Die kontinuierliche Verfügbarkeit elektrischer Energie ist bei uns zur Selbstverständlichkeit geworden und Millionen von Verbrauchern wie Unternehmen sind heute darauf angewiesen. Bei einem Stromausfall können ganze Leitsysteme in Unternehmen ausfallen, Rechner abrupt abschalten, Daten verloren gehen sowie Maschinen und Geräte (auch medizinische) plötzlich stillstehen. Ein Stromausfall muss nicht immer durch den Wegfall der Stromversorgung verursacht sein. Die Verfügbarkeit elektrischer Energie wird auch und in hohem Maße durch die Sicherheit der elektrischen Energieverteilungspunkte gewährleistet. Niederspannungs-Schaltanlagen als Haupt- und Gebäudeverteiler kommt hierbei jeweils eine zentrale Bedeutung zu. Das Auftreten eines Störlichtbogens in einer Schaltanlage gefährdet die Sicherheit der Stromversorgung. Niederspannungs-Schaltanlagen nach DIN EN 60439-1 „Typgeprüfte Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen“ gewährleisten dem Betreiber ein hohes Maß an Sicherheit. Dennoch kann es zum Beispiel durch äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit (Kondenswasserbildung), Fremdbelag (Verschmutzung) und transienten Überspannungen zur Zündung eines Störlichtbogens kommen. Die Alterung von Isoliermaterialien, bei Schaltgeräten infolge von thermischen Überlastungen, aber auch lockere Verbindungen, lose Metallteile oder sogar liegengebliebenes Werkzeug in Schaltanlagen können für einen Störlichtbogen verantwortlich sein .
Die weiter voranschreitende kompakte Bauweise der Schaltgeräte und die damit einhergehende höhere Packungsdichte in den Schaltanlagen „begünstigt“ die zuvor genannten Fehlerursachen.

Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Störlichtbogen nimmt somit eher zu; ihre Wirkungen können gravierend sein. Der Ablauf eines Störlichtbogens kann in drei Phasen eingeteilt werden, die in kurzer zeitlicher Abfolge (Millisekunden) auftreten. Direkt nach der Zündung des Lichtbogens entsteht durch die vom Plasma ausgehende Strahlung ein greller Lichtblitz und die umgebende Luft wird auf 10.000 – 20.000 K schlagartig aufgeheizt. In dieser ersten Phase steigt der Druck im betroffenen Innenraum erheblich an. Bei Höchstwerten, die einen Druck von 15-25 t pro m² ausmachen, können nicht ausreichend befestigte Teile einer Schaltanlage (Seitenwände, Türen, Deckel oder in Türen eingebaute Geräte) weggeschleudert werden. Ein explosionsartiger Knall begleitet den Vorgang. In der zweiten Phase wird die aufgeheizte Luft aus der Schaltanlage abgeleitet und der Druck im betroffenen Schaltanlagenbereich fällt ab. Nach ca. 100 ms schließt sich die thermische Phase an, wo der Lichtbogen unmittelbar auf die ihn umgebenden festen Materialien (Metalle und Kunststoff) wirkt. In dieser Phase, die bis zum Abschalten des Störlichtbogens andauert, wird im Fußpunkt des Lichtbogens das Kupfer der Sammelschienen verdampft und schlägt sich dann an den kälteren Oberflächen der Umgebung nieder und brennt dort ein. In die Stahlblechhülle einer Schaltanlage können aufgrund der hohen Temperaturen große Löcher in die Außenhülle durchbrannt werden. Das den Lichtbogen umgebende Kunststoffmaterial von Schaltgeräten, Sammelschienenträgern oder Isolation von Kupferleitern kann sich entzünden und brennend abtropfen. Durch die Verbrennungsrückstände und Metallablagerungen entstehen leitende Oberflächen, die das Isolationsniveau der Schaltanlage im Inneren deutlich reduzieren. Charakteristisch für den Störlichtbogen ist weiterhin, dass er von -seinem Entstehungspunkt zum Beispiel auf einer Sammelschiene mit hoher Geschwindigkeit ca. 3-4 m in 100 ms in Energieflussrichtung weiterläuft, getrieben durch das den Leiter umgebende starke Magnetfeld. Hierdurch wird auch verständlich, warum der Teil der Schaltanlage mit dem größten Schadensbild mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht identisch ist mit der Stelle, an dem der Störlichtbogen gezündet wurde. Von Bedeutung ist auch, dass der Störlichtbogen erheblich impedanzbehaftet ist und somit der mögliche unbeeinflusste Kurzschlussstrom an der Einbaustelle der Schaltanlage nur selten zum Fließen kommt. Erfahrungsgemäß reduziert sich dieser Wert auf bis zu 50 % und führt damit zu unzulässig langen Abschaltzeiten der Kurzschlussschutzeinrichtungen in der Einspeisung der Schaltanlage oder in den Abgangsstromkreisen.
So ist vorstellbar, dass es ohne geeignete Schutzvorkehrungen zu Personenschäden durch Verbrennungen oder auch größeren Schäden an der Schaltanlage kommen kann. Deshalb kommt die Forderung nach störlichtbogensicheren Niederspannungs-Schaltanlagen auf. Im Beiblatt 2 zur DIN EN 60439-1, Ausgabe Oktober 1997, und dem Entwurf des Beiblatts 2 vom März 2001 „Verfahren für die Prüfung unter Störlichtbogenbedingungen“ sind der Personenschutz und der Anlagenschutz als Schutzziel für Niederspannungs-Schaltanlagen definiert. Die fünf Kriterien für den Personenschutz lauten: Türen und Abdeckungen dürfen sich nicht öffnen, Teile der Schaltgerätekombination dürfen nicht wegfliegen, es dürfen keine Löcher in die Außenhülle der Schaltgerätekombination eingebrannt werden, Stoffindikatoren, die im Abstand vor der Schaltanlage aufgebaut werden, dürfen sich nicht entzünden und Erdverbindungen, insbesondere der Schutzleiterstromkreis in der Schaltanlage, müssen erhalten bleiben.

Für den Anlagenschutz sind folgende Kriterien festgelegt: der Störlichtbogen bleibt begrenzt und in den angrenzenden Bereichen erfolgen keine Neuentzündungen, nach Störungsbeseitigung bzw. nach Abtrennen oder Ausbau der betroffenen Funktionseinheiten ist ein Notbetrieb der Schaltgerätekombination möglich. Die Prüfdauer ist auf mindestens 100 ms festgelegt, kann aber auch bis zu 300 ms oder darüber hinaus je nach Kundenanforderung ausgedehnt werden. Die Prüfung ist keine Typenprüfung im Sinne der DIN EN 60439-1, sondern unterliegt immer einer speziellen Vereinbarung zwischen dem Hersteller der Schaltgerätekombination und dem Betreiber der Anlage. Insbesondere durch konstruktive Maßnahmen innerhalb des Schaltanlagensystems können die zuvor genannten Prüfanforderungen und die Einhaltung der Kriterien erfüllt werden. So wird zum Beispiel durch verstärkte Zuhaltungen im Scharnier- und Verschlusssystem der Türen dafür gesorgt, dass diese bei entstehendem Druckanstieg nicht auffliegen. Einbaugeräte in den Türen werden durch zusätzliche Schraubbefestigungen gesichert. Darüber hinaus gibt es weitere Schutzmaßnahmen, die einen passiven Störlichtbogenschutz darstellen. Der Störlichtbogen wird zwar in seiner Ausbreitung behindert und damit die Auswirkungen bezüglich des Personenschutzes und innerhalb der Schaltanlage begrenzt, es verbleiben jedoch je nach Wirkungsdauer erhebliche Schäden, da der Störlichtbogen in der Regel erst durch eine Schutzeinrichtung in der Einspeisung zum Verlöschen gebracht wird.
Wenn letztlich die Entstehung des Störlichtbogens nicht gänzlich verhindert werden kann, so lautet die Zielsetzung zur Erhöhung des Personen- und Anlagenschutzes den Lichtbogen so schnell wie möglich zum Verlöschen zu bringen. Dies kann durch aktive Störlichtbogensicherheit erreicht werden.
Zur Realisierung eines aktiven Störlichtbogenschutzes in Niederspannungs-Schaltanlagen ist es notwendig, zusätzliche Komponenten in die Schaltanlage einzubauen, die in der Lage sind, einen entstehenden Störlichtbogen zu registrieren, ihn zweifelsfrei als Schadensereignis zu erkennen und anschließend durch aktive Maßnahmen sehr schnell zum Verlöschen zu bringen.
Das Niederspannungs-Schaltanlagensystem SAS 5000 von Hensel bietet mit Arcon ein aktives geprüftes Systeme, dessen Funktion und Wirkungsweise nachstehend beschrieben ist: Entsprechend den zuvor beschriebenen Wirkungsphasen nach der Entstehung des Störlichtbogens ist es wichtig und verhältnismäßig leicht, den Störlichtbogen optisch zu erkennen. Hierzu wird in jedem Schrankfeld ein Lichtwellenleiter parallel zu den Haupt- und Verteilsammelschienen verlegt sowie im Bereich der Verschienung der Einspeiseschalter als auch im Anschlussbereich der Abgangsstromkreise.

Stromwandler in den Einspeisungen erfassen den Überstrom beim Lichtbogenkurzschluss. Nur wenn beide Informationen vorhanden sind, erfolgt der Befehl aktiv den Störlichtbogen zu begrenzen. Bei mehreren Sammelschienenabschnitten, die durch Kuppelschalter voneinander getrennt sind, sind separate Auswertemodule notwendig, um eine selektive Abschaltung zu gewährleisten. Nur der betroffene Sammelschienenabschnitt soll – falls hier ein Störlichtbogen auftritt – so schnell wie möglich vom Netz getrennt werden, während die übrigen Sammelschienenabschnitte weiter in Betrieb bleiben. Nach Auswertung der analogen Sensorsignale wird beim BUS-System die Information, dass ein Störlichtbogen in der Schaltanlage aufgetreten ist, innerhalb 1 ms an ein Lichtbogenlöschgerät weitergeleitet. Dieses Gerät ist unmittelbar hinter dem Einspeiseschalter des jeweiligen Sammelschienenabschnittes leicht erreichbar angeordnet. In weniger als 1 ms erzeugt es einen 3-phasigen Kurzschluss und nimmt damit dem Störlichtbogen seine Energie. Diese ultraschnelle Zeit wird durch einen pyrotechnischen Antrieb – wie er aus dem Fahrzeug-Airbag bekannt ist – erreicht, der einen Kupferbolzen eine Isolierplatte durchschlagen lässt und damit den elektrischen Kurzschluss herstellt. Der Lichtbogen verlischt nach 2 ms, ohne dass in der Schaltanlage ein nennenswerter Schaden aufgetreten ist. Nach Beheben des Fehlers ist die Schaltanlage wieder zuschaltbereit. Parallel zu dem Löschgerät wird der einspeisende Leistungsschalter über einen Abschaltbefehl auf dem Arbeitsstromauslöser ausgeschaltet. Damit wird der betroffene Sammelschienenabschnitt nach ca. 30 ms freigeschaltet. Das Löschgerät muss danach ausgetauscht werden.
Die Lichtwellenleiter werden durch die kurze Wirkungsdauer des Störlichtbogens nicht beeinträchtigt und bleiben in Funktion. Das gesamte Erkennungssystem überprüft sich selbst und meldet, wenn ein Fehler in der Elektronik oder im BUS-System auftritt.
Die Entstehung von Störlichtbogen ist aus den dargestellten Gründen letztlich nicht zu verhindern. Die Erfüllung der erwähnten Kriterien für den Personen- und Anlagenschutz gewährleisten dem Betreiber der Schaltanlage einen Störlichtbogenschutz, der je nach definiertem Bereich dennoch zu erheblichen Schäden in einer Schaltanlage führen kann. Nur durch aktive Schutzmaßnahmen lassen sich die Auswirkungen auf ein Mindestmaß reduzieren. Das System Arcon für Niederspannungs-Schaltanlagen SAS 5000 von Hensel bietet hier ein hohes Maß an Sicherheit und Wirtschaftlichkeit.
Dipl.-Ing. Rudolf Cater
www.hensel-electric.de