Höhenlage: Weshalb das wichtig ist

Die Arbeit mit Elektrizität ist gefährlich, daher ist Sicherheitsausrüstung wie Kleidung, Handschuhe, Stiefel usw. von entscheidender Bedeutung für den Schutz der Elektrofachkräfte vor möglichen Unfällen. Ein weniger offensichtliches Sicherheitsanliegen ist jedoch die Auslegung der zur Wartung der elektrischen Anlage verwendeten Prüfgeräte.

Die IEC-Norm 61010 der International Electrotechnical Commission (Internationale Elektrotechnische Kommission) befasst sich mit Sicherheitsanforderungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte. Sie enthält Anforderungen an Prüf- und Messschaltungen sowie an Geräte.

Die Messkategorie (CAT)-Einstufung des Geräts gibt an, an welcher Stelle des Systems das Gerät sicher eingesetzt werden kann. Je höher die Messkategorie-Einstufung, desto größer sind die Kriech- und die Luftstrecke. Ein oft übersehener Faktor ist die Höhenlage, in der die Prüfungen durchgeführt werden. Eine Prüfung auf Meereshöhe ist nicht dasselbe wie eine Prüfung in den Bergen. Dieses Dokument bietet Einblicke in die Auswirkungen der Höhenlage auf die Sicherheit.

Luftstrecke

Die Luftstrecke ist der kürzeste Weg in der Luft zwischen zwei leitenden Teilen, der eine ausreichende Isolierung bietet. Sie unterscheidet sich von der Kriechstrecke, bei der die kürzeste Strecke entlang der Oberfläche des Isoliermaterials gemessen wird. Die Luftstrecke kann genauso groß wie die Kriechstrecke sein, darf aber niemals größer sein als diese.

Die Einhaltung einer angemessenen Luftstrecke ist ein entscheidender Bestandteil des sicheren Designs von Leiterplatten (PCB). Leiterplatten- und Komponentenlayouts müssen ausreichende Sicherheitsluftstrecken beinhalten, um Hochspannungslichtbögen oder Durchschläge zwischen Leitern und elektronischen Komponenten zu verhindern und das Gerät und den Benutzer zu schützen.

Die Dichte und die Isolierfähigkeit von Luft sind auf Meereshöhe relativ gut, sodass die erforderlichen Luftstrecken für bestimmte CAT-Einstufungen minimal sind. Leider ändert sich die Isolationsfestigkeit der Luft bei Höhenlagenänderung.

Das Paschen-Gesetz

Das nach dem deutschen Physiker Friedrich Paschen benannte Paschen Gesetz ist eine Gleichung, mit der die Spannung berechnet werden kann, die erforderlich ist, um einen Lichtbogen zwischen zwei Elektroden in einem Gas in Abhängigkeit vom Gasdruck und Abstand zwischen den Elektroden zu erzeugen. Für ein bestimmtes Gas ist die Spannung lediglich vom Druck und der Zwischenraumlänge abhängig. Wenn der Druck abfällt, verringert sich auch die Durchschlagspannung bei konstantem Zwischenraum. Unter diesen Bedingungen muss der Zwischenraum vergrößert werden, um eine bestimmte Durchschlagspannung aufrechtzuerhalten. Dieses Gesetz ist für die Auslegung von Geräten relevant, da Luft ein Gas ist.

Auswirkungen der Höhenlage

Luft wird bei der Auslegung elektrischer Geräte als elektrisches Isoliermedium verwendet. Der atmosphärische Druck kann als das Gesamtgewicht der Luft pro Flächeneinheit in einer bestimmten Höhenlage definiert werden. Die Dichte und die Isolationsfestigkeit der Luft sind auf Meereshöhe sehr gut. Mit zunehmender Höhenlage wird die Luft dünner und hat daher eine geringere Isolierwirkung. Mit zunehmender Höhe nimmt die Luftmenge pro Flächeneinheit ab. Der atmosphärische Druck nimmt mit zunehmender Höhe ab, wodurch die dielektrische (isolierende) Festigkeit der Luft verringert wird.

Bei niedrigerem Luftdruck ist die Isolierung zwischen den elektrischen Leitern geringer, was die Gefahr einer Lichtbogenbildung erhöht. Durch den geringeren Druck zerfällt die Luft leichter, was zu einer Ionisierung führt, aufgrund derer der elektrische Strom besser geleitet wird.

Die folgende Tabelle aus „The Engineering Toolbox“ (www.EngineeringToolBox.com) zeigt die Änderung des atmosphärischen Drucks mit zunehmender Höhe:

Die zur Gewährleistung der Sicherheit erforderliche Luftstrecke nimmt mit zunehmender Höhe zu, da die isolierenden Eigenschaften der Luft abnehmen. Die folgende Tabelle (entnommen aus IEC 62368-1, Tabelle 22) zeigt den Multiplikationsfaktor für die Luftstrecke abhängig von der Höhenlage.

Bei der Planung (und beim Kauf) von elektrischen Prüfgeräten muss die voraussichtliche Höhenlage der Arbeiten berücksichtigt werden. IEC 61010-1:2001 gilt für den Betrieb bei Höhenlagen bis zu 2000 Metern. Ein Gerät mit einer bestimmten CAT-Einstufung für Höhenlagen bis zu 2000 Metern erfüllt diese CAT-Einstufung in Höhenlagen von mehr als 3000 Metern möglicherweise nicht.

Fazit

Das Verständnis der Umgebung, in der das Prüfgerät verwendet wird, ist für die Auswahl sicherer Messgeräte entscheidend. Das gilt auch für Höhenlage und Elevation. Der größte Teil der Welt liegt unterhalb von 2000 Metern, aber es gibt immer noch eine beträchtliche Anzahl von Personen, die oberhalb dieser Höhe mit Elektrizität umgehen. La Paz, Bolivien, hat eine durchschnittliche Höhenlage von 3689 Metern, die Escondida-in Chile (die größte Kupfermine der Welt) liegt auf 3010 Metern und die Antamina-Kupfermine in Peru liegt auf 4200 Metern. Dies sind nur einige Beispiele. Die meisten Skigebiete liegen naturgemäß oberhalb von 2000 Metern.

Es ist wichtig, dass Sie als Benutzer von elektrischen Prüfgeräten die Höhenlage prüfen, die mit der CAT-Einstufung verknüpft ist. Denken Sie daran, dass sich die Norm auf eine Höhenlage von maximal 2000 Metern bezieht. Wenn das Prüfgerät in großer Höhenlage verwendet wird, müssen Sie sich der Auswirkungen auf die erforderlichen Luftstrecken bewusst sein.