Auswahl der PSAgS in DC-Systemen

Status:

abgeschlossen 02/2018

Zielsetzung:

• Erarbeitung von direkten Inhalten der PSA-Normung und Arbeitstools der Gefährdungsbeurteilung
• Entwicklung, Aufbereitung und Erprobung von Leitlinien und Verfahren für die Auswahl von PSAgS

Aktivitäten/Methoden:

In den Untersuchungen sind folgende Schwerpunkte zu bearbeiten:

• Erarbeitung und Aufbereitung einer Anwenderrichtlinie zur Bestimmung der Erwartungswerte der Lichtbogenenergie und der Lichtbogenschutzklasse bei Störlichtbögen (Lichtbogenkurzschlüssen) in Niederspannungs-DC-Systemen
• Ableitung der Arbeitsschritte zur Auswahl der Persönlichen Schutzausrüstung gegen die thermischen Auswirkungen eines Störlichtbogens (PSAgS) in DC-Systemen
• Benennen der Anwendungsbereiche und -grenzen der Richtlinie
• Ermittlung der Bedingungen für die Ausbildung von stabilen Störlichtbögen und Störlichtbögen, die zu Personengefährdungen führen
• Ermittlung von Bedingungen, bei denen die Grenzwerte für das Einsetzen von Hautverbrennungen 2. Grades überschritten werden
• Erarbeitung von Anwendungsbeispielen (Beispielrechnungen)
• Nutzung als Teil bzw. Anlage in der DGUV 203-077

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 Anwendungsleitlinie DGUV Information 203-077 zur Gefährdungsbeurteilung (Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen - Hilfe bei der Auswahl der persönlichen Schutzausrüstung) zu erweitern und zu ergänzen.

Ergebnisse:

Die Basis der Messwerte bilden in vorangegangen Untersuchungen durchgeführte Versuchsreihen. Darin wurden Labormessungen an DC-Lichtbögen in einer Grundkonfiguration (vergleichbar mit dem Boxtest im AC-Prüfkreis) durchgeführt. Diese wurden zunächst analog zu Störlichtbogenversuchen im AC-Kreis ausgewertet, wobei prinzipielle Zusammenhänge zwi-schen Prüfstrom, Prüfleistung, elektrischer Lichtbogenenergie und direkter thermischer Einwirkenergie im DC-Stromkreis bestimmt wurden.

Im Rahmen dieser Arbeit ist die Auswertung der Messergebnisse systematisch weitergeführt und erweitert worden. Es wurden spezifische Auswerteskripte erstellt, welche explizit auf die Versuchsbedingungen und das Momentanwertverhalten der Messgrößen in DC-Prüfkreisen ausgelegt sind. Unter Verwendung dieser verbesserten Auswertemethodik wurden zunächst Kennwerte der Kurzschlussvorgänge und Kurzschlussstromverläufe bei metallischen Kurzschlüssen und Lichtbogenkurzschlüssen im Gleichstromkreis definiert sowie generelle Festlegungen für die Bestimmung der Lichtbogen-Kennwerte getroffen. Das gesamte Kurzschluss- bzw. Störlichtbogenereignis wurde dabei in verschiedene zeitliche Abschnitte (Phasen) unterteilt und alle elektrischen Lichtbogengrößen für jede dieser Phasen separat bestimmt und ausgewertet. Es wurde festgestellt, dass das Kurzschluss-/Störlichtbogenereignis in DC-Systemen generell in einen Ausgleichsvorgang, eine (quasi)stationäre Phase und in eine Ausschaltphase untergliedert werden kann. Der Ausgleichsvorgang ist abhängig von der Zeitkonstante τ des DC-Kreises und kann nach ca. 3…5 · τ als nahezu abgeschlossen betrachtet werden. Nach dieser Zeitdauer entsteht ein quasistationäres Verhalten der Lichtbogenkenngrößen, da sich ein Arbeitspunkt zwischen Lichtbogen und DC-Kreis eingestellt hat. Während dieser stationären Phase fließt bei metallischem Kurzschluss der prospektive Dauerkurzschlussstrom und bei Störlichtbogenkurzschluss der stationäre Lichtbogenstrom. Kommt es zu einem Selbstverlöschen des Lichtbogens oder wird dieser durch eine Schutzeinrichtung abgeschaltet, schließt sich der stationären Phase eine Ausschaltphase an, welche einen weiteren Ausgleichsvorgang darstellt. Während der Dauer dieser Phase wird der Strom zu Null geführt und der Kurzschluss-/Störlichtbogenvorgang ist beendet.

Es wurde aufgezeigt und begründet, dass die elektrischen Kenngrößen von DC-Störlichtbögen (U_LB, I_LB, P_LB) aus den gemessenen Momentanwertverläufen durch Mittelwertbildung über die stationäre Phase zu bestimmen sind. Diese Kennwerte entsprechen einem linearisierten Modell des Gleichstromkreises unter quasistationären Bedingungen. Werden dagegen Mittelwerte über das gesamte Ereignis gebildet, beeinflussen Zünd-, Ausgleichs- und Ausschaltvorgänge die Kenngrößenbestimmung und verfälschen die Lichtbogencharakteristik bei eingestelltem Arbeitspunkt. Die für jede Phase ermittelten Lichtbogenkenngrößen wurden außerdem für alle Messwerte im Verhältnis zueinander betrachtet. Dabei wurde fest-gestellt, dass der Anteil der elektrischen Energie während des Zündvorgangs (Abschmelzen des Zünddrahtes zwischen den Elektroden) in Relation zur gesamten Lichtbogenenergie vernachlässigbar gering ist. Da jedoch während des Ausgleichs- und Ausschaltvorgangs ebenso wie in der quasistationären Phase elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt wird, ist die gesamte Lichtbogenenergie als charakteristische Kenngröße zu betrachteten. Dies gilt insbesondere bei Korrelationsuntersuchungen zwischen der elektrischen Lichtbogenenergie und der direkten thermischen Einwirkenergie. Ein weiterer Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Bestimmung von Zusammenhängen zwischen den ermittelten Lichtbogenkenngrößen und deren Abhängigkeiten von den Netz- und Anlagendaten. Auf Grundlage der erweiterten Kennwertdefinitionen und Festlegungen wurden die Zusammenhänge überarbeitet und präzisiert. Die Auswertungen dieser Zusammenhänge ergaben, dass im Hinblick auf die erforderliche Allgemeingültigkeit eines Berechnungsalgorithmus zur Gefährdungsbeurteilung und PSAgS-Auswahl in DC-Systemen eine zweigeteilte Betrachtung zweckmäßig ist. Daher wurden einerseits Approximationsgleichungen für die elektrischen Lichtbogenkenngrößen abgeleitet, welche die genaue Bestimmung von Erwartungswerten der elektrischen Lichtbogenenergie im DC-Netz (DC-Anlage) anhand der Anlagenparameter zulassen und gewährleisten. Andererseits wurde der Zusammenhang zwischen der thermischen Einwirkenergie und der elektrischen Lichtbogenenergie bei DC-Lichtbogenexposition erweitert untersucht, um sowohl Schlussfolgerungen zu den generellen Einflüssen von Elektrodenmaterial, -form und -konfiguration ziehen zu können als auch Aussagen zu Schutzpegeln beim Einsatz von PSAgS in DC-Anlagen ableiten zu können.

Zur Ableitung von Modellgleichungen für die Bestimmung der elektrischen Lichtbogenkennwerte anhand von Netz- und Anlagenparametern wurde zunächst von einer Approximation des physikalischen Grundzusammenhangs der Lichtbogencharakteristik ausgegangen. Mithilfe der Grundgleichung nach Oppenlander/Stokes wurde für jeden Messwert der elektrischen Lichtbogengrößen ein Rechenwert erzeugt und ein direkter Vergleich von Mess- und Rechenwerten durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die mit der Bestimmungsgleichung aus der Literatur berechneten Werte sehr deutlich von den jeweiligen im Prüfkreis gemessenen Werten abweichen. Mithilfe einer Anpassung der Koeffizienten der Gleichung der Lichtbogencharakteristik wurde erreicht, dass der Zusammenhang von Lichtbogenspannung, Elektrodenabstand und Lichtbogenstrom in guter Übereinstimmung mit den Messwerten wiedergegeben werden kann. Da diese Bestimmungsgleichung jedoch die Kenntnis des Lichtbogenstroms voraussetzt, ist sie nur im Zusammenhang mit einer iterativen Bestimmung der Kenngrößen von DC-Störlichtbögen anhand der grundlegenden Netz- und Anlagenparameter anwendbar.

Des Weiteren sind die Zusammenhänge der elektrischen Lichtbogengrößen und deren Abhängigkeiten von den Anlagenparametern mithilfe einer Approximation mit multiplen linearen Regressionsgleichungen untersucht worden. Als grundlegende Netz- und Anlagenparameter, welche die Lichtbogengrößen maßgeblich beeinflussen, wurden dabei die Netzspannung U_N, der prospektive Dauerkurzschlussstrom I_k, der Elektrodenabstand d und die Kurzschlussdauer t_k gefunden. Es wurden verschiedene Approximations- bzw. Regressionsgleichungen entwickelt, bei denen die Anzahl der genannten Eingangs- bzw. Anlagenparameter variiert wurde. Um die Genauigkeit der abgeleiteten Regressionsgleichungen bewerten zu können, wurden neben dem Bestimmtheitsmaß die mittlere und die maximale Abweichung der mit den Gleichungen ermittelten Rechenwerte von den entsprechenden Messwerten bestimmt und diese miteinander verglichen. Die höchste Genauigkeit wurde bei der Verwendung der Regressionsgleichungen des Strombegrenzungsfaktors (k_B = f(U_N, I_k, d, t_k)) und des Spannungsfaktors (k_U = f(U_N, I_k, d, t_k)) zur Berechnung von Erwartungswerten der Lichtbogengrößen verzeichnet. Auf Grundlage dieser beiden empirischen Regressionsgleichungen lässt sich mit wenigen weiteren Schritten ein sehr genauer Erwartungswert im Vergleich zu den Messwerten der elektrischen Lichtbogenenergie W_LB bestimmen. Die mittlere Abweichung zwischen allen Rechen- und Messwerten der Lichtbogenenergie liegt dabei unter einem Wert von 10 %.

Auf Basis des linearisierten Modells im Arbeitspunkt (Mittelwerte des quasistationären Zustands) und des physikalischen Grundzusammenhangs der Lichtbogencharakteristik (Zusammenhang zwischen Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom für den Elektrodenabstand d) wurde außerdem ein iteratives Berechnungsverfahren der Lichtbogengrößen des Arbeitspunktes entwickelt und beschrieben. Für den physikalischen Zusammenhang der Lichtbogencharakteristik wurde dabei die oben genannte Grundgleichung mit den angepassten Koeffizienten verwendet. Bei diesem Iterationsverfahren werden in jedem Schritt Wertepaare der Lichtbogengrößen U_LB und I_LB mithilfe der Netzspannung, des prospektiven Kurzschlussstroms und des Elektrodenabstands ermittelt, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium erreicht wird. Für dieses Verfahren wurde ebenso ein Vergleich der rechnerisch ermittelten Werte mit den Messwerten der elektrischen Lichtbogenkenngrößen durchgeführt. Dabei stellte sich auch für das Iterationsverfahren eine hohe Genauigkeit der Erwartungswerte gegenüber den Messwerten heraus. Der Erwartungswert der elektrischen Lichtbogenenergie zeigte ähnlich wie beim Bestimmungsverfahren mittels Regressionsgleichungen im Mittel eine Abweichung von knapp unter 10 %.

Neben dem Bestimmungsverfahren mittels Regressionsgleichungen und dem iterativen Berechnungsmodell wurde zusätzlich das Prinzip des maximalen Leistungsumsatzes zur Generierung von Erwartungswerten der Lichtbogengrößen untersucht. Dabei wird unabhängig vom Elektrodenabstand ein theoretisches Maximum der Lichtbogenleistung bestimmt, welches 25 % der Kurzschlussleistung des DC-Kreises annimmt. Um eine Festlegung zur Bestimmung der Erwartungswerte der Lichtbogengrößen (dabei insbesondere die Lichtbogenenergie) zu treffen, wurden die drei beschriebenen Verfahren hinsichtlich Genauigkeit und Anwendbarkeit abschließend miteinander verglichen. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass das Prinzip des maximalen Leistungsumsatzes zwar für eine äußerst grobe Worst-case-Abschätzung der Lichtbogenenergie u. U. angewendet werden kann (mittlere Abweichung von 22 %), die anderen Lichtbogengrößen aufgrund der Vernachlässigung des Elektrodenabstands bei der Berechnung jedoch nicht ausreichend genau bestimmt werden können.

Die Anwendung des Bestimmungsverfahrens mittels Regressionsgleichungen liefert dagegen Erwartungswerte der Lichtbogengrößen mit der höchsten Genauigkeit. Diese Gleichungen sind jedoch rein empirischer Natur (basierend auf 135 DC-Störlichtbogenversuchen). Sie stellen keine physikalischen Zusammenhänge der Lichtbogengrößen mit den Anlagen- bzw. Eingangsparametern dar, sondern beinhalten zum Teil reine Anpassungsglieder an die Messwerte. Sie sind deshalb stark durch die Messdatenlage bestimmt und spiegeln zwar die Zusammenhänge der Größen im betrachteten Messwertebereich sehr gut wider. Für abweichende Parameterwerte kann die Gültigkeit der Regressionsgleichungen und die Genauigkeit der Erwartungswerte allerdings nicht beurteilt werden. Für eine Anwendung in einer Richtlinie zur Bestimmung der Lichtbogengrößen und zur Auswahl von PSAgS für DC-Systeme muss die Allgemeingültigkeit der Regressionsgleichungen erst noch betätigt werden. Weiterführende Untersuchungen sollten deshalb eine Verifizierung dieser empirischen Gleichungen für abweichende Eingangsparameter berücksichtigen. Dabei sollte eine systematische Variation in einem erweiterten Parameterbereich stattfinden.

Aufgrund der ähnlich hohen Genauigkeit wird das iterative Bestimmungsverfahren zur Berechnung der Erwartungswerte der elektrischen Lichtbogenenergie in DC-Systemen empfohlen. Da das Verfahren sich auf den physikalischen Grundzusammenhang der Arbeitspunkteinstellung hinsichtlich Lichtbogenspannung, Lichtbogenstrom und Elektrodenabstand im Gleichstromkreis bezieht, sollte eine allgemeingültige Anwendbarkeit möglich sein, auch wenn die Eingangsparameter außerhalb der messtechnisch untersuchten Wertebereiche liegen. Dennoch sollte eine Verifizierung und Validierung mithilfe zusätzlicher Messungen auch für dieses Verfahren in weiteren Untersuchungen berücksichtigt werden.

Die Ableitung einer multiplen Regressionsgleichung der Einwirkenergie (Bestimmung aus Netzspannung, Kurzschlussstrom, Elektrodenabstand und Kurzschlussdauer) liefert keine ausreichend genaue Beschreibung. Die Analysen des Zusammenhangs von thermischer Einwirkenergie und elektrischer Lichtbogenenergie zeigten, dass die Annahme eines allgemeingültigen linearen Zusammenhangs bzw. eines konstanten Verhältniswerts zwischen diesen Energiegrößen nur bedingt möglich ist. Die Einwirkenergie lässt sich damit nur äußerst ungenau ermitteln. Daher wurden nach Elektrodenform (plan, konisch) und -material (Cu-Cu, Cu-Al) differenzierte Regressionsgleichungen für den Zusammenhang zwischen Einwirkenergie und Lichtbogenenergie anhand der Messwerte abgeleitet. Auch für diese differenzierte Betrachtung wurde eine Vergleichsrechnung zwischen Rechen- und Messwerten der thermischen Einwirkenergie durchgeführt, wobei die Messwerte der elektrischen Lichtbogenenergie in die Gleichungen eingesetzt und somit Erwartungs- bzw. Rechenwerte für die Einwirkenergie bestimmt wurden. Dabei waren eine mittlere Abweichung von ca. 14 % und eine maximale Abweichung von ca. 78 % zwischen Rechen- und Messwerten zu verzeichnen. Bei einer Unterscheidung im Hinblick auf die oben genannten Elektrodenmaterialien und -formen lassen sich die Messwertzusammenhänge durch die Bestimmung der Einwirkenergie aus der Lichtbogenenergie zwar relativ genau abbilden. Bei davon abweichenden Materialien und Formen der Elektroden kann jedoch eine Allgemeingültigkeit der Korrelationsgleichungen nicht ohne weiteres vorausgesetzt werden.

Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Einwirkenergie aus der Lichtbogenenergie wurde auch die Anwendung der Gleichungen nach Wilkins untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Erwartungswerte der thermischen Einwirkenergie, welche damit aus den Messwerten der elektrischen Lichtbogenenergie bestimmt wurden, den messtechnisch erfassten Zusammenhang von Einwirkenergie und Lichtbogenenergie nicht widerspiegeln bzw. nur äußerst ungenaue Einwirkenergiewerte im Vergleich zu den Messwerten liefern. Eine Anwendung dieser Methode in einer Richtlinie zur Auswahl von PSAgS ist daher nicht zielführend.

Die praktisch am besten geeignete Möglichkeit für eine allgemeingültige Gefährdungsbeurteilung von DC-Störlichtbögen und die Ableitung von Empfehlungen für die Auswahl der PSAgS besteht auch für den DC-Bereich darin, Schutzpegel für die PSAgS in Form von äquivalenten Lichtbogenenergiewerten zu ermitteln. Die aus den Anlagenparametern errechneten Erwartungswerte der elektrischen Lichtbogenenergie (iterative Bestimmung von Lichtbogenstrom, Lichtbogenspannung und Lichtbogenleistung für den betreffenden DC-Stromkreis und Multiplikation der Lichtbogenleistung mit der Kurzschlussdauer) werden dann diesen Schutzpegeln gegenübergestellt. Das entspricht der Betrachtungsweise zum Auswahlverfahren im AC-Bereich. Diese Vorgehensweise empfiehlt sich, da sich nahezu identische Verhältniswerte E_i0/W_LB unter AC- und unter DC-Standardprüfbedingungen ergaben (sowohl bei Schutzklasse APC 1 als auch APC 2). Unter der Voraussetzung, dass die PSA in den Materialeigenschaften identisch auf den AC- und DC-Störlichtbogen reagiert, können die AC-Prüfpegel der PSA generell auch für die Umrechnung auf DC-Schutzpegel verwendet werden. Weiterhin wurde eine annähernd umgekehrte quadratische Proportionalität der direkten thermischen Einwirkenergie zum Wirkabstand a für bestimmte Eingangsparameter nachgewiesen. Dies erlaubt für die Betrachtung in Gleichstromsystemen ebenso analoge Umrechnungsbedingungen der PSA-Schutzpegel für abweichende Wirk- bzw. Arbeitsabstände wie bei AC-Bedingungen.

Anhand der beschriebenen Erkenntnisse dieser Untersuchungen wurde ein prinzipieller Algorithmus für die PSAgS-Auswahl in DC-Systemen entwickelt; die Arbeitsschritte sind dargestellt und erläutert. Dieses Auswahlverfahren ist grundsätzlich für die Aufnahme in eine Leitlinie zur PSA-Auswahl geeignet. Zur Präzisierung und Erweiterung der Ergebnisse und Anwenderempfehlungen sind jedoch weitere Untersuchungen mit folgenden Schwerpunkten vorzunehmen:

• Überprüfung der DGUV Information 203-077 im Hinblick auf notwendige Ergänzungen für die Berücksichtigung von DC-Störlichtbögen
• Bestimmung von Transmissionsfaktoren der Wärmeübertragung in Abhängigkeit von den Expositionsbedingungen für den DC-Bereich
• Präzisieren der Bedingungen, unter denen stabile Störlichtbögen und Hautverbrennungen 2. Grades ausgeschlossen werden können
• Einfluss der Zeitkonstante des DC-Systems
• Übertragbarkeit der Modellgleichungen auf DC-Störlichtbögen im Kurzzeitbereich (kurze Lichtbogendauer bzw. hoher Verhältniswert von τ/t_k)
• Aufbereitung von Anwenderregeln für den Einsatz von Schmelzsicherungen (NHgG, NHgR, NHgPV) bzw. die koordinierte Anwendung von Schmelzsicherungen und PSAgS zur Absicherung eines ausreichenden Personenschutzes
• Übertragbarkeit der Prüf- und Schutzpegel von PSAgS aus der AC-Prüfung auf DC-Anwendungen.

Mithilfe der Klärung dieser Schwerpunkte lässt sich das Auswahlverfahren präzisieren und in seinem Anwendungsbereich erweitern. Damit kann der Forderung nach praktischen Leitlinien und Anwenderhilfen für die Auswahl von PSAgS in Gleichstromsystemen durch eine direkte Aufnahme in die DGUV Information 203-077 nachgekommen werden.

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