden Bedingungen sind Korrekturen möglich.

A.3.3.9 Berücksichtigung abweichender Expositionsverhältnisse

Aus der elektrischen Lichtbogenenergie der Prüfklasse WLBP lässt sich für einen beliebigen Arbeitsabstand a über die experimentell nachgewiesene umgekehrte quadratische Abstandsproportionalität eine äquivalente Lichtbogenenergie WLBä ermitteln, bei der der Schutz durch die PSAgS bei dem betreffenden Abstand a noch gegeben ist. Außerdem lässt sich die Anlagenkonfiguration berücksichtigen. Allgemein gilt für den Box-Test

Der Transmissionsfaktor für die Lichtbogenenergie kT beträgt für die Box-Test-Bedingungen kT = 1. Für abweichende Brenn- und Transmissionsbedingungen kann der Koeffizient auch mit folgenden Werten angesetzt werden:

Art der AnlageTransmissions-
faktor der Lichtbogen-
energie kT
(sehr) kleinräumige Anlagen mit Seiten-, Rück- und Schottwänden1
Großräumige Anlagen, Raumbegrenzung vor allem durch Rückwand1,5 ... 1,9
Offene Anlagen ohne wesentliche Begrenzungen des Elektrodenraumes2,4

Tabelle 13 Transmissionsfaktor

A.3.3.10 Anwendung der Analyseergebnisse zur Gefährdungsbeurteilung

In der Gefährdungsbeurteilung bzw. Wahl der Prüf- oder Schutzklasse der PSAgS (Box-Test) ist ausgehend von der äquivalenten Lichtbogenenergie die Relation zum Erwartungswert für die elektrische Lichtbogenenergie zu betrachten. Die thermischen Gefahren eines Störlichtbogens sind abgedeckt, wenn

W LBW LBä

gilt.

Von dieser Relation ausgehend lassen sich mit den oben genannten Bestimmungsgrößen und -gleichungen die Grenzen für die Anwendbarkeit der PSAgS einer gewählten Prüf- und Schutzklasse hinsichtlich des Kurzschlussstrombereichs, der erlaubten Kurzschlussdauer bzw. Ausschaltzeit der Schutzeinrichtung (und damit der Schutzeinrichtung selbst) und des zulässigen Arbeitsabstandes ermitteln.

A 3.4 Alternative Prüfmethoden

Bei alternativen Prüfverfahren zum Box-Test-Verfahren ist die beschriebene Vorgehensweise nicht anwendbar. Es ist dann notwendig, den Zusammenhang zwischen elektrischer Energie und direkter Einwirkenergie (Übertragungsfunktion) allgemeingültig für den betreffenden Testaufbau zu bestimmen oder die direkte Einwirkenergie zu ermitteln, die im Anwendungsfall bei einem Unfall zu erwarten ist, und sie mit dem Einwirkenergiepegel der PSA-Prüfung zu vergleichen.

Neben dem Box-Test wird auch ein Prüfverfahren nach DIN VDE 0682-306-1-1 "Arbeiten unter Spannung - Schutzkleidung gegen thermische Gefahren eines Lichtbogens - Teil 1-1: Prüfverfahren - Verfahren 1: Bestimmung der Lichtbogenkennwerte (ATPV oder EBT50) von schwer entflammbaren Bekleidungsstoffen" verwendet (ATPV-Test bzw. Arc-Man-Test). Im Gegensatz zum Box-Test-Verfahren, bei dem ein gerichteter Prüflichtbogen erzeugt wird, ähnlich eines Störlichtbogens wie er z. B. bei einem Störlichtbogenunfall bei der Arbeit an einem Schaltschrank oder einer Verteilung zu erwarten ist, wird beim Arc-Man-Verfahren der Störlichtbogen offen und ungerichtet, also quasi im Freifeld erzeugt. Beide Verfahren sind nicht direkt vergleichbar und nicht ineinander überführbar oder umrechenbar. Dies liegt einerseits an der Art der durch den Prüfaufbau vorgegeben Länge und Ausbreitung des Störlichtbogens, am verwendeten Elektrodenmaterial und vielen anderen physikalischtechnischen Unterschieden. Die Wärmeübertragung erfolgt beim Arc-Man-Test hauptsächlich strahlungsbedingt.

Andererseits führt der Arc-Man-Test im Ergebnis zum so genannten "Arc Thermal Performance Value", dem ATPV. Hierbei wird nach einem statistischen Verfahren die Einwirkenergie bestimmt, bei der eine 50%ige Wahrscheinlichkeit besteht, hinter der PSA eine Verbrennung 2. Grades zu erleiden. Auch wenn ein Störlichtbogen-Unfall relativ unwahrscheinlich ist, erlaubt die PSA-Richtlinie der EU keine PSA-Auslegung, die eine solche Verletzung toleriert. Deshalb können derartige Prüfverfahren innerhalb der EU grundsätzlich keine Anwendung finden.

Der ATPV ist die direkte Einwirkenergie, die bei den speziellen Übertragungsverhältnissen des Tests entsteht. Es ist anzumerken, dass der ATPV nicht mit den Pegeln der direkten Einwirkenergie der Prüfklassen des Box-Tests übereinstimmt. Die Einwirkenergielevel des Box-Test-Verfahrens sind keine ATPV-Werte bzw. Grenzen des ATPV-Bereichs.

Produkte, die auf internationalen Märkten erhältlich sind, sind u. U. nach beiden Verfahren, also Box-Test und Arc-Man-Test geprüft. Auch wenn die Prüfergebnisse nicht direkt vergleichbar sind, so können sie dennoch bei der Auswahl einer geeigneten PSAgS helfen, insbesondere dann, wenn die maximal zu erwartende Lichtbogenenergie über der in A.4.3 beschriebenen Lichtbogenenergie der Störlichtbogenschutzklasse WLBP bzw. der äquivalenten Lichtbogenenergie WLBä liegt.

Ein Hersteller, der seine Produkte nach beiden Verfahren getestet hat, kann deshalb auch für EU-Märkte die erzielten ATPV angeben, um dem Anwender bei der Auswahl geeigneter PSAgS ein weiteres Auswahlkriterium an die Hand zu geben.

Für die Anwendung des ATPV bei der Auswahl der PSAgS muss allerdings eine Risikoanalyse vorgenommen werden, in der die zu erwartende Einwirkenergie ermittelt wird. Hierfür geben u.a. NFPA 70E (Standard for Electrical Safety in the Workplace) und IEEE 1584 (Guide for performing arc-flash hazard calculations) entsprechende Algorithmen an.

Es ist allerdings anzumerken, dass die ATPV-basierte Prüfung und PSA-Auswahl an die Beschränkungen des Verfahrens gebunden ist.