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Frei verwendbar / © Siemens AG 2014. Alle Rechte vorbehalten.siemens.com/lowvoltage Brandschutzschalter – Störlichtbogenschutz SENTRON.

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1 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten.siemens.com/lowvoltage Brandschutzschalter – Störlichtbogenschutz SENTRON

2 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

3 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

4 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandursachen – Deutschland Statistischer Hintergrund in Deutschland Brandursachen Vorbeugende Brandursachen (2010) Ursachen für elektrisch verursachte FeuerElektrisch verursachte Feuer Blitzschlag 0% Elektrizität 34% Explosion 2% Brandstiftung 8% Feuergefährliche Arbeiten 3% Sonstige / unbekannt 22% Überhitzung 9% Selbstentzündung 1% Offenes Feuer 3% Menschliches Fehlverhalten 18% Ursache in der Elektroinstallation 28% Ursache in elektrischen Verbrauchern 49% Sonstige / unbekannt 23% Blitzschlag 0% Elektrizität 52% Explosion 3% Feuergefährliche Arbeiten 4% Offenes Feuer 5% Selbstentzündung 2% Sonstige / unbekannt 34%

5 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Jährliche Brandschäden in Deutschland ca : GDV(Gesamtverband der deutschen Versicherungswirtschaft e.V.): 2: vfdb Technisch-Wissenschaftlicher Beirat (Arbeitsgruppe Brandschutzforschung) 3: GDV: 84.html 84.html Anzahl der Feuerschäden Schadenshöhe Tote 2 Verletzte 3 Schwerverletzte 3 ca. 6 Milliarden (davon 75% in Privatwohnungen) ca ca

6 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandstatistik aus anderen Ländern Europas Grundlage Brandstatistik 2005 Absolute Anzahl: Brände Dänemark Grundlage Brandstatistik 2002 – 2006 Absolute Anzahl: Brände Norwegen Grundlage Brandstatistik 2006 Absolute Anzahl: Brände Finnland Anwendungsfehler 15% Lose Verbindungen 11% Alterung 9% Nagetierfraß 2% Materialfehler 37% Isolationsfehler 9% Beschädigungen und Feuchtigkeit 17% Lichtbogen 30% Kriechstrom 3% Erdfehler / Kurzschluss 3% Sonstiges 64% Kurzschluss / Erdfehler 65% Lose Verbindungen 4% Überlast 4% Montagefehler 1% Sonstiges 26%

7 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Elektrische Brandursachen – USA Beobachtungen vor Eintritt eines elektrischen Brandes USA – 10 Städte ( ) mit detaillierten Untersuchungen Anteil der Brände durch Störlichtbögen ist unbekannt, dürfte aber signifikant sein. Fuses bowling 27,7% Miscellaneues 15,5% Lights going out 1% Lights flickering 21,5% Lights dimming 10,8% Breaker tripping 9,2% Appliances operating slowly 4,6% Bulbs burning out 4,6% Radio sounding scratchy 1,5% Sparking, arcing at outlet 1,5% Lichtbogen oder Einstreuung Lichtbogen Fehlerhafte Verbindung  Lichtbogen / Glühen Serieller Störlichtbogen und / oder Glühen Paralleler Störlichtbogen und / oder Kurzschluss Serieller Störlichtbogen und / oder Glühen Bitte übersetzen!

8 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandgefahr durch Störlichtbögen in Endstromkreisen Paralleler Störlichtbogen zw. Phase und Neutralleiter / Erde Nagel oder Schraube Hohe Temperatur des Lichtbogens entzündbares Material Gequetschte Leitung Zu kleiner Biege-Radius Serieller Störlichtbogen in Phase oder Neutralleiter Lose Kontakte und Anschlüsse UV-Strahlung / Nagetierverbiss Abgeknickte Stecker / Leitungen

9 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Geschichte der Störlichtbogenerkennung in den USA In Hausinstallationen entstanden durch Lichtbögen und Funken ca Feuer pro Jahr mit 350 Toten und Verletzten. 1: AFCI: Arc Fault Circuit Interruption Consumer Product Safety Review, Volume 4, Summer : Erste Patente für AFCI1 Technologie 1992: die “Consumer Products Safety Commission (CPSC)” initiiert das Projekt “Home Electrical System Fires Project” CPSC beauftragt UL mit der Untersuchung und Überprüfung von Brandursachen Vielversprechendste Lösung: eine neue Technologie der Lichtbogenerkennung Ab Januar 2008: Der National Electrical Code 2005 schreibt den AFCI Klasse A für den Schutz von allen Stromkreisen 15 / 20 A in Wohnräumen vor

10 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. AFCIs von Siemens in den USA Schutz bei parallelen Störlichtbögen Auslöseschwelle ≥ 75 A nach UL1699 Geringfügige Erhöhung des Brandschutzes AFCI der ersten Generation: Klasse B Schutz bei parallelen und seriellen Störlichtbögen Auslöseschwelle ≥ 5 A nach UL1699 Bedeutende Erhöhung des Brandschutzes mit hoher Fehlauslösungsfestigkeit Fehlerstrom- und Überstromschutz kombinierbar AFCI der neuen Generation: Klasse A

11 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

12 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Serieller Störlichtbogen Ursachen: Vibrationen, thermische Ausdehnung bzw. Kontraktion, mechanische Belastungen der elektrischen Leiter,… Gefährdungspotential: Kann sowohl Glühen als auch stabile serielle Störlichtbögen verursachen Direkte Schädigung bei parallelen Störlichtbögen Direkter Kontakt zwischen den Elektroden: Zündung des Lichtbogens durch eine sehr hohe Stromdichte und das explosionsartige Aufschmelzen einer Schmelzbrücke im Rahmen einer Relativbewegung der Kontakte. SeriellParallel

13 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Lichtbogen infolge einer Störstelle in der Leitung Strom fließt durch beschädigte Leitung Phase 1 Engpass in Leitung und Isolierung werden heiß Phase 2 Heißes Kupfer oxidiert zu Kupferoxid, Isolierung karbonisiert Phase 3 bis ca ºC Kupfer schmilzt & vergast kurz- zeitig (z.B. bei Sinusscheitel) Luftspalt Sporadische Störlicht- bögen über Isolierung Phase 4 bis ca ºC Stabiler Störlichtbogen über karbonisierter Isolierung Phase 5 ca ºC

14 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Durchschlag bei geschädigter Isolation Ursachen: Schädigung der Isolation, Ablagerung von Verunreinigungen,... Charakteristiken: Lange Brenndauer, hohe Stabilität Niedrige Durchschlagsspannung Weite Abstände möglich, hohe Brennspannungen (bis zu 70 V) Verlustleistung > 50 W für serielle und > W für parallele Störlichtbögen Gefährdungspotential: Hohe Energiefreisetzungsraten möglich Erhebliche Schädigungen durch parallele Störlichtbögen Auslöser: Oberflächenschädigung der Isolation nach großen Kriechströmen

15 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Durchschlag bei normaler Isolation Überspannungen Oberflächenrauhigkeiten Oberflächenverunreinigungen (Kohlenstoff  Thermoemissionen) Wasserdampf in Luft usw. Ionisierte Gase in der Luft durch Feuer oder vorhergehende Lichtbögen Mögliche Ursachen für solche Durchschläge Kurze Brenndauer, instabil  schnelle Unterbrechung Hohe Durchschlagsspannungen Brennspannung hängt sehr stark vom Abstand ab Charakteristiken Geringe Auftrittswahrscheinlichkeit Kurze Brenndauer und geringe thermische Energie Risiko der Schädigung der Isolation sowie Start von Kriech- und Verkohlungsvorgängen Gefährdungspotential

16 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandursache Glühen ungenügende Kontaktierungen, Lichtbögen Aufschmelzen des Metalls, Bildung von Schmelzbrücken Anwachsen der Schmelzbrücke, Anwachsen des Widerstandes und der Verlustleistungen Ursachen Sehr stabil bei kleinen Strömen < 10 A Kann lange andauern, Restart nach Stromanstieg Verlustleistungen von einigen wenigen Watt bis zu 50 W Temperatur der Schmelzbrücke von 800 ºC bis ºC Große Wechselwirkung mit Lichtbögen: kann durch den Lichtbogen verursacht werden erzeugt u. U. die Bedingungen für einen stabil brennenden Lichtbogen Charakteristik

17 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Beispiel Glühen (2 A / 240 V) Die Verkohlungsphase bei niedrigeren Strömen dauert viel länger. Während der Verkohlung überwiegt das Glühen. Verkohlung Die Zündphase ist sehr kurz und die Flamme entsteht fast gleichzeitig mit dem stabilen Lichtbogen. Zündung Anteil der Lichtbogenenergie Bei 2 A überwiegt das Glühen

18 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Beispiel Störlichtbogen (5 A / 240 V) Zeitliche Entwicklung einer seriellen Lichtbogensimulation in zwei Phasen aufgeteilt Niedrige Lichtbogenstabilität Langsamer Anstieg der Energie Keine Entzündung des Kabels möglich Verkohlung Hohe Lichtbogenstabilität Schnelle Anstieg der Energie Entzündung des Kabels in wenigen Sekunden Zündung Anteil der Lichtbogenenergie Bei 5 A überwiegt die Lichtbogenenergie

19 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

20 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. AFCIs von Siemens in den USA Die Last in Reihe begrenzt den Strom Der Fehler ist mit herkömmlichen Schutzgeräten nicht detektierbar Serielle Störlichtbögen Die Netzimpedanz und die Bogenspannung begrenzen den Strom L-N: Schutz mit Überstromschutz L-PE: Schutz mit Überstrom- schutz oder Fehlerstromschutz Parallele Störlichtbögen

21 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Grenzen des Überstromschutzes Paralleler Störlichtbogen in einem zweiadrigen Kabel; Zündung durch Punkt-Berührung mit Scheren: "Guillotine Test" Bei hoher Bogenspannung und Netzimpedanz kann der Wert des Lichtbogenstroms unterhalb des magnetischen Auslösestroms des Überstromschutzschalters liegen. Eine Nachzündung des Störlichtbogens nach dem Nulldurchgang ist nicht immer gegeben: Lücken ohne Stromfluss Eine thermische Auslösung des LS ist nicht sicher Schmelzen der Sicherung erfolgt später

22 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Überstromschutz in der Elektroinstallation Schutz durch LeitungsschutzschalterSchutz durch Schmelzsicherung Die herkömmlichen Überstromschutzgeräte sind nur wirksam, wenn die Strom / Zeit-Charakteristik des Fehlers oberhalb der Auslösekennlinie des Schutzorgans liegt. Der Elektroplaner muss sicherstellen, dass die Auslösecharakteristik des Schutzgerätes für den Stromkreis geeignet ist.

23 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Schließen der Schutzlücke bei seriellen Störlichtbögen Fehlerfall Schutz nach IEC-Standard Schutz nach UL-Standard Seriell Parallel Phase-Neutral / Phase-Phase Parallel Phase-Schutzleiter AFDDBrandschutzschalter MCBLeitungsschutzschalter (LS) RCDFehlerstrom- Schutzeinrichtung (FI) AFCIKombination Leitungsschutzschalter/ Brandschutzschalter MCBLeitungsschutzschalter RCDFehlerstrom- Schutzeinrichtung

24 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Lichtbogenerkennung durch Analyse des HF-Rauschens Netzspannung Laststrom (Unterbrechungen bei Nulldurchgang und steilen Flanken) Bogenspannung HF-Rauschen des Lichtbogens

25 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Beispiel Spektrum im Haushalt

26 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandschutzschalter Detektion Lichtbogen-Charakteristik

27 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandschutzschalter-Block 5SM6 Auswertungsprinzipien

28 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

29 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Betriebsmäßige Störquellen Vermeiden unerwünschter Auslösung Ziel: Unterscheidung zwischen betriebsmäßig vorhandenen Störquellen und unerwünschten oder fehlerhaften Bedingungen Betriebsmäßige Störquellen Einschaltstrom Leuchtstofflampen und Kondensatoren Normaler Lichtbogen Elektromotor, Thermostat-Kontakte, Lichtschalter, Gerätestecker Nicht sinusförmige Schwingungen Elektronische Lampendimmer, Schaltnetzteile, Leuchtstofflampen Übersprechen Vermeiden der Auslösung, wenn Lichtbogen in benachbartem Stromkreis auftritt Bohr- maschine Staubsauger Schaltnetzteil Dimmer

30 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Lichtbogenerkennung Unterscheidung der Störquellen Mikroprozessor und / oder ASIC Fünf Hauptkriterien für die Unterscheidung zw. Störlichtbogen und Störquellen Verschiedene Filter und Hysterese-Kurven, um die Fehlauslösungsfestigkeit zu erhöhen Lichtbogenerkennung

31 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

32 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Produktvarianten (1/2) Für 1 TE Leitungsschutzschalter – 1+N (5SY60) – (max. 16 A) 5SM Für 2 TE Schutzschalter – FI / LS-Schalter 1+N (5SU1) oder LS-Schalter 1+N (5SY), jeweils max. 16 A 5SM

33 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Produktvarianten (2/2) Regelmäßiger Funktionsselbsttest Überspannungsschutz: Abschaltung bei Spannungen über 275 V zwischen Außenleiter und N-Leiter Identisches Zubehör wie LS-Schalter 5SY (AS, FC, UR, ST) Besonderheiten Oktober 2012 Markteinführung

34 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Anzeige des Funktionszustandes Brandschutzschalter einsatzbereit, in Funktion Auslösung: Serieller Störlichtbogen Auslösung: Paralleler Störlichtbogen Auslösung: Überspannung > 275 V Brandschutzschalter nicht einsatzbereit Keine Spannungsversorgung

35 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Anwendungsbereiche für Endstromkreise bis 16 A (1/2) Wohnhäuser Schlaf-, Kinderzimmer Betrieb unbeobachteter Verbraucher mit hoher Leistung (z.B. Nachtbetrieb von Waschmaschine, Geschirrspülmaschine) Altenheime Krankenhäuser Räume, in denen ein Brand nicht sofort erkannt wird (Personengefährdung) Bibliotheken Museen Galerien Räume mit wertvollen Gütern, Kunstgegenständen

36 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Anwendungsbereiche für Endstromkreise bis 16 A (2/2) Holzbauten und -verkleidungen, ökologische Baustoffe, Dachausbauten Räume mit leichtentzündlichen Stoffen Schreinereien Bäckereien Viehställe Scheunen Räume mit Verarbeitung leicht brennbarer Stoffe

37 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

38 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Norm IEC (23E / 742 / CDV) Auslösercharakteristik bei seriellem Lichtbogen Auslösercharakteristik bei parallelem Lichtbogen Fehlerauslösungsfestigkeit mit Störlasten: EMV, Lebensdauer, Isoaltionsfestigkeit, Zuverlässigkeit…

39 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Normentwurf IEC Auslösezeiten serieller Störlichtbogen 1: Break time value for 63A is under consideration Low arc currents may occur due to insulation faults phase to earthor series arcing. Table 1a – Limit values of break time for U n 230V AFDDs Test arc current (rms values) 2,5A5A10A16A32A63A Maximum break time 1s0,5s0,25s0,15s0,12s 1) Table 1b – Limit values of break time for U n 120V AFDDs Test arc current (rms values) 5A10A16A32A63A Maximum break time 1s0,4s0,28s0,14s 1)

40 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Normentwurf IEC Auslösezeiten paralleler Störlichtbogen 1: This test current is the prospective current is the current before arcing in the testing circuit 2: N is the number of half cycles at the rated frequency High are currents may occur due to isolation faults phase to earth or parallel arcing Table 1c – Maximum allowed number of half-cycles within 0,5s for U n 230V AFDDs and U n 120V AFDDS Test arc current 1) (rms values) 75A100A150A200A300A500A N 2)

41 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

42 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Zusammenfassung Die Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 ergänzen die bewährten FI- Schutzschalter und Leitungsschutzschalter und verringern so die Wahrscheinlichkeit elektrisch gezündeter Brände. Störlichtbögen im Hausbereich können fatale Brände verursachen Klassische Schutzkonzepte weisen Lücken auf Ein Brandschutzschalter kann gefährliche Störlichtbogen sicher detektieren und abschalten

43 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Quellenangabe JM. Martel, “Serielle Störlichtbögen in Elektroinstallationen im Niederspannungsbereich”, Siemens AG, VDE AKK-Seminar 2009 JM. Martel, M. Anheuser, A. Hueber, F. Berger, F. Erhard, "Schutz gegen parallele Störlichtbögen in der Hauselektroinstallation", Siemens AG, TU Ilmenau, VDE AKK-Seminar 2011 JM. Martel, "Characterization of arc faults and thermal effects", Siemens AG, ACE-Seminar Nancy 2012 M. Anheuser, JM. Martel, "Störlichtbogenschutz in Wechsel- und Gleichspannungsnetzen", HDT-Seminar Störlichtbogen, München 12/2011 Teile des Inhaltes und einige Abbildungen dieses Foliensatzes stammen aus

44 Frei verwendbar / © Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! siemens.com/lowvoltage


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