BGI 5188 Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen. Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis

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1 BGI 5188 Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis 7. Rheinsberger Fachtagung Arbeitssicherheit in der Energieversorgung Martin Mehlem, Leiter Prüfstelle Elektrotechnik der BG ETEM

2 Übersicht Grundlagen der Gefährdungsbeurteilung nach dem Arbeitsschutzgesetz Pflichten für Unternehmer und Beschäftigte T O P Prinzip des Arbeitsschutzes Prüfung der PSAgS nach dem Box-Test Prüfverfahren (DIN EN ) Auswahlverfahren nach BGI 5188 für PSAgS zum Schutz vor den thermischen Auswirkungen eines Störlichtbogens Ausblick Seite 2

3 Pflichten des Unternehmers 4 ArbSchG Allgemeine Pflichten des Unternehmers Der Unternehmer hat bei Maßnahmen des Arbeitsschutzes von folgenden allgemeinen Grundsätzen auszugehen: 1. Die Arbeit ist so zu gestalten, dass eine Gefährdung 2. Gefahren sind an der Quelle zu bekämpfen 3. bei den Maßnahmen ist der Stand der Technik zu berücksichtigen 4. Maßnahmen sind mit dem Ziel zu planen, Technik, Arbeitsorganisation, sonstige Arbeitsbedingungen sachgerecht zu verknüpfen 5. individuelle Schutzmaßnahmen sind nachrangig zu anderen Schutzmaßnahmen Seite 3

4 T - O - P Prinzip des Arbeitsschutzes Rangfolge der Maßnahmen: Technik 4 (2) Gefahren sind an der Quelle zu bekämpfen Organisation 4 (4) Maßnahmen sind mit dem Ziel zu planen, Technik, Arbeitsorganisation, sonstige Arbeitsbedingungen sachgerecht zu verknüpfen PSA 4 (5) individuelle Schutzmaßnahmen sind nachrangig zu anderen Schutzmaßnahmen Seite 4

5 Gefährdungsbeurteilung 5 ArbSchG Beurteilung der Arbeitsbedingungen Der Arbeitgeber hat durch eine Beurteilung der für die Beschäftigten mit ihrer Arbeit verbundenen Gefährdung zu ermitteln, welche Maßnahmen des Arbeitsschutzes erforderlich sind. 6 ArbSchG Dokumentation Der Arbeitgeber muss über die je nach Art der Tätigkeiten und der Zahl der Beschäftigten erforderlichen Unterlagen verfügen, aus denen das Ergebnis der Gefährdungsbeurteilung, die von ihm festgelegten Maßnahmen des Arbeitsschutzes und das Ergebnis ihrer Überprüfung ersichtlich sind. Seite 5

6 Bereitstellung der PSA 2 PSA-BV Bereitstellung der PSA Entspricht der Verordnung über das Inverkehrbringen von persönlichen Schutzausrüstungen Schutz gegenüber der zu verhütenden Gefährdung, ohne selbst eine größere Gefährdung mit sich zu bringen Geeignet für die am Arbeitsplatz gegebenen Bedingungen Entspricht den ergonomischen Anforderungen und den gesundheitlichen Erfordernissen der Beschäftigten Seite 6

7 Pflichten der Beschäftigten 15 ArbSchG Pflichten der Beschäftigten (2) Im Rahmen des Absatzes 1 haben die Beschäftigten insbesondere Maschinen, Geräte, Werkzeuge, Arbeitsstoffe, Transportmittel und sonstige Arbeitsmittel sowie Schutzvorrichtungen und die ihnen zur Verfügung gestellte persönliche Schutzausrüstung bestimmungsgemäß zu verwenden. Seite 7

8 Prüf-Box nach DIN EN Box 8

9 Wärmestrommessung (Box-Test) Strom Lichtbogen Prüfling Kalorimeter E i0 Einwirkenergie E it Durchlassenergie Scheitelwert-Temperatur [ C] Zeit bis Scheitelwert-Temperatur [s] Einwirkende Energie [kj/m²] Box Simuliert das Hautverhalten 9

10 Stoll/Chianta Kurve Scheitelwert-Temperatur [ C] Hautverbrennungen 2. Grades KEINE Hautverbrennungen 2. Grades Einwirkende Energie [kj/m²] Zeit bis Scheitelwert-Temperatur [s] 0 Die Maximalwerte der Wärmetransfermessung am Prüfling müssen unterhalb der Stoll/Chianta-Kurve für Hautverbrennungen 2. Grades liegen. Seite 10

11 Ausgangssituation Strom Spannung Leistung Auslösezeit? Einwirkenergie in kj/m² Seite 11

12 Aufbau der BGI Anwendungsbereich 2. Begriffsbestimmungen 3. Verfahren zur Auswahl von PSAgS 4. Hinweise zur Umsetzung an Beispielen aus der Praxis Anhänge: Vorschriften und Regeln Normung der PSAgS gegen die thermischen Auswirkungen von Störlichtbögen Ausführliche Erläuterung des Verfahrens Auswahlhilfe BGI Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis Seite 12

13 1. Anwendungsbereich BGI 5188 Handlungsanleitung für die Bewertung der möglichen thermischen Gefährdung durch Störlichtbögen bei elektrotechnischen Arbeiten in elektrischen Anlagen. Arbeiten an oder in der Nähe von elektrischen Anlagen > 50 V AC. Gefährdungen durch weitere Effekte eines Störlichtbogens, z.b. durch Druck, Schall oder Gase werden nicht betrachtet. Seite 13

14 3 Verfahren zur Auswahl der PSAgS Ermittlung der elektrischen Lichtbogenenergie Arbeitsumgebung Schutzeinrichtungen Elektrisches Netz Elektrische Anlage t k U Nn S k d t k bezogene Lichtbogenleistung k P U Nn d Elektrische Lichtbogenenergie S k W LB BGI Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis Seite 14

15 3 Verfahren zur Auswahl der PSAgS Lichtbogenstrom und Brenndauer Brenndauer wird durch Schutzeinrichtung bestimmt Lichtbogenstrom kleiner als prospektiver Kurzschlussstrom Strombegrenzungsfaktor k B, abhängig von: Leiterabstand d Lichtbogenspannung worst case : k B = 0,5 bei NS t LB Anwendung der Kennlinie mit I klb = 0,5 I 3K, min t LB = t k I klb Seite 15

16 3 Verfahren zur Auswahl der PSA Lichtbogenleistung und -energie bezogene Lichtbogenleistung k P : Richtwerte: Für worst-case Betrachtung: Netzbereich NS-Anlagen MS-Anlagen k P 0,22 0,27 0,05 0,10 k = Pmax 0,29 (R X) 0,17 W LB = P t W LB Lichtbogenenergie = = k k LB P P S k '' k t k 3 U nn I '' k3 t k P LB Lichtbogenleistung BGI Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis Seite 16

17 3 Verfahren zur Auswahl der PSAgS 2. Ermittlung der äquivalenten Lichtbogenenergie I Kalorimeter PSA U E i0 PSA-Prüfung Störlichtbogenklasse t = 500 ms a = 300 mm W LBP Boxaufbau mit Cu und Al Elektrode Elektrodenabstand 30 mm W LBP k T a = 300 mm äquivalente Lichtbogenenergie Klasse 1: W LBP1 = 158 kj Klasse 2: W LBP2 = 318 kj W LBä Seite 17

18 3 Verfahren zur Auswahl der PSAgS Abstände, Geometrien + äqu. Lichtbogenenergie Geometrie: Transmissionskoeffizient k T Art der Anlage (sehr) kleinräumige Anlagen mit Seiten-, Rück- und Schottwänden Großräumige Anlagen, Raumbegrenzung vor allem durch Rückwand Offene Anlagen ohne wesentliche Begrenzungen des Elektrodenraumes Transmissionskoeffizient der Lichtbogenenergie k T 1 1,5 1,9 2,4 Abstand a: quadratische Proportionalität W LBä = k T a 300mm 2 W LBP BGI Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis Seite 18

19 3 Verfahren zur Auswahl der PSAgS Übersicht Arbeitsumgebung PSA Schutzeinrichtungen t k Elektrisches Netz U Nn S k Elektrische Anlage d a k T PSA-Prüfung Störlichtbogenklasse bezogene Lichtbogenleistung k P W LBP Elektrische Lichtbogenenergie W LB äquivalente Lichtbogenenergie W LBä Zu erwartende el. Lichtbogenenergie im Fehlerfall Schutzpegel der PSA für betrachtete Arbeitssituation BGI Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis Seite 19

20 4.1 Hinweise zur praktischen Umsetzung Mögliche Maßnahmen, wenn Schutzwirkung der gewählten PSA für das betrachtete Arbeitsverfahren nicht ausreichend ist: t S k Reduzierung der Brenndauer durch Einsatz einer flinken Arbeitsschutzsicherung oder das Verstellen der Auslösecharakteristik eines Leistungsschalters Einsatz eines separaten Lichtbogen-Schutzsystems Reduzierung der Kurzschlußleistung am Arbeitsort durch geänderte Schaltvariante a Vergrößerung des Arbeitsabstands ACHTUNG! Wiederholung des Berechnungsverfahrens für die geänderten Netzparameter Genauere Berechnung der erwarteten Lichtbogenenergie unter Heranziehung von Spezialwissen (Bestimmung k B, k P, k T ) BGI Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis Seite 20

21 4.1 Hinweise zur praktischen Umsetzung Wenn nach Berechnung Schutzwirkung der zur Verfügung gestellten PSA nicht ausreichend ist und keine zusätzliche Maßnahme zur Reduzierung der möglichen Lichtbogenenergie erfolgen kann, Darf an der Anlage nicht unter Spannung gearbeitet werden. BGI Hinweise für die Umsetzung in der betrieblichen Praxis Seite 21

22 Anhang 4.2: Beispiele Arbeitsort 1 Arbeitsort 2 Arbeitsort 3 1. Arbeiten in Trafostation (NSV) 2. Muffenmontage an NS-Kabel 3. Arbeiten am Hausanschlusskasten 4. Arbeiten hinter Hausanschlusskasten Arbeitsort 4 Kabelverteilerschrank außen Netzstation Trennstelle Seite 22

23 Beispiel 3: Wechsel eines Hausanschlusskastens Arbeiten am Hausanschlusskasten (z.b. Wechsel des HAK) o Die Speisung des Arbeitsortes erfolgt im Beispiel aus einer vorgeordneten Netzstation mit 630-kVA-Transformator. o Das Einspeisekabel ist über eine 250 AgL NH-Sicherung abgesichert. o Da die Hausanschlusskabel nur vergleichsweise geringe Querschnitte besitzen, ergeben sich relativ geringe Kurzschlussströme. Seite 23

24 Schritt 2: Bestimmung I k3, R/X Aus der Kurzschlussstromberechnung gemäß DIN EN (VDE 0102): I I '' k3max '' k3min = 3,4 ka = 3,0 ka (c= 1,05) (c= 0,95) R X = 2,0 Seite 24

25 Schritt 3: Bestimmung Lichtbogenstrom und - brennzeit Wahl k B für NS-Anlagen (worst-case) k B = 0,5 Lichtbogenstrom: I klb = k B I '' k3pmin = 0,5 3,0 ka = 1,5 ka Ausschaltzeit der Sicherung t= 2,5 s (Ablesewert) Laut Festlegung der BGI 5188 wird die max. LB-Brenndauer auf t k = 1 s begrenzt Seite 25

26 Schritt 4: Lichtbogenenergie am Arbeitsort bezogenen Lichtbogenleistung unter worst-case Betrachtung 0,29 kpmax = = 0,17 ( R X) 0,26 Kurzschlussleistung am Arbeitsort S'' k = 3 U I'' Nn k3max = V 3,4kA = 2,353MVA Lichtbogenenergie W LB W LB = = = k P S '' k t k 0, MVA 1s 607,2 kj Seite 26

27 Schritte 5 + 6: Arbeitsabstand und Prüfpegel der PSA Wahl des Arbeitsabstands: Das entspricht einem Minimalabstand vom Oberkörper zur Vorderfront der geöffneten Anlage. a = 300 mm Die Prüfpegel für PSA unter den Normbedingungen des Boxtests nach DIN EN [2] betragen: Störlichtbogenschutzklasse 1: Störlichtbogenschutzklasse 2: W LBP1 = 158 kj W LBP2 = 318 kj Seite 27

28 Schritt 7: Transmissionsfaktor, äquivalente Lichtbogenenergie Bei Arbeiten an NS-Verteilungen in Transformatorstationen soll von großräumigen Anlagen, deren Raumbegrenzung hauptsächlich durch die Rückwand gegeben ist, ausgegangen werden. Es wird hier ein Transmissionsfaktor von k T = 1 angenommen. Mit W LBä = k T a 300mm 2 W LBP = 1 300mm 300mm 2 W LBP Erhält man die äquivalenten Lichtbogenenergien W LBä1 = 158 kj bei Störlichtbogenschutzklasse 1 W LBä2 = 318 kj bei Störlichtbogenschutzklasse 2 Seite 28

29 Schritt 8: Auswahl der Schutzklasse Erwartete Lichtbogenenergie W LB = 607,2 kj Prüfpegel der PSA (äquivalenten Lichtbogenenergien) W LBä1 = 158 kj bei Störlichtbogenschutzklasse 1 W LBä2 = 318 kj bei Störlichtbogenschutzklasse 2 Da W LB > W LBä2 : Weitere Maßnahmen nach Abschnitt 4.1 oder Kein Arbeiten unter Spannung Seite 29

30 Zusammenfassung Beispiel 3a (1) Schritt Bestimmung Kenngröße Resultat bei worst-case Betrachtung 1 Netzparameter: Netznennspannung U Nn 400 V 400 V Resultat bei genauer Berechnung Anlagengeometrie: Leiterabstand d 45 mm 45 mm 2 Kurzschlussstromberechnung I k3p,max 3,4 ka 3,4 ka I k3p,min 3,0 ka 3,0 ka R/X 2,0 2,0 3 Strombegrenzung k B 0,5 0,554 Minimaler Fehlerstrom I klb 1,5 ka 1,66 ka Kennlinie NH-Sicherung 250 AgL (Abb. 12) (Ablesewert: 2,5 s) T k 1,0 s 1,0 s 4 S k 2,353 MVA 2,353 MVA Bezogene Lichtbogenleistung k P 0,26 0,24 Lichtbogenleistung P LB = k P. S k P LB 0,61 MW 0,56 MW Zu erwartende el. Lichtbogenenergie im Fehlerfall W LB 607,2 kj 565,3 kj Seite 30

31 Zusammenfassung Beispiel 3a (2) Schritt Bestimmung Kenngröße Resultat bei worst-case Betrachtung Resultat bei genauer Berechnung 5 Arbeitsabstand a 300 mm 300 mm 6 PSA Normprüfpegel W LBP Kl1 158 kj 158 kj W LBP Kl2 318 kj 318 kj 7 Transmissionsfaktor: kleinräumige Anlage k T 1 1 Schutzpegel der PSA W LBä Kl1 158 kj 158 kj W LBä Kl2 318 kj 318 kj 8 Vergleich: W LB W LBä? 607,2 kj > 318 kj 565,3 kj > 318 kj PSA Störlichtbogenschutzklasse Freischalten oder sonstige Maßnahmen ergreifen Seite 31

32 Zusammenfassung Beispiel 3b (1) mit Arbeitsschutzsicherung Schritt Bestimmung Kenngröße Resultat bei worst-case Betrachtung 1 Netzparameter: Netznennspannung U Nn 400 V 400 V Resultat bei genauer Berechnung Anlagengeometrie: Leiterabstand d 45 mm 45 mm 2 Kurzschlussstromberechnung I k3p,max 3,4 ka 3,4 ka I k3p,min 3,0 ka 3,0 ka R/X 2,0 2,0 3 Strombegrenzung k B 0,5 0,554 Minimaler Fehlerstrom I klb 1,5 ka 1,66 ka Kennlinie NH-Sicherung 160 A gr/690 V T k 1,0 s 0,01 s 1,0 s 0,01 s 4 S k 2,353 MVA 2,353 MVA Bezogene Lichtbogenleistung k P 0,26 0,24 Lichtbogenleistung P LB = k P. S k P LB 0,61 MW 0,56 MW Zu erwartende el. Lichtbogenenergie im Fehlerfall W LB 607,2 kj 6,1 kj 565,3 kj 5,2 kj Seite 32

33 Zusammenfassung Beispiel 3b (2) mit Arbeitsschutzsicherung Schritt Bestimmung Kenngröße Resultat bei worst-case Betrachtung Resultat bei genauer Berechnung 5 Arbeitsabstand a 300 mm 300 mm 6 PSA Normprüfpegel W LBP Kl1 158 kj 158 kj W LBP Kl2 318 kj 318 kj 7 Transmissionsfaktor: kleinräumige Anlage k T 1 1 Schutzpegel der PSA 8 Vergleich: W LB W LBä? 607,2 kj > 318 kj 6,1 kj 158 kj W LBä Kl1 158 kj 158 kj W LBä Kl2 318 kj 318 kj 565,3 kj > 318 kj 5,2 kj 158 kj PSA Störlichtbogenschutzklasse Freischalten oder sonstige Maßnahmen ergreifen Klasse 1 Seite 33

34 Schalten Was tun, wenn in einer Anlage geschaltet werden muss, der technische Zustand der Anlage aber unklar ist? 1. Technische Möglichkeiten klären, z.b. übergeordnete Freischaltung Änderung der Schaltvariante 2. Organisatorische Möglichkeiten klären, z.b. Verfahren anpassen Verwendung von Hilfsmitteln 3. PSA mit ausreichendem Schutz auswählen Seite 34

35 Beispiele Änderung der Schaltvariante: Verwendung von Hilfsmitteln: PSA mit ausreichendem Schutz: Seite 35

36 Erste Erfahrungen in der Anwendung Anfragen Anwendungsbereich Grenze nach oben Thermischer Schutz möglich, aber weitere Einflüsse nicht vergessen! Grenze nach unten LB brennt unter 1000 A nicht stabil Wo finde ich die Arbeitshilfe? Webcode:d (Seite 15 der BGI) Praktische Möglichkeiten zur Reduzierung der Lichtbogenenergie im Fehlerfall Seite 36

37 Erste Erfahrungen in der Anwendung Anregungen Deutlicher Hinweis auf T O P Prinzip: Technisch Organisatorisch Persönlich Beispielhafte Betriebsanweisung als Anhang Eigenes Symbol für diese PSA? Englische Übersetzung Seite 37

38 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Gerne beantworte ich Ihre Fragen Seite 38