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Beim Betrieb elektrischer Anlagen müssen die entsprechenden Sicherheitsstandards eingehalten werden. Fehler wie Lichtbögen können so gefährlich werden, dass sie schwere Schäden an Personen und Sachen verursachen, in manchen Fällen sogar zum Tod führen. Ein Lichtbogen entsteht, wenn Strom durch die Luft zwischen den Phasenleitern fließt und dabei eine große Menge thermischer Energie in Form von Strahlungs-, Konvektions- und Leitungswärme freigesetzt wird.
Die menschliche Haut ist anfällig für Verbrennungen zweiten Grades, wenn sie einer Energie von mehr als 1,2 cal/cm2 ausgesetzt ist. Aus diesem Grund müssen bei der Entwicklung von Schutzsystemen und der Auswahl von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) zum Schutz von Personen, die an elektrischen Anlagen arbeiten, unbedingt Lichtbogenstudien durchgeführt werden.
In den verschiedenen Normen werden unterschiedliche Methoden zur Berechnung der einfallenden Lichtbogenenergien und -ströme verwendet, und es werden unterschiedliche Anforderungen an den Arbeitsabstand gestellt.
In diesem Artikel wird eine vollständige AC-Lichtbogenberechnung für eine Industrieanlage Schritt für Schritt erläutert.
IEEE Standard 1584 Methode und Einschränkungen
Die IEEE 1584-2018 [1] bietet ein analytisches Verfahren zur Berechnung des Lichtbogenstroms, der einfallenden Energie und der Lichtbogengrenze für die Lichtbogenanalyse. Diese Methode kann für die folgenden Systemspannungen und verschraubten Fehlerströme verwendet werden,
Dreiphasige Wechselstromsysteme mit Spannungen von 208 V bis 15 kV
Abgeschraubte Fehlerströme zwischen 500 A und 106 kA (für 3-Phasen-Spannungen 208 V bis 600 V)
Abgeschraubte Fehlerströme zwischen 200 A und 65 kA (für 3-Phasen-Spannungen 601 V bis 15 kV)
Beispiel für eine Lichtbogenberechnung
Betrachten wir ein Niederspannungsnetz, das von einem 11/0,4 kV, 250 kVA Transformator in der Hauptschalttafel über ein einadriges 185 mm2 Cu-Kabel versorgt wird. Es ist über ein einadriges 95-mm2-Cu-Kabel mit einer Verteilertafel verbunden. Die Lasten 0 und 1 mit einem Nennstrom von jeweils 45 A werden von der Verteilertafel über ein einadriges Cu-Kabel von 16 mm2 gespeist. Der primäre Fehlerpegel beträgt 15 kA. Das System wurde mit dem LV-Netzkalkulator der ELEK Cable Pro Web Software modelliert; ein Einlinien-Diagramm des beschriebenen Netzes ist in Abbildung 1 dargestellt.
Erforderliche Eingaben für eine Störlichtbogenstudie (IEEE 1584:2018)
Arbeitsabstand
Der Arbeitsabstand ist der Mindestabstand zwischen elektrischen Geräten, Leitern und Personen, der die Sicherheit gewährleistet. IEEE 1584:2018 [1] empfiehlt einen Mindestarbeitsabstand von 304,8 mm (12 Zoll). Bei einem geringeren Abstand könnte der Arbeiter in den Bereich der Plasmawolke des Lichtbogens und der Metalltropfen gelangen.
Wenn der Arbeitsabstand nicht bekannt ist, können sich die Benutzer an den typischen Arbeitsabständen für verschiedene Geräteklassen orientieren, die in IEEE 1584:2018 [1] angegeben sind, wie in Abbildung 2 dargestellt. Diese sind als Richtlinien zu verstehen, und je nach Aufgabe können andere Arbeitsabstände verwendet werden.
Elektrodenkonfiguration
Weitere wichtige Faktoren, die bei der Berechnung des Störlichtbogens nach IEEE 1584:2018 [1] berücksichtigt werden, sind die Auswirkungen der Elektrode, der Elektrodenkonfiguration und der Abmessungen der Umhüllung auf den Lichtbogen. Die Konstruktion der Umhüllung kann die Schwere des Störlichtbogens bis zu einem gewissen Grad verringern oder erhöhen, und realistische Werte der einfallenden Energie im Arbeitsabstand müssen bei der Berechnung der Störlichtbogengrenze berücksichtigt werden. Eine übermäßige Menge an einfallender Energie würde zu einer höheren Störlichtbogengrenze und zu PSA-Anforderungen führen, die möglicherweise nicht erreichbar sind.
Die verschiedenen Elektrodenkonfigurationen gemäß IEEE sind VCB (Vertikale Elektroden, Metallgehäuse), VCBB (Vertikale Elektroden mit einer isolierenden Barriere, Metallgehäuse), HCB (Horizontale Elektroden, Metallgehäuse), VOA (Vertikale Elektroden, Freiluft) und HOA (Horizontale Elektroden, Freiluft), wie in Abbildung 3 dargestellt.
Abmessungen des Elektrodenspalts und des Gehäuses
Der Abstand zwischen den Leiterelektroden ist bei Niederspannungsanlagen kleiner und bei Mittel- und Hochspannungsanlagen größer. In Abbildung 4 sind die typischen Elektrodenabstände und Gehäusegrößen für das Störlichtbogenmodell nach IEEE 1584:2018 [1] dargestellt. Es ist vorzuziehen, die tatsächlichen Spaltmaße der installierten Anlage zu verwenden, die jedoch nicht immer verfügbar sind. In diesem Fall können die typischen Spaltmessungen annähernd korrekte Werte liefern. Alternativ kann sich der Benutzer auf die typischen Abstände in NFPA 70E: Standard for Electrical Safety in the Workplace [2] beziehen, die in Abbildung 5 dargestellt sind.
In diesem Beispiel hat die Hauptverteilerschalttafel einen Elektrodenabstand von 32 mm und die Verteilerschalttafel einen Abstand von 25 mm, wie in der Tabelle IEEE 1584 angegeben. Die entsprechenden Gehäusegrößen, 508 mm x 508 mm x 508 mm und 355,6 mm x 304,8 mm x 203,5 mm, werden für die Haupt- bzw. Verteilerschalttafeln gewählt.
Versorgungsspannung
Die Versorgungsspannung ist die dreiphasige Wechselspannung an der Schaltanlage, die in diesem Beispiel 400 V beträgt.
Geschraubter Fehlerstrom
Mit einer Fehlerpegelstudie oder -berechnung kann der verschraubte Fehlerstrom ermittelt werden. Typische Fehlerstromwerte gemäß IEEE 1584: 2018 [1] sind wie folgt:
208 bis 600 V: bis zu 106 kA
601 bis 15 kV: bis zu 65 kA
Die voraussichtlichen Bolzenfehlerströme sind bereits für jede Schalttafel im Problem definiert.
Abgeschalteter Fehlerstrom an der Hauptschalttafel = 7,56 kA
Abgeschalteter Fehlerstrom am Verteilerschrank = 5,70 kA
Bogen Dauer
Die Lichtbogendauer wird aus der Zeit-Strom-Kennlinie des Schaltanlagen-Schutzgeräts ermittelt, wenn der Lichtbogenstrom ausgelöst wird. Sie hängt vom Typ des Schutzgeräts - MCB, MCCB, ACB oder Sicherung - und von den Geräteeinstellungen ab. Daher ist es sehr wichtig, diese Informationen zu kennen, bevor Sie mit der Berechnung des Störlichtbogens fortfahren. Die folgenden Geräte werden für jede untersuchte Schalttafel verwendet:
Hauptschalttafel: Generischer ACB, 160-400 A, elektronische LSI
Verteilerschalttafel: Generischer ACB, 100-250 A, elektronische LSI
Wenn keine Schutzeinrichtung vorhanden ist oder der Fehler nicht durch die Schutzeinrichtung gelöscht wird, wird eine maximale Lichtbogendauer von 2 Sekunden berücksichtigt. Dies basiert auf Abschnitt 6.9.1 von IEEE 1584:2018 [1], der besagt, dass 2 Sekunden eine angemessene Annahme dafür sind, wie lange sich eine Person wahrscheinlich vom Ort des Lichtbogens entfernt.
Für das betrachtete Beispiel beträgt die Fehlerbeseitigungszeit auf der Grundlage der Zeit-Strom-Kurve für beide Schalttafeln 110 ms. Das bedeutet, dass beim Auftreten des voraussichtlichen Fehlerstroms für die Hauptschalttafel (7,56 kA) und die Verteilerschalttafel (5,70 kA) die Schutzeinrichtungen 110 ms benötigen, um den Fehler auszulösen und zu löschen.
Reduzierte Lichtbogendauer
IEEE 1584:2018 [1] berechnet auch einen reduzierten Lichtbogenstrom und eine reduzierte Einfallsenergie. Damit soll die Auswirkung der Lichtbogenstromschwankungen auf den Betrieb der Schutzeinrichtungen berücksichtigt werden. Die Schutzgeräte sind so eingestellt, dass sie bei einem Anstieg des Fehlerstroms schneller auslösen. Umgekehrt würde es bei einem niedrigeren Lichtbogenstrom länger dauern, bis die OCPD auslöst, was eine längere Lichtbogendauer zur Folge hätte. Infolgedessen kann die Auftretendenergie (= Lichtbogenstrom2 * Zeit) höher und für das Personal gefährlicher sein. Daher wäre eine strengere persönliche Schutzausrüstung (PSA) erforderlich.
Die Ergebnisse für die Einfallsenergie und die Lichtbogengrenze, die mit dem Lichtbogenstrom und dem reduzierten Lichtbogenstrom ermittelt wurden, können voneinander abweichen. Die endgültige Einfallsenergie oder Lichtbogengrenze ist der höhere der beiden berechneten Werte.
Ergebnisse der Störlichtbogenstudie
Ergebnisse zu Lichtbogenstrom, einfallender Energie und Lichtbogengrenzwerten
Tabelle 1 zeigt die Lichtbogenergebnisse für die Haupt- und Verteilerschalttafeln.
Tabelle 1. Ergebnisse der Lichtbogenberechnung
| Parameter | Hauptschalttafel | Verteilerschalttafel | Lichtbogen-Grenze (mm) |
|---|---|---|
| 451 | 279 | |
| Lichtbogen-Grenze (mm) | 490 | 302 |
| Auftreffende Energie (cal/cm2) | 0.743 | 0.544 |
| Auftreffende Energie (cal/cm2) | 0.846 | 0.620 |
| Reduzierter Lichtbogenstrom (kA) | 4.424 | 3.389 |
| Lichtbogenstrom (kA) | 5.071 | 3.885 |
| PSA-Anforderungen | Kategorie 1 | Kategorie 1 |
Es werden Lichtbogenströme und reduzierte Lichtbogenströme sowie die entsprechenden Auftretendenergien berechnet. Die einfallende Energie ist bei den Verteilerschalttafeln geringer, da der geschraubte Fehlerstrom geringer ist. Dementsprechend ist auch die Störlichtbogengrenze für die Verteilerschalttafeln geringer. In diesem Beispiel geben die Schalttafeln dieselbe Kategorie und Lichtbogeneinstufung für PSA an. Es ist auch möglich, dass verschiedene Schalttafeln auf der Grundlage der berechneten Einfallsenergien unterschiedliche PSA-Anforderungen haben.
Persönliche Schutzausrüstung (PSA)
Persönliche Schutzausrüstung (PSA), wie z. B. lichtbogenfeste Hemden, Overalls, Gesichtsschutz, Schutzbrillen usw., schützt das Personal, das potenziellen Lichtbogenblitzen ausgesetzt ist. Die Mindestanforderungen an die PSA hängen von der berechneten Einfallsenergie ab. Um konservative PSA-Anforderungen festzulegen, verwendet IEEE 1584:2018 [1] die höchsten für Lichtbögen und reduzierte Lichtbogenströme berechneten Einfallsenergien.
Die Methode IEEE 1584:2018 [1] berechnet die einfallende Energie und bestimmt die Lichtbogengrenze (AFB). Die AFB bezeichnet den Abstand von der Lichtbogenquelle, bei dem die einfallende Energie 5 J/cm2( entspricht 1,2 cal/cm2) erreicht. Dieser Abstand ist der Mindestarbeitsabstand für Geräte, der den Raum zwischen der Lichtbogenquelle und dem ihr ausgesetzten Personal darstellt und für die Vermeidung von Verletzungen von wesentlicher Bedeutung ist. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass eine Einstrahlungsenergie von mehr als 5 J/cm2 Verbrennungen zweiten Grades verursachen kann.
Für das Beispielproblem sind die berechneten Einfallsenergien:
Hauptschalttafel: 0,846 cal/cm2
Verteilerschalttafel: 0,620 cal/cm2
Als Kategoriequelle für die PSA wird der Leitfaden für das Management von Störlichtbogengefahren [3] verwendet. Nach dieser Richtlinie fallen sowohl die Haupt- als auch die Verteilerschalttafeln unter Kategorie 1 der PSA-Kategorien, die PSA für Einwirkenergien bis zu 4 cal/cm2 vorschreiben.
Kategorie 1 erfordert die Verwendung der folgenden PSA:
Langärmeliges Hemd mit Lichtbogenklassifizierung
Lichtbogenfeste Hosen oder Latzhosen
Lichtbogentauglicher Gesichtsschutzschild mit Schutzhelm
Schutzbrille
Gehörschutz
Leder- und Spannungsfeste Handschuhe (je nach Bedarf)
Arbeitsschuhe aus Leder
Persönliche Schutzausrüstung (PSA)
Die Lichtbogen-Warnschilder werden auch auf der Grundlage der PSA-Kategorie erstellt, unter die die Ausrüstung fällt. Die Vorlage hängt von der Bezugsnorm ab. Für dieses Problem wird die Vorlage der Electrical Arc Flash Hazard Management Guideline [3] verwendet.
Die Abbildungen 7 und 8 zeigen die für die Haupt- und Verteilerschalttafeln erforderlichen Lichtbogen-Warnschilder unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Lichtbogenberechnung.
Empfehlungen
Eine Kurzschlussstudie ist eine Voraussetzung für eine Lichtbogenberechnung, da die berechneten Lichtbogenströme und die einfallenden Energien von dem voraussichtlichen Kurzschlussstrom abhängen, der in einer Schalttafel auftreten würde.
Die Ergebnisse einer Schutzkoordinationsstudie sollten ebenfalls vor den Lichtbogenberechnungen vorliegen, da die Einstellungen der Schutzgeräte die Fehlerbeseitigungszeit für jede Schalttafel bestimmen und damit die Lichtbogendauer festlegen. Wenn keine Schutzkoordinationsstudie verfügbar ist, kann eine maximale Lichtbogendauer von 2 Sekunden auf der Grundlage von IEEE 1584:2018 [1] berücksichtigt werden.
Die Durchführung von Lichtbogenberechnungen hilft bei der Ermittlung der Bereiche mit hohem Lichtbogenrisiko. Die Ergebnisse dieser Berechnungen helfen bei der Bestimmung der folgenden Punkte:
Legen Sie Schutzgrenzen (Lichtbogengrenzen) fest, an denen Verbrennungen zweiten Grades wahrscheinlich sind.
Identifizierung geeigneter Warnschilder, um die von den unter Spannung stehenden Geräten ausgehenden Risiken zu mindern
Festlegung einer angemessenen persönlichen Schutzausrüstung (PSA) zur Vermeidung von Verletzungen
IEEE 1584:2018 [1] verfügt über zusätzliche Verfahren zur Berechnung von Störlichtbogenströmen und -energien auf der Grundlage einer reduzierten Lichtbogendauer, die hauptsächlich auf die unterschiedlichen Ansprechzeiten von Schutzeinrichtungen zurückzuführen ist. Damit soll berücksichtigt werden, dass höhere Fehlerpegel die Geräte schneller auslösen und umgekehrt, was zu einer höheren Einwirkenergie (I2t) führen kann. Sowohl der Lichtbogenstrom als auch die Lichtbogendauer stehen in direkter Proportionalität zur Einfallenergie. Die höheren Werte für die einfallende Energie und die Lichtbogengrenze, die sich aus dem Lichtbogenstrom und dem reduzierten Lichtbogenstrom ergeben, werden als Endwerte verwendet.
Der LV-Netz-Rechner von ELEK Cable Pro Web kann Lichtbogenberechnungen für ein modelliertes Netz durchführen. Kurzschlussströme für jedes Betriebsmittel werden automatisch auf der Grundlage des Fehlerpegels an der Quelle berechnet, während er sich stromabwärts ausbreitet. Die Lichtbogendauer basiert auch auf den Schutzeinstellungen der relevanten Schutzgeräte.
Tipps und Anregungen
Wenn keine Werkstattzeichnungen der Schaltanlage verfügbar sind, kann IEEE 1584:2018 [1] typische Werte für Arbeitsabstände, Elektrodenabstände und Gehäusegrößen liefern.
In Fällen, in denen die Daten über die Schutzeinstellungen und die Fehlerbeseitigungszeiten nicht bekannt sind, kann für die Berechnungen eine konservative Lichtbogendauer von 2 Sekunden zugrunde gelegt werden.
Bei den Berechnungen muss auch eine geringere Lichtbogendauer berücksichtigt werden, die zu höheren Einfallsenergien und Störlichtbogengrenzen führen kann. In diesem Fall kann eine höhere PSA-Kategorie und ein höheres Warnschild erforderlich sein. Auch ein höherer Grenzwert für Störlichtbögen könnte empfehlenswert sein.
Referenzen
[1] IEEE 1584:2018: IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations
[2] NFPA 70E: Standard für elektrische Sicherheit am Arbeitsplatz
[3] Leitfaden für das Management von Gefahren durch elektrische Störlichtbögen
[4] ELEK Cable Pro Web Software, Version 7.0 (2024).
