Brandschutz in Schaltanlagen der Energieversorgung

Ein Brand eines elektrischen Betriebsmittels kann mit einem handelsüblichen Feuerlöscher unter Beachtung eines Mindestabstandes gelöscht werden. Der Brandschutz größerer Schaltanlagen ist jedoch weitaus komplexer.

Wir sind es gewohnt, dass uns die elektrische Energie 24 Stunden am Tag an 365 Tagen im Jahr zur Verfügung steht. Somit müssen natürlich auch die Kabel und Leitungen, die Transformatoren und die MS- und NS-Schaltanlagen rund um die Uhr verfügbar sein. Zum einen wird dies durch eine vorgehaltene Redundanz und durch prospektive Wartungen gewährleistet. Zum anderen erfolgt dies durch den Einsatz von innovativen Techniken. Durch diese können beispielweise Brände in Schaltanlagen, welche durch einen Störlichtbogen verursacht werden, innerhalb kürzester Zeit gelöscht werden. Bevor diese Technik vorgestellt wird, sollte natürlich zuerst die Frage diskutiert werden, ob und warum es zu Störlichtbögen in Schaltanlagen kommen kann.

Bild 1: Störlichtbogen zerstört eine Schaltanlage; Quelle: Hager

Ursache von Störlichtbögen

Im Wesentlichen lassen sich die Ursachen von Störlichtbögen auf drei Ursachen zurückführen:

  • menschliches Fehlverhalten
  • technische Fehler
  • äußerer Einflüsse.

Leider sind wir Menschen ein großer Unsicherheitsfaktor. Bei Nichteinhaltung der Sicherheitsvorschriften besteht die Möglichkeit, dass aktive Teile berührt, oder auch durch Werkzeuge überbrückt werden. Auch in der Schaltanlage »vergessene« Werkzeuge sowie das fehlerhafte Schalten unter Last oder sonstige Bedienungsfehler stellen eine große Gefahr dar.

Bei schlecht gewarteten Anlagen sind häufig technische Fehler die Ursache der Entstehung von Lichtbögen. Durch Überalterung und/oder Überlastung steigt das Risiko von Isolations- und Kontaktfehlern, welche dann Durch- und Überschläge zur Folge haben können.
Die Fehlerquelle zur Entstehung eines Lichtbogens kann jedoch auch von außen in die Anlagen gebracht werden. Dies kann beispielsweise durch mechanische Beschädigungen durch Bauarbeiten der Fall sein. Auch Kleintiere und Ungeziefer können auf der Suche nach einer warmen und vermeintlich sicheren Unterkunft in die Schaltanlage eindringen und einen Störlichtbogen zünden. Gleiches gilt für Überspannungen durch Blitzeinschlag (LEMP) oder durch Schalthandlungen (SEMP) im Versorgungsnetz.

Mögliche Folgen

Die Folgen eines Störlichtbogens können fatal sein. Das dabei entstehende elektrisch leitfähige Plasma kann Temperaturen bis zu 20.000 °C erreichen. Daher wird auch nicht von einem »normalen« Brand und im technischen Sinn nicht von einem metallischen Kurzschluss gesprochen. Der rasante Temperaturanstieg führt zu einem explosionsartigen Druckanstieg. Durch die hohe Temperatur verdampfen metallische Teile. Die Druckwelle verbreitet sowohl diese Dämpfe, wie auch weitere heiße Partikel. Die Schaltanlage wird mechanisch und thermisch völlig zerstört (Bild 1).

Folgeschäden an weiteren Anlagenteilen sind daher kaum zu vermeiden. Eine kurze Ausfallzeit und umgehende Wiederinbetriebnahme sind somit nur schwer möglich. Für den privaten Bereich erscheint dies auf den ersten Blick eher nur als unangenehm. Es kann jedoch auch hier schwerwiegende Folgen nach sich ziehen. Beispielsweise sind Menschen mit schweren Lungenkrankheiten auf Atemgeräte in deren Privatwohnung angewiesen. Ein längerer Ausfall könnte im schlimmsten Fall den Verlust eines Menschenlebens mit sich bringen. Im gewerblichen Bereich können erhebliche Kosten durch Produktionsausfälle entstehen. Eine Stunde Produktionsausfall verursacht in der Automobilzulieferindustrie Kosten in Höhe von ca. 12.500 €, in der Automobilindustrie selbst Kosten in Höhe von ca. 250.000 € und in einem Rechenzentrum Kosten in Höhe von ca. 500.000 €.

Bild 2: Prinzip eines Störlichtbogenschutzes

Aufbau eines Störlichtbogenschutzes

Nun ist ersichtlich, dass der Störlichtbogenschutz (Bild 2) ein zentraler Bestandteil zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit und zum Personenschutz darstellt. Die benötigten Abschaltzeiten sind äußerst kurz und mit den bekannten Überstromschutzorganen nicht zu erreichen. Zunächst werden zwei Detektionsgrößen über ein Erfassungsgerät (Bild 2-2) ausgewertet. Zum einen erfolgt über Wandler die Messung des elektrischen Stromes in der Zuleitung (Bild 2-1). Zusätzlich wird der Innenraum der Schaltanlage auf das von Störlichtbögen emittierte Licht überwacht. Dies erfolgt sowohl mit optoelektronischen Sensoren (Bild 2-6) zur Überwachung von größeren Bereichen als auch mit faseroptischen Sensoren (Bild 2-5), welche beispielsweise direkt zur Überwachung von Sammelschienensystemen eingesetzt werden.

Bild 3: Beispiel eines Löschgerätes

Zündet nun im Fehlerfall ein Störlichtbogen, so wird dieser sofort durch die optischen Sensoren erfasst und an das Erfassungsgerät weitergemeldet. Trifft dort zeitgleich über die Wandlermessung auch die Meldung eines großen Stromanstiegs ein, so werden über Lichtwellenleiter verzögerungsfrei die Löschgeräte (Bild 3) angesteuert. Diese befinden sich zwischen den Sammelschienen und generieren einen niederohmigen metallischen Kurzschluss. Dadurch erlischt der Störlichtbogen sofort. Neben den Löschgeräten (Bild 2-4) wird auch der Leistungsschalter (Bild 2-3) in der Zuleitung angesteuert. Dieser trennt die Schaltanlage von der Energieversorgung.

Der hier beschriebene Vorgang findet, ohne dass der Störlichtbogen einen großen Schaden verursachen kann, innerhalb weniger Millisekunden statt. Dadurch kann die Schaltanlage, nach der Fehlerbehebung, dem Austausch der Löschgeräte und dem Rücksetzen des Erfassungsgerätes, wieder in Betrieb genommen werden. Lange Ausfallzeiten, verbunden mit großen Reparaturkosten, werden dadurch vermieden. Neben dem Anlagenschutz und der Anlagenverfügbarkeit wird auch der Personenschutz deutlich verbessert. Da keine großen Energiemengen freigesetzt werden, können Menschen nicht durch Druckwellen, große Hitze und toxische Gase verletzt oder getötet werden.

Autor

Matthias Link, Fachautor, Karlsruhe

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net