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Auswirkungen von Störlichtbogen

Das Auftreten von Störlicht­bogen wird durch 

  • den Einsatz zuverlässiger Schaltgeräte
  • sinnvollen Einbau dieser Schaltgeräte
  • sorgfältige Qualitäts­sicherungsmaßnahmen bei fabrikfertigen, typgeprüften Schaltfeldern weitestge­hend ausgeschlossen.

 

Dennoch sind Störlichtbo­gen auch nicht mit absoluter Sicherheit zu vermeiden. Äußere Einwirkungen, Mate­rialfehler, unsachgemäße oder mangelhafte Wartung und schließlich menschli­ches Versagen können als Gefahrenfaktoren auftreten. 

 

Um die Auswirkungen von Störlichtbogen zu vermin­dern und vor allem Men­schen vor Schäden zu schützen, müssen die Schaltfelder mechanisch entsprechend ausgelegt sein. 

 

Diese Sicherheitsmaßnah­men dürfen jedoch nicht nur auf die Schaltfelder be­schränkt bleiben. Der im Falle eines Störlichtbogens auftretende Druck baut sich über die Druckentlastungs­öffnungen in den Schaltan­lagenraum ab und erhöht dort den Druck. 

 

Das Lichtbogenwächter­system LWS ist mit licht­empfindlichen Sensoren ausgerüstet, die das Auftre­ten innerer Lichtbogen sofort erkennen. 

 

Das bedeutet, die Einwirk­dauer des Störlichtbogens wird erheblich verkürzt und damit der Gasausstoß aus dem Schaltfeld reduziert. 

Die Folge: 

 

Geringere thermische Bean­spruchung der Schaltfelder. Verminderte Druckerhöhung im Schaltanlagengebäude. Weniger Verrußung von Anlagen und Schalträumen. Herabsetzung des Aus­stoßes toxischer Gase. Ver­ringerung der Schadensaus­wirkung innerhalb der Schaltanlage durch Vermei­dung der Thermophase. 

 

In der DIN VDE 0670, Teil 6, wurde festgelegt, eine größt­mögliche Personensicherheit anzustreben. Das heißt, Störlichtbogen sollen entwe­der gänzlich vermieden oder die Dauer der Auswirkungen begrenzt werden. 

 

Dazu können nach DIN VDE 0670, Teil 6, Tabelle AAZ, lichtempfindliche Detektoren eingesetzt werden. Die Ein­haltung der Störlichtbogen­sicherheit nach DIN VDE 0670, Teil 601, ist damit ohne sonstige Zusatzmaß­nahmen in vielen Fällen möglich. 

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Gefährdung der Festigkeit von Schaltanlagen infolge der Druckerhöhung.
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Thermische Beanspruchung der Schaltfelder durch Wär­meabgabe des Störlicht­bogens.
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Personengefährdung durch direkte Lichtbogenstrahlung und nach Beschädigung der schützenden äußeren Um­hüllung.
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Personengefährdung auf­grund des Ausstoßes von heißen, toxischen Gasen, Zersetzungsprodukten und leitfähigen Metalldämpfen.
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Ablage leitfähiger Verbren­nungsprodukte (Ruß) im Schaltfeld. Die Folge ist eine Verminderug des lsolations­pegels der Schaltanlage.
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Verqualmung der Schaltan­lage und des Schaltanlagen­raumes. Beeinträchtigung der Sichtverhältnisse.
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Ein über der Schmerzgrenze liegender Schallpegel.
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Sekundärschäden durch Weiterbrennen von Isolier­stoffen mit Einwirkung auf Personen, Mauerwerk und Betonarmierung.

Ablauf eines Störlichtbogenereignisses in einem gekapselten Schaltfeld

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1. Kompressionsphase mit max. Überdruck
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2. Expansionsphase mit abklingendem Druck
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3. Emissionsphase mit Aus­stoß der erhitzten Luft
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4. Thermophase mit dem Ausstoß von Metall und Isolierstoffdämpfen

Diese Anforderungen erfüllt das System LWS

Erkennung des Störlicht­bogens in seiner Entste­hungsphase und Schnell­abschaltung 

Erkennen durch lichtemp­findliche Sensoren und Schnellabschaltung über Leistungsschalter.

 

Höchstmöglicher Perso­nenschutz

Die Schnellabschaltung nach 0,1 Sekunden vermindert die Beanspruchung der Schaltanlage und verringert den Gasausstoß. 

 

Schutz des Schaltanlagen­gebäudes

Der geringe Gasausstoß setzt die Druckbeanspru­chung des Gebäudes herab und sorgt für Reduzierung der thermischen Auswirkun­gen. Bedeutend verkleinert wird auch die sonst notwen­dige Fläche der Druckent­lastungsöffnungen.

 

Steigerung der Verfügbar­keit

Durch verminderte Bean­spruchung der Schaltanlage und geringere Schadensaus­wirkung kürzere lnstandset­zungszeiten nach Störlicht­bogenereignissen. Der Schaltanlagenraum kann meistens unmittelbar nach der Störung wieder betreten werden. Darüber hinaus ist die selek­tive Erfassung gestörter Bereiche, wie z. B. Sammel­abschnitte, möglich. Der Störbereich wird abge­schaltet und der intakte Sektor bleibt weiter in Betrieb.

 

Eindämmung der Brandge­fahr

Schnelles Abschalten unter­bricht die Zuführung von Wärmeenergie und verhin­dert somit das Entstehen von Brandherden.

 

Ertüchtigung älterer (offener) Schaltanlagen 

Einfaches Nachrüsten ist auch bei älteren, d. h. offe­nen und nicht gekapselten Schaltanlagen möglich. Der Einsatz des Lichtbogen­wächtersystems amortisiert sich insbesondere bei den Schaltanlagen, wo die Per­sonensicherheit sonst nicht oder nur mit erheblichem Kostenaufwand zu erfüllen wäre.

 

Kein Ansprechen des Lichtbogenwächtersy­stems bei Störlichtquellen wie z. B. Handlampen 

Aufgrund seiner dynami­schen Arbeitsweise regi­striert das Lichtbogenwäch­tersystem nur große Verän­derungen in der Beleuch­tungsstärke. 

 

Kein Ansprechen des Lichtbogenwächtersy­stems LWS bei elektroma­gnetischen Störeinflüssen

Prüfungen und Labortests bei Störlichtbogen ergaben Werte bis 50 kA (Stoßstrom bis 125 kA).

 

Einsatz von moderner Technik

Die Verwendung hochwerti­ger elektronischer Bauele­mente gewährleistet ein hohes Maß an Funktionalität und Zuverlässigkeit.

 

Eigensicherheit von SF6 isolierten Schaltanlagen

Der Ausstoß von Verbren­nungsprodukten aus SF6-isolierten Schaltanlagen nach Lichtbogenereignissen kann verhindert werden. 

 

Höhere Wirtschaftlichkeit 

Durch hohe Verfügbarkeit der Schaltanlage. Geringere Anforderungen an das Gebäude und Verringe­rung des Schadensausma­ßes sowie niedrige lnstand­setzungkosten im Falle eines Störlichtbogenereig­nisses. 

 

Verbesserter Personen­schutz bei Arbeiten an Schaltanlagen mit geöffne­ter Kapselung 

Durch Reduzierung des Gasausstoßes und durch die Dauer der Strahlungsein­wirkung des Störlichtbogens aufgrund der Schnellab­schaltung nach 0,1 Sekunde.

Wirkungsweise des Lichtbogenwächtersystems LWS

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Metallgekapselte, fabrik­fertige Schaltanlage in einem großen Produktionsbetrieb, ausgerüstet mit dem Licht­bogenwächtersystem LWS.

Arbeitsweise 

Über einen Sensor wird die vom Lichtbogen emittierte Strahlung in elektrischen Strom umgesetzt. 

Der Bandpaß begrenzt den Frequenzbereich auf die typischen Frequenzen des Lichtbogenspektrums und eliminiert elektromagneti­sche Störeinflüsse. 

Das Ausgangssignal des Bandpasses gelangt in einen frei einstellbaren Ver­stärker. 

Erst wenn das vom Lichtbo­gen erzeugte Signal groß genug ist, wird es in einem Flip-Flop gespeichert, eine Anzeige leuchtet auf und das Relais zieht an. Tritt gleichzeitig in einem Einspei­sefeld Überstrom auf, er­folgt die Abschaltung des Leistungsschalters. Gleich­zeitig wird dieser gegen eine erneute Zuschaltung ver­riegelt. 

Über eine Löschtaste (Quit­tierschalter der Störung) kann das Ereignis quittiert und die Verriegelung des Leistungsschalters aufgeho­ben werden. Der Einspeise­schalter kann wieder einge­schaltet werden. 

Spricht nur der Lichtbogen­wächter an, ohne daß ein Überstrom auftritt, leuchtet ebenfalls eine Anzeige auf. Über einen Quittierschalter kann diese Anzeige gelöscht werden. 

Die zur Abschaltung des gestörten Bereiches führen­den Anlagenkomponenten, Wandler, Überstromrelais und Leistungsschalter, sind ohnehin Bestandteil der Schaltanlage. 

 

Die besonderen Vorteile des Lichtbogenwächter­systems LWS 

Die externe Erweiterung der Sensoren auf insgesamt 20 ist jederzeit möglich. 

Das System LWS ist verpo­lungssicher und bleibt nach einem Ausfall der Versor­gungsspannung für etwa 2 Sekunden voll betriebsbe­reit. 

Das System LWS erkennt auch äußerst stromschwa­che Störlichtbogen. 

Gegen mechanische Auslö­sung wie Berührung oder Erschütterung ist das System LWS unempfindlich. 

Auch bei Zerstörung der Sensoren durch den Licht­bogen wird das Auftreten eines Störlichtbogens erfaßt, da die Einspeicherung des Steuerungssignals im Ver­stärker weniger als 1 ms erfordert. 

Geschützter Bereich

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Projektierung des Lichtbogenwächtersystems LWS

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Einbau der Sensoren in einem metallgeschotteten Schaltfeld WKC. Anordnung der Sensoren im Leistungsschalter-, Kabelab­gangs-und Sammelschie­nenraum, Prinzipschaltbild, Lichtbogen­schutz, Lichtbogenwächtersystem LWS

1. Sensor im Kabelabgangsraum
2. Sensor im Sammelschienenraum
3. Sensor im Leistungsschalterraum
4. Im Relaiskasten einge­bauter Lichtbogenwächter

Die Projektierung des Licht­bogenwächtersystems LWS erfordert genaue Kenntnisse der Schaltanlage sowie deren Technik und der mög­lichen Auswirkungen von Störlichtbogen. 

In der Schaltanlage muß die Anordnung der Sensoren des Lichtbogenwächtersy­stems LWS so erfolgen, daß jeder Störlichtbogen sicher erfaßt wird. Deshalb ist der Einbau je eines Sensors in je­dem Schottraum vorzusehen. 

Bei großen Schotträumen (z.B. in einem Sammel­schienenraum ohne feld­weise Schottung) muß etwa alle 3 Meter ein Sensor installiert sein. 

Eine Überprüfung der Funk­tionsfähigkeit des Lichtbo­genwächtersystems LWS erfolgt mit Fotoblitzgeräten (Prüfschaltung ohne Aus­schalten des betreffenden Leistungsschalters). Das geschieht entweder direkt oder über Lichtleiter, die zwischen Sensoren und Kapselung verlegt werden können. 

Beim Einsatz des Lichtbo­genwächtersystems LWS in SF6-isolierten Schaltanlagen werden die lichtempfindli­chen Sensoren außerhalb der Anlage vor kleinen Sichtfenstern angebracht. Dies bietet außerdem den Vorteil, die Funktionstüchtig­keit des Lichtbogenwächter­systems LWS jederzeit leicht zu überprüfen. 

Das Lichtbogenwächtersy­stem LWS wird über einen gesonderten Gleichstrom­wandler mit galvanischer Trennung versorgt. 

Sensoren eines geschützten Bereiches können an einen gemeinsamen Verstärker bzw. eine gemeinsame Relaiskombination ange­schlossen werden. 

Technische Daten der Systemkomponenten Mechanische Daten: 

Der Lichtbogenwächter wird als gedruckte Schaltung im LRB-Standardgehäuse aus­geführt, mit beidseitigen Anschlüssen über Schraub­klemmen und Anordnung aller Signaleingänge auf einer Seite. 

 

Elektrische Daten 

Versorgungsspannung: 

+UB  = 24 V  (+10% / -20%)

Ruhestromaufnahmen: 

7mA  (+10% / -20%)

max. Stromaufnahme:

4OmA   (+10% / -20%)

 

Allgemeine technische Daten 

Betriebstemperatur: 

Verstärker -20° ... 70°C 

Sensor -25° ... 85°C 

Prüfspannung: 2000 V 

Schutzarten: 

Verstärker IP 53 

Sensoren IP 65 

Die sonstigen, zur Abschal­tung des gestörten Anlagen­bereiches notwendigen Anlagenkomponenten (Wandler, Überstromrelais und Leistungsschalter) sind den Erfordernissen der Schaltanlage entsprechend auszulegen. 

Die Nachrüstung vorhandener älterer Anlagen mit dem System LWS

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Metallgekapselte Schaltan­lagen, die die Anforderungen des Berührungsschutzes zwar erfüllen, für die jedoch kein Nachweis des Perso­nenschutzes im Störlichtbo­genfall erbracht wurde, kön­nen mit dem System LWS nachgerüstet werden. Dadurch kann die Störlicht­bogensicherheit gewährlei­stet und die Auswirkungen der Störlichtbogen vermin­dert werden. 

Offene Schaltanlagen kön­nen an einzelnen zugängli­chen Seiten statt geschlos­sener Schutzabdeckungen sogenannte Schutzabgren­zungen zur !=inhaltung eines definierten Berührungs­schutzes haben. Als solche gelten Leisten, Ketten, aber auch Gitterwände oder -türen.

Für derartige Anlagen kann im allgemeinen das Einhal­ten der Anforderungen an störl ichtbogenfeste Schalt­anlagen, in Bezug auf Per­sonenschutz und Festigkeit der Schaltanlagengebäude nicht vorausgesetzt werden. Durch den nachträglichen Einsatz des Lichtbogen­wächtersystems LWS und ggf. durch weitere Zusatz­maßnahmen können die Auswirkungen innerer Fehler begrenzt werden.

Anwendungsbeispiele

Das Abschalten eines Sam-melschienenabschnittes (SS) erfolgt wie in Schema 1 und 2 gezeigt. 

Wird bei Auftreten eines Störlichtbogens die Abschaltung eines kompletten Sammelschienenabschnittes zugelassen, kann die Auslegung analog des Schemas 1 erfolgen, wobei bis zu 20 Sensoren an ein Lichtbogenwächtersystem angeschlossen werden können. 

Zwei wesentliche Kriterien beinhaltet das Schutzprinzip des Lichtbogenwächtersystems:

  1. Dynamischer Lichtanstieg (einem Störlichtbogen entsprechend)
  2. Überstrom in der Einspeisung.
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Schema 1
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Schema 2

Funktion (Schema 1 und 2) 

1. Bei Zünden eines Stör-lichtbogens wird die Be- strahlungsänderung des betreffenden Sensors (A) über die Verbindungsleitung (1) vom Lichtbogenwächter (B) bewertet.

 

Übersteigt die Änderung den eingestellten Wert, so wird im Lichtbogenwächter (B) die Kontaktstellung eines Relais geändert.

 

2. Das Überstromrelais (C) in der Einspeisung (2) gibt über die geänderte Kontaktstellung des Relais im Licht- bogenwächter (B) die Auslösespannung auf den Einspeiseschalter (D) und schaltet so den geschützten Bereich frei.

Bestimmungen und Empfehlungen zur Ge­währleistung der Störlichtbogenfestigkeit. ,,Auszüge aus DIN VDE"

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Auszug aus DIN VDE 0101 Errichten von Starkstromanla­gen mit Nennspannungen über 1 kV 

„4.4 Schutz beim Bedienen Schaltanlagen sind so zu errich­ten, daß Personen beim Bedie­nen gegen Störlichtbögen weit­gehend geschützt sind. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn eine der nachstehenden oder andere gleichwertige Maßnah­men getroffen werden: 

a) Lasttrennschalter anstelle von Trennschaltern.

Die Lasttrennschalter müssen den am Einbauort maximal auftretenden Betriebsstrom ausschalten können und für das Einschalten auf Kurz­schluß geeignet sein.

b) Schaltfehlerschutz für Trenn­schalter und Erdungsschalter, z. B. Verriegelung, einschalt­feste Erdungsschalter, unver­wechselbare Schlüssel­sperren.

c) Bedienung der Anlage aus sicherer Entfernung.

d) Einbau von geeigneten Schutzvorrichtungen, z.B. Lichtbogenleitbleche, Licht­bogenfenster, Vollwandtüren, Trennwände."

 

Auszug aus DIN VDE 0670 Teil6 

Metallgekapselte Hochspan­nungsschaltanlagen für Spannungen bis 72,5 V, fabrikfertig, typgeprüft: 

„Tabelle AA2.. Beispiele von Maßnahmen zur Begrenzung der Folgen innerer Fehler 

  • Sehr kurze Auslösezeit, z.B. durch licht-, druck- oder tem­peraturempfindliche Detekto­ren oder durch Sammelschie­nen-Differentialschutz.
  • Einsatz von geeigneten Sicherungen in Verbindung mit Schaltgeräten, um den Durch­laßstrom und die Fehlerdauer zu begrenzen.
  • Geringe Aufenthaltswahr­scheinlichkeit, z.B. durch Fernsteuerung.
  • Druckentlastungsklappen."

 

Auszug aus DIN VDE 0670 Teil 601 

Prüfung des Verhaltens bei inneren Fehlern: 

"Beurteilung der Prüfung 

Die folgenden Kriterien berück­sichtigen die in Abschnitt 1 erwähnten Lichtbogenauswir­kungen. Der Auftraggeber der Prüfung hat zu entscheiden, anhand welcher dieser Kriterien die Prüfergebnisse beurteilt werden sollen. 

Es ist festzuhalten: 

Kriterium Nr. 1 

Ob sich ordnungsgemäß gesi­cherte Türen, Abdeckungen usw. nicht öffnen. 

 

Kriterium Nr. 2 

Ob keine Teile (der metallgekap­selten Schaltanlage), die eine Gefährdung verursachen kön­nen, wegfliegen. Hierzu gehören große Teile mit scharfen Kanten, z.B. Sichtfen­ster, Druckentlastungsklappen, Abdeckplatten usw. aus Metall oder Kunststoff. 

 

Kriterium Nr. 3 

Ob nicht durch Lichtbogenein­wirkung Löcher in den frei zugänglichen äußeren Teilen der Kapselung infolge Durchbren­nens oder aufgrund anderer Effekte entstehen. 

 

Kriterium Nr. 4 

Ob sich nicht Indikatoren, die sen????recht angebracht sind (siehe Abschnitt 5.3), entzün­den. Indikatoren, die durch brennende Farbanstriche oder brennende Aufkleber entzündet werden, sind von dieser Beurtei­lung auszuschließen. 

 

Kriterium Nr. 5 

Ob sich nicht Indikatoren, die waagrecht angebracht sind (siehe Abschnitt 5.3), entzün­den. Sollten sie während der Prüfung zu brennen beginnen, ist das Beurteilungskriterium dennoch als erfüllt anzusehen, falls nachweisbar sichergestellt ist, daß die Zündung durch glü­hende Partikel und nicht durch heiße Gase erfolgte. Der Nach­weis sollte durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindig­keitskamera erbracht werden. 

 

Kriterium Nr. 6 

Ob noch alle Erdverbindungen wirksam sind." 

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