Störlichtbogenschutz in Niederspannungsschaltanlagen

Bild 1: Schutz gegen Störlichtbogen beginnt mit der richtigen Ausrüstung

Die Auswirkungen eines Störlichtbogens können verheerend sein. Doch es gibt effektive und wirtschaft­liche Schutzmaßnahmen gegen einen Störlichtbogen. Vorausgesetzt, Elektroplaner und Betreiber ergreifen die erforderlichen Maßnahmen zum richtigen Zeitpunkt – also schon in der Planungsphase (Bild 1).

Die Ursachen für die Entstehung von Störlichtbögen sind vielfältig: Montagemängel, mangelhafte Isolierungen oder Verschmutzungen. Auch Nagetierverbisse kommen in Frage. Störlichtbogen in Niederspannungsschaltanlagen treten selten auf, doch ihre Auswirkungen können verheerend sein.

Bei Störlichtbogen kommt es zwischen zwei Leitern in einer Schaltanlage zu einem Spannungsüberschlag. Durch Ionisierung der Luft und durch die Umwandlung metallischer Materialien entsteht ein leitfähiges Plasma, dessen Temperatur bis zu 20 000°C betragen kann. Je energiereicher der Licht­bogen, desto größer ist die Zerstörung. Ein ungeschützter Schaltschrank wird gesprengt, mit entsprechenden Auswirkungen auf seine Umgebung (Bild 2).

 

Störlichtbogen: Selten, aber mit großen Auswirkungen

Bild 2: Bei unzureichendem oder fehlendem Störlichtbogenschutz können erhebliche Schäden entstehen

Das Phänomen tritt vergleichsweise selten auf. Statistisch gesehen, entsteht in einem von 10.000 Schaltfeldern pro Jahr ein Störlichtbogen (Quelle: Siemens). Doch die Auswirkungen für Mensch und Energieverteilungssysteme sind enorm: Durch Druckwelle, Hitze und giftige Gase (Bild 3) können Personen zu Schaden kommen, während den Unternehmen gleichzeitig Schäden in Millionenhöhe entstehen.

Ein Störlichtbogen wandert von der einspeisenden Stromquelle in Richtung des ­Verbrauchers, sofern er nicht durch äußere Einflüsse begrenzt wird. Auch Hitze und die zugehörige Druckwelle breiten sich innerhalb der ­Anlage aus. Dadurch richtet ein Störlichtbogen nicht nur an seinem unmittelbaren Entstehungsort Schäden an, sondern in der gesamten Schaltanlage und deren Umgebung – wenn sie nicht bereits in der frühen Phase der Elektroplanung richtig geschützt wurde.

Die beschädigten Systeme verhindern die Stromversorgung der Produktionen, wodurch diese Wochen oder im Extremfall sogar Monate lang stillstehen. Nicht selten ­verursacht ein Fertigungsstillstand direkte und indirekte Kosten von mehr als 100.000 € pro Stunde. Bei einer Anlagenverfügbarkeit von 99,9 % liegt die Ausfallzeit laut ­Bundesamt für Sicherheit in der Informa­tionstechnik (BSI) bei bis zu 9 h im Jahr. Zum Vergleich: Bei der größtmöglichen Verfügbarkeit von 99,999 % reduziert sich die Ausfallzeit auf weniger als 6 min pro Jahr.

Bild 3: Störlichtbogen gehen mit zahlreichen Risiken für die Gesundheit umstehender Personen und die Unversehrtheit der Anlage einher

Vorausschauende Elektroplanung schützt gegen Störlichtbögen

Im Fall des Störlichtbogens liegt der Schlüssel zu einem effektiven und wirtschaftlichen Schutz in der frühen Projektplanungsphase von elektrischen Betriebsräumen und Energieschaltgerätekombinationen von Energieverteilern. Wichtig ist: Die Anforderungen an den Störlichtbogenschutz muss der Planer im Vorfeld durch eine Risikoanalyse mit dem Betreiber abstimmen. Berücksichtigt der Planer die für den Endkunden, also den Betreiber der Anlage, und den Anwendungsfall passen­den Maßnahmen von Beginn an, schützen sie Personen und Anlagen über den gesamten Lebenszyklus der elektrischen Ausrüstung. Und das gleich auf zwei Wegen: Sie reduzieren das Entstehungsrisiko von Störlicht­bögen und begrenzen deren Auswirkungen.

Der vom Betreiber geforderte Störlicht­bogenschutz einer Niederspannungsschaltanlage unterscheidet sich je nach Anwendung. Die Eigenschaften hinsichtlich Personen- und Anlagenschutz unterteilen sich in vier Störlichtbogen-Klassen (nach IEC TR 61641 bzw. DIN EN 61439-2 Beiblatt 1). Die Kosten steigen mit den Störlichtbogen-Klassen (Bild 4). Ein hochwirksamer Störlicht­bogenschutz erhöht zwar die Investitionsausgaben (Capital Expenditures, Capex), schafft aber einen nachhaltigen Mehrwert in Form niedrigerer Ausfall- und Instandsetzungskosten und damit Betriebskosten (Operational Expenditures, Opex).

Bild 4: Die höheren Kosten der Störlichtbogen-Klassen B und C rechnen sich für die Betreiber durch geringere Ausfall- und Reparaturkosten nach Auftreten eines Störlichtbogens sowie ggf. geringere Versicherungsprämien

Die Störlichtbogen-Klassen

Die Störlichtbogen-Klasse A schützt Personen mit Arbeitskleidung vor der geschlossenen Anlagenfront, begrenzt jedoch nicht die Auswirkungen des Lichtbogens innerhalb der Anlage. Der Personenschutz bei geöffneter Anlage erfordert weitere Schutzmaßnahmen – zum Beispiel Leistungsschalter mit dem integrierten Wartungsmodus DAS+, die die Störlichtbogenenergie oder -dauer reduzieren. Damit Schäden innerhalb der Schaltanlage begrenzt werden, muss der Planer darüber hinaus Maßnahmen zum Anlagenschutz integrieren (Störlichtbogen-Klasse B, C und I).

In der Störlichtbogen-Klasse B sind angrenzende Anlagenteile geschützt. Anlagen der Störlichtbogen-Klasse C können nach ­einem Störlichtbogen sogar eingeschränkt weiterbetrieben werden. Das ist besonders für Betreiber interessant, deren Anlagenausfälle mit einem hohen finanziellen Risiko einhergehen, etwa in der Prozessindustrie.

Welche Maßnahmen schützen am besten?

Man unterscheidet beim Störlichtbogenschutz drei Kategorien von Maßnahmen:

  • Präventive Maßnahmen, die das Entstehungsrisiko eines Störlichtbogens reduzieren, nicht aber seine Auswirkungen,
  • passive bzw. konstruktive Maßnahmen, die dessen Auswirkungen abschwächen, wie etwa Isolierungen (Bild 5), Lichtbogenbarrieren und Druckentlastungsklappen, sowie
  • aktive Maßnahmen, die einen Störlichtbogen mit Hilfe von Sensoren, Auswerte- und Auslösegeräten noch während der Entstehung verlöschen lassen.

Aktive Störlichtbogenschutzsysteme (IAMS, internal arcfault mitigation systems) sind die schnellste Methode, um die Lichtbogen­energie zu reduzieren und die Schaltanlage und die davor stehenden Personen zu schützen. Sie löschen den Störlichtbogen bei korrekter Installation und verfügbarer unterbrechungsfreier Stromversorgung, noch bevor er die Anlage beschädigt und Personen gefährdet.

Sensoren erkennen dabei die typischen Strom- und Lichtsignale. Anschließend erzeugt ein schnell schaltendes Schaltgerät (Löschgerät bzw. Kurzschließer) parallel zum Störlichtbogen einen Strompfad, so dass diesem die Energie entzogen wird und er in wenigen ms verlischt.

Vorteile des aktiven Störlichtbogen­schutzes

Bild 5: Beispiel für konstruktiven Störlichtbogenschutz: Diese Sammelschiene einer Niederspannungsschaltanlage »Sivacon S8« ist vollständig mit einem Spezialtape isoliert, so dass sich kein Lichtbogenfußpunkt auf der Schiene bilden kann

Ein aktives Störlichtbogenschutzsystem reduziert die bei einem Störlichtbogen entstehende Energie auf ein Minimum und vermeidet oder reduziert somit Schäden und Ausfallzeiten der Schaltanlage. Nach Behebung der Schadensursache ist die Schalt­anlage sehr schnell wieder betriebsbereit. Das Personal ist besser geschützt. Durch ein aktives Störlichtbogenschutzsystem profitiert der Betreiber also von einer zuverlässigeren Stromversorgung. Geringe Ausfallzeiten und verbesserter Brandschutz können überdies zu niedrigeren Versicherungsprämien führen.

Der Elektroplaner ist hier ein wichtiger Berater für Betreiber oder Investoren. Eine anwendungsgerechte Beratung schon in der Planungsphase schützt den Planer zudem vor möglichen Regressforderungen, die beispielsweise bei einem Schaden ohne Störlichtbogenschutz auftreten könnten – weil der Betreiber nicht ausreichend aufgeklärt wurde.

Störlichtbogenschutz rechnet sich

So selten ein Störlichtbogen auftritt, so zerstörerisch sind seine Auswirkungen in einer ungeschützten Niederspannungsschaltanlage. Bereits mit wenigen Maßnahmen können Elektroplaner das Ausmaß der Schäden an Niederspannungsschaltanlagen und Personal auf ein geringes Maß reduzieren oder sie sogar ganz verhindern. Der Knackpunkt: passive bzw. konstruktive und aktive Störlichtbogenschutzmaßnahmen sind noch kein Standard in Niederspannungsschaltanlagen.

Elektroplaner und die Betreiber als Endkunden sollten die zu erreichende Störlichtbogen-Klasse mit Hilfe einer Gefährdungsbeurteilung bzw. Risikoanalyse daher zu ­Beginn der Planungsphase vereinbaren. So kann der Planer frühzeitig ein anforderungsgerechtes Störlichtbogenkonzept erarbeiten, die erforderlichen Maßnahmen in die Elek­troplanung mit aufnehmen und in den Ausschreibungsunterlagen für den Schaltschranklieferanten spezifizieren. Eine Nachrüstung von Störlichtbogenschutzmaßnahmen ist sehr aufwendig und teuer oder gar nicht erst möglich. Gleiches gilt für eine nachträgliche Prüfung oder Zertifizierung.

Autor

Wolfgang Christ, Business Development Integrated Power Distribution für Smart Infrastructure bei der Siemens AG

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net