Störlichtbogenschutz

Die Baureihe AQ-100 von Arcteq bietet eine komplette Lösung für den Störlichtbogenschutz. Die Geräte können ohne Programmierung, nur mit Dip-Switches, auf jede Anlage angepasst werden und erfüllen die wachsenden Anforderungen an Personen- und Anlagenschutz in der Nieder- und Mittelspannungstechnik.

Wie funktioniert der Schutz?

Diese kurze Animation zeigt einen grundlegenden Aufbau eines Lichtbogen Schutzsystems. Das gezeigte Arcteq-System verfügt über ein Relais AQ-110 und drei AQ-101 sowie mehrere Punktsensoren. Dieses komplexe System ermöglicht eine sehr schnelle Lichtbogenerkennung (nur 2 ms!). Die schnelle Reaktionszeit führt zu einer schnellen Abschaltung des Leistungsschalters und zu einer Minderung von Sach- oder Personenschäden durch den Lichtbogen.

Maximale Sicherheit und minimale Prozessausfallzeiten

  • Gesamtzeit der Lichtbogenfehlerbeseitigung 5 ms mit wiederverwendbarer Löschvorrichtung
  • garantiert niedrige Energiepegel im Lichtbogen durch schnelles Freischalten
  • ermöglicht tiefere Kategorie der Persönliche Schutzausrüstung
  • Engineering anhand von Standard-Schemata
  • Schnellere Inbetriebnahme, Ein-Tasten-Konfiguration, klare LED-Signale, keine Software erforderlich
  • Vollsortiment und optimales Preis-/Leistungsverhältnis für jede Anwendung

Warum Störlichtbogenschutz?

Der Störlichtbogenschutz schützt sowohl das Personal als auch die Geräte der Umspannwerke vor den Folgen von Störlichtbögen. Ein Lichtbogenschutzsystem erkennt den Fehler in weniger als 2 ms und einschliesslich der Verzögerung im Schalter beträgt die Zeit zum Löschen des Lichtbogens normalerweise weniger als 70 ms. Ein normaler selektiver Überstromschutz kann Betriebszeiten von bis zu 500 ms aufweisen. Im Falle eines Lichtbogenfehlers in einer Schaltanlage, die nur mit einem herkömmlichen Einspeiseschutz ausgestattet ist, ist das Risiko für schwere Verletzungen des Personals sehr hoch. Der ultimative Lichtbogenschutz ist das AQ 100 System mit einer Löschvorrichtung AQ-1000 oder AQ-2000. Die ultraschnelle Lichtbogenlöscheinrichtung löscht den Lichtbogen in weniger als 5 ms.

Störlichtbogenschutz - der neue Standard für Personen- und Objekt-schutz

In den letzten zehn Jahren hat sich die Anwendung des Störlichtbogenschutz auf Basis der Lichtsensorik zur neuen Norm von strombelasteten Anlagen entwickelt. Der Störlichtbogenschutz bietet unbestreitbare Vorteile wie verbesserte Geschwindigkeit, Selektivität und Kosteneffizienz. Der Störlichtbogenschutz ist auf allen Kontinenten eingeführt und wird in allen Arten von Stromverteilungssystemen eingesetzt, von der Stromversorgung über die traditionelle und erneuerbare Energieerzeugung bis hin zur industriellen, maritimen, Offshore-, institutionellen und kommerziellen Anwendung in Nieder- und Mittelspannungsschaltanlagen. Hersteller von Schutzrelais haben Störlichtbogenschutz in numerische Multifunktionsschutzrelais und IEDs integriert. Aufgrund dieser Entwicklung wird der Lichtbogenschutz oft nur als zusätzliche Schutzfunktion betrachtet. Dieser Ansatz hat deutliche Mängel bei der Beurteilung der Kritikalität und Komplexität des Störlichtbogenschutz. Selektive und massgeschneiderte Auslöseszenarien müssen so konzipiert sein, dass der Schutz in allen Szenarien und in jeder Netzwerktopologie einwandfrei funktioniert. Gleichzeitig sind die Systeme so auszulegen, dass die Gesamtselektivität die betroffene Zone im Falle eines Lichtbogenfehlers auf ein Minimum beschränkt. Daher sollte der Störlichtbogenschutz nicht als Schutzfunktion, sondern als Schutzsystem betrachtet werden.

Vorteile der dedizierten Störlichtbogenschutz-Relais

Spezielle Störlichtbogenschutzrelais sind nur zum Schutz vor Störlichtbögen vorgesehen. Sie arbeiten parallel zu den numerischen Multifunktionsschutzrelais, die die klassischen überstrombasierten Schutzsysteme bereitstellen. Dieser Ansatz bietet redundanten Schutz und erhöht die Zuverlässigkeit des Schutzes. Die speziellen Störlichtbogenschutzrelais von Arcteq erfordern nur minimale oder gar keine Kundeneinstellungen. Dies ist von wesentlicher Bedeutung, da Studien bestätigen, dass bis zu 85% der Fehlfunktionen des Schutzes auf falschen Einstellungen beruhen. Die Arcteq-Störlichtbogenschutzrelais sind für den Systemansatz entwickelt worden. Die Schutzbetriebszeit beträgt 7 ms für eine beliebige Anzahl von Leistungsschaltern unter beliebigen Betriebsszenarien. Es werden keine inhärenten Verzögerungen aufgrund von Kommunikationsbusbetriebszeiten eingeführt. Dies ist bei der Berechnung der einfallenden Energiewerte von größter Bedeutung.

Neue Normen IEC 60947-9-1:2018 und UL2748

Die ersten Standards für Lichtbogenlöschvorrichtungen sind für Niederspannungsanwendungen freigegeben. Das Lichtbogenlöschgerät AQ-1000 von Arcteq wird vom Labor nach der Norm UL 2748 geprüft und gelistet. Der AQ-1000 entspricht auch der neu veröffentlichten Norm IEC 60947-9-1:2018 für Lichtbogenlöschvorrichtungen.

Trip-Kriterien

Die ersten Generationen von Lichtbogenschutzrelais verwendeten allein lichtempfindliche Lichtbogensensoren als Auslösekriterium. Verbessert die kombinierte Lichtbogen- und Strommessung für das Dual-Sensing-Verfahren, um die Zuverlässigkeit des Schutzsystems weiter zu erhöhen. Das herkömmliche strom- und lichtbasierte Dualsensorsystem kann jedoch bei der Installation in Geräten mit luftmagnetischen Leistungsschaltern überbrücken. Auch das Fehlen von Stromtransformatoren macht es in einigen Fällen, insbesondere in Niederspannungsanlagen, praktisch unmöglich, Stromkriterien im Störlichtbogenschutz anzuwenden.

Innovation Licht- und Drucksensor

Es ist bekannt, dass Leistungschalter während des Schaltens unter Last eine starke Lichtemission erzeugen. Zudem, wenn ein Niederspannungs-Luftschalter oder ein luftmagnetischer Schutzschalter bei einem nachgeschalteten Fehler schaltet, kann der erzeugte Funkenschlag ein in der Nähe installierter Lichtbogensensor aktivieren. Da die nachgeschaltete Fehlerbedingung typischerweise zu einer Überschreitung von eingestellter Überstrom-Auslösepegel führen, kann sowohl Licht- als auch Stromkriterium gleichzeitig erfüllt sein, so dass ein Störlichtbogenschutzssystem eine Fehlauslösung des Einspeiseschalters verursachen kann. Das Hinzufügen eines Störlichtbogenschutz-Drucksensors zu den Installationen mit Luftschaltern ermöglicht zusätzliche Auslösekriterien, die bei normalem Betrieb des Leistungsschalters nicht erfüllt werden.  Mit dem Arcteq AQ-02 Lichtbogensensor, der Lichtbogen- und Druckmessung in einem einzigen Gehäuse kombiniert, wird ein duales Sensorsystem in einer komfortablen und einfach zu installierenden Lösung erreicht. Wenn eine Überstrommessung in das System angewendet wird, kann sogar ein Dreifach-Messsystem verwendet werden, das auf Strom-, Licht- und Druckauslösekriterien basiert.

Ursachen von Störlichtbogen-Fehlern

Interessant ist, dass die meisten Störlichtbogen-Vorfälle in unseren Breitengraden/Region durch menschliche Fehler verursacht werden. Störlichtbögen sind Kurzschlüsse, die zu grossen Schäden an elektrischen Installationen führen. Typische Auslöser sind:

  • Bedienerfehler beim Arbeiten unter Spannung, Werkzeug fallengelassen, Prozesse oder Sicherheitsregeln missachtet, …
  • Technische Ursachen durch Apparate die versagen, mangelnde Wartung, Konstruktionsfehler
  • Tiere krabbeln durch die Anlage oder Nager, die sich an Isolationen zu schaffen machen

Die Wirkung von Störlichtbögen auf Mensch und Maschine sind bei Anlagen mit hohem Kurzschlussstrom verheerend.

Schutzmassnahmen gegen Störlichtbogen-Vorfälle

Neben dem Schutz von Personen ist das Ziel von Schutzmassnahmen auch das Erhalten der Anlagenfunktion und die Minimierung von Betriebsausfällen. Als passive Massnahmen dienen das konsequente Einhalten von Sicherheitsregeln zur Vermeidung von Unfällen wie auch periodische Anlagenwartung. In Ländern wie der USA werden für Anlagen das Risiko bewertet. Das Personal darf sich nur bis auf eine bestimmte Sicherheitsdistanz zur stromführenden Anlage aufhalten. Meist sind diese Abstände so gross, dass ein effektives Arbeiten fast nicht mehr möglich ist.

Weitere Möglichkeiten bieten aktive Schutzsysteme, die den Lichtbogen erfassen und im Störfall innert wenigen Millisekunden freischalten, um den Schaden zu begrenzen oder sogar durch einen gewollten Kurzschluss dem Lichtbogen die Energie entziehen und diesen dadurch löschen (Löscheinheit).

Das aktive Störlichtbogen-Schutzssystem von Arcteq ist technologisch führend.

Warum Störlichtbogenschutz

Die Wirkung eines Störlichtbogen-Fehlers auf Mensch und Anlage ist massiv. Bei einem Vorfall möchte man nicht in der Nähe sein. Bei Temperaturen gegen 20’000°C und einer Druckwelle die einer Explosion gleicht, ist das Schadenspotential erheblich. Je nach Distanz zwischen Person und Fehlerort, kann die Wirkung tödlich sein. Weitere mögliche Auswirkungen sind:

  • Beeinträchtigung des Sehvermögens durch den Lichtblitz
  • Verbrennungen durch die hohen Temperaturen
  • Vergiftungen durch frei-werdende toxischen Gase, wenn Kupfer verdampf und Stahl brennt
  • Verletzungen durch die Druckwelle und herumfliegende Teile

Das zentrale Thema ist also Personenschutz und bei kritischen Anwendungen das inimieren von Ausfallzeiten und deren Folgekosten. Das Stellen einer Ersatzanlage kann schnell mal ein halbes Jahr oder länger in Anspruch nehmen. Eine Risikobetrachtung hilft, die richtigen Massnahmen zu treffen, bevor es zu spät ist.

Welche Anlagen sind potenziell gefährdet

Moderne Mittelspannungsanlagen sind Störlichtbogenfest gebaut und bieten einen gewissen Schutz durch deren Mechanik. Im Fehlerfall schalten übergeordnete Schutzsysteme die Einspeisung in etwa 200ms bis 500ms frei (abhängig von Schutzeinstellungen und Selektivität). In dieser Zeit richtet der Fehler aber bereits Schäden an. Meist ist die betroffene Zelle nach einem Vorfall renovationsbedürftig und fällt für längere Zeit aus. Ein aktives Störlichtbogen-Schutzsystem schafft hier Abhilfe.

Bei Niederspannungsverteilungen sieht die Sache anders aus. Der Schaden führt schnell zu einem Totalverlust der Anlage. Durch die kompakte Bauweise wirkt sich ein Vorfall bei hohen Kurzschlussströmen entsprechend aus. Zudem kann die Druckwelle zu baulichen Schäden führen oder sogar ganze Gebäude zerlegen.

Bei Anlagen mit hohen Kurzschlussströmen sowie bei Anlagen, die kritische Prozesse bedienen, ist der Einsatz von aktiven Schutzsystemen sinnvoll und es rechnet sich.

Wie funktioniert ein Störlichtbogenschutz

Aktive Störlichtbogen-Schutzsysteme erfassen den Lichtbogen und lösen im Störfall den übergeordneten Leistungsschalter aus. Üblicherweise wird für eine Schutzauslösung das gleichzeitige Auftreten von einem Störlichtbogen zusammen mit einem Überstrom als Triggerkriterium verwendet. Der ganze Ablauf erfolgt innert wenigen Millisekunden. Je schneller der Stromfluss unterbrochen wird, desto geringer wirkt sich der Schaden aus. Zusätzlich zur Auslösung des Leistungsschalters, kann der Energiefluss mit einer Löschvorrichtung (Quencher) umgeleitet werden, um den Lichtbogen auszulöschen.

  • Erfassung des Störlichtbogens mittels optischer Sensoren
  • schnelles freischalten im Fehlerfall
  • Löschvorrichtung zur Minimierung des Energieflusses (Quencher)

Der Hauptzweck eines Störlichtbogenschutzes ist der Schutz von Personal und Anlage. Die Fehler werden in weniger als 2 Millisekunden erkannt und zusammen mit der Schalterlaufzeit wird der Stromfluss innert 50 bis 80 Millisekunden unterbrochen. Mit dem Einsatz einer Löschvorrichtung erfolgt die Minimierung des Energieflusses im Lichtbogen in weniger als 5 Millisekunden.

Der Störlichtbogen im Zeitraffer

Beim Auftreten eines Störlichtbogens entstehen innert Millisekunden Temperaturen gegen 20’000°C und einer Druckwelle die einer Explosion gleicht. Das Schadenspotential ist erheblich und bietet eine grosse Gefahr für Mensch und Anlage. Der Ablauf kann in den folgenden Phasen beschrieben werden:

KOMPRESSION (0....20ms)

Zündung und Stromfluss durch ionisierte, überhitzte Luft, Kupfer beginn zu verdampfen, schnelle Freisetzung von Energie

AUSDEHNUNG (20...40ms)

Maximaler Druck wird erreicht, Druckentlastungssystem arbeitet, Kupfer dehnt sich beim Verdampfen 67 000 Mal aus (1,5cl -> 1m³), Druckwelle (bis zu 4 Bar), Schallwelle

EMMISSION (40....100ms)

80% der Energie durch Wärmestrahlung, Temperatur erreicht 20’000 ºC, breite Strahlungsspektren, konstanter Überdruck bis das Gas in der Anlage die Temperatur des Lichtbogens erreicht

DURCHBRENNEN (100....300ms)

Plasma, giftige Gase entstehen (CuO2), Stahl- und Kupfer brennt

 

Schutz gegen Störlichtbogen-Vorfälle bieten aktive Schutzsysteme, die den Lichtbogen erfassen und im Störfall innert wenigen Millisekunden freischalten. Das aktive Störlichtbogen-Schutzssystem von Arcteq bietet Abhilfe.

Der patentierte Antrieb der AQ-1000 Störlichtbogen-Löscheinheit

In gängigen Löschgeräten wird der Antrieb um den Kurzschliesser zu Treiben mittels Treibladung oder vorgespannter Feder erreicht. Diese Systeme können nur einmal verwendet werden und müssen nach einer Auslösung ersetzt oder gewartet werden.

 

Gängige Auslösesysteme

  • Treibladung ähnlich wie ein Airbag
  • Vorgespannter Federmechanismus mit Einmalauslösung

 

Auslösesystem AQ-1000

  • Patentierte Thomson-Spule die mehrfach verwendet werden kann
  • Elektromechanisch ohne Pyrotechnik

 

Die AQ-1000 Löscheinheit ist das weltweit einzigartige System, welches mehrfach verwendet werden kann.

 

Dadurch kann bei der Inbetriebnahme und bei periodischen Kontrollen die Funktion des Schutzsystems komplett und ohne Kompromisse geprüft werden.