Brandschutzschalter – Störlichtbogenschutz

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1 Brandschutzschalter – Störlichtbogenschutz
SENTRON Brandschutzschalter – Störlichtbogenschutz

2 Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen
Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

3 Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen
Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

4 Brandursachen – Deutschland Statistischer Hintergrund in Deutschland
Vorbeugende Brandursachen (2010) Sonstige / unbekannt 22% Blitzschlag 0% Blitzschlag 0% Sonstige / unbekannt 34% Elektrizität 34% Elektrizität 52% Überhitzung 9% Selbstentzündung 1% Explosion 2% Selbstentzündung 2% Offenes Feuer 3% Brandstiftung 8% Offenes Feuer 5% Menschliches Fehlverhalten 18% Feuergefährliche Arbeiten 3% Feuergefährliche Arbeiten 4% Explosion 3% Ursachen für elektrisch verursachte Feuer Elektrisch verursachte Feuer Sonstige / unbekannt 23% Ursache in der Elektroinstallation 28% Achtung: Die Zahlen beziehen sich nur auf diejenigen Brandfälle, die vom IFS untersucht wurden ! I.d.R. sind das Fälle, bei denen die Brandursache nicht auf den ersten Blick offensichtlich war. => z.B. 0% Blitzeinschlag, da dies meist auf den ersten Blick ersichtlich ist Quelle: IFS (Institut für Schadenverhütung und Schadenforschung der öffentlichen Versicherer e.V.) Ursache in elektrischen Verbrauchern 49%

5 Jährliche Brandschäden in Deutschland
Anzahl der Feuerschäden ca Schadenshöhe ca. 6 Milliarden2 Tote2 600 (davon 75% in Privatwohnungen) Verletzte3 ca Schwerverletzte3 ca TODO: Statistik – Brandschäden Österreich: Siehe auch: 1: GDV(Gesamtverband der deutschen Versicherungswirtschaft e.V.): 2: vfdb Technisch-Wissenschaftlicher Beirat (Arbeitsgruppe Brandschutzforschung) 3: GDV: html

6 Brandstatistik aus anderen Ländern Europas
Dänemark Norwegen Grundlage Brandstatistik 2005 Absolute Anzahl: Brände Grundlage Brandstatistik 2002 – Absolute Anzahl: Brände Anwendungsfehler 15% Beschädigungen und Feuchtigkeit 17% Lichtbogen 30% Isolationsfehler 9% Lose Verbindungen 11% Sonstiges 64% Alterung 9% Kriechstrom 3% Materialfehler 37% Nagetierfraß 2% Erdfehler / Kurzschluss 3% Finnland Grundlage Brandstatistik 2006 Absolute Anzahl: Brände Kurzschluss / Erdfehler 65% Sonstiges 26% TODO: Statistik – Brandschäden Österreich: Siehe auch: Lose Verbindungen 4% Überlast 4% Montagefehler 1%

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

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

9 Geschichte der Störlichtbogenerkennung in den USA
1983: 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 In Hausinstallationen entstanden durch Lichtbögen und Funken ca Feuer pro Jahr mit 350 Toten und Verletzten. Consumer Product Safety Review, Volume 4, Summer 1999 1: AFCI: Arc Fault Circuit Interruption

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

11 Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen
Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

12 Serieller Störlichtbogen
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. Seriell Parallel 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

13 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 IFS September 2009: ( … An einem Flachsteckkontakt fielen ihm massive Metallschmelzspuren auf, die nicht die Folge einer Brandeinwirkung von außen sein konnten. Temperaturen von mehr als 1000 °C mussten hier dem Spurenbild nach aufgetreten sein. Offenbar hatte sich an dem Steckkontakt ein Übergangswiderstand gebildet. Dies kann geschehen, wenn eine elektrische Kontaktstelle nicht sorgfältig ausgeführt wird. An der Fehlerstelle wird dann elektrische Energie in Wärme umgewandelt; infolge dessen wird der Übergangswiderstand größer – es entsteht eine Spirale: Der Widerstand wächst, es wird immer, mehr Wärme erzeugt, umliegendes brennbares Material und die Leitungsisolierungen werden thermisch aufbereitet. Lichtbögen können auftreten und das Material entzünden. Dieser Prozess kann Tage, Monate oder sogar Jahre dauern. Karbonisiert = Kohlenstoff => Brennt gut (siehe Kohle)

14 Durchschlag bei geschädigter Isolation
Auslöser: Oberflächenschädigung der Isolation nach großen Kriechströmen 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

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

16 Brandursache Glühen Ursachen Charakteristik
ungenügende Kontaktierungen, Lichtbögen Aufschmelzen des Metalls, Bildung von Schmelzbrücken Anwachsen der Schmelzbrücke, Anwachsen des Widerstandes und der Verlustleistungen Charakteristik 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

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

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

19 Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen
Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

20 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 Grenzen des Überstromschutzes
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 Paralleler Störlichtbogen in einem zweiadrigen Kabel; Zündung durch Punkt-Berührung mit Scheren: "Guillotine Test"

22 Überstromschutz in der Elektroinstallation
Schutz durch Leitungsschutzschalter Schutz 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 Schließen der Schutzlücke bei seriellen Störlichtbögen
Fehlerfall Schutz nach IEC-Standard Schutz nach UL-Standard Seriell Parallel Phase-Neutral / Phase-Phase Phase-Schutzleiter AFDD Brandschutzschalter MCB Leitungsschutzschalter (LS) RCD Fehlerstrom- Schutzeinrichtung (FI) AFCI Kombination Leitungsschutzschalter/ Brandschutzschalter MCB Leitungsschutzschalter RCD Fehlerstrom- Schutzeinrichtung

24 Lichtbogenerkennung durch Analyse des HF-Rauschens
Netzspannung Laststrom (Unterbrechungen bei Nulldurchgang und steilen Flanken) Bogenspannung HF-Rauschen des Lichtbogens

25 Beispiel Spektrum im Haushalt

26 Brandschutzschalter Detektion
Lichtbogen-Charakteristik

27 Brandschutzschalter-Block 5SM6 Auswertungsprinzipien

28 Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen
Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

29 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 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

31 Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen
Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

32 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

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

34 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 Anwendungsbereiche für Endstromkreise bis 16 A (1/2)
Räume, in denen ein Brand nicht sofort erkannt wird (Personengefährdung) Wohnhäuser Schlaf-, Kinderzimmer Betrieb unbeobachteter Verbraucher mit hoher Leistung (z.B. Nachtbetrieb von Waschmaschine, Geschirrspülmaschine) Altenheime Krankenhäuser Räume mit wertvollen Gütern, Kunstgegenständen Bibliotheken Museen Galerien Tod eines Kleinkinds bei Brand:

36 Anwendungsbereiche für Endstromkreise bis 16 A (2/2)
Räume mit leichtentzündlichen Stoffen Holzbauten und -verkleidungen, ökologische Baustoffe, Dachausbauten Räume mit Verarbeitung leicht brennbarer Stoffe Schreinereien Bäckereien Viehställe Scheunen Tod eines Kleinkinds bei Brand:

37 Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen
Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

38 Norm IEC (23E / 742 / CDV) Auslösercharakteristik bei seriellem Lichtbogen Auslösercharakteristik bei parallelem Lichtbogen Fehlerauslösungsfestigkeit mit Störlasten: EMV, Lebensdauer, Isoaltionsfestigkeit, Zuverlässigkeit…

39 Normentwurf IEC 62606 Auslösezeiten serieller Störlichtbogen
Table 1a – Limit values of break time for Un 230V AFDDs Test arc current (rms values) 2,5A 5A 10A 16A 32A 63A Maximum break time 1s 0,5s 0,25s 0,15s 0,12s 1) Table 1b – Limit values of break time for Un 120V AFDDs Test arc current (rms values) 5A 10A 16A 32A 63A Maximum break time 1s 0,4s 0,28s 0,14s 1) 1: Break time value for 63A is under consideration Low arc currents may occur due to insulation faults phase to earthor series arcing.

40 Normentwurf IEC 62606 Auslösezeiten paralleler Störlichtbogen
Table 1c – Maximum allowed number of half-cycles within 0,5s for Un 230V AFDDs and Un 120V AFDDS Test arc current 1) (rms values) 75A 100A 150A 200A 300A 500A N 2) 12 10 8 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

41 Agenda Störlichtbögen – Geschichte, Ursachen und Wirkungen
Entstehung eines Störlichtbogens Schutzkonzepte Herausforderung: Störlicht- bogenerkennung ohne Fehlauslösung Brandschutzschalter-Blöcke 5SM6 Ausblick: Normenansatz Zusammenfassung

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

43 Quellenangabe Teile des Inhaltes und einige Abbildungen dieses Foliensatzes stammen aus 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

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
siemens.com/lowvoltage