Der Störlichtbogen

Physik, Detektion und Vorkommen von Störlichtbögen

Störlichtbögen sind auch bei der Installation im Schaltschrank ein ernstzunehmendes Phänomen. Mit entsprechender Sorgfalt bei der Installation lassen sich Handhabungsfehler vermeiden und Vorsorge treffen, dass Schäden oder Gefahren gar nicht erst entstehen. Falls es trotz aller Vorsicht dennoch zu Störlichtbögen kommt, so lassen sich diese detektieren und abstellen, um weitergehende Schäden oder Brände zu vermeiden.
Physikalisch betrachtet sind Lichtbögen Plasmen. Das sind Vielteilchensysteme, die elektrisch neutral sind, viele freie elektrische Ladungen enthalten und immer elektrische Leiter sind. Der Stromfluss wird fast vollständig von Elektronen getragen, da sie deutlich beweglicher sind als Ionen. Ein Lichtbogen verlischt ausschließlich durch Energieentzug. Elektrisch gesehen, muss dazu der vom Lichtbogen erzeugte Spannungsfall höher sein als die treibende Spannung der Quelle. Bei Schaltlichtbögen lässt sich dies durch konstruktive Maßnahmen zur Löschung des Bogens, wie z.B. Unterteilung durch Löschbleche, erreichen. Wechselströme besitzen natürliche Nulldurchgänge, die den Bogen im Rhythmus der Frequenz verlöschen lassen. Ob eine Wiederzündung stattfindet, hängt hauptsächlich von der Rest-Ionisierung der Schaltstecke ab. Bei hohen Kurzschlussströmen wird dem Bogen vor dem natürlichen Stromnulldurchgang soviel Energie entzogen, dass er verlöschen kann ohne die Schaltkammer zu zerstören. Entsprechend wird bei Gleichspannungsbögen verfahren. Durch gezielte Erhöhung der Bogenspannung wird der Strom zu Null gezwungen. Bei Störlichtbögen ist der Entstehungsort der Entladung nicht bekannt. Daher muss in diesem Fall die Entladung zunächst erkannt und dann die Energiezufuhr zur Entladung unterbrochen werden, was durch Abschalten der Energiequelle oder Kurzschließen der Last bzw. der Quelle geschieht.

Die Detektion von Lichtbögen

Verschiedene Plasma-Eigenschaften können helfen, Störlichtbögen zu detektieren:

  • • elektromagnetische Strahlung (Radiowellen, Licht)
  • • Druckanstieg
  • • Schallwellen (durch das schlagartige Verdrängen der Luft im Entladungskanal – Donner beim Blitz)
  • • elektromagnetisches Feld
  • • thermische Auswirkungen auf umgebende Materialien.

In der Praxis kommen vor allem optische und elektrische Verfahren zum Einsatz (Tab. 1). Bei Letzteren geht es vor allem um die Beeinflussung von Strom- und/oder Spannungssignalen durch Störlichtbögen. Die Signale werden im Zeit- und Frequenzbereich auf charakteristische Abweichungen zum normalen Systemzustand hin untersucht. Es bedarf dabei mehrerer unterschiedlicher paralleler Algorithmen, um sicher entscheiden zu können, ob ein Störlichtbogen oder ein normaler Betriebszustand vorliegt. Störlichtbögen erzeugen einen starken nicht-linearen oft intermittierenden Verlauf des Stromflusses. Dafür sorgen ständig schwankende Plasmaparameter. Der Anteil an Elektronen und Metall-Ionen ändert sich laufend, der Bogen verlöscht und zündet wieder, er bildet neue Fußpunkte an Stellen unterschiedlicher Leitfähigkeit. Zudem kühlen oder nähren Ausgasungsprodukte den Bogen (Tracking). Bei AC (Bild 2a) enthält das Signal periodische Anteile, die bei DC (Bild 2b) gänzlich fehlen. Hier erfordert die rein stochastische Signalstruktur mehr statistische Ansätze bei der Detektion. Der Strom bietet die beste Basis für eine ortsunabhängige Lichtbogendetektion, da er auch in größerer Entfernung vom Fehlerort noch charakteristische Merkmale aufweist. Spannungseinbrüche auf der Leitung zu messen, ist nur bei räumlich begrenzten Netzen sinnvoll (z.B. Automobil-Bordnetz).

Wo Störlichtbögen vorkommen

Flugzeuge: Störlichtbögen in Flugzeug-Bordnetzen können zu Bränden führen. Dies liegt an Polyimid, dem in den 80er-Jahren am häufigsten eingesetzten Isolationsmaterial für die Kabel. Dieses neigt unter Lichtbogeneinwirkung zu Tracking. AFCBs (Arc Fault Circuit Breaker) können den Störlichtbogen detektieren und den fehlerhaften Zweig abschalten. Der Schaden an der Leitung muss danach repariert werden. Die Entwicklung von AFCBs wurde forciert nach Abstürzen wie TWA800 und Swiss Air 111. Dabei stellten die Besonderheiten von Flugzeug-Bordnetzen und die vielen dort eingesetzten nicht-linearen Verbraucher eine große Herausforderung dar.

Automobilbordnetze: Störlichtbögen zeigen ein stabiles Brennverhalten nur oberhalb von 12V. Daher ist das Thema Störlichtbogen im normalen PKW-Netz mit Kupferleitungen nicht vorhanden. Anders sieht dies bei Verwendung von Aluminium-Leitungen aus. Die Mindest-Lichtbogen-Spannung für Aluminium liegt bei 11V, daher können Bögen zwischen Aluminium-Elektroden eventuell etwas länger brennen. Störfälle sind bisher allerdings nur im DC 24V-Netz dokumentiert. Es handelt sich dabei fast ausschließlich um Unfälle mit Reisebussen. Für das geplante neue 2-Spannungs-Bordnetz mit einer 12V- und einer 48V-Seite und für Hochvoltbordnetze in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen mit Spannungen von 400 bis 800VDC ist ein Störlichtbogenschutz zur Vermeidung von Kabelbränden sinnvoll.

Photovoltaikanlagen: Photovoltaikanlagen liefern Gleichspannungen von 300 bis zu 1.500V. Ein Generatoranschlusskasten (GAK) und ein Wechselrichter verbinden den PV-Generator elektrisch mit dem öffentlichen Netz. Durch die hohen Gleichspannungen können bei Fehlern in der Anlage Störlichtbögen entstehen, die nur schwierig zum Verlöschen zu bringen sind, da die speisende Energiequelle einen konstanten Strom liefert, solange die Lastimpedanz einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Neben Überspannungs- und Überlastschutz ist ein Trennschalter auf der DC-Seite vorgeschrieben (VDE-0100). In den USA wird inzwischen ein Störlichtbogenschutz auch für PV-Anlagen normativ gefordert (UL-1699B).

Gebäudeinstallationen: In den USA sind in der Installationstechnik AFCIs (Arc Fault Circuit Interruptor) vorgeschrieben (UL-1699) und von verschiedenen Herstellern am Markt erhältlich. Durch die bevorzugte Holzbauweise der Häuser und die damit einhergehende Brandgefahr bei Störlichtbögen hat sich diese Technologie inzwischen durchgesetzt. Mittlerweile gibt es Bestrebungen, AFCIs auch in Europa für Gebäudeinstallationen vorzuschreiben. Eine entsprechende Norm steht inzwischen zur Verfügung [EN62606].

Industrieanlagen: In industriellen Niederspannungsanlagen können Kurzschlussströme von 50kA und mehr entstehen. Deshalb ist Störlichtbogen-Erkennung und -Abschaltung nötig, um das Wartungspersonal vor den tödlichen Folgen eines hochenergetischen Plasmas zu schützen. Da die Anlagen räumlich begrenzt sind, werden hier vor allem optische Verfahren eingesetzt. Geeignete Sensoren erfassen die intensive Lichtwirkung der Entladung, die Anlage wird kurzgeschlossen, und der Fehler durch die standardmäßig verbauten Überstromschutzorgane abgeschaltet. Hochspannungsschalter verwenden sowohl die Lichtwirkung als auch den Druckanstieg dazu, nicht betriebsgemäße Überschläge zwischen Geräteteilen zu detektieren.

Das könnte Sie auch interessieren

Durchdachtes Gesamtpaket

Mit welchen Herausforderungen kämpfen Schaltschrankhersteller aktuell? Lars de Bruin, Marketing Manager bei Omron Panel Solutions EMEA, erklärt, wie das Unternehmen Schaltschrankhersteller dabei unterstützt, mit kürzeren Projektvorlaufzeiten, Fachkräftemangel und geringeren Gewinnmargen fertigzuwerden, ohne Kompromisse bei der Qualität zu machen.

Smarte Lösungen für den Verkehrsfluss

Im ‚Logistics Performance Index‘ der Weltbank lag Deutschland 2016 auf Rang eins. Spitzenpositionen in den Bereichen Infrastruktur sowie Logistikqualität und Kompetenz führten zu diesem herausragenden Ergebnis. Dabei ist die Grundlage für einen reibungslosen Ablauf im Güter- und Personenverkehr ein flüssiger und ungestörter Datenstrom. Um diesen sicherzustellen, hat Eldon eine Schaltschrankreihe entwickelt, die Schaltanlagen an der Strecke und an den Kommunikationsknotenpunkten vor Vandalismus und Wetterkapriolen schützt.

Fachkonferenz Steuerungs- und Schaltanlagenbau im Wandel

Wie viele andere Lebensbereiche, so berührt die fortschreitende Digitalisierung auch den Steuerungs- und Schaltanlagenbau in ganz erheblichem Maße. Im Rahmen einer zweitägigen, vom Süddeutschen Verlag Veranstaltungen in Kooperation mit dem SCHALTSCHRANKBAU ins Leben gerufenen Fachkonferenz in Frankfurt am Main, erörterten Experten aus Forschung, Wirtschaft und Schaltanlagenbau die Auswirkungen dieser einschneidenden Entwicklungen.

Anzeige
Leinen los

Vor kurzem hat die renommierte Meyer Werft in Papenburg ein neues Kreuzfahrtschiff abgeliefert. Mit an Bord sind Verdrahtungsrahmen, Netzteile sowie zig Kilometer Leitungen von Lütze. Sie helfen mit, die Erlebnisreisen eindrucksvoll zu illuminieren.

Anzeige
Zukunft der Energieverteilung im Fokus

Auch dieses Jahr hat Ormazabal mit seiner Techniktagung Experten aus dem Bereich der Energieverteilung wieder ein Fachforum geboten. Unter dem Motto ‚flexible und pragmatische Lösungen für die Energieverteilung der Zukunft‘ hatte der Mittelspannungsspezialist Kunden und Partner Mitte Mai nach Leipzig eingeladen. Durch die Neugestaltung der Netze ändern sich die Ansprüche an die Energieverteilung. Die Teilnehmer nutzten die Veranstaltung, um daraus resultierende Fragestellungen zur Energieversorgung zu erörtern.

Wago China feiert 20-jähriges Jubiläum

Der chinesische Standort der Wago-Gruppe feierte sein 20-jähriges Jubiläum mit zahlreichen Gästen aus Wirtschaft und Politik. „Seit seiner Gründung 1997 ist Wago China sehr erfolgreich gewachsen und gehört heute zu den größten und bedeutendsten Produktionsstandorten der ganzen Unternehmensgruppe“, so CSO Jürgen Schäfer während der Feierlichkeiten, die auch die Grundsteinlegung für den nunmehr vierten Bauabschnitt des 28.000m² großen Werks umfassten.

ZVEI: Welt-Elektromarkt wächst auch dieses und nächstes Jahr

Der Ausblick auf den Welt-Elektromarkt verspricht weiteres Wachstum. „Für das laufende Jahr sowie auch für 2018 gehen wir jeweils von einer vierprozentigen Steigerung aus“, sagt ZVEI-Chefvolkswirt Dr. Andreas Gontermann. Damit bleibe die Wachstumsrate eines der größten Industriegütermärkte der Welt stabil.

Maschinenbau erhöht Produktionsprognose für 2017

Im Mai hat der Auftragseingang sein Vorjahresniveau deutlich um real 17% übertroffen und damit ein klares Signal gesetzt. „Die Stimmung in den Unternehmen ist ausgesprochen gut. Alles steht bereit für einen neuen Aufschwung“, sagt VDMA-Chefvolkswirt Dr. Ralph Wiechers. Der Verband erhöht daher seine Jahresprognose für die reale Maschinenproduktion in Deutschland von bisher plus 1% (Stand Oktober 2016) auf plus 3%.

62% der Teilnehmer einer weltweiten Umfrage von Capgemini und Brian Solis sehen die Unternehmenskultur als eines der größten Hindernisse auf dem Weg zu einer digitalen Organisation. In Deutschland liegt der Wert mit 72% sogar leicht darüber. Damit riskierten die Unternehmen, im derzeitigen Digitalisierungsumfeld gegenüber ihren Wettbewerbern zurückzufallen.

Fast alle Anlagen, die beim Sondermaschinenbauer Trebbin Technik entstehen, sind maßgefertigte Einzelstücke. Denn bei den Automatisierungslösungen für unterschiedlichste Branchen sind Flexibilität und Erfindungsreichtum gefordert. Das Eichstätter Unternehmen verbaut, was der Kunde fordert. Immer öfter kommen dabei Wago-Automatisierungs- und Verbindungstechnik zum Einsatz.