Zwei Kabel mit Funkenschlag
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09.07.2014 152 0

Artikel 2 – Sicherheit in Gleichstromanwendungen

Wie an dieser Stelle 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 durch1). Insgesamt 150 Experten aus 6 Ländern (AT, DE, FR, IT, NL und SE) diskutierten die vorgestellten Erkenntnisse und Konzepte. Wichtige Ergebnisse der Workshops sind im Folgenden wiedergegeben.

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 dargestellt:

DC-Sich Artikel 2 Bild 1

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.

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.

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:

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.

Kontakt

Henriette Boos
Dirk Barthel