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abgeschlossen 10/2016
Ableitung von fundierten und verallgemeinerungsfähigen Schlussfolgerungen zur Einhaltung energetischer Grenzwerte für den Personenschutz und für Festlegungen in Anwenderhilfsmitteln zur Gefährdungsbeurteilung und Auswahl von PSA unter Berücksichtigung von Drehstrom- und DC-Systemen.
Störlichtbögen in Drehstromsystemen (dreipolige Lichtbogenausbildung)
Störlichtbögen in DC-Systemen
- Literaturrecherche und Auswertung der Literatur
- Konzeption von Untersuchungszielen und Messreihen in DC-Prüfkreisen
Aus den Ergebnissen sollen fundierte und verallgemeinerungsfähige Schlussfolgerungen zur Einhaltung energetischer Grenzwerte für den Personenschutz und für Festlegungen in Anwenderhilfsmitteln zur Gefährdungsbeurteilung und Auswahl von PSA abgeleitet werden; bestehende Festlegungen sind zu verifizieren und zu ergänzen.
Die Ergebnisse sind in einem wissenschaftlichen Abschlussbericht zusammenzufassen.
In den Untersuchungen sind grundsätzliche Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des Personenschutzes bei Störlichtbogenrisiken angestrebt. Die Ergebnisse sollen auch direkt in aktuelle Projekte der internationalen Normung bei IEC, insbesondere den Technical Report IEC TR 78-901 für die Auswahl von PSA (Technical Report for correlating the results of arc test methods to electrotechnical applications in order to select the proper electric arc protective equipment) einfließen. Es sollen Grundlagen geschaffen werden, die Festlegungen in der berufsgenossenschaftlichen Information DGUV Information 203-077 zur Gefährdungsbeurteilung (Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen – Hilfe bei der Auswahl der persönlichen Schutzausrüstung) zu erweitern und zu ergänzen.
Der erste Teil der Untersuchungen bezog sich auf die Gefährdungskenngrößen von dreipoligen Störlichtbögen in AC-Systemen (Drehstromsysteme) des Niederspannungsbereichs. In systematischer Fortsetzung zuvor durchgeführter Analysen und Messungen sind Laboruntersuchungen an einer Grundanordnung und Modifikationen dieser Anordnung mit dem Ziel vorgenommen worden, elektrische und thermische Lichtbogenkennwerte zu ermitteln, die kritischsten Bedingungen für dreipolige Störlichtbögen in Bezug auf die Personengefährdung durch thermische Lichtbogenwirkungen festzustellen, zu charakterisieren und Schlussfolgerungen für Maßnahmen des Personenschutzes und die Durchführung von Gefährdungsbeurteilungen zur Auswahl von Persönlichen Schutzausrüstungen gegen Störlichtbögen (PSAgS) zu ziehen. Ein wichtiges Augenmerk bestand darin, Regeln der Übertragung bzw. Umrechnung von Kennwerten einer zweipoligen Standardanordnung, für die gesicherte Erkenntnisse und statistisch belegte Ergebnisse vorliegen, abzuleiten sowie den Bezug zu Normprüfungen an PSAgS herzustellen.
Es wurde eine dreipolige Anordnung paralleler Elektroden, die nebeneinander verlaufen, untersucht. Für diese koplanare Elektrodenanordnung D wurden in einem dreipoligen Prüfkreis 400 V AC 50 Hz mit geerdetem Sternpunkt insbesondere die elektrische Lichtbogenleistung und Lichtbogenenergie bestimmt sowie die thermische Einwirkenergie ermittelt, die sich bei Ausrichtung der Elektrodenenden auf eine thermisch exponierte Fläche im Abstand von a = 300 mm für unterschiedliche prospektive Prüfströme (metallische Kurzschlussströme) ergibt. In dieser Grundanordnung waren die Elektroden in einer kleinräumigen Box angeordnet, die in ihren Abmessungen exakt dem standardisierten zweipoligen Prüfaufbau nach IEC 61482-1-2 entspricht und gegenüber dem Normaufbau um 90° gedreht ist. Durch die kleinräumige Box kommt es zu einer gerichteten Ausbreitung der Gas- und Plasmawolke des dreipoligen Lichtbogens; die Wärmeübertragung auf eine gegenüber der Boxöffnung liegende Fläche kann als worst-case der thermischen Exposition angesehen werden.
In den Untersuchungen sind Modifikationen der Grundanordnung in Bezug auf die Länge der Lichtbogenelektroden, die Elektrodenmaterialien, die Box (mit Box, offen), Barrieren am Elektrodenende (isoliert, geerdet) und Variationen der Parameter Prüfstrom (1…8,3 kA) und Wirkabstand (a = 200…1000 mm) vorgenommen worden.
Stabile dreipolige Lichtbögen bilden sich in Form von Teillichtbögen an den Elektrodenenden aus, die sich infolge des elektromagnetischen Feldes der parallelen Elektrodenanordnung ausweiten. Es zeigt sich, dass sich stabile dreipolige Lichtbögen nur in der Boxanordnung ausbilden. Ohne Box kommt es zu einem selbsttätigen Verlöschen der Lichtbögen. Die Box stabilisiert die Lichtbögen, indem sie die Ausweitung der Bogensäulen räumlich begrenzt und einer Abkühlung des Plasmas entgegenwirkt.
Barrieren am Elektrodenende aus Isoliermaterial haben eine ähnliche räumliche Begrenzungswirkung, die die Ausweitung der Teillichtbögen und das Selbstverlöschen folglich behindert. Ein Selbstverlöschen von Teillichtbögen tritt auf, wenn der Spannungsbedarf des Lichtbogens (Lichtbogenspannung) die treibende Spannung des Prüfkreises übersteigt. Kürzere Lichtbögen bewirken geringere Lichtbogenleistung und Lichtbogenenergie. Die Einwirkenergie verringert sich durch die Barrierewirkung ebenfalls. Eine metallische Barriere hat diesbezüglich prinzipiell den gleichen Einfluss. Ist die Barriere geerdet, dann bilden sich bei kleinem Abstand zu den Elektrodenenden kurze Teillichtbögen zur Barriere.
In den Untersuchungen wurden verschiedene Elektrodenmaterialien verwendet. Neben Kupferelektroden wurden Elektroden aus Stahl, aus Aluminium und eine Kombination aller drei Werkstoffe eingesetzt. Während die elektrischen Kennwerte sich bei unterschiedlichen Elektrodenmaterialien kaum unterscheiden, gibt es im Hinblick auf die Einwirkenergie deutliche Differenzen. Aluminium sorgt für die höchsten Einwirkenergiewerte, es folgen die Kombination der Materialien Stahl und Kupfer mit abnehmender Höhe der Einwirkenergie. Die gleichen Relationen gelten in Bezug auf das Verhältnis Einwirkenergie zu Lichtbogenenergie. Gründe bestehen darin, dass insbesondere bei Aluminiumelektroden zusätzliche Energie durch exotherme Reaktionswärme beim Verbrennen von Elektrodenmaterial frei gesetzt wird. Zudem ergibt sich eine unterschiedliche Intensität der Strahlung, die von den Lichtbögen emittiert wird.
Die Basiskonfiguration der Anordnung D mit Box führt zu stabilen dreipoligen Lichtbögen. Im Vergleich mit den anderen, zuvor untersuchten dreipoligen Anordnungen, ergeben sich insbesondere die höchsten Einwirkenergien. Damit ist diese Elektrodenkonfiguration als kritischster Fall der praktisch relevanten Anordnungen einzuschätzen. Andere dreipolige Grundanordnungen mit senkrechten, parallel verlaufenden Elektroden (auch mit Barrieren) haben kaum praktische Bedeutung. Damit schließen die Kennwerte, die für Anordnung D ermittelt wurden, alle praktisch relevanten Bedingungen dreipoliger Anordnungen ein und können zur Charakterisierung des dreipoligen Lichtbogens im Sinne eines Worst-case-Szenarios verwendet werden. Die Kenngrößen besitzen eine gute Reproduzierbarkeit. Sowohl die Lichtbogenenergie als auch die Einwirkenergie weisen Standardabweichungen bzw. Variationskoeffizienten auf, die mit den Kennwerten des genormten Boxtests nach IEC 61482-1-2 vergleichbar sind. Im Falle der Einwirkenergie ergeben sich sogar geringere Streuungen gegenüber den Normwerten.
Mit steigendem Prüfstrom erhöhen sich in der Anordnung D die Lichtbogenleistung, die Lichtbogenenergie und die Einwirkenergie. Der Zusammenhang von Lichtbogenleistung bzw. Lichtbogenenergie mit dem Strom kann durch eine lineare Regressionsfunktion angenähert werden. Auch die Korrelation zwischen Einwirkenergie und Lichtbogenenergie ist weitgehend linear. Für Kupferelektroden wurde bei größeren Prüfströmen sogar eine degressive Zunahme festgestellt. Zur Verallgemeinerung sollte jedoch von einem proportionalen Zusammenhang zwischen Lichtbogenenergie und Einwirkenergie ausgegangen werden.
Die Lichtbögen bewirken eine Begrenzung der Ströme in den Leitern des Drehstromsystems. Der Strombegrenzungsfaktor kB (Lichtbogenstrom bezogen auf den Prüfstrom) beträgt im Mittel ca. 0,53 (Die Strombegrenzung ist bei Vorhandensein von Barrieren geringer: bei Barrieren aus Isoliermaterial ergibt sich im Mittel kB = 0,7, bei geerdeter Metallbarriere im Abstand von 10 mm zu den Elektrodenenden kB = 0,6). Für den Leistungstransferkoeffizienten kP wurde ein Mittelwert von 0,333 ermittelt. Das bedeutet, dass die Lichtbogenleistung ca. 33 % der dreipoligen Kurzschlussleistung ausmacht. Dieser Wert liegt sehr nahe am Maximalwert kpmax, der sich aus theoretischen Modellbetrachtungen unabhängig vom Elektrodenabstand nach kPmax=0,29-(RX)−0,17 bestimmen lässt. Aus der Kurzschlussleistung kann somit die Lichtbogenleistung und anschließend mit der Kurzschlussdauer die Lichtbogenenergie berechnet werden, die im Fehlerfall bei dreipoligem Kurzschluss zu erwarten ist.
Die Einwirkenergie ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Wirkabstandes. Zwischen Einwirkenergie und Lichtbogenenergie besteht im Mittel direkte Proportionalität, sodass auch die äquivalente Lichtbogenenergie in der gewohnten Weise der Gefährdungsbeurteilung nach DGUV Information 203-077 ermittelt werden kann.
Im Vergleich zur zweipoligen Standardanordnung, die in der PSAgS-Prüfung nach IEC 61482-1-2 benutzt wird (Elektroden Al-Cu) sind die Lichtbogenenergien in der dreipoligen Anordnung um den Faktor 2,5…2,8 größer. Hinsichtlich der Einwirkenergie liegen die Faktoren zwischen 2 und 3; allerdings treten für Aluminiumelektroden noch höhere Faktoren auf. Für Anordnungen mit Aluminiumelektroden sollten in der Gefährdungsbeurteilung gesonderte Betrachtungen angestellt werden; die Erwartungswerte der Lichtbogenenergie sollten mit einem Faktor von 2 korrigiert werden.
Gefährdungsbeurteilungen, die auf der Grundlage der ermittelten Kennwerte durchgeführt werden, liefern sichere bzw. konservative Ergebnisse. Es sind entsprechende Schlussfolgerungen für die Überarbeitung der DGUV Information 203-077 gezogen worden.
Die aus der Literatur entnommenen Berechnungsgleichungen, die in den Standards im nordamerikanischen Raum zur Bestimmung der Einwirkenergie angegeben werden, führen dagegen zu starken Diskrepanzen zu den gemessenen Werten, so dass eine Anwendung nicht gerechtfertigt ist.
Aus den durchgeführten Untersuchungen lässt sich im Fazit ableiten, dass weitere Betrachtungen zu dreipoligen AC-Lichtbögen zur Zeit nicht erforderlich sind. Die wesentlichen Zusammenhänge, die für eine praktische Beurteilung des Gefährdungspotenzials und die Auswahl von Maßnahmen zum Schutz von Personen gebraucht werden, sind ermittelt worden.
Dagegen bedarf es systematischer Labormessungen und Analysen des Störlichtbogens in DC-Systemen, die Gegenstand weiterführender Untersuchungen sein sollten. Wie die Auswertung der Literatur zeigt, wird die Anwendung bzw. Nutzung von Gleichstrom (DC) im elektroenergetischen Bereich auch in Zukunft weiter wachsen; es ist eine deutliche Zunahme der Arbeiten an DC-Anlagen zu erwarten. Es fehlen jedoch bisher belastbare Aussagen speziell zum Schutz von Personen bei DC-Kurzschlüssen mit Störlichtbögen und zur Wahl der PSAgS bzw. zur Übertragbarkeit der Erkenntnisse zu AC-Störlichtbögen auf den DC-Bereich.
Es sind deshalb generelle Betrachtungen zum Erkenntnisstand und zum erforderlichen Untersuchungsbedarf auf dem Gebiet des DC-Störlichtbogens angestellt worden. Die Literatur ist im Hinblick auf theoretische Zusammenhänge, interessierende Parameterbereiche, wesentliche Einflussgrößen auf Lichtbogenverhalten und -kennwerte und die Vergleichbarkeit von AC- und DC-Lichtbögen ausgewertet worden. Daraus haben sich Schlussfolgerungen für die Durchführung von gezielten Störlichtbogenuntersuchungen ergeben. Es sind erste messtechnische Untersuchungen an DC-Störlichtbögen im Prüflabor im Prüfkreis mit DC-Generator-Speisung durchgeführt worden. Auf dieser Grundlage ist ein Konzept für die Ausführung von systematischen Messreihen entstanden, das in zukünftigen Projekten umgesetzt werden sollte. Diese Labormessungen lassen sich zum größeren Teil an der TU Ilmenau in einem Prüfkreis mit Generatoreinspeisung (fremderregter Gleichstromgenerator mit Schwungmasse) durchführen. Zusätzlich machen sich Messungen in einem externen Labor erforderlich, um Aussagen im erweiterten Parameterbereich abzuleiten. Hierfür sind entsprechende Überlegungen vorgenommen worden, die auf eine Prüfungsdurchführung mit begrenztem Umfang im Institute for International Product Safety Bonn ausgerichtet sind.
Die Schwerpunkte eines Folgeprojekts zu DC-Störlichtbogen sollten bestehen in der
• messtechnischen Untersuchung von DC-Lichtbögen bei unterschiedlicher Generatorspannung, Kurzschlussstrom, Elektrodenkonfiguration (offen, Box), Elektrodenausrichtung (horizontal, vertikal), Elektrodenorientierung (sich gegenüberstehend, parallel), Elektrodenabstand, Elektrodenmaterial, Elektrodenform
• gezielten Messung der Strahlungsemission im Bereich 280…780 nm (Spektrometermessungen)
• Betrachtung der Ausbreitungsbedingungen und -geschwindigkeiten der Lichtbogensäule sowie der Gas- und Plasmawolke durch Auswertung von Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen
• Bestimmung der Zusammenhänge zwischen Prüfstrom, Prüfleistung, elektrischer Lichtbogenenergie und thermische Einwirkenergie
• Bestimmung des Abstandsabhängigkeit der Einwirkenergie und von Kenngrößen der Gefährdungsbeurteilung (Transmissionsfaktor etc.)
• Ermittlung der Bedingungen für stabile DC-Lichtbögen und von Bedingungen, die zu maximaler elektrischer Energie und thermischer Einwirkenergie sowie zu Hautverbrennungen führen
• Vergleich mit AC-Lichtbögen und den Kennwerten der Schutzklassen des Boxtests
• Ableitung von Schlussfolgerungen für die Gefährdungsbeurteilung.
Als Grundkonfiguration für die messtechnischen Untersuchungen sollte auch hier eine kleinräumige Elektrodenanordnung untersucht werden, die mit der Prüfanordnung des zweiphasigen Boxtests nach IEC 61482-1-2 vergleichbar ist und deshalb vergleichende Betrachtungen zu den Kennwerten des Boxtests erlaubt.
Die generelle Zielsetzung der DC-Untersuchungen muss darin bestehen Schlussfolgerungen und Festlegungen abzuleiten, die in Verfahren der Gefährdungsbeurteilung einfließen. Es ist ein Berechnungsalgorithmus zu entwickeln, der bestehende Verfahren zur Analyse und Beurteilung von Störlichtbogengefahren in AC-Anlagen ergänzt und die Wahl von PSAgS für Arbeiten im DC-Bereich ermöglicht.
Im Ergebnis der Untersuchungen sollten auch Überlegungen angestellt werden, ob das bestehende Boxtestverfahren nach IEC 61482-1-2 für die PSAgS im DC-Bereich anwendbar bzw. ausreichend ist oder ob ein gesondertes Prüfverfahren für PSAgS erforderlich wird bzw. der Prüfaufbau des Boxtests für PSAgS-Prüfungen mit Gleichstrom angewendet oder modifiziert werden sollte.
Damit sind diese Untersuchungen auf eine Weiterentwicklung des Personenschutzes bei Störlichtbogenrisiken orientiert. Die Ergebnisse können direkt in aktuelle Projekte der internationalen Normung bei IEC, insbesondere den Technical Report IEC TR 78-901 für die Auswahl von PSA (Technical Report for correlating the results of arc test methods to electrotechnical applications in order to select the proper electric arc protective equipment) einfließen. Es können Grundlagen geschaffen werden, die Festlegungen in der Anwendungsleitlinie DGUV Information 203-077 zur Gefährdungsbeurteilung (Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen – Hilfe bei der Auswahl der persönlichen Schutzausrüstung) erweitern und ergänzen.
Elektrotechnik
Gefährdungsart(en):Elektrische Gefährdungen, -Verschiedenes-
Schlagworte:Normung, Persönliche Schutzausrüstung, Prüfverfahren
Weitere Schlagworte zum Projekt:Störlichtbogen, Drehstromsysteme, DC-Systeme, Strahlung, Einwirkenergie, Lichtbogenenergie