Thomas Jordan. Software zur Beurteilung von Lichtbogengefährdungen

Transkript

1 Software zur Beurteilung von Lichtbogengefährdungen

2 Software zur Beurteilung von Lichtbogengefährdungen 1 Einleitung Maßgebliche Neuerung in der mit der BGI 5188 /1/ veröffentlichten Auswahlrichtlinie ist die Kennzeichnung des Lichtbogenschutzniveaus von PSAgS (Persönlichen Schutzausrüstungen gegen die thermische Gefahren des Störlichtbogens) durch die im Prüfaufbau (Box-Test) erzeugte Lichtbogenenergie. Das bedeutet, dass der Vergleich des Schutzniveaus der PSAgS mit den möglichen Lichtbogengefahren am Arbeitsplatz anhand der Lichtbogenenergie erfolgen muss. Es ist also notwendig, die im Falle eines Lichtbogenfehlers am Arbeitsplatz auftretende elektrische Lichtbogenenergie zu bestimmen. Für die meisten im Elektrobereich tätigen Personen ist der Umgang mit elektrischen Energien und der Einheit kj im Zusammenhang mit Fehlern in Versorgungsnetzen nicht Teil der täglichen Arbeit. Beachtung wurde bisher vorrangig dem maximalen Kurzschlussstrom als Dimensionierungskriterium im Kurzschlussfall geschenkt. Die Physik der Umwandlung und des Transportes von elektrischer Energie in Wärmeenergie im Falle eines Lichtbogenfehlers verlangt aber diese neue und ungewohnte Betrachtungsweise. In einem elektrischen Störlichtbogen wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Diese im Lichtbogen befindliche Energie W LB ist die Ursache von Hautverbrennungen und anderen thermischen Schädigungen von Personen, die sich im Umfeld des Fehlers aufhalten. W LB ~ U n I '' k 3 t k Sie ist nicht nur abhängig vom (Kurzschluss-) Strom durch den Lichtbogen, sondern auch von der Netzspannung und der Lichtbogenbrenndauer. Weiterhin ist die Abhängigkeit des Wärmeübergangs (von der Lichtbogenquelle zur Person) von der Bauform der elektrischen Anlage und dem Arbeitsabstand zu beachten. Damit wird deutlich, dass alle diese Einflussgrößen bei der Bestimmung der Lichtbogenschutzklasse berücksichtigt werden müssen und der Anwender davon Kenntnis haben muss. Das bedeutet weiterhin, dass eine arbeitsplatzbezogene Gefährdungsbeurteilung zu erfolgen hat. Besonders für den Arbeitsbereich der öffentlichen Elektroenergieversorgung ist dieser Umstand mit erheblichem Mehraufwand bei der Gefährdungsbeurteilung verbunden. Die Größe bzw. Ausdehnung des zu betreibenden Netzes bestimmt maßgeblich die Anzahl in einer Gefährdungsbeurteilung zu betrachtender Arbeitsplätze. 2 Softwareunterstützung mit der BSD Lichtbogen-Software Die erhöhte Genauigkeit des Auswahlalgorithmus zur Bestimmung der notwendigen PSAgS ist erwartungsgemäß mit einer aufwändigeren Berechnung verbunden. Es ist eine Vielzahl an Daten für den jeweils zu bestimmenden Arbeitsplatz erforderlich, um das notwendige Schutzniveau der PSAgS zu berechnen. Ausgangspunkt jeder Berechnung ist die Kenntnis über den dreipoligen Anfangskurzschlusswechselstrom I k3 im Fehlerfall am jeweiligen Arbeitsplatz. Damit verknüpft ist die Kenntnis über das Verhältnis von Wirk- zu Blindwiderstand (R/X-Verhältnis) der den Kurzschlussstrom begrenzenden Impedanz, was sich aus der Kurzschlussstromberechnung ergibt. Weiterhin werden Angaben zur Brenndauer eines möglichen Lichtbogenfehlers benötigt. Diese ergeben sich aus der Kenntnis über die den Fehler abschaltenden Schutzorgane. Seite 2 von 7

3 In jedem Fall muss bei der Bestimmung der Lichtbogenbrenndauer der tatsächliche fließende Lichtbogenstrom (der durch die Lichtbogenimpedanz verringerte theoretische Kurzschlussstrom) berücksichtigt werden, was in der BGI 5188 durch den Strombegrenzungsfaktor k b erfolgt. Zur Charakterisierung des Arbeitsplatzes sind abschließend Angaben zur Arbeitsplatzgeometrie (k t -Faktor) und zum Arbeitsabstand erforderlich. Mit diesen Angaben ist eine worst-case -Berechnung des notwendigen Schutzniveaus der PSAgS möglich, wodurch man Ergebnisse erhält, die deutlich auf der technisch sicheren Seite liegen. Ein zweites, exaktes Berechnungsverfahren benötigt als zusätzliche Eingabegröße den Abstand d der Elektroden zwischen denen der Lichtbogen im Fehlerfall brennen würde. Damit wird eine genauere Bestimmung der bezogenen Lichtbogenleistung k p und des Strombegrenzungsfaktors k b möglich. Die Ergebnisse dieses Berechnungsverfahrens erzeugen im Vergleich mit der worst-case -Berechnung zum Teil deutlich geringere Lichtbogenenergien an den jeweiligen Arbeitsplätzen, wodurch der Einsatzbereich der PSAgS deutlich erweitert werden kann. Es kann zum Beispiel bei der Bestimmung der Lichtbogenenergie für einen Arbeitsplatz mit der worst-case - Berechnung eine Lichtbogenenergie bestimmt werden, die den Schutzpegel der Klasse 2 überschreitet. Wird für den gleichen Arbeitsplatz die Lichtbogenenergie nach dem exakten Berechnungsverfahren bestimmt, wird eine geringere Lichtbogenenergie berechnet, wodurch der Einsatz von PSAgS der Klasse 2 möglich wird. Trotz aller Vereinfachungen des Auswahlalgorithmus ist eine Bestimmung der Lichtbogenenergie für einen Arbeitsplatz insbesondere nach dem exakten Berechnungsverfahren nur noch mit Software-Unterstützung möglich. Überschaut man dazu die Anzahl von zu betrachtenden Arbeitsplätzen, beispielsweise in einem Energieversorgungsnetz, wird ebenso deutlich, dass diese Aufgabe nur noch mit Software- Unterstützung und einer strategischen Herangehensweise effizient zu bearbeiten ist. Das PC-Programm BSD Lichtbogen-Software ist das Werkzeug zur Umsetzung der BGI Durch einen intuitiven Dialog mit dem Nutzer werden alle notwendigen Parameter, die zur Bestimmung des Lichtbogenschutzniveaus erforderlich sind, vom Benutzer in einer sinnfälligen Reihenfolge abgefragt. Mit einer hinterlegten Datenbank können viele Eingaben ohne zeitaufwändige Suche beschleunigt werden. Die BGI 5188 baut darauf auf, dass der Anwender Kenntnis über den dreipoligen Anfangskurzschlusswechselstrom an der relevanten Arbeitsstelle besitzt. Ist dieser jedoch nicht bekannt, ermöglicht die BSD Lichtbogen-Software durch ein implementiertes Zusatzmodul die Kurzschlussstromberechnung für einfache Strahlennetze gemäß DIN VDE 0102 /2/. Hinterlegte Kabel- und Freileitungsparameter gestatten eine schnelle Beschreibung des Arbeitsplatzes und eine rasche Durchführung der Berechnung. Zur Bestimmung der Abschaltzeit bzw. der Brenndauer des Lichtbogens sind über 600 Kennlinien von NH- und HH-Sicherungen verschiedener Hersteller und Betriebsklassen digital hinterlegt (ab Version 2.X.X) und erlauben damit eine noch effizientere Durchführung der Gefährdungsbeurteilung. Damit lassen sich Energie-Abstands- Diagramme zur Einteilung von Kabelstrecken (Abschn. 3) noch schneller erstellen. Seite 3 von 7

4 Als Resultat gibt die Software die für den jeweiligen Arbeitsplatz notwendige Störlichtbogenschutzklasse der PSAgS an bzw. den Prüfpegel den eine PSAgS im Box- Test erfolgreich widerstehen muss. Werden durch die BSD Lichtbogen-Software Lichtbogenenergien an der Arbeitsstelle bestimmt, die über dem Schutzpegel der Klasse 2 liegen, gibt die Software den minimalen Box-Test-Prüfpegel aus, mit dem eine PSAgS mit Spezialschutz erfolgreich geprüft werden muss /3/. Die Ergebnisse können mit den beiden bereits beschriebenen Berechnungsverfahren ermittelt werden. Mit dem worst-case -Berechnungstyp ist man immer auf der technisch sicheren Seite. Mit zusätzlichen genaueren Angaben zum Arbeitsort können mit dem zweiten, exakten Berechnungstyp genauere (kleinere) Lichtbogenenergien bestimmt werden. Alle Eingabedaten und Ergebnisse werden arbeitsplatzbezogen abgespeichert und können zur digitalen Dokumentation archiviert werden. Der Ergebnisausdruck mit allen Eingabedaten und Berechnungsergebnissen ermöglicht die klassische Ablage der Gefährdungsbeurteilung (Bild 1). Weitere zusätzliche Funktionen wie z. B. - Export des Ergebnisprotokolls in verschiedene Formate - Beispielvorschläge für adäquate PSAgS für den jeweils berechneten Arbeitsplatz - Erstellung von Etiketten für die Kennzeichnung von Arbeitsplätzen hinsichtlich des erforderlichen Schutzniveaus der PSAgS (Bild 2) vervollständigen die Software zu einem effizienten Werkzeug für die Auswahl der Persönlichen Schutzausrüstung für elektrische Arbeiten. Bild 1: Übersichtlicher Ergebnisausdruck der Berechnung Bild 2: Kennzeichnungsetikett für Anlagen Seite 4 von 7

5 3 Praktische Anwendung der BSD Lichtbogen-Software Aufgrund der arbeitsplatzbezogenen Charakteristik der BGI 5188 ist die Durchführung einer Gefährdungsbeurteilung für Netze mit einer Vielzahl von Arbeitsplätzen, an denen PSAgS benötigt wird, auch mit Software-Unterstützung mit einem zeitlichen Aufwand verbunden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, durch eine strategische Herangehensweise im Vorfeld der Berechnungen die Anzahl der zu berechnenden Arbeitsplätze einzugrenzen, um den Berechnungsaufwand zu minimieren. Insbesondere in EVU-Netzen aber auch in ausgedehnten Industrienetzen kann das zu einer Vereinfachung der Gefährdungsbeurteilung führen. Im Folgenden werden zwei Beispiele einer strategischen Herangehensweise skizziert. 1. Eine Kategorisierung von Arbeitsplätzen bzw. die Bestimmung von Arbeitsplatzkategorien in einem begrenzten Netz ist eine Möglichkeit zur Verringerung des Berechnungsaufwandes. Mit der Annahme, dass die Anzahl der verwendeten Typen von Kabeln, Transformatoren, Schutzorganen und anderen, den Kurzschlussstrom beeinflussenden Betriebsmitteln aufgrund einer standardisierten Bauweise begrenzt ist, wird es ermöglicht, dass sich gewisse Strukturen im Netz wiederholen. Je größer der Standardisierungsgrad des Netzes ist, desto kleiner ist die Diversifizierung des Netzes und damit sinkt die Anzahl einzeln zu betrachtender Arbeitsplätze. Es ist also zunächst erforderlich gleichartige, sich wiederholende Strukturen im zu betrachtenden Netz zu identifizieren. Eine beispielhafte gleichartige Struktur entsteht zum Beispiel dann, wenn immer dieselbe Kombination aus Ortsnetztransformator, Kabelabgangssicherung und Kabelquerschnitt eingesetzt wird. In dieser Struktur lassen sich verschiedene Arbeitsplätze bestimmen und kategorisieren, die sich im ganzen Netz wiederholen. Im nächsten Schritt ist es erforderlich, für mindestens je einen Beispielarbeitsplatz aus den ermittelten Kategorien die Bestimmung des Lichtbogenschutzniveaus gemäß BGI 5188 vorzunehmen. Der Vergleich der ermittelten Lichtbogenschutzniveaus der Beispielarbeitsplätze führt dann zu der Bestimmung derjenigen Arbeitsplatzkategorie, mit der größten Lichtbogengefährdung. Diese Ergebnisse können dann auf gleichartige Strukturen im betrachteten Netz übertragen werden. 2. Die Anzahl der möglichen Arbeitsplätze an einem NS-Hauptversorgungskabel ist theoretisch unbegrenzt, da die Lage eines Muffenlochs unabhängig zur Entfernung von der einspeisenden Ortsnetzstation gewählt werden kann. Ist das NS-Kabel in der Ortsnetzstation mit einer NH-Sicherung geschützt, werden sich für jeden Abstand eines Muffenlochs zur Ortnetzstation ein anderer Kurzschlussstrom, eine andere Abschaltzeit der Sicherung und damit eine andere Lichtbogenenergie W LB ergeben. Das bedeutet, dass die Wahl des minimalen Schutzniveaus der PSAgS von der Lage des Muffenlochs abhängig ist. Um für Arbeiten im Muffenloch nicht für jedes neue Muffenloch eine erneute Berechnung zu starten, ist es vorteilhaft durch eine vorherige Berechnung eine Einteilung von Kabelstrecken hinsichtlich des Schutzbereichs der verschiedenen Schutzklassen vorzunehmen. Damit wird ermöglicht, dass der Schutzbereich der vorhandenen PSAgS bzw. die mögliche Auswahl der PSAgS einfach anhand der Entfernung des neuen Muffenlochs zur Ortsnetzstation erfolgen kann. Diese Überlegungen können gleichartig beispielsweise für Kabelverteilerschränke oder Hausanschlusskästen angestellt werden. Seite 5 von 7

6 Durch die Veränderung des Parameters Kabellänge lässt sich beispielsweise mit der BSD Lichtbogen-Software eine Parameterstudie durchführen und die Lichtbogenenergie W LB kann in Abhängigkeit von der Kabellänge aufgetragen werden. Ein beispielhaftes Ergebnis ist in Bild 3 dargestellt. Die starke Ortsabhängigkeit der benötigten PSA-Schutzklasse ist gut zu erkennen. Mit diesem, einmal erstellten Diagramm ist eine spätere Überprüfung der vorhandenen PSAgS bezüglich eines zulässigen Einsatzes schnell und unkompliziert durchzuführen. Auf der anderen Seite wird deutlich, welche Einsatzgrenzen die vorhandene PSAgS hinsichtlich Ihrer Schutzwirkung gemäß BGI 5188 für den betrachteten Netzteil besitzt. Bild 3 Lichtbogenenergie und Verbotszonen in Abhängigkeit von der Kabellänge für Arbeiten im Muffenloch (630 kva; NAYY 240 mm²; Absicherung NH gg 250 A; Berechnungstyp I (exakt); d = 60 mm; k t = 1,9) 4 Zusammenfassung Aufgrund der arbeitsplatzbezogenen Charakteristik der Gefährdungsbeurteilung gemäß BGI 5188 und der Anzahl der erforderlichen Eingabedaten und Berechnungsschritte ist der Berechnungsaufwand für eine Gefährdungsbeurteilung ausgedehnter Netze hinsichtlich der Lichtbogengefährdung nicht zu unterschätzen. Eine Unterstützung kann hierbei effizient durch eine Softwarelösung erfolgen. Die BSD Lichtbogen- Software ist die Programmlösung, die die verantwortliche Person bei der Bestimmung des notwendigen Schutzniveaus von PSAgS unterstützen kann. Mit ihrer intuitiven Menüführung und den unterstützenden Zusatzfunktionen ist die BSD Lichtbogen-Software das Werkzeug, das die Anwendung der BGI 5188 in der Praxis auf einfachem Weg ermöglicht. Um den Berechnungsaufwand für die Gefährdungsbeurteilung weiter eingrenzen zu können, ist eine strategische Herangehensweise im Vorfeld erforderlich. Im Beitrag werden Ansätze aufgezeigt, wodurch mit einer vorherigen gesonderten Untersuchung des Netzes Vereinfachungen bei der späteren Betrachtung von Lichtbogengefährdungen getroffen werden können. Durch die Nutzung von spezifischer Software und einer intelligenten Herangehensweise wird die praxistaugliche Umsetzung der BGI 5188 auch für ausgedehnte Netze mit einer großen Zahl von Arbeitsplätzen, an denen prinzipiell eine Lichtbogengefährdung vorhanden ist, möglich. Seite 6 von 7

7 5 Literatur /1/ BGI /DGUV-I 5188 Hilfe bei der Auswahl der Persönlichen Schutzausrüstung für elektrische Arbeiten (2012) /2/ DIN VDE 0102:2002 Kurzschlussströme in Drehstromnetzen /3/ Jordan, T.; Rotter, G.: Geprüfte PSAgS für Arbeiten an und in der Nähe von elektrischen Anlagen mit Schutzpegel oberhalb Box-Test Klasse 2, ETG- Fachtagung Arbeiten unter Spannung, 2013 /4/ Jordan, T.: Anwendungsbeispiele der Umsetzung der BGI 5188 in Niederspannungsnetzen, Netzpraxis, Heft , S Seite 7 von 7