Explosionen in Schächten verstehen und vermeiden: Ein Interview mit Stuart Hanebuth

Schwerwiegende Vorfälle in Schächten, die zu Rauchbildung, Bränden und Explosionen führen können, haben angesichts des zunehmenden Alters der nationalen Infrastruktur in den letzten Jahren immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Sie können sogar Todesfälle, Körperverletzungen, Sachschäden und Verkehrsunfälle verursachen. Die Vorfälle sind auf verschiedene Ursachen zurückzuführen und die von Versorgungsingenieuren angebotenen Lösungen sind nicht immer erfolgreich. Im nachfolgenden Interview beschreibt Stuart Hanebuth, der renommierte Experte für Vorfälle in Schächten und öffentliche Sicherheit, die Herausforderungen, die sich bei der Vermeidung dieser Vorfälle ergeben.

F. Wie viele Male treten pro Jahr Vorfälle in Schächten auf?

A. Wir wissen nicht genau, wie viele unterirdische Bauwerke es in den USA gibt, doch ich schätze, dass es wahrscheinlich zwischen einer und zwei Millionen sind. Nach den Berichten in den Medien und Meldungen von Versorgungsunternehmen schätze ich, dass pro Jahr im ganzen Land zwischen drei- und fünftausend schwerwiegende Vorfälle mit Bränden, Explosionen oder Rauchbildung in Schächten auftreten.

F. Sind Explosionen in Schächten ein neues Phänomen?

A. Der Zeitungsausschnitt stammt aus dem Jahr 1937. Ein Schachtdeckel wurde weggesprengt und eine Person kam ums Leben, als er einen Liftschacht hinunterfiel. Es ist einer der ersten Vorfälle im Zusammenhang mit Schächten, der aufgezeichnet wurde, ein Beleg dafür, dass diese Vorfälle schon seit vielen Jahren auftreten.

F. Könnten Sie bitte die Hauptarten von Vorfällen in Schächten beschreiben?

A. Es gibt drei allgemeine Kategorien von Vorfällen in Schächten, die alle miteinander zusammenhängen: Rauchbildung in Schächten, Schachtbrände und Explosionen in Schächten. Der am häufigsten auftretenden Vorfall ist die Rauchbildung in Schächten. Dabei kommt Rauch aus einem unterirdischen Bauwerk, doch an der Oberfläche ist kein Feuer bzw. keine Explosion sichtbar.

Unter einem Schacht verstehe ich übrigens ein unterirdisches elektrotechnisches Bauwerk mit Kabeln. Es könnte sich dabei um einen Schacht, einen Hausanschlusskasten oder ein anderes Bauwerk handeln, muss aber unterirdisch sein. Zur Vereinfachung verwende ich den Begriff „Schacht“.

F. Was sind die häufigsten Ursachen für Vorfälle in Schächten und mit welchen Problemen sind sie behaftet?

A. Alle Vorfälle in Schächten sind auf zwei Arten von Energie zurückzuführen – durch Verbrennung bedingt und elektrisch bedingt. Durch Verbrennung bedingte Vorfälle sind meist das Ergebnis einer anaeroben Zersetzung durch schwelende Kabelisolierungen. Elektrisch bedingte Vorfälle führen zur Bildung eines großen Lichtbogens mit sehr hoher Temperatur. Die beiden Arten erfordern unterschiedliche Vorbeugemaßnahmen.

Ein Beispiel eines durch Verbrennung bedingten Vorfalls in einem Schacht ist unten abgebildet. Im Hintergrund sieht man, dass die Feuerwehr bereitsteht, da der Rauch und die Gase, die aus dem Bauwerk herauskommen, sich zu einem größeren Brand entwickeln können.

Bei elektrisch bedingten Vorfällen stammt die Energie für den Vorfall von einem elektrischen Defekt im Inneren des Bauwerks, normalerweise an einem unterirdischen Kabel. Die meisten elektrisch bedingten Vorfälle treten an Übertragungs- und Mittelspannungskabeln auf.

Ein gutes Beispiel für einen elektrisch bedingten Vorfall ereignete sich vor einigen Jahren in Buffalo, New York, während eines Live-Interviews in den Nachrichten (Video mit freundlicher Genehmigung durch WGRZ News). Ein Defekt an einem unterirdischen Kabel führte zu einem Lichtbogen, der die Luft stark überhitzte und den Deckel bis zum fünften Stockwerk hoch über dem Boden wirbelte.

Bei dieser Art von Explosion wird eine unglaublich hohe Energie erzeugt. Es kommt nicht selten vor, dass Deckel viele, viele Stockwerke hoch in die Luft gewirbelt werden. Zum Glück wurde niemand von dem Deckel getroffen. Wenn eine Person von einem 50 kg schweren Metallteil getroffen würde, wäre das ein sehr schlimmer Unfall. Bei diesen Vorfällen können Personen verletzt und sogar getötet werden, und sie können erhebliche Sachschäden an Straßen und anderer Infrastruktur verursachen. Um die Auswirkungen dieser Art von Vorfällen zu minimieren, sind effektive Maßnahmen erforderlich.

F. Warum sind diese Bilder so dramatisch?

A. Bei einem Vorfall in einem Schacht können riesige Mengen von Energie freigesetzt werden. Wenn sich eine Explosion in einem Schacht ereignet, sind das zwischen 6 und 40 Megajoule Energie. Das entspricht zwischen 3 und 20 Stangen Dynamit.

Bei den meisten dieser Vorfälle treten zwei Spitzen auf, d. h. es gibt eine erste Explosion und dann ein paar Millisekunden später eine weitere. Der erste Vorfall ist oft ein elektrischer Lichtbogen, der die gesamte Kabelisolierung verdampfen kann. Wenn sich der Lichtbogen erwärmt, drückt er alle Gase aus dem Bauwerk und der Deckel wird abgesprengt. Wenn sich kein Lichtbogen mehr bildet, kühlen sich die Gase schnell ab und kühle Luft wird wieder in das Bauwerk zurück gesaugt. Das bringt das Verhältnis von Brennstoff zu Luft wieder in den richtigen Bereich und verursacht dadurch eine zweite Explosion.

Manche Systeme zur Vermeidung von Vorfällen in Schächten versuchen, das Auftreten der zweiten Spitze zu verhindern. Zur Entlastung dieses Drucks ist jedoch eine sehr große Öffnung erforderlich. Im Vergleich zur Größe des Schachtdeckels sind das enorm hohe Drücke. Der Deckel muss ganz schnell aus dem Weg geräumt werden, doch das Gewicht des Schachtdeckels wirkt einer schnellen Bewegung entgegen. Dadurch werden diese vorbeugenden Systeme glaubwürdig.

F. Wie sieht es mit durch Verbrennung bedingten Vorfällen aus?

A. Bei den meisten Vorfällen in Schächten – 75 % – handelt es sich um durch Verbrennung bedingte Niederspannungsvorfälle. Bei den meisten Vorfällen stammt die Energie aus der anaeroben Zersetzung der Kabelisolierung und, in vielen Fällen, des Rohrmaterials. Die Energie stammt von den durch die schwelende Isolierung erzeugten Gasen. Das brennende Material erzeugt riesige Mengen von Kohlenmonoxid, die in das Rohr gedrückt werden.

Wir wissen alle, dass Kohlenmonoxid giftig ist, es ist dazu aber auch noch hoch entzündlich. Kohlenmonoxid wurde in Gebäude oder benachbarte Bauwerke gedrückt und hat schwere Explosionen verursacht. Die Gase sind die größere Gefahr.

F. Wie werden Vorfälle in Schächten nach Spannungsklasse und Energietyp eingestuft?

A. Von allen Vorfällen, die in einem Jahr auftreten, treten 95 % an Niederspannungskabeln mit weniger als 600 Volt auf. Davon sind 75 % durch Verbrennung bedingte Vorfälle.

Niederspannungssysteme sind als fehlertolerante Systeme ausgelegt, damit sie der langsamen Lichtbogenbildung widerstehen können, die zum Verbrennen der Isolierung über Tage, Wochen und sogar Monate führt. Die Lichtbogenbildung und das Schwelen können somit lange andauern.

Übertragungs- und Mittelspannungskabel sind bei etwa 5 % aller Vorfälle beteiligt. Wenn an diesen ein Fehler auftritt, werden diese fast sofort behoben. Bei diesen Vorfällen tritt die Lichtbogenbildung 3 oder 4 Mal auf, manchmal auch länger, wenn ein Problem an der Schutzvorrichtung vorliegt. Sie wird jedoch sehr schnell behoben.

F. Könnten Sie bitte genauer erläutern, wie die Zersetzung der Kabelisolierung und der Rohrmaterialien zu Vorfällen in Schächten beiträgt.

A. In Abbildung 1 wird gezeigt, was dabei passiert. Wenn Sie ein Rohr mit einem Niederspannungskabel haben und die Isolierung einen kleinen Riss aufweist, treten an diesem Riss Kriechströme und Lichtbogenbildung auf.Der Lichtbogen nimmt in den meisten Fällen wahrscheinlich weniger als ein Ampere auf, d. h. das Verteilersystem erkennt es nicht als einen elektrischen Fehler. Die Energie strömt weiter zu diesem Fehler. Der kleine Lichtbogen erhitzt das Kabel und die Isolierung, die zu schwelen beginnt. Der Rauch enthält mehrere Gase, unter anderem Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan.

ABBILDUNG 1

Brände und Explosionen werden zum Großteil durch Kohlenmonoxid verursacht. Der Wasserstoff entweicht durch die Risse und Poren in den Rohren, spielt also keine große Rolle. Der Zersetzungsprozess des Rohrs hinterlässt auch nahezu reinen Kohlenstoffstaub. Also kommen aus der Flammenfront, der Reaktionszone, Kohlenstoffstaub, Kohlenmonoxid, etwas Wasserstoff und weitere Substanzen. Die Gase müssen irgendwo hin, also fließen sie zum Niederdruckende des Systems, d. h. zum Schachtdeckel. Zur Unterstützung dieses Prozesses ist ein Luftstrom von etwa 0,2 Metern pro Sekunde erforderlich. Bei dieser Geschwindigkeit drückt der Luftstrom die Flamme am Kabel und Rohrmaterial entlang. Dort werden dann weiterhin große Mengen von Gas erzeugt.

Wichtig ist hier, dass dafür ein Luftstrom erforderlich ist. Ohne einen Luftstrom können die Reaktionszone oder die Flammenfront nicht am Kabel entlang bewegt werden. Das Gas kann nicht weiter und das Feuer geht im Endeffekt von alleine aus. Es wird aber ein Lichtbogen erzeugt und kann sich zu einem elektrisch bedingten Vorfall entwickeln. Ein elektrisch bedingter Vorfall in einem Rohr ist jedoch nicht so schlimm wie ein durch Verbrennung bedingter Vorfall in einem Schacht.

F. Können Sie elektrisch bedingte Vorfälle bitte genauer erläutern?

A. Elektrisch bedingte Vorfälle machen etwa 30 % aller Vorfälle in Schächten aus. Davon treten etwa 5 % bei Mittelspannung und 25 % bei Niederspannung auf. Normalerweise tritt dabei ein großer Lichtbogen, ein elektrischer Kurzschluss und eine sehr hohe Temperatur auf. Der Lichtbogen schmilzt und verdampft die Isolierung und Leitungen. Dieser Lichtbogen kann auch brennbare Gase entzünden, was zu einer sekundären Explosion führen kann. Diese Vorfälle sind etwas schwieriger zu verhindern, da sie sich auf sehr empfindliche Störlichtbogenschutzsysteme stützen.

Bei vielen schwerwiegenden elektrisch bedingten Vorfällen liegt ein ernsthaftes Problem bei den elektrischen Schutzeinrichtungen vor. Die Relais sind falsch eingestellt oder das System lässt Fehler zu lange bestehen. Je länger ein Fehler besteht und je länger die Erhitzung, Verbrennung und der Leitungsverlust andauern, umso mehr Brennstoff wird für das Feuer erzeugt. Die meisten elektrisch bedingten Vorfälle, die Brände verursachen oder zum Absprengen von Deckeln führen, treten im Bauwerk auf. Sie treten normalerweise nicht im Rohr auf.

F. Würde ein Spleiß, der bei der Installation der Kabel schlecht ausgeführt oder defekt wird, zu einem Vorfall führen?

A. Ja, aber in den meisten Fällen würde es nicht zum Lösen oder Absprengen des Deckels führen. Die meisten elektrischen Defekte werden schnell von den Schutzeinrichtungen behoben und erscheinen nicht an der Oberfläche.

F. Was unternimmt die IEEE-Arbeitsgruppe P2417, um einen Leitfaden für den Umgang von schwerwiegenden Vorfällen in Schächten erarbeiten?

A. Die Arbeitsgruppe P2417 hat einen Leitfaden für Rauchbildung, Brände und Explosionen in unterirdischen elektrotechnischen Bauwerken erarbeitet. Die Arbeitsgruppe besteht aus etwa 50 Versorgungsingenieuren und tagt zweimal im Jahr im Rahmen der Sitzungen des „Insulated Conductors Committee“ (Ausschuss für isolierte Leiter) des IEEE. Unser Ziel lautet, alle relevanten Informationen zu Vorfällen in Schächten zu erfassen und sie leicht zugänglich zu machen, damit Vorfälle in Schächten vermieden werden können. Es handelt sich dabei um einen Leitfaden, nicht um eine Norm, d. h. er enthält keine zwingenden Vorgaben. In dem Leitfaden werden in erster Linie bewährte Verfahren beschreiben, aber keine Empfehlungen abgegeben. Der Leitfaden ist bei der IEEE erhältlich.

Der Leitfaden enthält eine Tabelle mit Schwerpunkt auf der Verbrennungszone sowie mögliche Verfahren für die Vermeidung von Vorfällen in Schächten. Die Tabelle veranschaulicht die Rolle des Luftstroms bei durch Verbrennung bedingten Vorfällen. Wir gehen davon aus, dass der Brennstoff in der Verbrennungszone zusammengefasst und kein Gas mehr erzeugt wird, wenn der Luftstrom auf unter 0,2 Meter pro Sekunde begrenzt wird.

F. Welche Maßnahmen zur Schadensbegrenzung werden derzeit getestet und welche Vor- und Nachteile haben diese?

A. Vor einigen Jahren traten bei einem kanadischen Versorgungsunternehmen viele Defekte an sekundären Kabeln auf. Es überprüfte die Kabel und stellte fest, dass etwa 5 % der Kabel bei der Installation beschädigt wurden. Die Kabel wurden über Verbindungsstellen oder andere Hindernisse in den Rohren gezogen und durch die dabei entstandenen Schäden konnten Fremdkörper in die Rohre gelangen. Dadurch wurde die Isolierung beschädigt und die verborgenen Defekte verursacht. Es wurde ein System entwickelt, bei dem die Kabelenden mit Kappen versehen wurden und dann ein Drucktest durchgeführt wurde, um zu prüfen, ob der Kabelmantel den Luftdruck halten konnte. Das System hat funktioniert, war aber zu kompliziert für die Praxis.

Manche Versorgungsunternehmen füllen Schächte mit inerten Stoffen wie Sand. Dadurch wird der Luftstrom durch das Rohr gestoppt und die Ansammlung von Gasen im Bauwerk verhindert. Das ist zwar wirksam, wenn Sie jedoch Zugang zum Bauwerk für Reparaturen oder andere Arbeiten benötigen, muss der Sand erst mit einem Saugwagen entfernt werden, bevor mit der Arbeit begonnen werden kann.

Viele Versorgungsunternehmen überprüfen ihre Bauwerke schnell nach einem Vorfall. Vor etwa 10 Jahren führte ein großes Versorgungsunternehmen in den USA eine Studie zu Sichtprüfungen an Schächten durch und stellte fest, dass nach einer Überprüfung des gesamten Systems kein Rückgang bei Schachtbränden oder Explosionen zu verzeichnen war.

Ein systematisches Vorgehen, bei dem man sich vergewissert, dass sich die sichtbaren Kabel in einem guten Zustand befinden, hat Vorteile. Doch über 95 % des Kabels sind im Rohr versteckt, deshalb ist eine Sichtprüfung an den 5 % der Kabel, die sichtbar sind, kein wirksames Verfahren für die Vermeidung von Bränden oder Explosionen.

F. Wie sieht es mit der Früherkennung von Anzeichen von Vorfällen in Schächten aus?

A. Ein Verfahren ist die Feststellung der Berührungsspannung. Dabei sucht ein Wartungsteam nach verborgenen Defekten, die eine leitfähige Verbindung zur Oberfläche bilden und als unter Spannung stehende Fahrbahnen oder Gehsteige erkennbar sind. Einige Studien haben ergeben, dass die Anzahl der Vorfälle durch dieses Verfahren um 20 % verringert werden kann, wenn die Überwachung häufig und einheitlich durchgeführt wird, was jedoch nicht immer möglich ist.

Die Störlichtbogenerkennung ist wahrscheinlich der vielversprechendste Ansatz bei der Früherkennung. Ein Störlichtbogen weist eine spezifische Verteilung des elektrischen Potenzials auf. Es ist aber sehr schwierig, diese vom Basislinienrauschen des Systems zu unterscheiden. Der Störlichtbogen ist dem Starten eines Motors oder Lichtbogenschweißgeräts sehr ähnlich, d. h. es ist schwierig, einen Störlichtbogen vom Normalbetrieb eines Geräts zu unterscheiden.

F. Können Sie Spannungs- oder Schachtüberwachungssysteme beschreiben?

A. Das Interesse an Spannungsüberwachungssystemen ist groß. Diese Systeme können verschiedene Parameter messen, darunter auch, ob Rauch vorhanden ist. Wenn das System Rauch in einem Schacht feststellt, sendet es einen Alarm an die Zentrale, die dann ein Wartungsteam entsendet. Das Ziel lautet, dass dieses eintrifft, bevor sich so viele brennbare Gase ansammeln, dass ein Brand oder eine Explosion entsteht.

Das Problem ist, dass der Notfallschutz bei diesem Verfahren leicht überwältigt werden kann, da die Nachfrage nach anderen Diensten oft sehr hoch sein kann. Kunden können wegen Stromausfällen, Problemen mit der Versorgung von Wohngebieten oder anderen Angelegenheiten anrufen, die zur gleichen Zeit wie der Vorfall im Schacht auftreten und es damit dem Wartungsteam erschweren, rechtzeitig zu reagieren.

F. Gibt es andere Verfahren, die Sie besprechen möchten?

A. Einige Versorgungsunternehmen haben belüftete Schachtdeckel montiert. Das beruht auf der Theorie, dass die Gase durch die Öffnungen im Deckel entweichen können und dadurch eine Explosion verhindert wird. Wenn jedoch eine Explosion mit sehr hohen Drücken und Geschwindigkeiten auftritt, verhält sich der belüftete Deckel fast genauso wie ein Deckel ohne Öffnungen. Belüftete Deckel können den Luftstrom durch das Rohr sogar noch verstärken und die Flammenausbreitung erhöhen.

Ein weiteres Verfahren ist die Befestigung des Deckels. In nachfolgenden Foto werden die Ergebnisse eines Tests mit einem Deckel mit einer Haltevorrichtung und einem Verschluss gezeigt. Wenn also ein Vorfall auftritt, wird der Deckel angehoben und durch den Verschluss an dem Metallring gehalten, an dem der Deckel montiert ist. In vielen Fällen können Deckel mit Haltevorrichtung die Auswirkungen einer Explosion verringern.

F. In Bezug auf die Abdichtung von Rohren als eine Lösung für Vorfälle in Schächten gehen die Meinungen auseinander. Warum wollen manche Versorgungsunternehmen die Abdichtung von Rohren nicht als vorbeugende Maßnahme verwenden?

A. Die Versorgungsunternehmen meinen, dass sie die Dichtungen nicht warten können. Es handelt sich aber dabei eigentlich nicht um Dichtungen. Wenn sie Vorfälle in Schächten verhindern, schränken sie den Luftstrom so ein, dass die Luft nicht durch das Rohr strömt. Wenn man sich vorstellt, Millionen von Rohrenden im ganzen Land abzudichten, kann das überwältigend erscheinen. Aber meiner Meinung gibt es keinen triftigen Grund, warum Versorgungsunternehmen Rohre nicht abdichten sollten. Wahrscheinlich müssen wir Versorgungsingenieure und für die öffentliche Sicherheit zuständige Beamte besser über die Vorteile der Einschränkung des Luftstroms informieren und wie diese eine Lösung für schwerwiegende Vorfälle in Schächten bieten kann.

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