Störlichtbogen - Moeller

Antriebs- & Schalttechnik
Störlichtbogen –
nicht zu vermeiden aber beherrschbar
Typgeprüfte Niederspannungsschaltanlagen sind heute kompakter
gebaut und leistungsfähiger. So erreichen die Nennströme 8 000 A
und die Kurzschlussströme über 100 kA. Gerade diese technischen
Weiterentwicklungen rücken ein altbekanntes Problem erneut in
den Vordergrund: den Störlichtbogen. Trotz typgeprüfter Schaltanlagen
(TSK) können Störlichtbogenunfälle immer noch zu
Personen- und Anlagenschäden führen, außerdem zu kostenträchtigen
Produktionsausfällen. Vermeidbar sind Störlichtbogen
nicht, aber beherrschbar.
Trotz TSK-Technik kommt es zu Störlichtbögen:
Eingeleitet werden Störlichtbögen
durch die unzulässige Minderung
der Isolationsstrecke zwischen aktiven
Teilen innerhalb einer Schaltanlage. Dafür
gibt es vielfältige Ursachen: Fehler
beim Arbeiten unter Spannung, Verschmutzung
und Betauung der Isolationsstrecken,
Überspannungen, nicht
ordnungsgemäß ausgeführte Montagearbeiten,
falsch dimensionierte Schaltanlagen
oder Geräte sowie Fremdkörper in der
Schaltanlage.
Folgen eines Störlichtbogens
Die erhebliche Temperatur- und Druckbeanspruchung,
die mit einem Störlichtbogen
einhergeht, verletzt Personen, die
an der Schaltanlage arbeiten, häufig
schwer oder tötet sie sogar. Je nach Entstehungsort,
Höhe des Kurzschlussstroms
Dipl.-Ing. Andreas Schumacher (38)
hat Elektrotechnik in der Fachrichtung
elektrische Energietechnik an
der FH Aachen studiert und ist Produktmanager
für Störlichtbogenschutzsysteme
im Bereich Distribution
Board bei der Moeller GmbH in
Bonn. E-Mail: andreas.schumacher@
moeller.net
Dipl.-Ing. Herbert Schmolke (52)
hat elektrische Energietechnik an
der Gesamthochschule Siegen studiert
und ist bei VdS Schadenverhütung
zuständig für die Anerkennung
von Sachverständigen, für die Beratung
im Bereich Elektrotechnik und
Blitzschutz sowie für die Mitarbeit
in verschiedenen DKE-Gremien.
E-Mail: hschmolke@vds.de
800
700
600
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400
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und weiterer Parameter werden mitunter
mehrere Felder der Schaltanlage zerstört,
zumindest aber für längere Zeit außer Betrieb
gesetzt. Der zu versorgende Produktionsprozess
wird – ohne eine alternative
Versorgung – bis zur Reparatur und
Wiederinbetriebnahme unterbrochen.
Häufigkeit eines Störlichtbogens
Nur Fehler, die Personenschäden nach
sich ziehen, unterliegen der Meldepflicht
bei der Berufsgenossenschaft. In
den letzten fünf Jahren wurden der Berufsgenossenschaft
für Feinmechanik
und Elektrotechnik (BGFE, [1]), verteilt
über alle Spannungsebenen, pro Jahr
durchschnittlich 240 Störlichtbogenunfälle
gemeldet – mit leicht rückläufiger
Anzahl (Bild 1). Nur spekulieren lässt
sich zur Anzahl der Störlichtbögen, die
ausschließlich zu Anlageschäden führten.
Denn bislang gibt es keine Datenbank,
die solche Schäden verwaltet. Erfahrungen
der Schaltanlagenhersteller
und Sachverständigenberichten zufolge,
liegt die Zahl derartiger Störlichtbögenfälle
pro Jahr in Deutschland bei
über 100.
Andreas Schumacher
Herbert Schmolke
Überprüfung der
Störlichtbogenfestigkeit
Die Überprüfung der Störlichtbogenfestigkeit
einer Niederspannungsschaltanlage
ist nicht Bestandteil der TSK-Prü-
Meldepflichtige Stromunfälle
Gemeldete Störlichtbogenunfälle
1999 2000 2001 2002 2003
Bild 1. Stromunfälle im Bereich der Berufsgenossenschaft für Feinmechanik und
Elektrotechnik (BGFE)
fungen. Sie ist eine Sonderprüfung die
zwischen Anwender und Hersteller vereinbart
wird (vgl. DIN EN 60439-1
(VDE 0660-500 Beiblatt 2):1997-10 [2]).
In der Zwischenzeit wurde ein Entwurf
verabschiedet, der erstmalig neben dem
Personenschutz auch den Schutz der
Schaltanlage selbst berücksichtigt [3].
Der Fachreport IEC/TR 61641:1996-01
[4] regelt erstmals reproduzierbar die Bedingungen
zum Überprüfen der Störlichtbogenfestigkeit
von Niederspannungsschaltanlagen.
Seit dieser Zeit wurden
die unterschiedlichsten Lösungsvarianten
erarbeitet. Alle namhaften Hersteller
bieten heute eine störlichtbogenfeste
Ausführung ihrer Schaltanlagen an.
Lösungen für Schutzmaßnahmen
Die verschiedenen Lösungen entsprechen
unterschiedlichen Schutzkonzepten,
ein grober Überblick zeigt die Ansätze.
Konstruktiver Schutz: Die älteste Variante
ist die verstärkte mechanische Ausführung
der Schaltanlage, die im Störlichtbogenfall
der anstehenden Druckund
Temperaturbeanspruchung standhalten
soll. Diese Lösung begrenzt allerdings
2 Heft 7/2005 •

- mit möglichst geringem Aufwand – die
Auswirkungen des Störlichtbogens nur
auf das Innere der Schaltanlage. Die Zerstörung
der Schaltanlage wird billigend
in Kauf genommen.
Isolierung der aktiven Teile: Soll auch
die Schaltanlage geschützt werden, reicht
die konventionelle Lösung nicht aus. Daher
greifen einige Hersteller auf die Isolierung
aller standardmäßig nicht isolierten
Verbindungen zurück. Dabei kommen
unterschiedlichste Materialien zum Einsatz,
die häufig die Brandlast der Schaltanlage
deutlich erhöhen.
Einsatz eines Störlichtbogenerfassungssystems:
Mittels geeigneter Lichtsensoren
– zumeist Fotodioden – wird der Störlichtbogen
detektiert und durch den einspeisenden
Leistungsschalter abgeschaltet.
Sollen ungewollte Abschaltungen unterbunden
werden, dient i.d.R. der Strom als
zweite Erfassungsgröße. Erst bei Detektion
beider Signale steuert die Auswerteelektronik
die Arbeitsstromauslöser der einspeisenden
Leistungsschalter an, diese
trennen dann die Schaltanlage vom Netz.
Einsatz eines Störlichtbogenschutzsystems:
Ein Störlichtbogenerfassungssystem
reicht nicht aus, wenn ein besonders
effektiver Personenschutz verlangt wird.
So etwa, wenn Arbeiten an der Schaltanlage
ausschließlich unter Spannung stattfinden
oder die Schaltanlagenverfügbarkeit
besonders hoch sein soll. Die Abschaltzeiten
konventioneller Leistungsschalter
(> 35 ms) sind schlicht zu lang.
Daher wird ein Störlichtbogenerfassungssystem
mit einem speziellen Löschgerät
kombiniert. Damit lässt sich ein Störlichtbogen
innerhalb von nur 2 ms löschen.
Die Auswirkungen auf Personen
und Schaltanlage bleiben gering, inner-
Bild 2. Ein Störlichtbogen kann innerhalb
von Sekundenbruchteilen eine komplette
Schaltanlage zerstören
• Heft 7/2005
Antriebs- & Schalttechnik
halb kürzester Zeit lässt sich der Betrieb
wieder aufnehmen.
Planungsphase eines
Störlichtbogenschutzsystems
Die Kurzschlussstromberechnung die
für jede Niederspannungsschaltanlage erstellt
werden muss, sollte die Auswahl eines
geeigneten Störlichtbogenschutzes
bestimmen. Der Störlichtbogenstrom liegt
zwischen 30 % und 70 % des prospektiven
Kurzschlussstroms. Generell gilt: Je
höher die Ansprüche an den Personenschutz
und an die Verfügbarkeit der
Schaltanlage, desto effektiver muss der
Störlichtbogenschutz ausgeführt sein.
Moeller ermittelte im Rahmen einer Forschungskooperation
mit der TU Ilmenau
bereits vor einigen Jahren Richtwerte für
den Personen- und Anlagenschutz [5–7].
Ab einem Energieumsatz von 50 kWs besteht
für jeden Arbeiter ein hohes Risiko,
ernsthafte und dauerhafte Verletzungen
davon zu tragen. Bei einem Energieumsatz
über 100 kWs kann die Schaltanlage
stark beschädigt werden, außerdem lassen
sich die Auswirkungen des Störlichtbogens
nicht auf das Feld begrenzen. Sogar
bis zum Notbetrieb sind Stillstandszeiten
von rund zwei Tagen zu erwarten. Diesen
Sachverhalten sollte bei Planungen Rechnung
getragen werden.
Funktionsweise eines
Störlichtbogenschutzsystems
Das vom Störlichtbogen emittierte Licht
sowie dessen gedämpfter Kurzschlussstrom
lassen sich problemlos detektieren.
Zur Lichtdetektion kommen Lichtwellenleiter
zum Einsatz, die entlang der aktiven
Schaltanlageteile geführt sind. Zur Detektion
des Überstroms werden die in den
Einspeisungen vorhandenen Stromwandler
genutzt. Überschreiten beide Detektionsgrößen
bestimmte, festgelegte
Schwellwerte, dann steuert die Auswerteelektronik
das Löschgerät an. Dieses erzeugt
im Einspeisebereich, parallel zur
Fehlerstelle, einen dreiphasigen metallischen
Kurzschluss. Der Strom nimmt den
Weg des geringsten Widerstands und der
Störlichtbogen erlischt. Innerhalb von
2 ms ist der gesamte Vorgang – Detektion,
Auswertung und Löschung – abgeschlossen.
Auch die Höhe des Störlichtbogenstroms,
ob 6 kA, 65 kA oder 100 kA, ändert
daran nichts. Der einspeisende Leistungsschalter
trennt zudem nur den störlichtbogenbehafteten
Anlagenteil vom
Netz, alle nicht betroffene Bereiche bleiben
in Betrieb. Als Backup wird der Arbeitstromauslöser
des Leistungsschalters
angesteuert. Nach Beheben der Ursachen
3

Antriebs- & Schalttechnik
und Austausch des Löschgeräts ist die
Schaltanlage betriebsbereit.
Systemeinschätzung von
unabhängigen Stellen
Neben Herstellern setzt sich auch der
Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft
(GDV) e. V. [8] sowie deren
Tochtergesellschaft VdS Schadenverhütung
[9] mit dem Thema Störlichtbo-
Bild 3. Schaltanlage mit integriertem
„Arcon“-Störlichtbogenschutzsystem nach
einem aufgetretenen Störlichtbogen. Die
Pfeile markieren die Störlichtbogenfußpunkte
genschutz auseinander. Sachversicherer
haben verständlicherweise ein Interesse
daran, derartige Störfälle zu vermeiden
und ihre Auswirkungen in Grenzen zu
halten. Für den Versicherer ergibt sich
folgende Situation: Der Störlichtbogen ist
ein Ereignis, das wie ein Explosionsgeschehen
eine komplette Schaltanlage zerstören
(Sachschaden, wie in Bild 2), die
Produktion des kompletten Produktionsbereichs
eines Industriebetriebs lahm legen
(Betriebsunterbrechungsschaden) und
sowohl Menschenleben (Personenschaden)
als auch das umgebende Gebäude in
Gefahr bringen kann (Sachschaden). Der
Störlichtbogen gehört somit zweifellos zu
den Ereignissen, von denen jeder hofft,
dass sie niemals eintreten werden. Wie erwähnt,
ist die Realität eine andere.
In der Vergangenheit setzten Versicherer
bei derart max. Störfällen lediglich auf
Schadenbegrenzung. Der Eintritt des möglichen
Schadenfalls wurde hingenommen,
seine Auswirkungen mehr oder weniger
gut begrenzt. Aus technischer Sicht war
kein effizientes System verfügbar.
Das „Arcon“-Störlichtbogenschutzsystem
Moeller stellte sich vor einigen Jahren
mit einer Entwicklung bei den Versicherern
vor, die den Störlichtbogen nicht örtlich
eingrenzt, sondern ihn nahezu verhindert.
Auftretende Störlichtbögen werden,
wie beschrieben, in extrem kurzer
Zeit registriert und kurzgeschlossen. Das
entzieht dem sich entwickelnden Lichtbogen
die Energie, bevor er überhaupt
derart enorme Temperaturen und explosive
Drücke aufbauen kann (Bild 3).
Mit dem von Moeller vorgestellten
Störlichtbogensystem lautete die neue
Devise: Verhindern statt Begrenzen. Der
GDV sowie VdS Schadenverhütung haben
aufgrund der nachgewiesenen Wirksamkeit
von „Arcon“ in den Richtlinien
der Feuerversicherungen, VdS 2349
„Störungsarme Elektroinstallation“ einen
wirklich funktionierenden Störlichtbogenschutz
so definiert, dass beim Auftreten
eines Lichtbogens keine zerstörende
Energie auftreten kann. Diese Lösung
fand auch in der Fachöffentlichkeit großen
Anklang und wurde z. B. im Kommentarwerk
zur DIN VDE 0100-482
(VDE-Schriftenreihe Bd. 85) als probates
Mittel zur Vorbeugung von Schäden vorgestellt
[11].
Im März 2004 verfasste VdS Schadenverhütung
zusätzlich eine Prüfanweisung
für Störlichtbogenschutzsysteme, die über
die zunächst recht allgemein formulierten
Schutzziele der Richtlinie VdS 2349 hinausgingen.
So wurde beispielsweise die
max. Zeit bis zur Löschung des Lichtbogens
auf 2 ms festgelegt, Anforderungen
gegenüber Fehlauslösungen näher beschrieben
und Grenzen der Einsetzbarkeit
in Bezug auf die zu erwartenden Kurzschlussströme
definiert. Ziel war es, eine
Produktzertifizierung für Störlichtbogenschutzsysteme
in Aussicht zu stellen.
Mit diesen Vorgaben wurde das von
Moeller vorgestellte Schutzsystem „Arcon“
durch VdS Schadenverhütung eingehend
geprüft. Basis der Produktprüfungen
waren demnach
• die vorgenannte Prüfanweisung,
• die Richtlinie VdS 2349 sowie
• Normen, die den aktuellen Stand der
Technik zu diesem Thema beschreiben
wie z. B. DIN EN 60439-1 (VDE 0660-
500), DIN EN 50178 (VDE 0160), DIN
EN 61000-6-4 (VDE 0839-6-4), DIN
EN 61000-6-2 (VDE 0839-6-2), DIN
EN 60068-1 [12–16].
Das von Moeller entwickelte Störlichtbogen-Schutzsystem
„Arcon“ hat alle Prüfungen
eindrücklich bestanden. Anlässlich
der Hannover Messe 2004 überreich-
te VdS Schadenverhütung das entsprechende
Zertifikat an Moeller.
Ausblick
Bereits in der Planungsphase sollten
sich Betreiber und Hersteller über die Anforderungen
hinsichtlich des Störlichtbogenschutzes
der Energieverteilung verständigen
und in der Ausschreibung berücksichtigen.
Ein effektiver Personenund
Anlagenschutz lässt sich heute mit
vertretbarem Aufwand realisieren und
bewahrt im Fall eines Störlichtbogens vor
ausgedehnten Produktionsstillständen.
Literatur
[ 1] Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und
Elektrotechnik (BGFE), Köln: www.bgfe.de
[2] DIN EN 60439-1 Beiblatt 2 (VDE 0660-500
Beiblatt 2):1997-10 Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen
– Teil 1: Typgeprüfte und
partiell typgeprüfte Kombinationen – Technischer
Bericht: Verfahren für die Prüfung unter
Störlichtbogenbedingungen. Berlin · Offenbach:
VDE VERLAG
[3] E DIN EN 60439-1 Beiblatt 2 (VDE 0660-500
Beiblatt 2):2001-03 Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen
– Teil 1: Typgeprüfte und
partiell typgeprüfte Kombinationen – Technischer
Bericht: Verfahren für die Prüfung unter
Störlichtbogenbedingungen. Berlin · Offenbach:
VDE VERLAG
[4] IEC/TR 61641:1996-01 Enclosed low-voltage
switchgear and controlgear assemblies – Guide
for testing under conditions of arcing due to
an internal fault. Genf/Schweiz: Bureau Central
de la Commission Electrotechnique Internationale
(ISBN 2-8318-3673-5)
[5] Moeller GmbH, Bonn: www.moeller.net
[6] Technische Universität Ilmenau (TU Ilmenau):
www.tu-ilmenau.de
[7] Könen, P.-L.; Schäfer, H.: Störlichtbogenschutz
in der Niederspannungstechnik. etz Elektrotech.
+ Autom. 118 (1997) H. 23–24, S. 24–29
[8] Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft
(GDV) e. V., Berlin: www.gdv.de
[9] VdS Schadenverhütung GmbH, Köln:
www.vds.de
[10] VdS 2349:2000-02 Störungsarme Elektroinstallation,
Richtlinien zur Schadenverhütung.
Köln: VdS Verlag
[11] Hochbaum, A.: Schadenverhütung in elektrischen
Anlagen. VDE-Schriftenreiche Bd. 85.
Berlin · Offenbach: VDE VERLAG, 2002
(ISBN 3-8007-2635-1)
[12] DIN EN 60439-1 (VDE 0660 Teil 500):2000-08
Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen
– Teil 1: Typgeprüfte und partiell typgeprüfte
Kombinationen. Berlin·Offenbach: VDE VERLAG
[13] DIN EN 50178 (VDE 0160):1998-04 Ausrüstung
von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln.
Berlin·Offenbach: VDE VERLAG
[14] DIN EN 61000-6-4 (VDE 0839 Teil 6-4):2002-08
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) –
Teil 6-4: Fachgrundnormen – Störaussendung
für Industriebereich. Berlin · Offenbach: VDE
VERLAG
[15] DIN EN 61000-6-2 (VDE 0839 Teil 6-2):2002-08
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) –
Teil 6-2: Fachgrundnormen – Störfestigkeit für
Industriebereich. Berlin·Offenbach: VDE VERLAG
[16] DIN EN 60068-1 Umweltprüfungen – Teil 1:
Allgemeines und Leitfaden. Berlin: Beuth ■
4 Heft 7/2005 •