Schutz gegen elektrische Brände

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Schutz gegen thermische Auswirkungen (in Folge elektrisch verursachter Fehler)

Die European Fire Academy (http://www.europeanfireacademy.com/) schätzt, dass unter die 2.500.000 jährlich in Europa auftretenden Brände (Brandgesamtanzahl) mehr als 4.000 Todes- und 100.000 Verletzungsfälle zu rechnen sind.

In über 80 % der Fälle waren Wohngebäude betroffen.

Bei Wohnungsbränden wird immer wieder festgestellt, dass diese durch elektrische Fehler verursacht wurden.

Je nach Land, Untersuchungsmethoden und Nachweismitteln sind Brände auf Grund elektrischer Fehler wie folgt zu unterteilen (in Prozent):

• 13 % in den Vereinigten Staaten (www.nfpa.org);
• 25 % in Frankreich (www.developpement-durable.gouv.fr);
• 34 % in Deutschland(www.ifs-kiel.de/);
• 40 % in Norwegen (www.sintef.no).

Ursachen von Bränden auf Grund elektrischer Fehler

Brände auf Grund elektrischer Fehler werden durch Überlasten, Kurzschlüsse und Erdschlussströme, aber auch durch elektrische Lichtbögen in Kabeln und Anschlüssen verursacht.

Bei einer Beschädigung des Kabels oder einer unsachgemäßen elektrischen Verbindung sind zwei Arten von Fehlern anzutreffen, die ein Feuer aufgrund eines entstehenden Lichtbogens auslösen können:

Serieller Fehlerlichtbogen

(siehe Abb. F79)

An einem beschädigten Leiter oder einer unsachgemäßen elektrischen Verbindung entsteht eine örtlich begrenzte Erhitzung, wodurch die Isoliermaterialien im Bereich des Leiters karbonisieren.

An einer karbonisierten Leitung oder Verbindung kann ein erhöhter Strom fließen.

An den karbonisierten Stellen kommt es durch den Stromfluss zu sporadisch auftretenden Fehlerlichtbögen. Sobald die Karbonisierung weiter voranschreitet, kann es zu einem stabilen Fehlerlichtbogen kommen und brennbare Materialien in der näheren Umgebung können sich entzünden.

Abb. F78 – Strom des Fehlerlichtbogens (I_FLB) für Paralleler und Serieller Fehlerlichtbogen

• DB422268a DE.jpg

  [a] Serieller Fehlerlichtbogen

• DB422268b DE.jpg

  [b] Paralleler Fehlerlichtbogen

Abb. F79 – Beispiel eines karbonisierten Anschlusses

Paralleler Fehlerlichtbogen

(siehe Abb. F80)

Bei einer Beschädigung der Isolierung zwischen zwei spannungsführenden Leitern kann zwischen den beiden Leitern ein erhöhter Strom fließen, der jedoch zu schwach ist, um von einem Leistungsschalter als Kurzschluss erfasst zu werden, und der zudem von Fehlerstromschutzeinrichtungen nicht erkannt werden kann, da der Strom nicht zum Erdpotential fließt (siehe Abb. F78).

Diese Kriechströme optimieren beim Durchfluss durch die Isolation ihren Weg, indem sie Lichtbögen erzeugen, die die Isolierung allmählich karbonisieren.

Die so karbonisierte Isolierung verstärkt dann den Kriechstrom zwischen den beiden Leitern. Somit entsteht eine neue Kettenreaktion, welche die Höhe des Lichtbogenstroms und der Kohle so lange verstärkt, bis die erste durch die von einem der Lichtbögen entzündete Kohle erzeugte Flame erscheint.

Abb. F80 – Darstellung eines parallelen Fehlerlichtbogens

Fehlerursachen

(siehe Abb. F80)

In beiden genannten Fehlern wird durch den Fehlerlichtbogen die karbonisierte Stelle entzündet. Durch das Erkennen dieser Fehlerlichtbögen mittels einer Fehlerlichtbogen- Schutzeinrichtung (AFDD) kann ein größerer Schaden verhindert werden, indem diese den betroffenen Stromkreis abschaltet.

Diese gefährlichen elektrischen Fehlerlichtbögen werden weder von Fehlerstromschutzeinrichtungen noch von Leistungsschutzschaltern oder Sicherungen erkannt.

Diese Art von Fehlern können in folgenden Situationen entstehen (siehe Abb. F81):

Abb. F81 – Situationen, die das Brandrisiko erhöhen

• 

  Beschädigung durch äußere Einwirkungen (Druckstellen durch Möbel, Einklemmen im Türrahmen, ...)

• 

  Unsachgemäße Handhabung von Anschlusskabeln und Steckern

• 

  Beschädigte Kabel an Verbindungsstellen

• 

  Versehentliche Beschädigung eines Kabels

• 

  Nicht formschlüssige Kontaktstellen

• 

  Falscher Biege-Radius und Alterung der Isolierung

• 

  Lose Anschlussklemmen oder Verbindungsstellen

• 

  Beschädigung des Kabels durch Umwelteinflüsse (UV-Strahlung), Feuchtigkeit, Nagetiere.

Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen werden auch als Brandschutzschalter (AFDD) bezeichnet

Mit Hilfe der Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung (siehe Abb. F82) können gefährliche Fehlerlichtbögen erkannt und der betroffene Stromkreis abgeschaltet werden.

Abb. F82 – Beispiel einer Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung für Wohnanlagen in Europa

Solche Schutzgeräte wurden seit den frühen 2000ern erfolgreich in den Vereinigten Staaten entwickelt und ihr Einbau durch den National Electric Code gefordert.

Seit 2013 sind in der internationalen Norm IEC 62606 Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen (Arc Fault Detection Devices, AFDD) festgelegt, die das Auftreten von gefährlichen elektrischen Lichtbögen erkennen und den nachfolgenden Stromkreis unterbrechen, um das Entstehen einer Flamme zu verhindern.

Eine Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung überwacht in Echtzeit eine Anzahl verschiedener elektrischer Parameter des von ihm geschützten Stromkreises, um Messwerte zu erhalten, die kennzeichnend für das Vorliegen von gefährlichen elektrischen Fehlerlichtbögen sind.

Datei:DB422269 DE.jpg

Abb. F83 – Auslösekurve

Beispielsweise ist eine Verzerrung des Stromsignals (sinusförmig) zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs kennzeichnend, eine Abflachung der Amplituden-Höhe und eine Veränderung der Flankenbildung. (siehe Abb. F84).

Datei:DB422270 DE.jpg

Abb. F84 – Typische Schwingungsform vor und während eines Fehlerlichtbogens

Fehlerlichtbogen Type		Testbogenstrom (RMS Werte)	Maximale Unterbrechungszeit
Serieller	Grenzwerte für die Unterbrechungszeit für Un = 230 V AFDDs	2,5A	1s
		5A	0,5s
		10A	0,25s
		16A	0,15s
		32A	0,12s
		63A	0,12s
Paralleler	Höchstzahl der erlaubte Halbzyklen innerhalb von 0,5 s für Un 230 V und Un = 120 V	75A	120ms
		100A	100ms
		150A	80ms
		200A	80ms
		300A	80ms
		500A	80ms

Abb. F85 – Testbogenstrom und maximale Unterbrechungszeit

Einsatz von Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen (AFDDs)

Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen (Arc Fault Detection Devices, AFDD) dienen dazu, das durch das Vorliegen von lichtbogenerzeugten Strömen verursachte Brandrisiko in den Endstromkreisen in der Installation einzuschränken.

Der Einsatz von Fehlerlichtbogen Schutzeinrichtungen AFDDs wird in der neuen IEC 60364-4-42 empfohlen, in einigen Ländern wie z.B. Deutschland wird in der harmonisierten DIN VDE 0100-420 2016-02, der Einastz der AFDDs in einigen Bereichen sogar gefordert.

Bereiche, in denen der Einsatz von (AFDDs) national gefordert ist

• Schlaf- oder Aufenthaltsräume von Heimen oder Tageseinrichtungen für Kinder, behinderten oder alter Menschen (z.B. Kindertagesstätten, Seniorenheime, etc.)
• Schlaf- oder Aufenthaltsräume von barrierefreien Wohnungen nach DIN 18040-2.
• Räume oder Orte mit besonderem Brandrisiko - Feuergefährlichen Betriebsstätten (Absatz 422.3) Feuergefahren, die sich durch Herstellung, Bearbeitung oder

Lagerung von brennbaren Material einschl. vorhandensein von Staub ergeben. (z.B. Scheunen, Werkstätten zur Holzbearbeitung, Papierfabriken, etc)

• Räume und Orte mit brennbaren Baustoffen (Absatz 422.4) Diese Anforderung gelten für Gebäude welche hauptsächlich aus brennbaren Baustoffen hergestellt sind, (z.B. Holzhäuser, etc.)
• Räume und Orte mit Gefährdungen für unersetzbare Güter (Absatz 422.6) (z.B. Nationaldenkmäler, Museen und andere öffentliche Gebäude. Gebäude wie Bahnhöfe, Flughäfen und auch Laboratorien, Rechenzentren, etc.

Die Einstufung der oben genannten Bereiche liegt in der Verantwortung des Bauherren / Eigentümers der elektrischen Anlage ggf. unter Hinzuziehung einer nach Baurecht geeigneten Person, die für Ihre Aufgabe über die erforderliche Sachkunde und Erfahrung verfügt.

Die Einstufung ist im Rahmen der Planung und Errichtung schriftlich zu fixieren.

Bereiche, in den der Einsatz von (AFDDs) generell empfohlen wird

"Die VDE 0100-420, 2016-02 empfiehlt den Einsatz von AFDDs in folgenden Bereichen:
– Räume mit Schlafgegebenheiten: (z.B. Schlafzimmer, Kinderzimmer, etc.)
– Endstromkreise an deren Steckdosen Verbrauchsgeräte mit hohem Verbrauch angeschlossen sind. ( z.B. Waschmaschinen, Trockner, Geschirspüler, etc.)
– Räume oder Orte mit Feuer verbreitenden Strukturen. Gebäude, bei denen die Form und Ausdehnung die Ausbreitung von Feuer erleichtert. (z.B. Kamineffekt bei Hochhäusern oder anlagentechnische Einrichtungen, z.B. Zwansbelüftung, etc.)

In Wechselstromkreisen <= 16A erfüllt der Gebrauch von Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtungen (AFDD) nach IEC 62606 die oben aufgeführten Anforderungen und Empfehlungen"

Hinweise zu Prüf- und Wartungsarbeiten bei dem Einsatz von AFDDs.

Gibt es Messgeräte mit denen man einen AFDD regelmäßig prüfen kann?

Nein, aktuell gibt es keine Messgeräte die einen AFDD auf seine Funktion hin testen können. Die einzige Möglichkeit, wie der AFDD getestet werden kann, ist mittels Testtaste an dem Gerät selber

Wird es einen Gruppen-AFDD geben, so in der Art eines Gruppen RCD?

Nein, den wird es so nie geben, weil hier die physikalischen und messtechnichen Grenzen erreicht werden. Es könnte ansonsten zu häufigen Fehlauslösungen kommen.

Was muss man bei einer Isolationsmessung beachten?

Es müssen alle Zu und Abgangsleitungen vom AFDD getrennt werden, bevor eine Isolationsprüfung durchgeführt wird.

Gibt es eine Wartungs- und Prüfempfehlung bzw. Vorgabe, vergleichbar mit dem RCD (FI-Schalter)?

Nach heutigem Stand gibt es keine Vorgaben aus Normen und Vorschriften, zu einer solchen Wartungs- und Prüfempfehlung