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Der Störlichtbogenschutz sollte schon in der Planungsphase berücksichtigt werden. © Adobe Stock / peterschreiber.media

Die Ursachen für die Entstehung von Störlichtbogen sind vielfältig: Montagemängel, mangelhafte Isolierungen oder Verschmutzungen. Auch Nagetierverbisse kommen in Frage. Störlichtbogen in Niederspannungsschaltanlagen treten selten auf, doch ihre Auswirkungen sind verheerend. Menschen werden schwer verletzt. Der Strom fällt aus, Produktionen stehen über lange Zeit still – mit immensen Folgekosten für die Unternehmen. Doch es gibt effektive und wirtschaftliche Schutzmaßnahmen gegen Störlichtbogen. Vorausgesetzt, Elektroplaner und Betreiber planen die richtigen Maßnahmen zum richtigen Zeitpunkt.

Störlichtbogen: seltenes Phänomen mit großen Auswirkungen

Störlichtbögen gehen mit zahlreichen Risiken für die Gesundheit umstehender Personen und die Unversehrtheit der Anlage einher. © Siemens

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 (Abb. 3) verletzen sich Personen schwer, verlieren gar ihr Leben, 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 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 Elektroplanungsphase richtig geschützt wurde.

Mit unterschiedlichen Maßnahmen können Planer die Ausfallzeiten nach einer Störung deutlich reduzieren. © Siemens

Gleichzeitig setzen viele Industrien zunehmend auf Elektrifizierung, um Ihren CO₂-Fußabdruck zu verkleinern. Und das zu Recht. Doch klar ist: Dekarbonisierung und Elektrifizierung können nur mit Hilfe hochverfügbarer Stromversorgungssysteme gelingen. Die Beteiligten – Hersteller, Planer und Betreiber – sollten daher alles, was die Stromversorgung unterbrechen kann, ernst nehmen und gemeinsam an Lösungen arbeiten.

Schutz durch vorausschauende Elektroplanung 

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 Störlichtbogen und begrenzen deren Auswirkungen.

Die Betriebskosten sinken, die Verfügbarkeit erhöht sich

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).

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. © Siemens

Der vom Betreiber geforderte Störlichtbogenschutz einer Niederspannungsschaltanlage unterscheidet sich je nach Anwendung. Die Eigenschaften hinsichtlich Personen- und Anlagenschutz werden nach IEC TR 61641 bzw. DIN EN 61439-2 Beiblatt 1 in vier Störlichtbogen-Klassen eingeteilt. Die Kosten steigen mit den Störlichtbogen-Klassen.

Personen- und Anlagenschutz: 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.

Präventiver, konstruktiver und aktiver Schutz: Welche Maßnahmen schützen am besten gegen Störlichtbogen?

Damit einher gehen 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, Lichtbogenbarrieren und Druckentlastungsklappen;
• und aktive Maßnahmen, die einen Störlichtbogen mit Hilfe von intelligenten Sensoren, Auswerte- und Auslösegeräten noch während der Entstehung verlöschen lassen.

Aktive Störlichtbogenschutzsysteme (IAMS, internal arc-fault mitigation systems) sind die schnellste Methode, um die Lichtbogenenergie zu reduzieren und die Schaltanlage und die davor stehende Person zu schützen. Sie löschen den Störlichtbogen bei korrekter Installation und verfügbarer unterbrechungsfreier Stromversorgung, noch bevor er die Anlage beschädigt und Personen gefährdet. Intelligente Sensoren erkennen dabei die typischen Strom- und Lichtsignale. Anschließend erzeugt ein schnell schaltendes Schaltgerät (Löschgerät bzw. Kurzschließer) parallel zum Störlichtbogen einen Strompfad, sodass diesem die Energie entzogen wird und er in wenigen Millisekunden verlischt.

Vorteile des aktiven Störlichtbogenschutzes

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 als Wissens- und Erfahrungsträger 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.

Unverbindliche Beratung nutzen

Welche Schutzmaßnahmen sind nun für Sie bzw. für Ihr Projekt relevant und bezahlbar? Welche Normen müssen Sie als Elektroplaner oder Projektingenieur berücksichtigen, wenn es um Störlichtbogen geht? Und wie dokumentieren Sie das Projekt von der Planungsphase bis zur Umsetzung? Umfassende technische und konzeptionelle Unterstützung dazu finden Planer und Projektingenieure an verschiedener Stelle, beispielsweise auch bei den Experten der Siemens AG. Diese beraten unverbindlich und unterstützen bei der gesamten Planung von Energie-Schaltgerätekombinationen. Sie teilen ihr Wissen in kostenlosen Webinaren, helfen in der sensiblen Planungsphase, der Auswahl geeigneter Schutzmaßnahmen gegen Störlichtbogen, unterstützen bei der Dokumentationen und Vieles mehr (Informationen zum Webinar am Ende des Textes).

Störlichtbogenschutz rechnet sich

So selten ein Störlichtbogen auftritt, so zerstörerisch sind seine Auswirkungen, wenn das Phänomen wie eine Bombe in einer ungeschützten Niederspannungsschaltanlage einschlägt. 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.

Festzuhalten ist deswegen: Alle Maßnahmen, die der Elektroplaner bereits während des Planungsprozesses zum Störlichtbogenschutz vorsieht, rechnen sich für seinen Endkunden während des gesamten Anlagenlebens. Die Anlagenverfügbarkeit steigt. Auch Versicherungsprämien können sich für den Betreiber reduzieren. Wichtig ist zu verstehen, dass Investitionen in den Störlichtbogenschutz eine Investition in eine hochverfügbare Stromversorgung darstellen – und diese gewinnt heute im Zeitalter von Dekarbonisierung und Elektrifizierung zunehmend an Bedeutung. In allen Industrien.

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

Beratung und Webinar „Störlichtbogenschutz“

Die Siemens AG bietet am 12. Mai. 2022 ein kostenfreies Webinar zum Thema Störlichtbogenschutz an. Inhalt: Ursachen für Störlichtbogen, Brenndauer, Auswirkungen, Störlichtbogen-Klassen, Schutzmaßnahmen, wichtige Normen, Unterstützung beim Planungsprozess und der Dokumentation, Praxisbeispiele, Checklisten und mehr. Jetzt anmelden unter: www.siemens.de/stoerlichtbogen-webinar