Funkenflug während eines Störlichtbogens

Funkenflug während eines Störlichtbogens

| NARC Dresden, Karsten Wenzlaff
24.10.2019 Fachinformation 1902 0

Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen: Schutzmaßnamen durch Normen und Standards

Energiereiche Störlichtbögen in Schaltanlagen stellen in der elektrischen Energieversorgung den größtmöglichen Unfall dar, den es aufgrund der damit einhergehenden Gefahren für Mensch und Anlage sowie möglichen Versorgungunterbrechungen in jedem Fall zu vermeiden gilt.

Normen, Standards und technische Spezifikationen befassen sich genau mit dieser Thematik, indem sie Verfahren und Richtlinien enthalten, anhand derer Schutzmaßnahmen wirkungsvoll eingesetzt werden können.

Damit Strom jederzeit unproblematisch fließen kann, bedarf es verschiedenster Schaltanlagen, die die elektrische Energie umspannen, übertragen und verteilen. Der Einsatz solcher Schaltanlagen in der Energieversorgung reicht von Niederspannungsschaltgeräten am Wegesrand, die Strom an Haushalte weiterleiten, bis hin zu Stromrichterstationen, die dafür zuständig sind, Energie über weite Entfernungen hinweg zu übertragen; beispielsweise von im Meer liegenden Windparks zu den im Landesinneren liegenden Ballungsräumen und -zentren.

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Was ist ein Störlichtbogen und wie entsteht ein Störlichtbogen?

Wird die Spannungsfestigkeit einer Isolierstrecke soweit verringert, dass es zu einem Überschlag, Durchschlag, Entladung oder elektrisch leitendem Kanal kommt, und liegt ein ausreichend großes Potentialgefälle mit einer ausreichend großen anstehenden elektrischen Leistung vor, dann kann sich daraus ein energiereicher Störlichtbogen (eng. arc fault) entwickeln. Im Gegensatz zu einem Lichtbogen, der beim Schweißen entsteht und somit gewollt ist, tritt ein Störlichtbogen in einer Schaltanlage zwar nur sehr selten, dafür aber unerwünscht auf.

Da ein Störlichtbogen (auch als „Fehlerlichtbogen“ bezeichnet) mehrere tausend Grad Celsius heiß ist, werden Materialien verdampft und Gase ionisiert; die Materie in einem solchen Störlichtbogen liegt dann als leitendes Plasma vor.

Welche Gefahren gehen von einem Störlichtbogen aus?

Defekte elektrische Anlage
Kittiwat / stock.adobe.com

Beim Auftreten eines Störlichtbogens entwickeln sich in innerhalb weniger Millisekunden ein enormer Druck, eine Plasmasäule und Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius. Gegenstände in der Umgebung können entzündet werden. Unter allen Umständen müssen Personenschäden vermieden werden.

Die größten Gefahren für das in der Anlage arbeitende Personal durch das Auftreten von Störlichtbögen sind unter anderem:

  • giftige Gase
  • elektrischer Schlag
  • akustisches Trauma
  • schwere Verbrennungen

Störlichtbögen können somit schwerwiegende Folgen haben – von Materialschäden bis hin zu Personenschäden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, das Auftreten von Störlichtbögen zu verhindern und die Gefährdung für Mensch und Material zu minimieren. Expertinnen und Experten aus unterschiedlichsten Branchen und Bereichen bringen ihre spezifischen Kenntnisse im Umgang mit Schaltanlagen und über die potenziellen Gefahren von Störlichtbögen in die Erarbeitung von Normen und Standards bei VDE|DKE ein, um Unfälle zu vermeiden und allen beteiligten Personen den erforderlichen Schutz zu bieten.

Wie tragen Normen und Standards zum Schutz gegen Störlichtbögen bei?

In verschiedenen Gremien werden nationale und internationale Normen und Standards erarbeitet. Auf nationaler Ebene werden

  • Ausrüstungen und Geräte zum Arbeiten unter Spannung im Expertengremium DKE/K 214,
  • Niederspannungs-Schaltanlagen (Anlagen ≦ 1000 Volt AC und ≦ 1500 Volt DC) im Expertengremium DKE/UK 431.1 und
  • Hochspannungs-Schaltanlagen (Anlagen > 1000 Volt AC und > 1500 Volt DC) im Expertengremium DKE/UK 432.2 betreut.

Obwohl es elektrische Schaltanlagen bereits seit Jahrzehnten gibt, besteht weiterhin reger Bedarf, bestehende Normen zu aktualisieren und neue Normen zu erarbeiten. Die in den Expertengremien von VDE|DKE erarbeiteten Normen, Standards und technischen Spezifikationen behandeln diese Thematik, indem sie Verfahren prüfen und Richtlinien entwickeln, anhand derer Schutzmaßnahmen wirkungsvoll eingesetzt werden können.

Normen geben so beispielsweise verschiedene Klassen vor, in die sich die Schutzmaßnahmen einteilen lassen, abhängig davon, ob es sich bei den Anlagen um geschlossene oder offene Systeme handelt, ob Personen oder Anlagen geschützt werden sollen, es sich um störlichtbogengeprüfte oder -geschützte Zonen handelt, zu denen Personal Zugang hat und ob es sich dabei um einen eingeschränkten oder uneingeschränkten Zugang handelt.

Darüber hinaus unterteilt sich der Schutz von Anlagen in aktiv und passiv. Normen für den aktiven Schutz beschäftigen sich mit Systemen wie Lichtdetektoren, die erkennen, wenn ein Störlichtbogen entsteht und innerhalb von Sekundenbruchteilen das Löschen desselben initiieren. Normen für den passiven Schutz von Schaltanlagen geben hingegen vor, wie Systeme konstruiert sein müssen, um die Entstehung von Störlichtbögen zu vermeiden und zu beherrschen.

Die Gründe, warum Störlichtbögen in elektrischen Anlagen entstehen, sind vielfältig. Angefangen bei Montagemängeln und Fehlern bei Wartung und Inspektion über Isolationsfehler und schlechte Kontaktierungen bis hin zu Nagetieren, die in die Schaltanlage gelangen. Normen bieten als VDE-Bestimmungen hinsichtlich der genannten Aspekte die Rahmenbedingungen für Konstruktion, Installation und den sicheren Betrieb von elektrischen Anlagen.


Lichtbogenversuchsstand und Auslösung eines Störlichtbogens

Das National Arc fault Research Center (NARC) der Technischen Universität Dresden beschäftigt sich mit der Untersuchung von stromstarken Stör- und Schaltlichtbögen in der Niederspannung.


Die persönliche Schutzausrüstung kann Leben retten

In den Normen finden sich aber nicht nur die Rahmenbedingungen für die Verwendung elektrischer Anlagen wieder, sondern darüber hinaus auch Regeln und Leitlinien für die persönliche Schutzausrüstung (PSA). Die einzelnen Bestandteile der persönlichen Schutzausrüstung sollen neben der eigentlichen Schutzfunktion einen guten Tragekomfort bieten, also nicht zu schwer und klobig sein, damit sie gerne getragen werden und die Fachkraft beim Arbeiten nicht behindern.

Normen für die persönliche Schutzausrüstung, die vor der thermischen Gefährdung eines Störlichtbogens schützen, beschreiben die hierzu notwendigen Anforderungen an Textilien und Kleidung.

Normen geben ebenfalls an, welchen Prüfverfahren die Kleidung unterzogen werden muss, zum Beispiel der Box-Test. Prüfverfahren sind für alle Beteiligten wichtig, weil nur so sichere Aussagen darüber getroffen werden können, wie die entsprechenden Materialien beschaffen sein müssen und welchen Stressbedingungen sie ausgesetzt werden können, um Menschen effektiv zu schützen.

Arbeitsjacke mit Lichtbogeneinwirkung
Sergey Ryzhov / stock.adobe.com

Bestandteile der persönlichen Schutzausrüstung gegen die thermische Gefährdung durch Störlichtbögen sind unter anderem:

  • Schutzkleidung
  • Elektrikerschutzschirm/-visier
  • Berufs-/Schutz-/Sicherheitsschuhe/Stiefel
  • Kopfschutzausrüstung mit Schutzwirkung gegen elektrische Risiken
  • Elektrikerschutzhandschuhe, isolierende Ärmel, NH-Aufsteckgriffe (Stulpe)

Die Ergebnisse der in Normen geforderten Prüfungen geben Auskunft, ob eine persönliche Schutzausrüstung einem Lichtbogen widerstehen und einer Person ausreichenden Schutz bieten kann. Doch auch eine derartige Ausrüstung schützt nur wirkungsvoll bis zu einem bestimmten Energieniveau. Die Intensität eines Störlichtbogens und die Bedingungen, unter denen er entsteht, sind nicht eindeutig vorhersehbar und die Auswirkungen von unterschiedlichen Faktoren abhängig, beispielsweise in welchem Abstand sich eine Person zur Anlage befindet.


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Normen zur Vermeidung und zum Schutz gegen Störlichtbögen

Nachfolgend finden Sie eine Auswahl relevanter Normen:

IEC TR 61641

Enclosed low-voltage switchgear and controlgear assemblies – Guide for testing under conditions of arcing due to internal fault

Der Technical Report IEC/TR 61641 ist in Beiblatt 1 der DIN EN 61439-2 (VDE 0660-600-2) übergegangen.

DIN EN IEC 62271-20x (VDE 0671-20x)

Hochspannungs-Schaltgeräte und -Schaltanlagen

Die Normenreihe DIN EN IEC 62271 (VDE 0671) beschreibt in den Normenteilen 20x Anforderungen an Hochspannungs-Wechselstrom-Schaltanlagen und -Gerätekombinationen.

DIN EN IEC 60947-9-1 (VDE 0660-120)

Niederspannungsschaltgeräte – Aktive Systeme zur Verringerung von Lichtbogenfehlern – Teil 9-1: Lichtbogenlöschgeräte

Der Normenteil DIN EN IEC 60947-9-1 (VDE 0660-120) behandelt Niederspannungs-Lichtbogenlöschgeräte, die dazu vorgesehen sind, Lichtbogenfehler in Niederspannungs-Schaltanlagen (üblicherweise Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen in Übereinstimmung mit der internationalen Normenreihe IEC 61439) zu beseitigen.

Hinweis: Die Veröffentlichung von DIN EN IEC 60947-9-1 ist für November 2019 geplant.

DIN EN 61439 (VDE 0660-600)

Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen

Die Normenreihe DIN EN 61439 (VDE 0660-600) enthält unter anderem Regeln und Anforderungen für kennzeichnende Merkmale von Schnittstellen, Betriebsbedingungen, Konstruktion, Verhalten und Nachweis von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen.

Teil 1 enthält die allgemeinen Anforderungen, auf die von den weiteren Normenteilen für die verschiedenen Produktteile referenziert wird. Das bedeutet, der Teil 1 kann nicht allein zum Festlegen einer Schaltgerätekombination oder zum Zweck der Feststellung der Konformität verwendet werden. Es muss immer ein weiterer Produktteil der Normenreihe hinzugezogen werden, mit dem dann die Schaltgerätekombinationen, ab Teil 2 aufwärts, übereinstimmt.

Teil 2 legt die besonderen Anforderungen für Energie-Schaltgerätekombinationen fest und gilt für alle Schaltgerätekombinationen, unabhängig davon, ob sie als Einzelanfertigung konstruiert, hergestellt und überprüft oder als Serienprodukt in größeren Stückzahlen hergestellt werden

Beiblatt 1 vom Normenteil DIN EN 61439-2 (VDE 0660-600-2) verfolgt das wesentliche Ziel, unter bestimmungsgemäßen Betriebsbedingungen und unter außergewöhnlichen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise dem Auftreten von Überspannungen, Überlast- oder Kurzschlussströmen, den sicheren Betrieb von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen zu erreichen.

Beiblatt 1 enthält darüber hinaus Prüfungen, um die Fähigkeit einer Schaltgerätekombination zur Begrenzung des Risikos von Personenschäden, der Beschädigung der Schaltgerätekombinationen und ihrer Eignung für den weiteren Betrieb nach einem inneren Störlichtbogen zu bewerten.

DIN EN 61482 (VDE 0682-306)

Arbeiten unter Spannung – Schutzkleidung gegen thermische Gefahren eines Lichtbogens

Die Normenreihe DIN EN 61482 (VDE 0682-306) beschreibt unter anderem Anforderungen und Prüfverfahren für Materialien und Kleidungsstücke für Schutzkleidung gegen die thermischen Gefahren eines elektrischen Lichtbogens für elektrotechnisches Personal.

Außerdem werden Verfahren zur Prüfung von Materialien und Kleidungsstücken für hitzebeständige und flammhemmende Schutzkleidung für Personen bei Arbeiten, bei denen die Gefahr des Auftretens eines elektrischen (Stör-)Lichtbogens besteht, beschrieben.

DIN VDE 0100-420 (VDE 0100-420)

Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-42: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen thermische Auswirkungen

Der Normenteil DIN VDE 0100-420 (VDE 0100-420) ist Bestandteil der Normenreihe DIN VDE 0100 zum Schutz gegen thermische Auswirkungen in Niederspannungsanlagen. Dieser Teil enthält Maßnahmen zum Schutz von Personen, Nutztieren und Sachen

  • gegen thermische Einflüsse, Verbrennung oder Zersetzung von Materialien, sowie Brandgefahr, ausgehend von elektrischen Betriebsmitteln,
  • im Brandfall, gegen die Verbreitung von Flammen und Rauch von elektrischen Anlagen in benachbarte Brandabschnitte, und
  • gegen die Beeinträchtigung der sicheren Funktion elektrischer Einrichtungen einschließlich derer für Sicherheitszwecke.

DIN VDE 0100-530 (VDE 0100-530)

Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 530: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Schalt- und Steuergeräte

Die Norm DIN VDE 0100-530 (VDE 0100-530) gilt für die Auswahl von Betriebsmitteln zum Trennen, Schalten, Steuern und Überwachen und deren Errichtung.

Redaktioneller Hinweis:

Die im Text aufgeführten Normen können Sie beim VDE VERLAG erwerben.

Zum VDE VERLAG

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