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Sicherheit in Gleichstromanwendungen Teil 1

Neue Heraus­for­de­run­gen

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Die Nutzung und Anwen­dungs­fälle von Gleich­span­nung werden in den kommen­den Jahren stark stei­gen. Sind die vorhan­de­nen Normen dem noch gewach­sen? Ist das bishe­rige Niveau sicher?

Zu Beginn der Elek­tri­fi­zie­rung gab es einen Wett­be­werb zwischen den Befür­wor­tern der Nutzung von Gleich­span­nung und der von Wech­sel­span­nung. Ein Beispiel hierzu ist mit der Einfüh­rung der elek­tri­schen Beleuch­tung in New York eindrucks­voll doku­men­tiert.
Nach­dem sich für die allge­meine Nutzung die 50- bzw. 60-Hz-Wechselspannung durch­ge­setzt hatte, beschränkte sich die Nutzung der Gleich­span­nung auf Insel­an­wen­dun­gen (z. B. Bord­netze von Fahr­zeu­gen oder indus­tri­elle Anwen­dun­gen). Zum Teil wurden und werden dabei durch­aus höhere Gleich­span­nun­gen einge­setzt. Beispiel­haft sei hier die Londo­ner U‑Bahn genannt, die mit 600 V Gleich­span­nung betrie­ben wird.
Bei den batte­rie­ver­sorg­ten Anwen­dun­gen war die Span­nung übli­cher­weise so gering, dass keine weiter­ge­hen­den Schutz­maß­nah­men zur Abwehr von Gesund­heits­ge­fah­ren durch den elek­tri­schen Strom erfor­der­lich waren. Bei Anwen­dun­gen mit höhe­rer Gleich­span­nung im gewerb­li­chen Bereich verzeich­nete die Berufs­ge­nos­sen­schaft dennoch alleine im Jahr 1969 in der Bundes­re­pu­blik Deutsch­land fast 350 Strom­un­fälle. Bis 1980 wurde ihre An- zahl auf ca. 100 pro Jahr verrin­gert und schwankt seit der Wieder­ver­ei­ni­gung zwischen 100 und 150 jähr­lich. 90 % die- ser Gleich­strom­un­fälle entfie­len auf den Niederspannungs- (Gleich­span­nun­gen bis 1500 V) und 10 % auf den Hoch­span­nungs­be­reich.
Recht und Normen
Normen zum Schutz des Menschen vor Gefähr­dun­gen durch elek­tri­sche Span­nun­gen sind mit die wich­tigs­ten Quel­len für rich­ti­ges Handeln. Im Bereich der Elek­tro­tech­nik sind hierzu die Normen der Reihe DIN VDE 0100, DIN EN 61140 (VDE 0140–1), DIN IEC/TS 60479–1 (VDE V 0140–479‑1) sowie die Normen für die Isolie­rung elek­tri­scher Leiter am bekann­tes­ten. Für den Blitz­schutz sind die Normen und Beiblät­ter der Reihe DIN EN 62305 (VDE 0185–305) maßgeb­lich.
Für Gleich­span­nun­gen exis­tie­ren zwar grund­le­gende Fest­le­gun­gen und Schutz­kon­zepte, jedoch ist aufgrund der in den letz­ten Jahr­zehn­ten vergleichs­weise gerin­gen wirt­schaft­li­chen Bedeu­tung der Gleich­span­nung im Bereich eini­ger hundert Volt die Erfah­rungs­ba­sis deut­lich klei­ner als bei Wech­sel­span­nung.
In den kommen­den Jahren wird eine enorm wach­sende Bedeu­tung von Gleich­span­nungs­an­wen­dun­gen in der Energie- und Antriebs­tech­nik erwar­tet. Durch Fort­schritte bei Leis­tungs­halb­lei­tern werden dabei Konzepte Verwen­dung finden, die vor weni­gen Jahren noch nicht wirt­schaft­lich reali­sier­bar waren.
Gleich­span­nungs­an­wen­dun­gen werden in vielen Berei­chen des Arbeits- und Privat­le­bens auftre­ten. Beispiel­haft seien fünf Berei­che mit beson­de­rem Entwick­lungs­po­ten­zial genannt:
  • Elek­tro­mo­bi­li­tät: Die für die Elek­tro­mo­bi­li­tät erfor­der­li­che Ener­gie wird im Fahr­zeug in Batte­rien gespei­chert, die mit hohen Gleich­span­nun­gen arbei­ten. Sicher­heits­kon­zepte für die Vertei­lung im Fahr­zeug müssen neu über­dacht werden.
  • Antriebs­tech­nik: Aufgrund der guten Regel­bar­keit und ihres Dreh­mo­ment­ver­laufs wird der Einsatz von elek­tri­schen Antrie­ben auch in der Land­wirt­schaft und bei Bauma­schi­nen unter­sucht und in ersten Proto­ty­pen erprobt.
  • Dezen­trale Ener­gie­ver­sor­gung: Beim Einsatz von Solar­zel­len, Batte­rien oder Brenn­stoff­zel­len, aber auch bei Strom­rich­tern für Wind­kraft­an­la­gen treten Gleich­span­nun­gen im Bereich mehre­rer hundert Volt auf.
  • DC-Versorgung in der Wohnung: Gleich­span­nungs­ver­sor­gung erhöht die Ener­gie­ef­fi­zi­enz aufgrund vermie­de­ner Umwand­lungs­ver­luste. Als Verbrau­cher kommen dabei z. B. Multimedia-Systeme in Betracht.
  • Akku­be­trie­bene Haus­halts­ge­räte, Werk­zeuge und Klein­fahr­zeuge: In den vergan­ge­nen Jahren wurden vermehrt leis­tungs­starke akku­be­trie­bene Elek­tro­ge­räte auf den Markt gebracht, wie z. B. Akku­ra­sen­mä­her und Elektro-Außenbordmotoren. Weitere Gerä­te­ka­te­go­rien sind zu erwar­ten.
Eine Anfang 2014 durch­ge­führte Recher­che im Deut­schen Normen­werk hat bezüg­lich des Einsat­zes von Gleich­span­nung folgende Ergeb­nisse erzielt:
  • DIN 29576–1:1992–05: Die in einem Bord­netz eines Luft­fahr­zeugs erzeugte Span­nung darf +250 V bzw. –250 V nicht über­schrei­ten.
  • DIN EN 1175–3 (VDE 0117–3):2011–06: Sicher­heits­an­for­de­run­gen mit Nenn­span­nun­gen bis 240 V für Flur­för­der­zeuge; Gleich­strom­mo­to­ren bis 240 V müssen die Anfor­de­run­gen des Anhangs B von DIN EN 1175–1 (VDE 0117–1) erfül­len, Gleich- und Wech­sel­strom­ma­schi­nen mit Nenn­span­nun­gen bis 600 V die Anfor­de­run­gen der Normen der Reihe DIN EN 60349 (VDE 0115–400).
  • DIN EN 15194:2012–02: Anfor­de­run­gen und Prüf­ver­fah­ren zur Bewer­tung der Konstruk­tion und des Zusam­men­baus von elek­tro­mo­to­risch unter­stütz­ten Fahr­rä­dern und deren Baugrup­pen für Anla­gen mit einer Batte­rie­span­nung bis 48 V DC oder einem einge­bau­ten Batte­rie­la­de­ge­rät mit einem Span­nungs­ein­gang von 230 V AC.
  • Normen der Reihe DIN EN 50123 (VDE 0115–300): Bahn­an­wen­dun­gen – Gleichstrom-Schaltanlagen und Steu­er­ein­rich­tun­gen in orts­fes­ten Anla­gen mit einer Nenn­span­nung von höchs­tens 3000 V DC.
  • DIN EN 50162 (VDE 0150):2005–05: Schutz gegen Korro­sion durch Streu­ströme aus Gleich­strom­an­wen­dun­gen.
  • Normen der Reihe DIN CLC/TS 50457 (VDE V 0122–2): Gleichstrom-Ladestation für Elek­tro­fahr­zeuge.
  • DIN EN 60077–3 (VDE 0115–460‑3):2003–04: Bahn­an­wen­dun­gen – Leis­tungs­schal­ter, deren Haupt­kon­takte mit einem Leistungs- und/oder Hilfs­be­triebs­strom­kreis mit Gleich­span­nun­gen nicht über 3000 V verbun­den sind.
  • DIN EN 60519–3 (VDE 0721–3):2006–01: Zugäng­li­che Steck­do­sen für Gleich­span­nun­gen über 500 V müssen unver­wech­sel­bar sein und müssen vor oder während des Tren­nens auto­ma­tisch abge­schal­tet werden, um Gefah­ren für das Perso­nal zu vermei­den.
  • DIN EN 60700–1 (VDE 0553–1):2013–11: Hochspannungs-Gleichstrom-Energieübertragung.
  • DIN EN 60900 (VDE 0682–201):2013–04: Isolierte Hand­werk­zeuge, die zum Arbei­ten an unter Span­nung stehen­den Teilen oder in deren Nähe bei Nenn­span­nun­gen bis 1500 V DC benutzt werden können.
  • DIN EN 61643–21 (VDE 0845–3‑1): Über­span­nungs­schutz­ge­räte zum Schutz von Einrich­tun­gen in Telekommunikations- und signal­ver­ar­bei­ten­den Netz­wer­ken mit Nenn­span­nun­gen bis 1500 V DC.
  • DIN EN 61800–1 (VDE 0160–101):1999–08: Gleich­strom­an­triebs­sys­teme.
  • DIN EN 61851–1 (VDE 0122–1):2013–04: Einrich­tun­gen zum Laden inner­halb und außer­halb von Elek­tro­fahr­zeu­gen an Gleich­span­nun­gen bis 1500 V.
  • DIN VDE 0636–3011 (VDE 0636–3011):1999–05: Siche­run­gen über­wie­gend für Haus­in­stal­la­tio­nen und ähnli­che Anwen­dun­gen mit Gleich­span­nun­gen bis 600 V.
  • Entwurf DIN EN ISO 16230–1:2014–02: Leit­li­nien zur Sicher­heit von elek­tri­schen Syste­men in Land­ma­schi­nen und Trak­to­ren mit Nenn­span­nun­gen von 50 V bis 1000 V Wech­sel­span­nung oder 75 V bis 1500 V Gleich­span­nung.
  • VDE-AR‑E 2100–712:2013–05: Maßnah­men für den DC-Bereich einer Photo­vol­ta­ik­an­lage zum Einhal­ten der elek­tri­schen Sicher­heit im Falle einer Brand­be­kämp­fung oder einer tech­ni­schen Hilfe­leis­tung.
Ausblick
Die vom Bundes­mi­nis­te­rium für Wirt­schaft und Ener­gie geför­derte Unter­su­chung „Auswir­kun­gen von Gleich­strom (DC) auf den mensch­li­chen Körper im Rahmen der Elek­tro­mo­bi­li­tät und versor­gen­der DC-Infrastruktur – DCSich“ wird vom Forschungs- und Trans­fer­zen­trum Leip­zig e.V., dem VDE-Ausschuss Sicherheits- und Unfall­for­schung sowie der DKE Deut­sche Kommis­sion Elek­tro­tech­nik Elek­tro­nik Infor­ma­ti­ons­tech­nik im DIN und VDE durch­ge­führt. Sie soll bis Ende 2014 klären, ob die derzei­ti­gen Sicher­heits­an­for­de­run­gen, Schutz­kon­zepte und Grenz­werte auch für die neuen Anwen­dun­gen ausrei­chend oder aber zusätz­li­che Anfor­de­run­gen oder modi­fi­zierte Schutz­kon­zepte und Grenz­werte erfor­der­lich sind.
Über die Ergeb­nisse werden wir im Sicher­heits­in­ge­nieur berich­ten.
Die Grafi­ken in diesem Beitrag konn­ten mit freund­li­cher Geneh­mi­gung der BG ETEM verwen­det werden.
Autoren
Georg Vogel Stan­dar­di­sie­rung + Inno­va­tio­nen VDE e.V. / DKE Deut­sche Kommis­sion Elek­tro­tech­nik Elek­tro­nik Infor­ma­ti­ons­tech­nik im DIN und VDE georg.vogel@vde.com
Henri­ette Boos Stan­dar­di­sie­rung + Inno­va­tio­nen VDE e.V. / DKE Deut­sche Kommis­sion Elek­tro­tech­nik Elek­tro­nik Infor­ma­ti­ons­tech­nik im DIN und VDE henriette.boos@vde.com

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