Abschnitt 4.2 - 4.2 Abschätzungsverfahren für AC-Anlagen
4.2.1
Parameter der Arbeitsumgebung
Die Arbeitsumgebung der elektrischen Anlage ist durch folgende Parameter gekennzeichnet:
Tabelle 4-1 Parameter der Arbeitsumgebung
| Arbeitsumgebung | ||||
|---|---|---|---|---|
| Überstromschutzeinrichtungen | Elektrisches Netz | Elektrische Anlage | ||
| tk | UNn R/X | S"k | d | |
4.2.2
Ermittlung der Lichtbogenenergie der Anlage im Fehlerfall
Abb. 4-2
Ermittlung der elektrischen Lichtbogenenergie
Der tatsächliche Lichtbogenkurzschlussstrom IkLB in der Niederspannung ist durch die begrenzenden Eigenschaften des Störlichtbogens deutlich geringer, als der berechnete Kurzschlussstrom I"k 3 der Anlage (hierbei ist vom minimalen Wert des dreipoligen Anfangs-Kurzschlusswechselstroms auszugehen). Prinzipiell gilt der Zusammenhang:
| IkLB = kB · I"k 3 min | (siehe auch A 3.4.2) |
|---|
Der Strombegrenzungsfaktor kB lässt sich nicht exakt bestimmen und kann z. B. aus einem Diagramm in [21] ermittelt werden. Für Richtwerte siehe Tabelle 4-2.
Im Bereich > 1 kV ist die begrenzende Eigenschaft des Störlichtbogens zu vernachlässigen. Hier gilt: kB = 1.
Abb. 4-1
Kenngrößen der elektrischen Anlage
Im Niederspannungs-Bereich liegt man 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 IkLB = 0,5 · I"k 3,min
Die Kurzschlussdauer tk, die ebenfalls die Lichtbogendauer tLB ist, wird nun mit Hilfe der Kennlinie der Überstromschutzeinrichtung und dem ermittelten Lichtbogenkurzschlussstrom IkLB ermittelt (siehe auch A 3.4.3).
Die Ausschaltzeit wird mit Hilfe des minimalen dreipoligen Kurzschlussstromes I"k 3,min bestimmt (Worst-Case-Betrachtung) (siehe Abb. 4-3).
| 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 brauchen. 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). |
|---|
Die Lichtbogenenergie WLB wird durch die Lichtbogenleistung PLB und die Lichtbogendauer tLB bestimmt, die der Kurzschlussdauer tk bis zum Ausschalten durch die Überstromschutzeinrichtung entspricht:
WLB = PLB · tLB
Die Lichtbogenleistung PLB ist von der Art der Lichtbogenausbildung und der Geometrie der unter Spannung stehenden Teile am Fehlerort abhängig. Sie wird mit Hilfe der bezogenen Lichtbogenleistung kP aus der Kurzschlussleistung S"k mit der Gleichung PLB = kP · S"k bestimmt.
Die bezogene Lichtbogenleistung kP lässt sich unter Berücksichtigung des wirksamen Elektrodenabstandes d (Leiterabstand der Anlage) z. B. nach "Schau, H.; Halinka. A.; Winkler, W.: Elektrische Schutzeinrichtungen in Industrienetzen und -anlagen" [21] ermitteln. Richtwerte zu kP sind in Tabelle A 3-2 im Anhang 3 angegeben.
Tabelle 4-2 Richtwerte des Strombegrenzungsfaktors für eine Worst-Case-Berechnung
| Spannungsbereich | Strombegrenzungsfaktor (Richtwerte) kB |
|---|---|
| Niederspannung | 0,5 |
| Mittel- und Hochspannung | 1,0 |
Somit ergibt sich generell für die Abschätzung der Lichtbogenenergie im Fehlerfall der Zusammenhang:
WLB = kp · S"k · tk
Für Worst-Case-Betrachtungen kann kP durch den maximalen Wert kPmax ersetzt werden:
Der maßgebliche Kurzschlussstrom I"k 3 ist der prospektive dreipolige Kurzschlussstrom am Arbeitsort (Fehlerort). Er ist das Ergebnis einer Kurzschlussstromberechnung (siehe Anhang A 3.4.2 und VDE 0102); dabei ist vom maximalen Wert des dreipoligen Anfangs-Kurzschlusswechselstroms auszugehen.
Die Brenndauer des Lichtbogens tLB entspricht der Kurzschlussdauer tk und wird durch die Überstromschutzeinrichtungen bestimmt. Die Kurzschlussdauer kann im Allgemeinen aus Selektivitätsberechnungen und/oder den Ausschalt-Kennlinien (Strom-Zeit-Kennlinien) der Hersteller der Überstromschutzeinrichtungen entnommen werden.
4.2.3
Ermittlung des Schutzpegels der PSAgS für die Arbeitssituation
Der Schutzpegel der PSAgS WLBS wird bestimmt durch den Prüfpegel der PSAgS, durch den Arbeitsabstand a und die Geometrie der Anlage (Faktor kT ) (siehe Abb. 4-4).
Der Arbeitsabstanda ist der Abstand zwischen 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.
Abb. 4-3
Beispiel zur Ermittlung der Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung
Abb. 4-4
Ermittlung des Schutzpegels
Man kann davon ausgehen, dass bei Arbeiten der Abstand von a = 300 mm zum Oberkörper einer Person nicht unterschritten wird. Abweichende Abstände für PSAgS für andere Körperpartien (z. B. Kopf, Beine) können berücksichtigt werden. Typische Werte sind im Anhang A 3.4.5, Tabelle A 3-3 genannt.
| Der Schutz der Hände ist nur begrenzt möglich. Wenn sich die Hände direkt in der unmittelbaren Nähe des Störlichtbogens befinden, kann keine Aussage über den Schutz der Hände getroffen werden. Erfahrungen aus dem Unfallgeschehen zeigen jedoch, dass Verbrennungen der Hände immer dann zu beklagen sind, wenn keine Handschuhe getragen wurden. Im Fehlerfall werden die Hände in der Regel reflexartig zurückgezogen. Es werden Handschuhe empfohlen, die störlichtbogengeprüft sind. |
|---|
Der Transmissionsfaktor kT berücksichtigt die geometrische Anlagenkonfiguration der elektrischen Anlage und beschreibt die räumliche Ausbreitung der thermischen Auswirkungen des Lichtbogens im Raum.
Bei kleinräumigen Anlagen findet eine gerichtete Ausbreitung der thermischen Auswirkungen des Lichtbogens statt. Je offener und großräumiger die Anlage ist, desto ungerichteter ist die Ausbreitung der thermischen Auswirkungen des Lichtbogens (siehe Abb. 4-5).
Beispielhafte Abbildungen von realen Anlagensituationen sind in Anhang 6 dargestellt.
Das Prüfverfahren zum Nachweis der thermischen Auswirkungen eines Störlichtbogens ist in Abschnitt A 2.2 ausführlich beschrieben.
Im Prüfverfahren werden zwei Störlichtbogenschutzklassen APC (Arc Protection Classes) unterschieden, die die Schutzwirkung der PSAgS gegenüber den thermischen Auswirkungen von Lichtbögen festlegen. Diese beiden Störlichtbogenschutzklassen werden mit Lichtbögen mit den nachfolgenden Lichtbogenenergien (Prüfpegel) und Verwendung des im Prüfverfahren beschriebenen Prüfaufbaues nachgewiesen.
| Störlichtbogenschutzklasse APC 1 | WLBP_APC 1 = 168 kJ |
|---|---|
| Störlichtbogenschutzklasse APC 2 | WLBP_APC 2 = 320 kJ |
Aus der elektrischen Lichtbogenenergie der Prüfklasse WLBP lässt sich für einen beliebigen Arbeitsabstand a (≥ 300 mm) mit der nachfolgenden Formel eine äquivalente Lichtbogenenergie WLBS ermitteln. Das ist der Schutzpegel WLBS, bei dem der Schutz durch die PSAgS bei dem betreffenden Abstand a noch gegeben ist. 2 Außerdem lässt sich die Anlagenkonfiguration mit dem Faktor kT
Abb. 4-5
Richtwerte für Transmissionsfaktoren für verschiedene Anlagenverhältnisse
berücksichtigen. Allgemein gilt ausgehend vom Prüfverfahren des Boxtests
Anmerkung:
Die Formel ist nur gültig für die Berechnung und Auswahl von PSAgS, die unter Normbedingungen (IEC 61482-1-2) geprüft wurden (a = 300 mm, APC 1 bzw. 2).
4.2.4
Auswahl der PSAgS
Sofern der Erwartungswert der elektrischen Lichtbogenenergie WLB den Wert 50 kJ nicht unterschreitet ist ausgehend vom Schutzpegel WLBS für die Wahl der Störlichtbogenschutzklasse der PSAgS (Boxtest nach IEC 61482-1-2) die Relation zum Erwartungswert der elektrischen Lichtbogenenergie WLB zu betrachten. Die thermischen Gefahren eines Störlichtbogens sind abgedeckt, wenn
WLB ≤ WLBS gilt.
Von dieser Relation ausgehend lassen sich mit den oben genannten Bestimmungsgrößen und -gleichungen auch die Grenzen für die Anwendbarkeit der PSAgS einer gewählten Störlichtbogenschutzklasse hinsichtlich
des Kurzschlussstrombereichs,
der erlaubten Kurzschlussdauer bzw. Ausschaltzeit der Überstromschutzeinrichtung (und damit der Überstromschutzeinrichtung selbst),
des zulässigen Arbeitsabstandes
ermitteln (siehe auch Anhang 7).
Eine Zusammenfassung der Abschätzungsverfahren für AC-Anlagen zeigt Abb. 4-6.
Machbarkeitsuntersuchung zur Prüfung und Bewertung von Schutzhandschuhen gegen thermische Gefahren von Störlichtbögen (AG: BGFE; AN: STFI/TU Ilmenau), Abschlussbericht STFI v. 30. 05. 2005