Sowohl im Fall innerer Fehler in Schaltanlagen als auch bei Kabelfehlern existieren an der Fehlerstelle elektrische Lichtbögen, die die fehlerhaften Verbindungen zwischen den Anlageteilen unterschiedlichen Potenzials bilden.

Meistens entstehen anfänglich Lichtbögen, die einpolige Erdfehler oder zweipolige Kurzschlüsse darstellen.

Im weiteren Verlauf weiten sich diese Fehler in den Anlagen durch Wanderung der Lichtbögen und Übergreifen auf andere Anlagenteile aus.

Oft entwickeln sich im Ergebnis dreipolige Lichtbogenkurzschlüsse, bei denen alle drei Außenleiter der Anlage in unterschiedlicher und sich zeitlich auch verändernder Weise in den Kurzschluss einbezogen sind.

Wie eigene Tests im Hochleistungsprüffeld zeigen, können praktisch auch in 400-V-Netzen immer dann, wenn die prospektiven Kurzschlussströme in der Anlage über ca. 1.000 A liegen, stabile Störlichtbögen entstehen, die in Schienensystemen auch bis zur Ausschaltung der betroffenen Anlage durch den Kurzschlussschutz bestehen bleiben können.

In luftisolierten Schalt- und Verteileranlagen wandern die entstandenen Störlichtbögen in den Schienen- und Leiterkonstruktionen. In Abhängigkeit von den konstruktiven und elektrischen Gegebenheiten (Anlage und Netz) und vor allem von der Ausschaltzeit durch den Schutz sind unterschiedliche Teile des Funktionsraums, des Anlagenbereichs, der gesamten Zelle oder auch der Gesamtanlage und Umgebung zerstört, beeinträchtigt und gefährdet.

Lichtbogenkurzschlüsse sind aber auch in Kabelanlagen zu erwarten und zu berücksichtigen. Sie entstehen als interne Kabelfehler und entwickeln sich zu mehr oder weniger offenen Lichtbogenkurzschlüssen infolge des Verbrennens, Zersetzens und Schmelzens der Leiter-, Isolations- und anderen Materialien.

Wirkungen auf Mensch und Anlage

Die Störlichtbögen besitzen gravierende direkte und indirekte Wirkungen auf Mensch und Anlage. Die sehr hohe Temperatur in der Lichtbogensäule führt zu starken Wärme- und Strahlungswirkungen.

Es erfolgt eine sehr steile Druckentwicklung, besonders bei begrenzten Volumina im Inneren einer Anlage. Weiterhin bilden sich glühende Metallteile und Metallspritzer, die in die Umgebung des Lichtbogens ausgesendet werden. Der Fehlervorgang ist auch von einer starken Schallentwicklung begleitet. 

Aus diesen direkten Lichtbogenwirkungen resultieren Sekundärwirkungen wie Brandentstehung, mechanische und dynamische Anlagenzerstörungen, toxische Verbrennungsprodukte, um nur die wichtigsten dieser Wirkungen zu nennen.

Es ergeben sich beträchtliche Risiken für Personen, die sich noch deutlich erhöhen, wenn beispielsweise bei Arbeiten die Anlagen geöffnet sind und direkte Expositionen bestehen.

Neben den Personengefährdungen sind Anlagenzerstörungen und -schäden zu erwarten, deren Umfang vor allem von der Leistung und Energie anhängt, die während der Fehlerdauer in den Lichtbögen umgesetzt wird.

Durch Anlagenschäden können Versorgungsunterbrechungen und Produktionsausfälle mit u.U. beträchtlichen Folgekosten entstehen. Eine Stunde Produktionsausfall im Automobilbau kostet schätzungsweise bis zu einer Viertelmillion Euro.

90 % aller Stromunfälle im Niederspannungsbereich

Wie die Unfallstatistiken der Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse zeigen, entfallen ca. 90 % aller Stromunfälle auf den Niederspannungsbereich. Mehr als die Hälfte aller Unfälle im Niederspannungsbereich sind mit Störlichtbogenwirkungen verbunden.

Gerade bei Arbeiten in der Nähe spannungsführender Teile entstehen viele solcher Unfälle. Bei Arbeiten unter Spannung dagegen ist der Unfallanteil gering. Hier ist allerdings ein vergleichsweise hohes Gefährdungspotenzial durch die direkte Exposition gegeben, die im Fehlerfall aufgrund geöffneter Anlagenbereiche bestehen kann.

Dem Personenschutz gebührt deshalb ein besonderes Augenmerk, bei dem zwischen direkter und indirekter Lichtbogenexposition unterschieden werden muss.

Im Zusammenhang mit Arbeiten an, in oder in der Nähe elektrischer Anlagen kommt der kalorimetrischen Wirkung von Störlichtbögen und deren Beeinflussung bzw. Beherrschung durch Arbeitskleidung, Arbeitsschutzbekleidung und Arbeitsmittel sowie persönliche Schutzausrüstungen eine besondere Bedeutung für den Personenschutz zu.

Ursachen von Störlichtbögen

Bei der Entstehung von Lichtbogenkurzschlüssen in Niederspannungsanlagen dominieren die Querfehler. Längsfehler tragen nur in 5 % aller Fälle zur Störlichtbogenausbildung bei.

Im Niederspannungskreis entstehen Störlichtbögen weniger durch den Verlust der Isolierfähigkeit infolge Isolationsdurchbruchs (elektrischer Überschlag), sondern hauptsächlich durch die Überbrückung von Isolationsstrecken.

In Anlagen mit prospektiven Kurzschlussströmen von mehr als 1.000 A bilden sich dann stabile Störlichtbögen aus, die sich zum Lichtbogenkurzschluss entwickeln. In den Netzen, die mit Sternpunkterdung betrieben werden und im NS-Bereich dominieren, ist die einpolige Störlichtbogenentstehung (55 %) vorherrschend. Anderenfalls liegt eine zweipolige Einleitung vor. Typisch für Lichtbogenkurzschlüsse ist grundsätzlich der Übergang zum dreipoligen Fehler.

Die Ursachen, die zur Störlichtbogenausbildung führen, sind:

• Kontaktfehler
• gelockerte Verbindungen
• Feuchtigkeit, Fremdschichten, Verschmutzungen (Stäube, Fette, Chemikalien, Whiskerbildung)
• Alterung der Isolation, Korrosion
• Alterung der Isolation, Korrosion
• Überspannungen
• Gerätefehler und -mängel, Materialfehler
• thermische Überlastung, konstruktive Mängel
• Fremdeinwirkung, Kleintiere, Ungeziefer
• Bedienfehler
• Fehlverhalten bzw. -handlungen bei Arbeiten („Brücken“, „vergessenes Werkzeug“)
  

Es gibt sowohl personen- als auch anlagenbedingte Ursachen. Die Reihenfolge der Aufzählung spiegelt dabei keine Häufigkeit wider.

Oftmals ist auch keine einzelne primäre Ursache feststellbar; es gibt mehrere auslösende und begünstigende Faktoren. Ausschließlich überspannungsbedingte Fehler sind eher selten.

Wirkungen von Störlichtbögen

Störlichtbögen sind äußerst intensive Wärmequellen. Es bilden sich Kerntemperaturen bis zu 13.000 ºC heraus, an den Fußpunkten sogar Temperaturen bis zu 20.000 ºC. Störlichtbögen sind damit etwa viermal so heiß wie die Sonnenoberfläche.

Im begrenzten Volumen einer Schaltanlage wird die umgebende Luft explosionsartig erhitzt. Bei einem resultierenden Druckanstieg von 0,02 bis 0,03 MPa/ms erreicht der Innendruck innerhalb von 5 bis 15 ms (Kompressionsphase) seine Maximalwerte von 0,2 bis 0,3 MPa.

Das entspricht einem Druck von 20 bis 30 t/m2. Hieraus resultieren unmittelbare Risiken für dynamische oder mechanische Zerstörungen sowie Personengefährdungen durch weggeschleuderte Teile, Türen usw.

Die Druckausbreitung ist von einer intensiven Schallemission (Explosionsknall) begleitet. Gleichfalls nahezu unverzögert wird elektromagnetische Strahlung im gesamten relevanten Wellenlängenbereich von UV bis IR emittiert. Die intensive optische Erscheinung ist nur bei geschlossener Anlage ungefährlich.

In der Expansionsphase (bis ca. 20 ms nach Fehlerausbildung) beginnen heiße Gase (Plasma, Metalldampf) in Richtung der Druckausbreitung auszuströmen.

In der anschließenden Emissionsphase, die bis ca. 150 ms nach Fehlerbeginn andauert, erfolgt ein Druckanstieg innerhalb des Gebäudes bzw. Raums, der im Fall ungünstiger baulicher und Volumenverhältnisse Gebäudezerstörungen verursachen kann, was im Mittelspannungsbereich häufiger bereits zu Schäden geführt hat.

In der anschließenden thermischen Phase entstehen Wirkungen durch intensive Wärmestrahlung, -leitung und Konvektion. Entzündung und Entflammung von Materialien in der näheren und weiteren Umgebung (bis zu 3 m) resultieren (Pyrolyse). Es entsteht ein hohes Brandrisiko (7 % aller Lichtbogenfehler verursachen Brände).

Personengefährdung durch toxische Zersetzungsprodukte

Außerdem besteht Personengefährdung durch toxische Zersetzungsprodukte infolge der Wärme- bzw. Hitzewirkung auf Isolier- und andere Umgebungsmaterialien. Nicht zu unterschätzen ist in diesem Zusammenhang die Rauchentwicklung bei Bränden, die personengefährdend wirkt und als äußerst gefährlich eingeschätzt wird.

Die Metalldampfbildung im Ergebnis der Fußpunkteffekte lässt sich daran abschätzen, dass oberhalb der Verdampfungstemperatur des Fußpunktmaterials Kupfer von T = 2.300 ºC eine Massenexpansion mit dem Faktor 67.000 erfolgt.

Der heiße Metalldampf aus dem Bogen beginnt sich schnell abzukühlen. Solange er heiß ist, reagiert er mit dem Luftsauerstoff, sodass Metalloxide entstehen. Diese kühlen sich ebenfalls weiter ab, gehen aus dem gasförmigen in den festen Zustand zurück.

Die winzigen Teilchen in der Luft werden als schwarzer Rauch (bei Kupfer- und Eisenelektroden) bzw. grauer Rauch (Aluminium) sichtbar.Sie sind noch sehr heiß und haften an jeder Oberfläche, die sie berühren, und schmelzen darin ein. Hieraus vor allem resultiert die Leitfähigkeit bzw. Isolationsminderung im Anlageninneren (Kohlenstoff bzw. Ruß haben damit meistens weniger zu tun).

Wanderungsgeschwindigkeiten der Störlichtbögen von 20 bis 50 ms-1 und mehr in Schienensystemen bedingen eine Fehlerausbreitung und -ausweitung. Innerhalb von 100 ms wandert ein solcher Lichtbogenfehler folglich 2 bis 5 m.

Eine weitgehend repräsentative, vor Jahren vorgenommene Langzeitauswertung des Störgeschehens in einem Chemiewerk erbrachte die Abhängigkeit wesentlicher Lichtbogenauswirkungen von der Fehlerdauer.

Ausmaß der Wirkungen in Abhängigkeit von der Wirkzeit der Störlichtbögen

 Autor: Jörg Adamus