Die Auswirkungen in elektrischen Netzwerken sicher vermeiden

Störlichtbögen wirksam zu vermeiden

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Schaltgeräte müssen so konstruiert sein, dass Schaltlichtbögen keinen Schaden anrichten können. Dabei ist allerdings klar, wo im Schaltgerät ein solcher Bogen entsteht. So lassen sich gezielt leichter Maßnahmen treffen, ihn schnell zu löschen. Im Gegensatz dazu entsteht ein Störlichtbogen an nicht vorhersehbaren Stellen in einem elektrischen Netzwerk und kann ohne Gegenmaßnahmen großen Schaden anrichten.

Peter Meckler ist Leiter Innovation & Technologie bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf

Rein physikalisch betrachtet sind Lichtbögen ein Plasma. „Ein Plasma ist ein makroskopisches Vielteilchensystem, das insgesamt elektrisch neutral ist, ein Plasma ist immer ein elektrischer Leiter.“ Um einen bestehenden Lichtbogen zum Verlöschen zu bringen, muss ihm Energie entzogen werden. Elektrisch gesehen muss dazu der vom Lichtbogen erzeugte Spannungsfall höher sein als die treibende Spannung der Quelle. Im Falle von Schaltlichtbögen funktioniert dies durch konstruktive Maßnahmen zur Löschung des Bogens wie beispielsweise eine Unterteilung des genutzten Raumes durch Löschbleche.

Wechselströme besitzen natürliche Nulldurchgänge im Rhythmus der Frequenz. Diese lassen den Bogen jedes Mal verlöschen. Bei Gleichspannungsbögen zwingt eine gezielte Erhöhung der Bogenspannung den Strom sehr schnell zu Null. Bei Störlichtbögen ist der Entstehungsort der Entladung nicht bekannt. Daher gilt es, die Entladung zunächst zu erkennen, um dann die Energiezufuhr zur Entladung zu unterbrechen.

Die Detektion

Zur Detektion von Störlichtbögen lassen sich verschiedene Plasmaeigenschaften verwenden. Elektromagnetische Strahlung ebenso wie Druckanstieg, Schallwellen, Magnetfeld und thermische Auswirkungen. In der Praxis finden vor allem optische und elektrische Verfahren Anwendung. Bei letzteren nutzt man die Beeinflussung von Strom- und/oder Spannungssignalen durch Störlichtbögen. Die Signale werden im Zeit- und im Frequenzbereich auf charakteristische Abweichungen zum normalen Systemzustand hin untersucht.

Störlichtbögen können in Flugzeug-Bordnetzen zu Bränden führen, weil das am häufigsten verwendete Isolationsmaterial für die Kabel Polyimid (Kapton) unter Lichtbogeneinwirkung zu „Tracking“ neigt. Bereits seit den 80er Jahren ist diese Tatsache bekannt. Mittlerweile verhindern Ersatzmaterialien das „Tracking“. Ein Brandrisiko bleibt dennoch bestehen. AFCB (Arc Fault Circuit Breaker) können den Störlichtbogen detektieren und den fehlerhaften Zweig abschalten. Der Schaden an der Leitung muss danach repariert werden. Die Entwicklung der AFCBs zielte vor allem auf den Ersatz in bestehenden Installationen ab („Retrofit“). Sie begann gezielt Ende der 90er Jahre (forciert durch Abstürze wie TWA 800 und Swiss Air 111) und zog sich über zehn Jahre hin. Es gibt serienreife Geräte, verbaut werden sie jedoch lediglich in geringen Stückzahlen.

Das aufgebaute Know-how stieß mittlerweile in mehreren Bereichen auf fruchtbaren Boden. Gerade auch bei den „erneuerbaren Energien“ (Photovoltaik, Elektromobilität), da hier mit höheren Gleichspannungen gearbeitet wird, die einen Störlichtbogenschutz wieder sinnvoll erscheinen lassen.

Störlichtbogen und Pkw

Störlichtbögen zeigen ein stabiles Brennverhalten nur für eine Spannung größer 12 V. Daher ist ein Störlichtbogen im normalen Pkw-Netz kein Thema. Störfälle sind bisher nur bei Nutzfahrzeugen im 24 V-Netz dokumentiert. Es handelt sich dabei fast ausschließlich um Unfälle mit Reisebussen. Das geplante neue 2-Spannungs-Bordnetz mit einer 12 V- und einer 48 V-Seite gibt jedoch den Untersuchungen, die vor etwa zehn Jahren für das 42 V-Bordnetz durchgeführt wurden, neue Aktualität.

Für hybride Fahrzeuge und solche mit reinem Elektroantrieb werden Hochvoltbordnetze mit Spannungen von 400 bis 800 VDC eingesetzt. Für diese Spannungen sind sowohl ein Störlichtbogenschutz als auch ein Schutz gegen direkte Berührung notwendig. Für eine Störlichtbogendetektion in HVDC-Bordnetzen für Elektro- und Hybridfahrzeuge gibt es verschiedene Ansätze, jedoch noch kein marktreifes Produkt.

Solarzellen und Störlichtbogen

Solarzellen werden für kommerzielle Anwendungen zu Modulen zusammengesetzt. Typische Modulspannungen sind 50 V. Zur Erzeugung höherer Leistungen werden mehrere Module elektrisch in Reihe geschaltet. Diese sogenannten PV-Stränge („Strings“) liefern Gleichspannungen von 300 bis zu 1400 V. In noch leistungsstärkeren Anlagen werden mehrere dieser Stränge parallel geschaltet. Die Summe all dieser Strings wird als PV-Generator bezeichnet.

Durch die hohen Gleichspannungen können bei Fehlern in der Anlage Störlichtbögen entstehen. Diese sind nur schwer zum Verlöschen zu bringen, da die Energiequelle einen konstanten Strom einspeist, solange die Last- impedanz einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Daher ist eine Detektion von Störlichtbögen nötig, die es erlaubt, die betroffenen Anlagenteile freizuschalten oder kurzzuschließen.

In den USA sind in der Installa- tionstechnik so genannte AFCIs (Arc Fault Circuit Interruptor) in der UL 1699 und im NEC (National Electrical Code) vorgeschrieben und von verschiedenen Herstellern am Markt erhältlich. Durch die bevorzugte Holzbauweise der Häuser und die damit einhergehende Brandgefahr bei Störlichtbögen hat sich diese Technologie unterstützt von Versicherern, Herstellern und Zulassungsstellen (UL) durchgesetzt. Auch in Europa gibt es Bestrebungen AFCI vorzuschreiben.

In industriellen Niederspannungsanlagen ist Störlichtbogenerkennung und -abschaltung zum Schutz des Wartungspersonals vor den tödlichen Folgen eines hochenergetischen Plasmas nötig. Dieses Plasma entsteht bei Kurzschlussströmen von mehreren zig Kiloampere. Da die Anlagen räumlich eng begrenzt sind, werden hier vor allem optische Verfahren eingesetzt. In Hochspannungsschaltern werden sowohl die Lichtwirkung als auch der Druckanstieg dazu verwendet, nicht betriebsgemäße Überschläge zwischen Geräteteilen zu detektieren.

Regenerative Energien

Die Detektion von Störlichtbögen ist eine technisch sehr anspruchsvolle Aufgabe, die je nach Anwendung unterschiedlichsten Anforderungen genügen muss. Die Schwierigkeit liegt dabei weniger in der Erkennung eines Störlichtbogensignals, als in der Unterscheidung der Signale unter normalen Lastbedingungen. Es gibt inzwischen für alle elektrischen Verteil- und Erzeugungsnetze Lösungen zur Störlichtbogen-Detektion, die unterschiedlichste Technologien verwenden. Es existiert ein umfangreicher Stand der Technik, der sich stetig weiterentwickelt. Neue Anwendungsgebiete sind die Bereiche regenerativer Energien und Elektromobilität, da hier mit höheren Gleichspannungen bis 1500 VDC gearbeitet wird und Störlichtbögen nicht ohne weiteres von selbst verlöschen.

www.E-T-A.de

Ein Video zum Thema:

http://hier.pro/PvdXV


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