Charakterisierung elektrischer Kontakt-Entladungen im Bereich niedriger Spannungen im Zündgrenz-Bereich von Wasserstoff-Luft-Gemisch

Uber, Carsten GND

Elektrische Entladungen, die bei schaltenden elektrischen Kontakten oder beim Ziehen einer Steckverbindung unter Spannung entstehen können, sind eine bedeutende Zündquelle in explosionsfähigen Atmosphären. Elektrische Komponenten in solchen Atmosphären entsprechen daher einem Zündschutzkonzept wie beispielsweise der Eigensicherheit "i". Hierbei werden durch definierte Begrenzung von elektrischen Parametern Zündungen verhindert. Das wird nach dem Stand der Technik mit dem IEC-Funkenprüfgerät getestet, indem mit der Energie der Testkomponente elektrische Entladungen in einem explosionsfähigen Gasgemisch erzeugt werden. Die komplexen Phänomene der auftretenden Entladungstypen sind jedoch bis heute noch nicht vollständig verstanden. Die Ergebnisse der Prüfgeräte streuen stark und können zu Wettbewerbsverzerrungen führen. Zum Erreichen reproduzierbarer Ergebnisse ist es daher notwendig, eine verbesserte alternative Prüfmethode zu entwickeln. Diese soll die für die Zündung relevante elektrische Entladung nachbilden. Das Ziel ist, die Zündgrenzwerte durch diese Prüfmethode möglichst einfach und reproduzierbar bestimmen zu können. Dies wird durch einen Lösungsansatz erreicht, der auf der Verwendung der Zündgrenzwerte basiert, wie sie sich im IEC-Funkenprüfgerät bei einer definierten Zündwahrscheinlichkeit unter Worst-Case-Bedingungen ergeben. Hierzu wird eine spezielle Kontaktvorrichtung verwendet, mit der diese Entladungen unter Worst-Case-Bedingungen gezielt erzeugt werden. Die Untersuchungen umfassen daher die Ermittlung der Worst-Case-Bedingungen und die Charakterisierung der Entladungen bei Öffnungsvorgängen in einem Wasserstoff-Luft-Gemisch mit Stromwerten kleiner als 60 mA und einer maximalen Spannung von 30 VDC. Dabei werden die Strom-Spannungs-Kennlinie, das optische Spektrum, eine Abschätzung der Temperatur und eine vereinfachte Bewertung der Zündfähigkeit über den Leistungsverlauf einschließlich der Abschätzung der Messunsicherheit dargestellt. Die Nachbildung orientiert sich an der Physik der Entladung, ermöglicht reproduzierbare Ergebnisse und kann in einem Prüfgerät oder einem Programm eingesetzt werden. Die Arbeit bildet eine erste Grundlage für eine alternative Prüfmethode zum bisherigen IEC-Funkenprüfgerät, deren Ergebnisse in die internationale Normung einfließen können.

Electrical discharges generated by switching electrical contacts or by disconnecting a plug under voltage (hot plugging) are an important source of ignition in potentially explosive atmospheres. For electrical components in such atmospheres, an ignition protection concept such as intrinsic safety "i" is required. Ignition is prevented by defining a limitation of electrical values. In accordance with current technological requirements, this limitation is tested using the IEC spark test apparatus by generating electrical discharges in an explosive gas mixture with the energy of the test component. Although the discharge types involve complex phenomena that are not yet completely understood, the results of the test equipment vary widely and can lead unfair competition. In order to achieve reproducible results, it is therefore necessary to develop an improved alternative test method. To be effective, this method should ideally simulate the discharge relevant for the ignition. The aim is to use this test method to determine the ignition limit values as easily as possible and in such a way that the values can be reproduced. The approach designed to solve this problem is based on ignition limit values obtained using the IEC spark test apparatus at a defined ignition probability under worst-case conditions. For this purpose, a special contact device is used with which these discharges are deliberately generated under worst-case conditions. The investigations presented here therefore include the determination of worst-case conditions and the characterization of discharges during opening processes in hydrogen/air mixtures with current values below 60 mA and a maximum voltage of 30 VDC. The current/voltage characteristic curve is presented together with the optical spectrum, an estimation of the temperature and a simplified evaluation of the ignition characteristics via the power curve, including an estimation of the measurement uncertainty. The simulation is based on discharge physics, generates reproducible results and can be used in a device or a program. This work forms an initial basis for creating a test method that will serve as an alternative to the previous IEC spark test apparatus, and whose results can be used in international standardization.

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Uber, Carsten: Charakterisierung elektrischer Kontakt-Entladungen im Bereich niedriger Spannungen im Zündgrenz-Bereich von Wasserstoff-Luft-Gemisch. Ilmenau 2019.

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