Lichtbogen im Google-Rechenzentrum unterstreicht die Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen

Ein Lichtbogen in einem Rechenzentrum, einer Industrieanlage oder einem großen Standort für erneuerbare Energien - wie einem Wind- oder Solarpark - kann ein gefährliches Ereignis sein. Vor kurzem wurden drei Personen durch einen Lichtbogen in einem Google-Rechenzentrum in Council Bluffs, Iowa, verletzt¹. Bei einem Lichtbogen kommt es zu einer elektrischen Explosion und einer Hitzeentwicklung von bis zu 19.000 Grad Celsius. Zum Vergleich: Das ist heißer als die Oberfläche der Sonne.

Obwohl Lichtbögen schon lange ein ernsthaftes Problem darstellen, wurde der National Electric Code (NEC) erst im Januar 2020 aktualisiert, um den Schutz vor Lichtbögen aufzunehmen. Es wurde eine Anforderung zur Reduzierung der Lichtbogenenergie für Leistungsschalter mit einer Nennstromstärke von 1200 Ampere (A) und mehr hinzugefügt. Ein Schlüsselelement der aktualisierten NEC-Anforderung ist, dass Einrichtungen zum Schutz gegen Lichtbögen verwendet werden müssen, wenn die Löschzeit der Sicherung im Stromkreis mehr als 0,07 Sekunden (s) beträgt. Selbst wenn die Sicherungen ordnungsgemäß bemessen sind, wird wegen der Gefahr erheblicher Verletzungen häufig eine zusätzliche Schutzmaßnahme, wie z. B. ein Lichtbogenschutzrelais, eingesetzt.

Vor diesem Hintergrund wollen wir die Dynamik des Lichtbogens erörtern, die Anforderungen der Occupational Safety and Health Administration (OSHA) des US-Arbeitsministeriums diskutieren, impedanzlose Fehlerströme mit Lichtbögen vergleichen, kurz die IEEE-Berechnungen zur Gefährdung durch Lichtbögen vorstellen und verschiedene Szenarien zum Schutz vor Lichtbögen sowie die entsprechenden Schutzrelais von Littelfuse betrachten.

Die OSHA verlangt, dass Geräte, die mit 50 Volt oder mehr betrieben werden, auf Lichtbogenschutz geprüft werden. Bei der Bewertung werden die Sicherheitsgrenzen (verbotener, begrenzter und eingeschränkter Zugang) festgelegt und bestimmt, welche persönliche Schutzausrüstung (PSA) getragen werden muss. Bei der Bewertung des Lichtbogenpotenzials und der damit verbundenen Sicherheitsmaßnahmen muss man zwischen impedanzlosen Fehlerströmen und Lichtbögen unterscheiden.

Impedanzloser Fehlerstrom vs. Lichtbogenstrom

In Systemen, die für weniger als 1000 Volt ausgelegt sind, wird ein impedanzloser Fehlerstrom als ein Fehler mit Null Impedanz definiert. Der Lichtbogenfehlerstrom wird in Bezug auf die Impedanz des Lichtbogens definiert. Die Schutzeinrichtungen in diesen Systemen müssen so eingestellt werden, dass sie bei dem höheren, schwerwiegenderen impedanzlosen Fehlerstrom auslösen.

Wichtig ist auch die Zeit, die die Schutzvorrichtungen zum Löschen benötigen. Es gibt Kompromisse zwischen schnellerer Löschung, Sicherheit und Systembetrieb. Schnelleres Auslösen kann die Sicherheit des Personals erhöhen. Wenn das System jedoch mehrere Schutzkomponenten umfasst, kann eine schnellere Auslösung den koordinierten Betrieb der Komponenten verhindern und zu einer größeren negativen Auswirkung auf die Gesamtanlage führen. Über Mikroprozessoren (MPU) gesteuerte Lichtbogenschutzrelais bieten inhärent schnelle Reaktionszeiten und können zur Auslösung von Schutzschaltern verwendet werden, um den Lichtbogenschutz zu beschleunigen und gleichzeitig einen koordinierten Betrieb zu unterstützen, um Störungen in der gesamten Anlage zu minimieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Um die Reaktionszeit auf Fehlerbedingungen zu verkürzen, kann ein Lichtbogenschutzrelais zur Auslösung eines Schutzschalters (CB) verwendet werden. (Bildquelle: Littelfuse)

IEEE-Berechnungen zur Lichtbogengefahr

Berechnungen zur Lichtbogengefahr auf der Grundlage von IEEE 1584-2018 werden in der Industrie häufig verwendet, um die OSHA-Vorschriften zu erfüllen. IEEE 1584 kann Lichtbogenströme und die Höhe der einfallenden Energie vorhersagen und so die erforderliche PSA bestimmen und sichere Arbeitsabstände festlegen. Dabei wird ein empirisch abgeleitetes Modell verwendet, das auf Parametern wie den folgenden beruht:

• 208 bis 15.000 Volt Wechselstrom (VAC), dreiphasig, mit Frequenzen von 50 bis 60 Hertz (Hz)
• 700 bis 106.000 Ampere impedanzloser Fehlerstrom
• Gängige Gehäusegrößen und geerdete oder nicht geerdete Leiterkonfigurationen
• Abstände zwischen Leitern und Fehler, die alle drei Phasen betreffen

Schutz von Schaltanlagen

Die Serie PGR-8800 von Littelfuse kann zum Schutz von Schaltanlagen eingesetzt werden. Das PGR-8800-00 (Abbildung 2) ist ein MPU-basiertes Relais, das Schaltschränke mit einem Sichtliniensensor PGA-LS10 überwachen kann und Lichtbogenschutz und Fehlerortidentifizierung bietet. Zusätzlich kann die hintere Sammelschiene mit einem faseroptischen Sensor PGA-LS20 oder PGA-LS30 überwacht werden. Der PGR-8800-00 erfasst das Licht eines Lichtbogens in weniger als 1 Millisekunde (ms). Er verfügt über eine einstellbare Auslöseschwelle, um die Umgebungslichtverhältnisse zu kompensieren und unerwünschte Auslösungen zu minimieren.

Abbildung 2: Der PGR-8800-00 kann eine Vielzahl von Sensoren verwenden, um ein Lichtbogenereignis in weniger als 1 ms zu erkennen. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Schutz von Generatoren

Das Lichtbogenschutzrelais AF0100 von Littelfuse kann zum Schutz von Generatoren verwendet werden. Er ist für die Verwendung mit den optischen Sensoren PGA-LS20 / PGA-LS30 und den Punktsensoren PGA-LS10 vorgesehen. Er kann den Generator ausschalten und seinen Schutzschalter auslösen, wodurch das defekte Gerät vom Stromnetz getrennt wird. Er ist für den Betrieb in Umgebungen mit starken Vibrationen und beengten Platzverhältnissen ausgelegt.

Schutz für mehrere Zonen

Durch Kombination mehrerer AF0500-Relais können mehrere Zonen mit unbegrenzter Skalierbarkeit abgedeckt werden. Darüber hinaus können die AF0500-Relais mit den kostengünstigeren AF0100-Relais verbunden werden, um das Kosten-Leistungs-Verhältnis in Mehrzonen-Lichtbogenschutzsystemen zu optimieren (Abbildung 3).

Abbildung 3: AF0500-Relais können allein, in Kombination mit anderen AF0500-Relais und mit AF0100-Relais eingesetzt werden, um die Leistung von Mehrzonenanlagen zu optimieren. (Bildquelle: Littelfuse)

Fazit

Sowohl der NEC als auch die OSHA erkennen die Gefahren an, die mit dem Auftreten eines Lichtbogens verbunden sind, und haben Anforderungen, die in industriellen Umgebungen befolgt werden müssen. IEEE 1584 wird üblicherweise verwendet, um das Potenzial für Lichtbogen- und impedanzlose Fehlerströme zu bewerten und den erforderlichen Schutz zu bestimmen. Wie gezeigt, gibt es Lichtbogenschutzrelais, die in einer Reihe von Anwendungsszenarien für einen verbesserten Schutz sorgen können.

Referenz:

1: Incident at Google Data Center Highlights Risks of Arc Flash