Lichtbogenberechnungen für mehr Sicherheit

Jeder verdient es, am Ende des (Arbeits-)Tages unversehrt nach Hause zu gehen.

Bei allen Arbeiten am Stromnetz besteht die Gefahr von Kurzschlüssen und Lichtbögen. Ein Lichtbogen kommt zwar nur selten vor, dessen Folgen sind aber katastrophal. Mechaniker, Installateure und andere sind durch die enorme Explosion, die mit einem Lichtbogen verbunden ist, stark gefährdet. Ein optimaler Schutz gegen Lichtbögen ist eine absolute Notwendigkeit. Im Voraus zu berechnen, wie sich ein Lichtbogen verhält, trägt zur Sicherheit bei. So erfahren Sie, welche Risiken bestehen und wie Sie diese senken. Durch das Wissen über die Lichtbogenenergie an einem bestimmten Arbeitsplatz kann festgestellt werden, was die richtige persönliche Schutzausrüstung ist.

Vlambooggevaar inzichtelijk maken voor de veiligheid van uw medewerkers

HyTEPS bietet Lichtbogenberechnungen und Simulationen

NEN3140

Die überarbeitete Fassung der NEN 3140 widmet der Gefahr von Lichtbögen mehr Aufmerksamkeit. Um die Risiken zu vermeiden und die richtigen Schutzmaßnahmen ergreifen zu können, ist eine Risikoerfassung und -bewertung zu Lichtbögen notwendig. Auf der Grundlage der Installationsdaten muss die Lichtbogenenergie an einem bestimmten Arbeitsplatz (für ein bestimmtes Gerät oder einen Teil der Anlage) ermittelt werden. Danach kann bestimmt werden, ob und welcher Lichtbogenschutz erforderlich ist. Die Bestimmung der Lichtbogenenergie ist jedoch kompliziert. Dabei sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen, u. a. die Dauer des Fehlers, die Stärke des Stroms und der Abstand zwischen der Person und der Anlage.

HyTEPS bietet Lichtbogenberechnungen und Simulationen

HyTEPS kann für Sie anhand der Simulationen Etiketten für jeden Schrank erstellen, auf denen die wichtigsten Sicherheitsdaten stehen, z. B. der Kurzschlussstrom und welche PSA für verschiedene Situationen getragen werden sollte. Dadurch wird die LMRA (Last-Minute-Risikoanalyse) vereinfacht und kann effizient für jeden einzelnen Schrank durchgeführt werden. Auf Wunsch kann diese Möglichkeit mit einem Managementsystem verknüpft werden, sodass zentral deutlich wird, welche Schutzmittel erforderlich sind. Das bietet Mitarbeitern*innen deutliche Informationen über die richtige Schutzausrüstung, die sie an jedem spezifischen Standort tragen müssen.

proces of arc flash simulaties

 

Was ist ein Lichtbogen?

Ein Lichtbogen ist ein dauerhafter Funken, der beim Schalten von Geräten oder bei Fehlern in der Anlage entstehen kann. Oft hat ein Lichtbogen einen negativen Differentialwiderstand. Das bedeutet, dass der Lichtbogen immer größer wird, bis eine Komponente an einer anderen Stelle in der Anlage den Strom nicht mehr bewältigen kann und schmilzt. Erst dann erlischt der Lichtbogen.

Merkmale eines Lichtbogens

  •  Extreme Temperaturen von über 19.000 Grad Celsius
  • Herumfliegende (erhitzte oder geschmolzene) Scherben der Anlage
  • Druckwelle mit ohrenbetäubendem Knall
  • Intensiv helles Licht, sowohl im sichtbaren als auch im unsichtbaren Spektrum (Infrarot)

Risiken für Ihre Mitarbeiter*innen

  • Externe Verbrennungen
  • Innere Verbrennungen durch Einatmen ionisierter Gase
  • Blindheit (vorübergehend oder dauerhaft)
  • Verletzungen durch die Druckwelle
  • (Dauerhafte) Hörschäden
  • Kupfervergiftung (die eingeatmeten Kupfergase festigen sich in der Lunge und hinterlassen eine dauerhafte Kupfersubstanz in der Lunge)

In besonders extremen Fällen kann ein Lichtbogen direkt oder indirekt (durch Verletzungen wie Verbrennungen oder innere Blutungen) zum Tod eines*einer Mitarbeiters*in führen.

Die 3 wichtigsten Parameter sind: die Dauer der Störung, die Stärke des Stroms und der Abstand zwischen der Person und der Anlage.

Ursachen eines Lichtbogens

Die meisten Lichtbögen werden durch menschliches Versagen verursacht. In ca. 70 Prozent der Fälle handelt es sich um unsorgfältige Arbeiten an Schaltanlagen. Außerdem können auch Mängel in der Installation einen gefährlichen Lichtbogen verursachen:

  • Falsch dimensionierte Schaltgeräte
  • Degeneration des Isolationsmaterials oder dessen Fehlen
  • Schlechte Verbindungen
  • Überbrückung durch leitende Fremdkörper wie Werkzeuge, Teile oder Nagetiere zwischen Adern

Normen für Lichtbogenberechnungen

Für den Lichtbogenschutz und -berechnungen wurden verschiedene Normen entwickelt. Jede Norm hat ihren eigenen Anwendungsbereich und ihre eigene Methode. Einige gängige Normen werden in der folgenden Tabelle beschrieben.

 

IEEE-1584 2018 Internationale Norm zur Lichtbogenberechnung. Diese Version ist umfangreicher und berücksichtigt mehr Faktoren.
IEEE-1584 2002 Internationale Norm zur Lichtbogenberechnung. Methode zur Lichtbogenberechnung.
NFPA 70E Richtlinien der National Fire Protection Agency zu Lichtbogen.
NEN 3140 Niederländische Norm für die Funktion elektrischer Anlagen
EN 50110 Europäische Norm für sicheres Arbeiten in und an elektrischen Anlagen.

Hinzu kommen Normen für Schutzkleidung:

ISSA Richtlinien zu den thermischen Auswirkungen eines Lichtbogens auf die PSA.
DGVU203-077 Richtlinien zu den thermischen Auswirkungen eines Lichtbogens auf die PSA.
IEC 61482-1-1 Prüfverfahren für Schutzkleidung hinsichtlich thermischer Einwirkungen und elektrischer Energie.
IEC 61482-1-2 Prüfverfahren für Schutzkleidung hinsichtlich thermischer Einwirkungen und elektrischer Energie.

Es ist sehr wichtig, die richtige Auswahl zu treffen, welche Normen in Ihrer Installation verwendet werden. HyTEPS berät Sie diesbezüglich gerne.

Gefährliche Lichtbögen – eine kostspielige Angelegenheit

Wie bereits erwähnt, zeigen unerwünschte Lichtbögen schwerwiegende Auswirkungen. Ein Lichtbogen kann zu Verletzungen, aber auch zu größeren Schäden an der Anlage, z. B. an Verteilersystemen, führen. Eine Beschädigung der Anlage durch einen Lichtbogen kann zu einem Stillstand von bis zu mehreren Wochen führen. Ein kompletter Austausch von Anlagenteilen wie Verteilersystemen kann sich dann als notwendig erweisen. Daraus ergeben sich direkte Folgeschäden durch Mehrkosten für Ersatzteile und indirekte Kosten durch die Abnahme des Verfügbarkeitsfaktors, die sich auf das Betriebsergebnis und die Wettbewerbsposition auswirken.

Anhand von Simulationen und Lichtbogenberechnungen unterstützt HyTEPS Sie dabei, Ihre Mitarbeiter*innen zu schützen sowie Risiken, ungewünschte Stillstandszeiten und Kosten zu vermindern.

Gleichstrom-Lichtbogenberechnungen

Keine Elektroinstallation funktioniert garantiert ohne die Gefahr eines elektrischen Lichtbogens. Verteilerschränke und Schalttafeln sind immer der Gefahr von Lichtbögen ausgesetzt. Bei Gleichstromanlagen (DC) bestehen die gleichen Gefahren wie bei Wechselstromanlagen (AC).

Obwohl es sich bei den meisten Elektroinstallationen um Wechselstromanlagen handelt, sind fast immer auch einige Gleichstromlasten vorhanden; um optimal zu funktionieren, wird in jeder Anlage ein AC/DC-Wandler eingesetzt. Die Gleichstrombelastung elektrischer Systeme nimmt zu, insbesondere durch die Integration von Energie aus erneuerbaren Quellen und durch technologische Entwicklungen wie Elektrofahrzeuge, Energiespeichersysteme und LED-Beleuchtung.

Infolgedessen sind partielle oder vollständige Gleichstrominstallationen sehr verbreitet, insbesondere bei Offshore-Anlagen (Schiffe und Plattformen), neuen Anlagen, die empfindlich auf Störungen der Netzqualität reagieren, und bestimmten industriellen Anwendungen an Land. Gleichstromanlagen könnten zur neuen Normalität werden.

HyTEPS hat sich auf die Berechnung von Wechsel- und Gleichstromlichtbögen spezialisiert, um die Sicherheit dieser elektrischen Anlagen zu gewährleisten. Unsere Methodik stützt sich auf die neuesten Erkenntnisse und Studien.

Normen und Richtlinien für Gleichstrom. Ist deren Einhaltung ein Muss?

Gleichstromsysteme unterliegen nicht den bestehenden Richtlinien und Normen zur Berechnung von Lichtbogengefahren. Mit anderen Worten, es wurde noch keine offizielle, allgemeingültige Methode für die Durchführung solcher Berechnungen bestimmt.

Im Vergleich zu Wechselstromsystemen ist die Untersuchung von Lichtbögen in Gleichstromsystemen relativ neu. Forscher haben Tests durchgeführt und ihre Ergebnisse dokumentiert, um zu einer Methodik für die Berechnung von Gleichstrombögen zu gelangen, die weitgehend auf empirischen Vergleichen beruht.

HyTEPS kann DC-Lichtbogensimulationen auf der Grundlage der drei gängigsten und am häufigsten verwendeten Methoden durchführen:

  1. Maximale-Leistungs-Methode: Dieser 2007 eingeführte Ansatz beruht auf der maximalen Leistung, die ein elektrischer Lichtbogen erreichen kann, und der maximalen Energiefreisetzung, der Beschäftigte ausgesetzt werden können. Die maximale Leistung in Watt ergibt sich aus der Netzspannung multipliziert mit der Hälfte des weitergeleiteten Fehlerstroms.
  2. Stokes und Oppelander: Diese 1990 entwickelte Methode beruht auf empirischen Vergleichen auf der Grundlage von Testergebnissen. Die Untersuchung beruht auf einem offenen vertikalen und horizontalen Lichtbogen zwischen seriellen Elektroden oder Stromleisten im Freien. Zudem wird eine Schätzung zur Mindestzündspannung vorgenommen, die erforderlich ist, um den Lichtbogen unter verschiedenen Bedingungen beizubehalten.
  3. Paukert: Dieser Ansatz beruht auf einer Zusammenstellung veröffentlichter Daten zu Bogenfehlern von sieben Forschern, die verschiedene Bogentests durchgeführt haben. Auf dieser Grundlage formulierte Paukert Gleichungen für die Lichtbogenspannung und den Lichtbogenwiderstand, wobei er den Abstand zwischen den Elektroden berücksichtigte.

Die gewählte Berechnungsmethode wird in Absprache mit dem Kunden und aufgrund der Empfehlungen von HyTEPS festgelegt, da jede Methode ihre Vor- und Nachteile sowie gewisse Einschränkungen hat. Die gewählte Methode entspricht immer den Bedürfnissen des Kunden.

Je nach gewählter Methode können zusätzliche Informationen über die physikalischen Eigenschaften der Verteilertafeln erforderlich sein.

Wann werden DC-Lichtbogenberechnungen empfohlen?

In Gleichstromanlagen mit Batteriesystemen, Gleichrichtern, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, und/oder Gleichstrommotoren wird empfohlen, an jedem Gleichstromverteiler Lichtbogenberechnungen durchzuführen, vor allem, für:

1.         Gewährleistung, dass die Anlage sicher ist, indem überprüft wird, dass keine unsicheren Situationen auftreten (können)

2.         Weitere Informationen über die Energieniveaus im Falle eines Lichtbogens

3.         Bestimmung der persönlichen Schutzausrüstung (PSA) für mehr Sicherheit

Das ist besonders wichtig, wenn die Batterien an eine DC-Sammelschiene angeschlossen und zu 100 % geladen sind. Je nach Größe der Batterie können die Folgen eines Lichtbogens auf der Schiene tödlich sein. Daher spielen mehrere Parameter eine Rolle, wie die Schutzvorrichtung vor der Batterie und die Kabeldämpfung, die den Lichtbogenstrom beeinflusst. Das Vorhandensein oder Fehlen einer galvanischen Trennung wirkt sich auch auf den Endwert des Kurzschlussstroms und damit auf die Lichtbogenenergie aus. Normalerweise schaltet sich die Begrenzung der Leistungselektronik schnell ein, um empfindliche interne Geräte zu schützen. Aus diesem Grund kommt der größte Beitrag meistens von Gleichstrombatterien.

 

 

 

 

Persönliche Schutzausrüstung

Die Norm NFPA 70E 2021 über die elektrische Sicherheit am Arbeitsplatz bezieht sich auf die Anforderungen an die elektrische Sicherheit der Beschäftigten vor Ort. Diese Norm bezieht sich auf praktische Vorkehrungen, die die Produktivität der Beschäftigten bei ihren Tätigkeiten sicherstellen.

Im Laufe der Jahre wurde der Abschnitt über praktische DC-Leitlinien nach und nach aufgenommen und erweitert. Dort werden Situationen beschrieben, in denen die persönliche Schutzausrüstung (PSA) erforderlich oder nicht ist.

 

Persönliche Schutzausrüstung, die erforderlich ist, wenn Beschäftigte spannungsführenden elektrischen Bauteilen ausgesetzt sind. Hier kann ein Gleichstrombogen entstehen, bei dem Energie freigesetzt wird.

Es ist äußerst wichtig, dass die Beschäftigten nicht nur die Risiken kennen, denen sie ausgesetzt sein können, sondern auch die optimale Sicherheitsausrüstung tragen. Das ist auf dem DC-Lichtbogen-Etikett angegeben, das an der Vorderseite jedes Verteilerkastens oder jeder Schalttafel angebracht ist.

Das DC-Lichtbogen-Etikett

Ein von HyTEPS entwickeltes Etikett zeigt die Ergebnisse der DC-Lichtbogensimulation in Kurzform an (einschließlich der Gefahrenkategorie und der erforderlichen PSA). Es handelt sich um einen Richtwert, da kein direkter Bezug zu einer Norm oder Leitlinie besteht. Die Informationen auf dem Etikett beruhen auf dem Fachwissen von HyTEPS über die Gefahren von Wechselstromlichtbögen und auf neueren Studien über die Gefahren von Gleichstromlichtbögen.

Allgemeine Informationen:

  • Warnhinweis: Lichtbogengefahr
  • Angabe Verteilerkasten
  • Art des Lichtbogens: Gleichstrom (DC)
  • Zur Berechnung verwendete Methode
  • Datum der Simulation
  • ISO-Nummer: einmalig für jedes Etikett
  • Kundenlogo
  • HyTEPS-Logo
  • Warnhinweis: Hinweis, dass die Informationen auf dem Etikett auf einem Simulationsbericht/einer Lichtbogenstudie beruhen, und die Ergebnisse durch Anpassungen der Systemkonfiguration oder der Ausrüstung ungültig werden.

Informationen zum DC-Lichtbogen:

  • Schockgefahr beim Entfernen der Abdeckung
  • Stromstärke Lichtbogen
  • Bei der Simulation berücksichtigter Arbeitsabstand
  • Auftretende Energie aufgrund eines Gleichstrombogens, je nach dem Ort des Lichtbogens, d. h. in einem Gehäuse (in einem Schrank mit offener Tür) oder im Freien (ohne Schrank).

HyTEPS ist Experte für Simulationen von Lichtbögen

 

Wir informieren Sie gerne über die Möglichkeiten durch Simulation und die Berichterstattung. Wir streben danach, auf Ihre Situation zugeschnittene Berichte und Ratschläge zu erstellen, die direkt anwendbar sind und die Sicherheit und Kontinuität bei Ihnen verbessern. So erhalten Sie einen guten Überblick über die Anlage, die ordnungsgemäße Funktion der Schutzeinrichtungen und die Antwort auf die Frage, ob die Anlage optimal ausgelegt ist – sowohl für den Normal- als auch für den Notbetrieb.

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