Anwendung von IEEE 1584 in Energieerzeugungsanlagen

Dec 26, 2023

Ein Lichtbogen ist die explosive Energie, die freigesetzt wird, wenn ein elektrischer Fehler einen Lichtbogen verursacht. Diese schnelle Energiefreisetzung führt zu übermäßigen Temperaturen, zusätzlich dazu, dass sich Luft und Metall im Weg des Lichtbogens ausdehnen und explodieren – was zu umherfliegenden Trümmern, Schall, ultravioletter Strahlung und der Emission gefährlicher Gase führt.

Um die Sicherheit des Personals und die Systemzuverlässigkeit zu verbessern, ist es wichtig, dass die Manager von Energieerzeugungsanlagen zusammen mit dem Wartungs- und Betriebspersonal verstehen, wie Energiesysteme bei ungewöhnlichen Fehlerbedingungen funktionieren. Für Kernenergieanlagen ist es außerdem besonders wichtig, die möglichen Auswirkungen dieser Ereignisse auf sicherheitsrelevante Ausrüstung zu verstehen.

1. Wenn Arbeiten an unter Spannung stehenden Geräten erforderlich sind, müssen sich die Arbeitnehmer sicherheitshalber kleiden und den Vorschriften entsprechen. Die neuesten Forschungsergebnisse, die auf strengen Tests basieren, spiegeln sich im aktualisierten IEEE 1584-Leitfaden wider. Mit freundlicher Genehmigung: Eaton

Welche persönliche Schutzausrüstung (PSA) sollte aus Sicherheitsgründen getragen werden? Berechtigte Arbeiten an unter Spannung stehenden Elektrogeräten werden unter verschiedenen Umständen durchgeführt, und Elektroarbeiter müssen sich aus Sicherheitsgründen und zur Einhaltung der Vorschriften kleiden (Abbildung 1). Sie benötigen eine Anleitung auf der Grundlage der relevanten Vorschriften und Standards sowie Echtzeitdaten, die ihnen dabei helfen, notwendige Wartungsarbeiten sicher durchzuführen.

Lichtbogenereignisse können zu erheblichen Schäden und Ausfallzeiten führen. Im Falle eines Lichtbogenereignisses können Facility Manager nicht einfach zum nächstgelegenen Großhändler fahren, um ein neues Motorsteuerzentrum, eine neue Schaltanlage oder andere elektrische Verteilungsgeräte zu besorgen. Stattdessen könnte die Herstellung, der Versand und die Installation neuer Geräte Monate dauern. In der Zwischenzeit führen Ausfallzeiten direkt zu Produktionsausfällen und können sich negativ auf das Endergebnis auswirken.

Darüber hinaus ist es wichtig, die Auswirkungen von Lichtbogenereignissen auf die sicherheitsrelevante Ausrüstung von Energieerzeugungsanlagen, insbesondere Kernkraftwerken, zu verstehen. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, dass sicherheitsrelevante Geräte einem Lichtbogenereignis ausgesetzt sind, sondern auch darin, dass sicherheitsrelevante Geräte sich in der Nähe befinden und dadurch Schäden entstehen, selbst wenn ein Ereignis in Geräten auftritt, die nicht sicherheitsrelevant sind. Wenn ein Lichtbogenereignis auftritt, kann sich der Aufprallbereich auf andere Geräte erstrecken.

Die Elektroindustrie, insbesondere Kernkraftwerke, ist von Ereignissen dieser Art betroffen und treibt Veränderungen bei der Konstruktion und Installation von Geräten voran. Beispielsweise veränderte ein Ereignis im Kernkraftwerk Browns Ferry im Limestone County, Alabama, im März 1975 die Konzeption von Kernkraftwerken.

Bei Browns Ferry kam es im Kabelverteilungsraum zu einem großen Kabelbrand, und mehr als 600 der verbrannten Kabel enthielten Schaltkreise für die sichere Abschaltung eines oder beider der beiden in Betrieb befindlichen Reaktoren. Nach Angaben der US Nuclear Regulatory Commission (NRC) und des Johns Hopkins APL (Applied Physics Laboratory) Technical belief sich der Kapitalverlust in diesem Fall auf 10 Millionen US-Dollar plus 200 Millionen US-Dollar für die Bezahlung des zusätzlichen Stroms aus anderen Quellen während der 18-monatigen Ausfallzeit Verdauen.

Lichtbogenereignisse sind, wie der Zwischenfall mit Browns Ferry gezeigt hat, sehr zerstörerisch. Erkenntnisse aus realen Ereignissen und Forschungen haben die Energieerzeugungsbranche in vielerlei Hinsicht verändert.

2. Der IEEE 1584 „IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations“ ist das weltweit am weitesten verbreitete Dokument zur Quantifizierung der einfallenden Wärmeenergie und der mit Lichtbogenfehlern verbundenen Lichtbogen-Flash-Grenze. Dies ist das Cover des ersten Dokuments, das 2002 veröffentlicht wurde. Mit freundlicher Genehmigung von IEEE

Die neuesten technischen Informationen zu Lichtbögen, einfallender Energie und hochenergetischen Lichtbögen (HEAF) sind für jeden in einer Energieerzeugungsanlage wichtig, unabhängig davon, ob es sich um eine Anwendung zur Erzeugung fossiler Brennstoffe, Kernenergie oder alternativer Energie handelt. Es gibt weltweit mehrere Forschungsanstrengungen zu diesem Thema, aber zwei stechen besonders hervor. Das erste ist die Forschung und Entwicklung für den IEEE 1584-Standard mit dem Titel „IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations“ (Abbildung 2). Das NRC führt die zweite durch. Die jüngsten Ereignisse in der Nuklearindustrie führen zu mehr Forschung und Diskussion zu diesem Thema, um HEAF-Ereignisse besser zu verstehen.

Der IEEE 1584-Leitfaden war und ist das weltweit am weitesten verbreitete Dokument zur Quantifizierung der einfallenden Wärmeenergie und der Lichtbogen-Flash-Grenze im Zusammenhang mit Lichtbogenfehlern. Das Dokument wird durch mehr Tests unterstützt als jeder andere Standard.

IEEE 1584 wurde ursprünglich im Jahr 2002 veröffentlicht und basiert auf Tests, die durchgeführt wurden, um Gleichungen zu erstellen, die die Industrie zur Berechnung der einfallenden Energie verwendet. (Einfallenergie ist definiert als die Energiemenge, die in einem vorgeschriebenen Abstand vom Gerät während eines Lichtbogenereignisses erzeugt wird. Sie steigt mit zunehmender Stärke des im Fehlerfall fließenden Stroms und zunehmender Behebungszeit.) Die Industrie war bestrebt, ihre Probleme zu lösen Informieren Sie sich über das Thema Energievorfälle, um allen Stromerzeugern zu helfen, sich auf Energievorfälle vorzubereiten oder deren Auswirkungen hoffentlich abzumildern und zu reduzieren. Zuletzt wurden weitere Untersuchungen durchgeführt und letztes Jahr wurde eine neue IEEE 1584-2018 veröffentlicht.

Die neuesten Untersuchungen basieren auf fast 2.000 zusätzlichen Tests und haben erneut gezeigt, dass die Lichtbogenanalyse noch keine exakte Wissenschaft ist. Diese neuen Formeln, die auf unterschiedlichen Feldbedingungen basieren, wurden entwickelt, um ein verbessertes Berechnungsmodell zu erstellen. Strenge Tests führten zu mehr Variablen, was bedeutet, dass qualifizierte Personen, die Lichtbogenstudien durchführen, mehr Entscheidungen treffen müssen.

Eine Eaton-Analyse zeigt, dass die Größe der Lichtbogenströme und die einfallenden Energiewerte zunehmen. Mit zunehmenden Lichtbogenströmen besteht eine bessere Chance auf kürzere Löschzeiten, was zu niedrigeren Einfallsenergiewerten führt (Abbildung 3). Mit höheren Lichtbogenströmen könnten schnellere Löschzeiten erreicht werden, da die höheren Ströme mit größerer Wahrscheinlichkeit im Momentanbereich von Leistungsschaltern oder im strombegrenzenden Bereich von Sicherungen liegen.

3. Systeme zur aktiven Lichtbogenminderung erkennen Lichtbögen und beheben Fehler viel schneller als herkömmliche Ansätze. Die hier gezeigten Arc-Reduction VFI-Transformatoren (Vacuum Fault Interrupter) von Eaton beispielsweise integrieren leistungsstarke Intelligenz und Sekundärsensoren, um die einfallende Energie in nachgeschalteten Geräten drastisch zu reduzieren und so die Sicherheit zu erhöhen, wenn Arbeiten an unter Spannung stehenden Geräten erforderlich sind. Mit freundlicher Genehmigung: Eaton

Die höheren Werte der einfallenden Energie (Kalorien pro Quadratzentimeter) werden durch einige wichtige Datenpunkte beeinflusst, darunter die Konfiguration der Elektroden und die Größe des Gehäuses, in dem der Lichtbogen auftritt. Die neuesten Forschungsergebnisse helfen der Branche, dieses Phänomen besser zu verstehen.

Die Bedeutung der Art der Ausrüstung und der Konfiguration der Busarbeit wirkt sich auf die einfallende Energie aus. Beispielsweise könnten die beiden kritischen Parameter Busausrichtung und Gehäusegröße bei älteren Geräten schwieriger zu ermitteln sein als bei neueren Geräten, es stehen jedoch Tools für den Erfolg zur Verfügung.

Die Branche reagiert schnell. Die verwendeten Tools, einschließlich Softwareanwendungen zur Systemmodellierung, wurden aktualisiert, um die neuesten IEEE 1584-Angebote zu implementieren. Die Hersteller arbeiten auch daran, der Industrie dabei zu helfen, einige der Schlüsselparameter der Ausrüstung zu verstehen, die für die Bestimmung von Lichtbogenströmen und einfallender Energie wichtig sind.

Eine verbesserte Modellierung für Außenanwendungen (bis zu 15 kV) ist besonders wichtig für Versorgungsunternehmen. IEEE 1584-2018 bietet jetzt eine verbesserte Modellierung für Außenversorgungsgeräte durch neue Elektrodenkonfigurationen wie vertikale Elektroden im Freien (VOA) und horizontale Elektroden im Freien (HOA). Diese stellen die Bedingungen dieser Anwendungen mit höherer Spannung besser dar.

Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass Energieerzeugungsanlagen über ähnliche Stromverteilungssysteme wie viele andere Industrieanlagen verfügen und dass die übrigen Einzelheiten von IEEE 1584-2018 weiterhin gelten. Für die Sicherheit und Zuverlässigkeit ist es wichtig, die einfallende Energie in einer Anlage zu verstehen. Die IEEE 1584-2018-Gleichungen bieten eine Methode zur Analyse des Systems und zur Bestimmung der einfallenden Energie.

Lichtbogenereignisse in den USA und auf der ganzen Welt haben die Forschung rund um HEAF-Ereignisse beschleunigt. HEAF-Ereignisse sind sowohl in US-amerikanischen als auch in ausländischen Kernkraftwerken aufgetreten. Die Kernenergieindustrie ist sich bewusst, dass HEAFs das Potenzial haben, erhebliche Schäden an elektrischen Geräten, angrenzenden Geräten und Kabeln zu verursachen. Diese erhebliche Energiefreisetzung kann als Zündquelle für in der Nähe befindliche brennbare Stoffe wirken, einen Brand auslösen und möglicherweise die Leistung von für die Sicherheit wichtigen Strukturen, Systemen und Komponenten in der Nähe beeinträchtigen.

Der Testplan für HEAF-Veranstaltungen umfasste eine Reihe kleiner Gehäusetests, die vom NRC Office of Nuclear Regulatory Research (RES) gesponsert und in den Sandia National Laboratories (SNL) durchgeführt wurden. Der Aufwand und die Tests sind gut dokumentiert und stehen einem breiten Publikum zur Verfügung. Stromerzeuger können aus der Forschung auf diesem Gebiet viel lernen.

Mit allen Daten und Tools, die der Branche zur Verfügung stehen, kann die Branche Systeme besser verstehen, planen und entwerfen, um zu berücksichtigen, was im Falle eines Ereignisses zu erwarten ist. Es stehen die Tools und die Technologie zur Verfügung, um diese Ereignisse durch Systemdesignprinzipien abzumildern, die dabei helfen, das Ereignis aus der Gleichung heraus zu steuern.

Die folgenden Bereiche sind entscheidende Überlegungen zur Reduzierung des Schadens, der mit der Freisetzung von Energie in einem Energiesystem verbunden ist:

■ Strombegrenzende Überstromschutzgeräte. Sicherungs- und Leistungsschalterlösungen reduzieren die Energie, wenn der Lichtbogenstrom im strombegrenzenden Bereich des Geräts liegt.

■ Wartungsschalter zur Lichtbogenreduzierung. Die Möglichkeit, einen Schalter zu betätigen, wenn gerechtfertigte Arbeiten unter Spannung ausgeführt werden, wodurch der Lichtbogenstrom in den schnell wirkenden Bereich der Überstromschutzvorrichtung gebracht wird.

■ Aktive Systeme zur Lichtbogenlöschung. Neue Schaltanlagen zur Lichtbogenlöschung können die verfügbare einfallende Energie drastisch reduzieren und einen Lichtbogen mehr als zehnmal schneller löschen als herkömmliche Ansätze, sodass die Schaltanlage einem Lichtbogenereignis mit minimalem oder keinem Schaden standhalten kann.

■ Lichtbogenbeständige Ausrüstung. Geräte, die die Energie enthalten und in eine geplante Richtung leiten, falls im Inneren ein Ereignis auftritt.

■ Fernbedienung. Ob durch Netzwerkkommunikation oder durch die Verwendung von Nabelschnüren – das Öffnen und sogar Schließen von Überstromschutzvorrichtungen aus der Ferne hilft dabei, Personal in sichere Bereiche zu bringen.

■ Isolierte Ausrüstung. Der isolierte Bus innerhalb der Ausrüstung trägt dazu bei, die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses zu verringern.

■ Gerätebarrieren. Zusätzliche Barrieren innerhalb der Ausrüstung zur Abdeckung freiliegender, unter Spannung stehender Teile können dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses zu verringern, indem sie die Wahrscheinlichkeit eines unbeabsichtigten Kontakts verringern.

4. Power Defense-Leistungsschalter, die mit der Arcflash Reduction Maintenance Switch-Technologie von Eaton ausgestattet sind, tragen dazu bei, die Störenergie zu reduzieren, wenn unter Spannung stehende Arbeiten ausgeführt werden müssen. Das hier gezeigte Power Xpert Dashboard Lite (PXDBL) von Eaton interagiert in einer Vielzahl von Anwendungen mit Niederspannungsschalttafeln und Schalttafeln. Mit freundlicher Genehmigung: Eaton

Es gibt Technologien (Abbildung 4), um das Auftreten eines Ereignisses zu erkennen und die Behebungszeit zu verkürzen, sodass das Ereignis nicht den Schaden verursacht, der in der Vergangenheit mit dem Fehler verbunden war. Manchmal ist die Lösung so einfach wie die Auswahl eines standardmäßigen Überstromschutzgeräts, sodass das System von Natur aus strombegrenzend wird, und manchmal ist die Lösung komplexer.

Um die Sicherheit des Personals und die Systemzuverlässigkeit zu verbessern, ist es von entscheidender Bedeutung, die Leistung von Stromversorgungssystemen während eines Fehlerzustands sowie die relevanten Vorschriften und Standards zu verstehen. ■

—Thomas A. Domitrovich ist Elektroingenieur im Elektrogeschäft von Eaton. Er sitzt im Code Making Panel 2 der National Fire Protection Association (NFPA) für die Weiterentwicklung des National Electrical Code (NFPA 70).

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