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Wirkung von Gleichstrom auf den Menschen

Sicherheit in Gleichstromanwendungen Teil 2
Wirkung von Gleichstrom auf den Menschen

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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? In Teil 2 dieser Serie informieren wir Sie über die Ergeb­nisse zweier Workshops.

Wie in Teil 1 (s. Sicher­heitsin­ge­nieur 8/14) bere­its berichtet, führen das Forschungs- und Trans­ferzen­trum Leipzig e.V., der VDE-Auss­chuss Sicher­heits- und Unfall­forschung sowie die DKE Deutsche Kom­mis­sion Elek­trotech­nik Elek­tron­ik Infor­ma­tion­stech­nik im DIN und VDE 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“ durch. 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.
Die DKE führte hierzu im Dezem­ber 2013 einen nationalen und im April 2014 einen inter­na­tionalen Work­shop durch.1) Ins­ge­samt 150 Experten aus sechs Län­dern (AT, DE, FR, IT, NL und SE) disku­tierten die vorgestell­ten Erken­nt­nisse und Konzepte. Wichtige Ergeb­nisse der Work­shops sind im Fol­gen­den wiedergegeben.

Auswirkungen

Laut DGUV (Deutsche Geset­zliche Unfal­lver­sicherung) bewirkt ein elek­trisch­er Gle­ich­strom über 300 mA und 50 s Dauer unter anderem das Platzen der roten Blutkör­perchen mit Aus­tritt von Hämo­glo­bin und der Gefahr des Nieren­ver­sagens. Throm­bosen kön­nen auch einige Zeit nach der Durch­strö­mung schädi­gende Wirkun­gen ent­fal­ten. Kon­ven­tionelle Zeit/Strom­stärke-Bere­iche mit Wirkun­gen von Gle­ich­strö­men auf Per­so­n­en bei Längs­durch­strö­mung sind in Bild 22 der DIN IEC/TS 60479–1 (VDE V 0140–479–1) von Mai 2007 auf der fol­gen­den Seite dargestellt.
Im Bere­ich DC‑1 tritt eine leicht stechende Empfind­ung beim Ein- und Auss­chal­ten oder bei schneller Änderung der Strom­stärke auf. Im Bere­ich DC‑2 sind unwillkür­liche Muskelkon­trak­tio­nen wahrschein­lich, beson­ders beim Ein- und Auss­chal­ten oder bei schneller Änderung des Stroms; es treten aber üblicher­weise keine schädlichen phys­i­ol­o­gis­chen Wirkun­gen auf. Im Bere­ich DC‑3 kommt es zunehmend mit Strom­stärke und Durch­strö­mungs­dauer zu starken unwillkür­lichen Muskelkon­trak­tio­nen und reversiblen Störun­gen der Reiz­bil­dung und Rei­zleitung im Herzen; im All­ge­meinen ist jedoch kein organ­is­ch­er Schaden zu erwarten. Im Bere­ich DC‑4 kön­nen patho­phys­i­ol­o­gis­che Wirkun­gen wie Herzstill­stand, Atem­still­stand und Ver­bren­nun­gen oder andere Zellschä­den auftreten; die Wahrschein­lichkeit von Herzkam­mer­flim­mern steigt mit Strom­stärke und Durch­strö­mungs­dauer an.
Bei Durch­strö­mungs­dauern unter 200 ms tritt Herzkam­mer­flim­mern nur auf, wenn die entsprechen­den Schwellen­werte in der vul­ner­a­blen Peri­ode über­schrit­ten wer­den. Hin­sichtlich des Herzkam­mer­flim­merns bezieht sich das Bild auf die Wirkun­gen des Stroms beim Stromweg von der linken Hand zu den Füßen. Bei anderen Stromwe­gen muss der Herzstrom­fak­tor berück­sichtigt werden.
Zum Auftreten von Herzkam­mer­flim­mern (Flim­mer­schwelle) auf­grund der Ein­wirkung von gle­ichgerichteten elek­trischen Strö­men wur­den in den frühen 1970er Jahren exper­i­mentelle Unter­suchun­gen an Schweinen durchge­führt (veröf­fentlicht 1975 durch Jacob­sen, Bun­tenköt­ter und Rein­hard in „Bio­medi­zinis­che Tech­nik / Bio­med­ical Engi­neer­ing“ 20 (3), Seit­en 99–107). Auf­grund der ver­gle­ich­baren Phys­i­olo­gie war die Über­tra­gung der Ergeb­nisse auf den Men­schen möglich.
Die in DIN IEC/TS 60479–1 (VDE V 0140–479–1) von Mai 2007 enthal­te­nen weit­eren Angaben zur Wirkung von Gle­ich­strom auf den men­schlichen Kör­p­er wer­den im Rah­men des DCSich-Pro­jek­ts über­prüft. Soll­ten sich Änderun­gen ergeben, wer­den diese inter­na­tion­al einge­bracht und in ein­er Neuaus­gabe der Vornorm berück­sichtigt wer­den. Die bei­den Work­shops zeigten jedoch, dass die derzeit­i­gen Konzepte und Gren­zw­erte für gesunde Men­schen voraus­sichtlich bestätigt wer­den können.

DIN VDE 0100–410: Änderungen?!

In DIN VDE 0100–410 (VDE 0100–410) von Juni 2007 ist die Grun­dregel des Schutzes gegen elek­trischen Schlag for­muliert. Sie lautet, dass gefährliche aktive Teile nicht berührbar sein dür­fen und berührbare leit­fähige Teile wed­er unter nor­malen Bedin­gun­gen noch unter Einzelfehlerbe­din­gun­gen zu gefährlichen aktiv­en Teilen wer­den dür­fen. DIN VDE 0100 gilt zwar nur für das Erricht­en von Nieder­span­nungsan­la­gen, der for­mulierte Grund­satz ist aber auf alle Anwen­dun­gen, die mit elek­trischen Span­nun­gen arbeit­en, anwendbar.
Im inter­na­tionalen Work­shop wurde eine Ver­ringerung der in der DIN VDE 0100–410 (VDE 0100–410) zugrunde liegen­den IEC 60364–4–41 spez­i­fizierten max­i­mal zuläs­si­gen Abschaltzeit­en für Gle­ich­strom vorgeschla­gen. Deren Begrün­dung ist im Rah­men des Pro­jek­ts zu unter­suchen. Sollte sich die Notwendigkeit der Änderung bestäti­gen, sollte ein entsprechen­der Norm-Entwurf zur Änderung der DIN VDE 0100–410 (VDE 0100–410) möglichst zeit­nah veröf­fentlicht wer­den. Gle­ichzeit­ig muss der Änderungsvorschlag zur IEC 60364–4–41 inter­na­tion­al einge­bracht und dort vertreten wer­den. So wird er anschließend in ein­er Neuaus­gabe der DIN VDE 0100–410 (VDE 0100–410) ihren Nieder­schlag finden.

RCDs und Weiteres

In bei­den Work­shops wurde konkret gefordert, dass Fehler­strom­schutzein­rich­tun­gen (RCDs) für Gle­ich­strom­sys­teme entwick­elt wer­den müssen, die die Stromver­sorgung bei einem Dif­ferenz-Gle­ich­strom von höch­stens 150 mA inner­halb von höch­stens 40 ms zuver­läs­sig abschalten.
In den Work­shops noch nicht ange­sproch­ene weit­ere Auf­gaben­stel­lun­gen sind:
  • Die VDE-AR‑E 2100–712 von Mai 2013 enthält Empfehlun­gen zur Ver­ringerung der Wahrschein­lichkeit eines elek­trischen Schlags für Ein­satzkräfte im Brand­fall, die daraus erwächst, dass Pho­to­voltaik-Mod­ule unter Lichtein­wirkung Span­nung pro­duzieren kön­nen, auch wenn die Wech­selspan­nungs­seite vom Netz getren­nt ist. Sie gilt für die Lade-Infra­struk­tur von Elek­tro­fahrzeu­gen daher nur in den Fällen, dass diese von Pho­to­voltaik-Anla­gen gespeist werden.
  • Für Elek­tro­fahrzeuge selb­st inter­es­san­ter ist da schon die kün­ftige DIN EN ISO 16230–1 (zurzeit Entwurf von Feb­ru­ar 2014). Sie gilt zwar für die Sicher­heit von elek­trischen und elek­tro­n­is­chen Bauteilen und Sys­te­men mit höher­er Span­nung von Land­maschi­nen und Trak­toren, die Konzepte und Anforderun­gen soll­ten aber auf alle elek­trisch angetriebe­nen Fahrzeuge über­trag­bar sein. Auch dies ist im Rah­men des Pro­jek­ts zu überprüfen.
Über die weit­eren Ergeb­nisse des DCSich-Pro­jek­ts zur Elek­tro­mo­bil­ität und ver­sor­gen­der DC-Infra­struk­tur wer­den wir an dieser Stelle berichten.
1) Ref­er­enten des ersten (nationalen) Work­shops waren:
  • Dipl.-Ing. Dirk Barthel, DKE Deutsche Kom­mis­sion Elek­trotech­nik Elek­tron­ik Infor­ma­tion­stech­nik im DIN und VDE, Frank­furt am Main,
  • Prof. Dr. med. Eduard David, Zen­trum für Elek­tropatholo­gie und Umweltmedi­zin, Witten,
  • Dipl.-Ing. Rein­hard Hirtler, Gemein­nützige Pri­vat­s­tiftung Elek­troschutz, Wien,
  • Dr. Chris­t­ian Rück­erl, Forschungs- und Trans­ferzen­trum Leipzig e.V.,
  • Dipl.-Ing. Claus-Dieter Ziebell, Siemens AG, Regensburg.
Ref­er­enten des zweit­en (inter­na­tionalen) Work­shops waren:
  • Ulrich Boeke, Philips Research Lab­o­ra­to­ries, Aachen,
  • Prof. Dr. med. Eduard David, Zen­trum für Elek­tropatholo­gie und Umweltmedi­zin, Witten,
  • Dr. rer. nat. Klaus Haverkamp, Phys­i­ol­o­gis­ches Insti­tut der Uni­ver­sität Freiburg i. Br.,
  • Dipl.-Ing. Rein­hard Hirtler, Gemein­nützige Pri­vat­s­tiftung Elek­troschutz, Wien,
  • Dr. Chris­t­ian Rück­erl, Forschungs- und Trans­ferzen­trum Leipzig e.V.,
  • Dipl.-Ing. Claus-Dieter Ziebell, Siemens AG, Regensburg.
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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