Bei Arbeiten an Ihren elektrischen Anlagen besteht unweigerlich die Gefahr eines Lichtbogens. Diese Gefahr besteht beispielsweise beim Öffnen eines unter Spannung stehenden Schaltschranks oder wenn sich Mitarbeiter in der Nähe von offenen Stromschienen oder Leitern aufhalten. Auch die Arbeit an einem spannungslosen Schrank, dessen Komponenten versehentlich noch unter Spannung stehen, stellt ein kritisches Risiko dar. Obwohl Lichtbögen relativ selten sind, können die Folgen für Ihre Mitarbeiter und Ihre Infrastruktur katastrophal sein.
In einem geschlossenen Raum baut sich ein Lichtbogen in einem Bruchteil einer Sekunde auf; dieser Vorgang dauert in der Regel einige Millisekunden bis zu einer halben Sekunde. Während dieser extrem kurzen Zeit baut sich der Druck kontinuierlich weiter auf. Die genaue Dauer dieses Vorgangs hängt in hohem Maße von der Strom-Zeit-Kennlinie und der Reaktionsgeschwindigkeit Ihrer Schutzeinrichtungen, wie z. B. Sicherungen oder Schutzschalter, ab. Innerhalb dieser Zeitspanne kann der Druck im Raum auf ein Vielfaches des normalen atmosphärischen Drucks ansteigen.
Dieser Druckaufbau ist für alle Personen in der Umgebung besonders gefährlich und kann sogar zur vollständigen oder teilweisen Zerstörung von Gebäuden führen. In Sekundenschnelle kann alles in einem bestimmten Radius zerstört werden. Fenster zerbrechen, Holz splittert und selbst schweres Mauerwerk und Metall kann brechen. Praktische Messungen zeigen, dass bereits ein Anstieg des Luftdrucks um 20 % ausreicht, um Wände zu zerstören. Aus Sicherheitsgründen ist es daher notwendig zu berechnen, wie sich diese Druckwelle aufbaut und welchen Druck ein Mensch in einer bestimmten Entfernung erfährt.
Viele Gebäude wurden ursprünglich nicht speziell für die schweren elektrischen Anlagen konzipiert, die sie heute beherbergen. Außerdem sind sich die Menschen nicht immer bewusst, wie zerstörerisch ein Lichtbogen ist, und sind sich nicht bewusst, dass übertriebene Sparsamkeit beim Bau das Schadensrisiko erheblich erhöhen kann. Die Verwendung von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) ist zwar unerlässlich, um unmittelbare thermische Gefahren zu mindern, aber ebenso wichtig ist es, den Druckaufbau zu verstehen, um strukturelle Schäden zu verringern.
Die Vorhersage des Verhaltens dieser Störlichtbögen durch genaue Berechnungen trägt direkt zur Sicherheit bei, da Sie einen genauen Einblick in die Risiken erhalten und lernen, wie Sie diese minimieren können. Das Volumen Ihres Gebäudes oder Raums ist dabei sehr wichtig. Je nach verfügbarem Volumen kann ein Lichtbogenstoß Mitarbeiter wegdrängen oder sogar zur völligen Auflösung von physischen Strukturen wie Motorentafeln und ganzen Räumen führen. Schalttafeln sollten idealerweise so konstruiert sein, dass sie einem Lichtbogenstoß standhalten. Bei offen angeordneten Schränken wird der Druck nach allen Seiten hin freigesetzt, so dass das umgebende Gebäude oder der Raum wie eine neue Kammer wirkt.
Durch die Berücksichtigung von Störlichtbogenszenarien bereits in der Planungsphase einer Anlage können Sie geeignete Maßnahmen ergreifen. So können beispielsweise bauliche Elemente verändert oder verstärkt werden, und es können Entlüftungswege definiert werden, durch die der Druck mit minimalen Schäden entweichen kann. Es lohnt sich auf jeden Fall, diese Berechnungen für Schaltschränke durchzuführen, denn so kann man die Auswirkungen eines Störlichtbogens sicher abschätzen.
Während der Schwerpunkt in der Industrie traditionell auf der thermischen Energie eines Lichtbogens liegt, wurden die damit verbundenen Lichtbogensprengungen bisher relativ wenig erforscht. Ein Lichtbogenstoß dehnt sich von seiner Quelle aus in drei Dimensionen aus. Die Quantifizierung dieses Drucks ist definiert als eine Kombination aus dem erwarteten Anfangsdruck zum Zeitpunkt der Entstehung des Lichtbogens und dem weiteren Druckanstieg bis zum vollständigen Erlöschen des Lichtbogens.
Obwohl die Methoden zur Untersuchung von Lichtbogensprengungen weniger etabliert und allgemein anerkannt sind als die zur Berechnung thermischer Lichtbögen, gibt es Ansätze, die auf wissenschaftlichen Studien und Veröffentlichungen beruhen. Diese Ansätze erfordern ein genaues Verständnis der damit verbundenen Annahmen, Einschränkungen und Diskrepanzen.
Für eine "normale" Störlichtbogenmessung (die darauf abzielt, die richtige PSA auf der Grundlage von Energiewerten zu bestimmen) sind hauptsächlich Angaben zum Schaltschrank und zur Installation erforderlich. Eine Störlichtbogenberechnung erfordert jedoch mehr: Sie benötigen auch detaillierte Gebäudedaten, einschließlich Layout, Abmessungen und Volumen. Die Ergebnisse dieser Berechnungen zeigen genau, welche Energiewerte zu erwarten sind und welche Drücke in einem Gebäude auftreten werden, einschließlich der Kräfte, die an verschiedenen Orten und in verschiedenen Abständen auftreten.
Um die Theorie in Ihre Praxis zu übertragen, erläutern wir zwei Fälle, in denen der Druckanstieg bei Lichtbogensprengungen auf der Grundlage von Messungen und Dokumentationen genau berechnet wurde. Diese Analysen führen zu gezielten Empfehlungen, um die Folgen eines Störfalls zu mindern. In diesem Zusammenhang ist es von entscheidender Bedeutung zu erwähnen, dass die Optimierung des Zeitpunkts der Lichtbogenabschaltung den Gesamtdruckpegel direkt reduziert. Die Exposition einer Person wird außerdem durch die erste Explosion und den üblichen Arbeitsabstand zur Anlage beeinflusst.
In dieser Situation wurde ein neues Gebäude mit einem Kurzschlussstrom von 8,77 kA am Anschlusspunkt an das öffentliche Netz angeschlossen. Über einen 630-kVA-Transformator mit einem Kurzschluss-Uk-Wert von 6 % wurde die Spannung auf 400 V reduziert. Die Herausforderung bestand darin, dass auf der Mittel- oder Niederspannungsseite des Transformators, der sich in einem Raum innerhalb eines großen Gebäudes befand, möglicherweise ein Lichtbogen entstehen konnte. Der Kunde wollte sicher sein, dass die vom Bauherrn spezifizierten Wände und der installierte Schutzschalter tatsächlich verschiedenen Lichtbogenszenarien standhalten würden. Für die Berechnung des Lichtbogendrucks am Transformator war es wichtig, die Abmessungen des Raums und den Abstand zwischen den Elektroden (sowohl für Mittel- als auch für Niederspannung) zu bestimmen.
Empfehlungen von HyTEPS:
In diesem Fall ging es um einen 5-MW-Kessel, der sich neben einem Treppenhaus befand und über einen offenen Schaltkasten mit oben liegenden Elektroden mit Mittelspannung versorgt wurde. HyTEPS-Berechnungen der einfallenden Energie, des anfänglichen Drucks, des Druckanstiegs, der Temperatur und der Wärmeübertragung zeigten, dass hohe Energieniveaus zu erwarten waren. Das große Volumen des Gebäudes hatte jedoch einen positiven Einfluss: Der Druck konnte nicht so stark ansteigen wie in einem kleinen Schrank. Der Hotspot der Temperatur lag an den Elektroden, wobei die Wärmeübertragung abnahm, je weiter der Gegenstand oder die Person vom Ort des Lichtbogens entfernt war. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu wissen, dass selbst ein Anstieg des atmosphärischen Drucks um nur 20 % buchstäblich Wände zerstören kann.
Empfehlungen von HyTEPS:
In der Praxis bedeutet die Berechnung und Entschärfung von Störlichtbögen eine grundlegende Erhöhung der Sicherheit und strukturellen Integrität Ihrer Anlage. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse geben Ihnen das Rüstzeug, um gezielt in die richtigen Schutzeinrichtungen und Entlüftungssysteme zu investieren. Gleichzeitig sorgen Sie für den Schutz Ihrer Mitarbeiter und verhindern katastrophale Sachschäden oder langwierige Produktionsausfälle nach einem Störfall. So sorgen Sie für eine sichere Anlage. Schließlich sollte sich niemand Sorgen um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Elektrizität machen müssen.
Möchten Sie tiefer in die Materie eintauchen?
Möchten Sie genau wissen, wie Sie die zerstörerischen Kräfte eines Störlichtbogens in Ihrer eigenen Anlage verstehen und kontrollieren können? Dann folgen Sie unserem Power Topic: Arc & Arc Blast: Von der Theorie zur Werkstatt. Darin teilen unsere Ingenieure praktische Analysen und Beispiele aus der Schwerindustrie.
Die Sicherheit Ihrer Mitarbeiter und die Kontinuität Ihrer Prozesse dulden keine Vermutungen. Da das Volumen des Raumes und die spezifische Strom-Zeit-Charakteristik die Auswirkungen bestimmen, reagiert jede elektrische Anlage anders auf einen Lichtbogen.
Die Situation rund um Ihre elektrische Sicherheit ist klar: Wenn Sie die Risiken im Voraus kennen, können Sie unvorhergesehene strukturelle Schäden vermeiden. Lassen Sie uns herausfinden, wie wir die physikalischen Risiken eines Störlichtbogens für Ihre spezielle Anlage berechnen und minimieren können.
