Vorausschauende Elektroplanung zum Schutz gegen Störlichtbögen
Von Anfang an einplanen
Die Ursachen für die Entstehung von Störlichtbögen sind vielfältig: Montagemängel, mangelhafte Isolierungen oder Verschmutzungen. Auch Nagetierverbisse kommen in Frage. Störlichtbögen 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 Störlichtbögen. Vorausgesetzt, Elektroplaner und Betreiber planen die richtigen Maßnahmen zum richtigen Zeitpunkt.
Bild 1 | Schutz gegen Störlichtbögen beginnt mit der richtigen Ausrüstung.
Bild 1 | Schutz gegen Störlichtbögen beginnt mit der richtigen Ausrüstung.Bild: Siemens AG

Es geschieht innerhalb von Millisekunden. Unbeabsichtigt, energiereich und gefährlich. Zwischen zwei Leitern in einer Schaltanlage kommt es zu einem Spannungsüberschlag. Durch Ionisierung der Luft und Umwandlung metallischer Materialien entsteht ein leitfähiges Plasma, dessen Temperatur bis zu 20.000°C betragen kann. Wärme und Druck entfalten ungeheure Kräfte. Je energiereicher der Lichtbogen, desto größer ist die Zerstörung. Wie eine Bombe sprengt er den ungeschützten Schaltschrank.

Seltenes Phänomen mit großen Auswirkungen

Bild 2 | Anlagen mit unzureichendem Störlichtbogenschutz müssen nach einem Störlichtbogen kosten- und zeitintensiv 
instandgesetzt werden.
Bild 2 | Anlagen mit unzureichendem Störlichtbogenschutz müssen nach einem Störlichtbogen kosten- und zeitintensiv instandgesetzt werden.Bild: Siemens AG

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 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.

Hohe Kosten und geringe Anlagenverfügbarkeit

Die beschädigten Systeme verhindern die Stromversorgung der Produktionen, wodurch diese Wochen oder Monate lang stillstehen. Nicht selten verursacht ein Fertigungsstillstand direkte und indirekte Kosten von mehr als 100.000 Euro pro Stunde. Bei einer Anlagenverfügbarkeit von 99,9 Prozent liegt die Ausfallzeit laut Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) bei bis zu neun Stunden im Jahr. Zum Vergleich: Bei der größtmöglichen Verfügbarkeit von 99,999 Prozent reduziert sich die Ausfallzeit auf weniger als sechs Minuten pro Jahr. 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.

Nur vorausschauende Elektroplanung schützt gegen Störlichtbögen

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 Störlichtbögen und begrenzen deren Auswirkungen.

Die Betriebskosten sinken, die Verfügbarkeit erhöht sich

Bild 3 | Störlichtbögen gehen mit zahlreichen Risiken für die Gesundheit umstehender Personen und die Unversehrtheit der Anlage einher.
Bild 3 | Störlichtbögen gehen mit zahlreichen Risiken für die Gesundheit umstehender Personen und die Unversehrtheit der Anlage einher. Bild: Siemens AG

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). Der vom Betreiber geforderte Störlichtbogenschutz einer Niederspannungsschaltanlage unterscheidet sich je nach Anwendung. Die Eigenschaften hinsichtlich Personen- und Anlagenschutz werden nach IEC TR61641 bzw. DIN EN61439-2 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.

Welche Maßnahmen schützen am besten gegen Störlichtbögen?

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.
Bild 4 | Die Anforderungen an die Verfügbarkeit einer Anlage lassen sich in Verfügbarkeitsklassen nach Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) und Harvard Research Group (HRG) einteilen.
Bild 4 | Die Anforderungen an die Verfügbarkeit einer Anlage lassen sich in Verfügbarkeitsklassen nach Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) und Harvard Research Group (HRG) einteilen.Bild: Siemens AG

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.

Fazit: 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.

www.siemens.de

Siemens AG

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