URSACHEN, AUSWIRKUNGEN UND MASSNAHMEN

Abb. 2 Druckverlauf [3]

Die vorangegangenen Auswirkungen haben verheerende Folgen auf Menschen und unmittelbare Umgebung [5]:

• Verletzungen und Verbrennungen, 
• schwere Schäden an Schaltanlage, 
• Schäden an  benachbarten Anlagen, 
• (Sekundär-)Schäden an Gebäude, 
• Prozessstillstand.

Die räumliche Ausdehnung des Umgebungsgases bei einer hohen Kurzschlussdauer und die direkte Einwirkung auf Personen sind in Abb. 3 zu sehen. Das Bild zeigt, wie wichtig eine Reduzierung der Lichtbogendauer ist.

Abb. 3 Kurzschlussversuche mit einer Dauer von > 500 ms (www.westex.com)

Zum Schutz von Personen, zur Minimierung von Schäden und zur Sicherstellung des Anlagenbetriebs müssen diese Auswirkungen beherrscht werden. Normativ berücksichtigen dies:

• für Mittelspannungsanlagen: IEC 61936-1 (VDE 0101-1) und IEC 62271-200 (VDE 0671-200),
• für Niederspannungsanlagen: IEC/TR 61641 (VDE 0100-500 Beiblatt 2).

Unter anderem wird der rechnerische Nachweis der Druckfestigkeit von Schaltanlagen und Schaltanlagenräumen gefordert. Methoden und Gegenmaßnahmen werden nachfolgend beschrieben:

BERECHNUNG UND NACHWEIS DER DRUCKFESTIGKEIT

Es gibt einen Ansatz nach Pigler (1976), der einen mittleren Druck in einem Schaltanlagenraum nach einem Störlichtbogen abschätzt. Diese Druckabschätzung ist für geschlossene Räume als mittlerer Druck verwendbar, ist aber für Räume mit Druckentlastung sehr ungenau. Dieser Ansatz ist idealisiert. In dem Artikel von Pigler [2] wird eine Tabelle von zulässigen Drücken abhängig vom Material der Wände angegeben – siehe Tab. 1. Diese Tabelle basiert auf Erfahrungswerten einer 24 cm dicken Wand, die fest mit den angrenzenden Wänden und der Decke verbunden ist. Diese Werte sind nur ganz allgemeine Angaben und somit kann die Tabelle nur ein erster Anhaltspunkt für die Bewertung der Festigkeit sein.

Abb. 4 Modell für Druckberechnung mit finiten Elementen  [4]

Abb. 5 Berechnungsergebnis– räumliche Druckverteilung [4]

GEGENMASSNAHMEN

Der Aufbau von fabriksfertigen und typgeprüften Schaltanlagen kann als optimiert und je nach Klassifikation als störlichtbogenfest betrachtet werden. Es bleibt der Umgang mit den an den Druckentlastungsöffnungen der Felder ausgeleiteten Gase und dadurch entstehenden Überdrücken.

Prinzipiell ist die schon zuvor erwähnte Druckentlastungsöffnung in einer Wand des Schaltanlagenraumes eine der wichtigsten Maßnahmen zur Druckreduktion. Sollten weiterhin zu hohe Überdruckwerte bestehen, werden diese durch angebaute Druckabsorber reduziert bzw. direkt von der Schaltanlage durch Druckentlastungskanäle nach außen oder in weniger kritische Bereiche umgeleitet.

Um der nicht völlig auszuschließenden Gefahr von Störlichtbögen trotz Gegenmaßnahmen zu begegnen, wird auch auf die Verwendung von Schutzkleidung bei Schalthandlungen verwiesen.

All die bisher beschriebenen Maßnahmen bieten Schutz vor oder gegen die unmittelbar nach Fehlereintritt vorhandenen Gefahren von Störlichtbögen.

SEKUNDÄRSCHUTZ

Eine Reduktion der Lichtbogendauer in Schaltanlagen wird nur durch Sekundäreinrichtungen möglich. Kostenintensive stromabhängige Schutzeinrichtungen wie der Sammelschienenschutz DI erreichen Detektionszeiten von > 20 ms. Lösungen mit Überstromzeitschutzstufen I>> können in Abgangsfeldern Werte > 25 ms erreichen, bei einem schaltanlagenweiten Ansatz ist an einer Einspeisung mit rückwärtiger Verriegelung kaum ein Wert unter 150 bis 200 ms möglich.

Mit deutlich geringeren Detektionszeiten zwischen 1 und 8 ms setzen moderne und deutlich günstigere Lichtbogenschutz-Einrichtungen an. Eine Lichtdetektion in Kombination mit der Erfassung des sprunghaften Stromanstiegs bietet die nötige Zuverlässigkeit und verhindert Fehlauslösungen. Weitere Informationen zu den derzeit verfügbaren Technologien finden Sie in unserem Artikel "Für jeden Fall das Richtige".

Die oben angegebenen Zeiten beinhalten noch keine Ausschaltzeiten eines Leistungsschalters. D. h., die komplette Fehlerklärungszeit, die sich aus Detektionszeit, ev. Relaisverzögerungen und Ausschaltzeit zusammensetzt, liegt höher. Das Primärschaltelement ist der entscheidende Teil der Kette.

PRIMÄRSCHALTELEMENTE FÜR LICHTBOGENLÖSCHUNG

Mittelspannungsleistungsschalter haben eine typische Ausschaltzeit von 60–80 ms, ältere Bauarten erreichen bis zu 100 ms. D. h., bei Einsatz eines Lichtbogenschutzsystems mit Leistungsschalter ist die Verzögerung im mittleren Bereich von Abb. 3. Für geschlossene Anlagen bedeutet dies eine wesentlich geringere Zerstörung innerhalb des Schottraumes. Die Lichtbogenenergie wird ebenso wie der Druck im Anlagenraum deutlich reduziert – siehe grüne Markierung in Abb. 1 und Abb. 2. Diese vereinfachte Betrachtungsweise soll nur die Größenordnung der Reduktionen vermitteln. Da jedoch nach 10 ms Lichtbogendauer ernsthafte Schäden im Feldinneren auftreten, kann die Ideallösung nur eine deutliche Reduktion der Ausschaltzeit sein. Folgende Komponenten bieten dazu Möglichkeiten:

KURZSCHLUSSSTROM (I_S)-BEGRENZER
Der I_S-Begrenzer besteht im Prinzip aus einem extrem schnellen Schalter, der einen hohen Nennstrom führen kann, aber über ein geringes Schaltvermögen verfügt, und einer parallel angeordneten Sicherung mit hohem Ausschaltvermögen. Um die gewünschte kurze Schaltereigenzeit zu erreichen, wird eine kleine Sprengladung als Energiespeicher zur Öffnung des Schalters verwendet. Nach Öffnung des Hauptstrompfads fließt der Strom noch über die parallel liegende Sicherung, wo er innerhalb von 0,5 ms begrenzt und dann im nächsten Spannungsnulldurchgang endgültig ausgeschaltet wird [7].

Abb. 6 I_s-Begrenzer von ABB [7]

SCHNELLERDER/KURZSCHLIESSER
Bei diesen gibt es verschiedene Varianten. Gemeinsam ist allen, dass der Fehlerstrom nicht unterbrochen, sondern innerhalb kurzer Zeit sicher, meist 3-polig gegen Erdpotenzial geleitet wird und somit dem höherohmigen Lichtbogen die Energie entzieht – er verlischt. Die Abschaltung des über den Schnellerder der Kurzschließer fließenden Fehlerstromes erfolgt sicher durch den vorgelagerten Leistungsschalter. Beispielhaft seien folgende Produkte genannt – die Angaben wurden den Herstellerbroschüren entnommen:

• Ultraschneller Erdungsschalter (ABB UFES) bis 24 kV – Auslösezeit 4 ms
• Kurzschließer-Bolzen (Eaton ARCON) bis 0,7kV – Auslösezeit 2 ms – siehe Abb. 7
• Kurzschließer-Leistungselektronik (Köhl PART) bis 12 kV – Auslösezeit < 2 ms

Abb. 7 Kurzschließer für Niederspannung [8]

ZUSAMMENFASSUNG

Störlichtbögen sind prinzipiell sehr selten auftretende Ereignisse. Jedoch sind die Auswirkungen eines solchen inneren Fehlers für Bedienpersonal, Schaltanlage und Anlagenräume enorm. Die gültigen Vorschriften und Normen fordern entsprechende Planungen und Vorgehensweisen inkl. rechnerischen Nachweises der gesetzten Maßnahmen. Um im tatsächlich auftretenden Fehlerfall die Lichtbogenenergie und somit die Zerstörung zu reduzieren, sind moderne Lichtbogenschutzsysteme eine günstige Möglichkeit. Um den im günstigsten Fall zwischen 1–2 ms nach Fehlereintritt erfassten Lichtbogen rasch abzuschalten, sind Leistungsschalter mit Unterbrechungszeiten von 60–80 ms die langsamste Variante. I_s-Begrenzer, Schnellerder und Kurzschließer unterbrechen in 2–10 ms.

Quellen