Bedenken hinsichtlich Dekarbonisierung, Automatisierung und Sicherheit haben viele Unternehmen veranlasst, gasbefeuerte Heizungen durch größere elektrische Alternativen zu ersetzen. Da Mittelspannungs-Prozessheizungen in vielen Anwendungen relativ neu sind, stellen sie eine potenzielle neue Risikoquelle dar, deren sich Hersteller gewahr sein müssen.
Potentielle Risiken
Bei einem Störlichtbogen handelt es sich um eine elektrische Explosion infolge eines Kurzschlusses in einer Anlage, der durch eine Ansammlung von Korrosion oder leitfähigem Staub verursacht werden kann. Wenn die Spannung ausreichend hoch und ein Erdschluss oder ein Pfad zu einem niedrigeren Potential vorhanden ist, wird der Widerstand der Luft überwunden, wobei ein Lichtbogen entsteht.
Störlichtbögen können zu erheblichen Schäden führen. Je höher die freigesetzte Energie, desto höher die Brand- und Verletzungsgefahr. Wenn die Energiefreisetzung hoch genug ist, können geschmolzenes Leitermetall und Hochdruck-Plasmaenergie aus dem Gehäuse bzw. Schrank entweichen und in der Nähe befindliche Personen gefährden.
Die potentielle Lichtbogenenergie wird durch mehrere Faktoren bestimmt, unter anderem durch die Gerätespannung, den verfügbaren Strom und die Dauer des Ereignisses. Wenngleich es sinnvoll sein kann, die potentielle Lichtbogenenergie zu reduzieren, kann sich eine Begrenzung der Spannung oder des Stroms aufgrund der damit verbundenen Gesamtkosten als schwierig erweisen. Störlichtbögen treten zwar selten auf, ihr Potential für Schäden, Verletzungen und Todesfälle ist jedoch ein großes Problem. Einigen Schätzungen zufolge kommt es weltweit zu zwischen fünf und zehn Störlichtbogenereignissen pro Tag.
Minderung der Auswirkungen
Zur Minimierung der Auswirkungen von Störlichtbögen bieten sich drei hauptsächliche Strategien an: eine größere Entfernung zur potentiellen Ereignisquelle, eine Reduzierung des verfügbaren Fehlerstroms und eine Verkürzung der Ereignisdauer. Alle Strategien können kombiniert werden, um maximale Sicherheit zu gewährleisten, was aber bei Berücksichtigung der Gesamtprojektkosten nicht praktikabel ist. Die Dauer des Ereignisses bietet jedoch den gangbarsten Ansatz für die Schadensminderung und hat den größten Einfluss auf die insgesamt freigesetzte Energie.
Die beiden wesentlichen zu vergleichenden Ansätze sind: lichtbogenresistente Gehäuse und Schränke sowie Technologien zur Mitigation von Störlichtbögen. Lichtbogenresistente Schränke zielen darauf ab, die Exposition gegenüber Lichtbogenereignissen zu reduzieren, indem das System in ein metallgekapseltes, belüftetes Gehäuse eingeschlossen wird. Das erhitzte Gas und der Druck werden über einen Luftschacht umgeleitet, wobei die Energie reduziert wird, die möglicherweise zu einer Explosion führen könnte. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass der lichtbogenresistente Schrank zur Gewährleistung seiner ordnungsgemäßen Funktion geschlossen sein muss, und viele Störlichtbögen treten bei geöffneten Türen während der Wartung auf.
Mitigierende Schutztechniken
Anstatt die Energie von dem Ereignis wegzuleiten, versucht ein mitigierender Störlichtbogenschutz, die Energie des Ereignisses selbst zu reduzieren, indem er seine Dauer begrenzt. Dies erfolgt anhand der frühzeitigen Erkennung des Lichtbogens und automatischen Auslösung des entsprechenden Schaltkreises. Dies kann durch einen im Englischen als Current Arc Mitigation bezeichneten strombasierten Störlichtbogenschutz oder durch einen als Optical Arc Mitigation bezeichneten, auf Lichterkennung basierenden, optischen Störlichtbogenschutz erfolgen.
Beim optischen Störlichtbogenschutz spricht ein fotoelektrischer Sensor im Gehäuse bzw. Schaltschrank schnell auf das vom Lichtbogen ausgehende Licht an, das bereits in den frühen Stadien des Ereignisses erkannt werden kann. Sobald das Signal erkannt wird, wird es einem Schutzrelais gemeldet, das den Trennschalter automatisch auslöst, ohne dass ein menschliches Eingreifen erforderlich ist.
Einer der Hauptvorteile dieses Ansatzes besteht darin, dass er unabhängig von der tatsächlichen Fehlerstromgröße ist. Dies ermöglicht dem System, Störlichtbögen in einem frühen Entwicklungsstadium zu erkennen und den Trennschalter schneller auszulösen, wodurch sowohl die Dauer des Ereignisses als auch die erzeugte Gesamtenergie begrenzt wird.
Im Gegensatz dazu werden beim strombasierten Störlichtbogenschutz Strommesswandler verwendet, die einen Anstieg des durch den Lichtbogen erzeugten Stroms erkennen. Bei einer inkorrekten Auslegung der Messwandler schalten diese das System möglicherweise nicht ab oder können das Ereignis nicht handhaben.
Störlichtbögen mitigierende Schutztechnologien reduzieren darüber hinaus Anlagenschäden, da sie auch bei geöffneten Türen und beim Durchführen von Wartungsarbeiten ihre Funktion erfüllen können. Im Watlow Powersafe-Thermosystem können beispielsweise Sensoren im Temperaturregler, dem SCR-Knoten, Einzelkontakt oder Knoten platziert werden, die durch eine Einspeisung geschützt sind. Wenn der Sensor ein Störlichtbogenereignis in einem Bereich erkennt, schaltet die Einspeisung die Stromzufuhr ab, um vom Lichtbogen verursachte Schäden zu begrenzen.
Da im Mittelspannungsbereich arbeitende Prozessheizungen einen immer breiteren Einsatz finden, muss bei ihrer Auslegung der Sicherheit Rechnung getragen werden. Technologien zur Mitigation von Störlichtbögen stellen hier den besten Ansatz dar, da sie deren Dauer und damit die freigesetzte Energie verringern und so das Risiko und die damit verbundenen Schäden minimieren.
