Auf einen Blick

Störlichtbögen in Systemen hoher Leistung können extrem gefährlich sein und beträchtliche Schäden verursachen, wenn keine Kontrolle erfolgt. Die rechtzeitige Detektierung eines entstehenden Störlichtbogens entscheidet darüber, ob die Leistung unterbrochen werden kann, bevor es zu Schäden kommt. Die integrierte Lichtbogenüberwachung hat viele Vorteile. Der Bau von Systemen, die sich diese Technik zunutze machen, wurde außerdem durch die Entwicklung von Referenzdesigns vereinfacht. Diese enthalten die komplette Lösung und sorgen auf diese Weise dafür, dass die Implementierung schneller und einfacher vonstattengeht als wenn mit der Entwicklung bei null begonnen werden müsste.

Der vorliegende Artikel setzt sich mit dem Lichtbogenproblem auseinander. Er erläutert, wie sich Lichtbögen manifestieren und präsentiert eine Reihe neuartiger Lösungen, mit denen sie sich frühzeitig erkennen lassen.

Die Entstehung von Lichtbögen wurde erstmals Anfang des 19. Jahrhunderts von Sir Humphry Davy (dem die Entdeckung allgemein zugeschrieben wird) und dem russischen Experimentalphysiker Wassili Wladimirowitsch Petrow entdeckt, dessen Arbeit der Davys vorausging. Lichtbögen sind seit dieser Zeit nicht nur Gegenstand von Forschungen, sondern werden auch industriell angewandt – beispielsweise zum Schweißen, in der Werkstoffbearbeitung, in der Chemie, als Beleuchtung und für viele andere Zwecke. In Hochleistungs-Systemen kann die Lichtbogenbildung jedoch auch eine unerwünschte negative Seite haben. Lichtbögen können Leiter verdampfen lassen, Oberflächen abtragen, zur Explosion von Isolatoren führen, Brände auslösen und zu gravierenden Verletzungen führen. Ursächlich hierfür sind die im System vorhandene hohe Leistung und das Phänomen, das zur Entstehung eines Lichtbogens führt.

Lichtbögen entstehen, wenn ein Isolator (meist handelt es sich dabei um ein Gas wie zum Beispiel Luft) unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes zusammenbricht und durch Bildung eines Plasmas zu einem Stromleiter wird. Der elektrische Widerstand, den der Stromweg dem Lichtbogenstrom entgegensetzt, sorgt dabei für eine weitere Erwärmung, die wiederum mehr Gas ionisieren lässt, sodass der Widerstand sinkt und die elektrische Spannung zwischen den Enden des Lichtbogens geringer wird. Der Lichtbogen hat also einen negativen Widerstand, der die Stromstärke – lediglich begrenzt durch die Stromquelle – unkontrolliert ansteigen lässt. Unter anderem ist es dieses Phänomen, das Lichtbögen so gefährlich macht.

Wie Störlichtbögen entstehen

Das im Lichtbogen entstehende Plasma kann extrem hohe Temperaturen erreichen, die mit über 19.000 °C ausreichen, um Metall verdampfen zu lassen (Lichtbogenexplosion). Dieses Phänomen wird durch das sich schnell ausdehnende Plasma und das Metall ausgelöst und erzeugt ein breites Strahlungsspektrum, das vom fernen Infrarot bis zum Ultraviolett reicht. In der Nähe befindliche Objekte und Lebewesen werden dieser Strahlungsenergie ausgesetzt oder von der sich rasch fortpflanzenden Druckwelle getroffen, was beträchtliche Schäden oder Verletzungen verursachen kann.

Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Störlichtbögen: Parallel- und Serien-Störlichtbögen. Parallele Störlichtbögen entstehen parallel zum Verbraucher (beziehungsweise in den meisten Gleichstromsystemen zur Masse). Sie äußern sich wie ein erhöhter Laststrom und sind die gefährlichere Variante, da die Stromstärke ausschließlich von der Stromquelle begrenzt wird. Zu einem Serien-Störlichtbogen kommt es dagegen, wenn der zum Verbraucher führende Leiter bricht oder auf andere Weise unterbrochen wird (zum Beispiel durch einen Schalter). Obwohl der Strom bei dieser Art Störlichtbogen durch den Verbraucher begrenzt wird, kann von der Plasmabildung auch hier eine Gefahr ausgehen.  

Häufig wendet man Leitungsschutzschalter oder Schmelzsicherungen an, um das Entstehen katastrophaler Schäden durch solche Phänomene zu verhindern. Diese Schutzeinrichtungen sind konstruktionsbedingt langsam. Es gibt jedoch andere Methoden, mit denen sich Störlichtbögen schnell erkennen lassen, um die betreffende Anlage zum Schutz vor Schäden zügig abzuschalten. Eine Möglichkeit ist die optische Detektierung, bei der Photodioden das Strahlungsspektrum des Störlichtbogens aufnehmen. Eine weitere Methode ist die akustische Erkennung. Beide Verfahren haben nicht nur mit verschiedenen Schwierigkeiten bei der praktischen Umsetzung zu kämpfen, sondern können auch äußerst komplex und in einigen Fällen auch ineffektiv sein.

Für optische Detektierungsverfahren werden Photodioden in der Nähe von Stellen platziert, an denen potenziell Störlichtbögen entstehen können (zum Beispiel an Isolatoren). Wenn die Zahl dieser potenziellen Stellen groß ist, kann das betreffende System somit deutlich komplexer werden. Einige Hersteller optischer Lichtbogen-Detektierungssysteme verwenden Kabel, bei denen Lichtwellenleiter in die (transparente) Isolation integriert sind. So lässt sich die optische Signatur eines Lichtbogens einem Detektor zuführen, der diese Signatur verarbeiten und die Unterbrechung des Stromflusses veranlassen kann, sobald ein Lichtbogen erkannt wird.

Bei der akustischen Detektierung muss zunächst die Wellenfront der akustischen Lichtbogensignatur den Sensor erreichen. Die Wellenfront pflanzt sich jedoch nur mit der Schallgeschwindigkeit fort, die zudem vom Übertragungsmedium abhängt. Häufig kommen hier piezoelektrische, direkt an Sammelschienen angeschlossene Messwertaufnehmer zum Einsatz, um die Ultraschall-Signatur der Druckwelle aufzunehmen. Dies aber kann erhebliche Sicherheitsprobleme zur Folge haben. Außerdem kann sich die Isolation der Sensoren problematisch gestalten.

Detektierung der Hochfrequenz-Signatur von Störlichtbögen

Eine weitere Detektierungsmethode beruht auf den elektrischen Störgrößen, die beim Entstehen eines Lichtbogens in einer Leitung hervorgerufen werden. Lichtbögen erzeugen ein sehr breitbandiges Energiespektrum, das von 0 Hz bis etwa 1 MHz eine starke Zunahme aufweist (Bild 1). Allerdings weisen auch moderne Wechselrichter ungewollte, gestrahlte und leitungsgeführte Störgrößen in diesem Spektrum (50 kHz bis 100 kHz) auf, zu denen weitere künstliche und natürliche Phänomene (zum Beispiel Blitzschlag) hinzukommen. Es bedarf deshalb einer aufwändigen Signalverarbeitung, um einen systeminternen Lichtbogen von externen Phänomenen zu unterscheiden, die damit in keinem Zusammenhang stehen.

HF-Signaturen einer statischen Gleichstromlast, einmal mit zufälligen Störungen und einmal mit Störlichtbogen. Bei Vorliegen eines Störlichtbogens ist von 0 Hz bis etwa 1 MHz eine deutliche Zunahme der HF-Energie zu beobachten.

HF-Signaturen einer statischen Gleichstromlast, einmal mit zufälligen Störungen und einmal mit Störlichtbogen. Bei Vorliegen eines Störlichtbogens ist von 0 Hz bis etwa 1 MHz eine deutliche Zunahme der HF-Energie zu beobachten. Arc faults in photovoltaic systems

Bild 1 zeigt HF-Signaturen einer statischen Gleichstromlast, einmal mit zufälligen Störungen und einmal mit Störlichtbogen. Bei Vorliegen eines Störlichtbogens ist von 0 Hz bis etwa 1 MHz eine deutliche Zunahme der HF-Energie zu beobachten. (Quelle: Arc faults in photovoltaic systems, von Christian Strobl und Peter Meckler, Innovation & Technology, E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH.)

Diese Methode ist deutlich einfacher, denn sie beruht auf der Kopplung mithilfe eines Übertragers oder einer Spule in Reihe mit dem Leiter. Die durch den Lichtbogen erzeugten Störgrößen modulieren den Strom im Leiter, wodurch sich das Lichtbogenereignis überall entlang der Leitung detektieren lässt. Problematisch an diesem Verfahren ist wiederum die Tatsache, dass die Signatur mit zunehmender Entfernung immer schwächer wird, sodass die Detektierung von Störlichtbögen, die in großer Distanz vom Sensor auftreten, schwierig sein kann.

Systeme, die diese Technik nutzen, müssen Energiezunahmen in einem bestimmten Abschnitt des Frequenzspektrums registrieren und reagieren, sollte die Amplituden-Hüllkurve der eines Lichtbogens entsprechen. Dies erfordert neben Filtern auch einen großen Aufwand an Signalverarbeitung, um die falschen Signaturen von Blitzschlägen, Wechselrichtern oder anderen zufälligen Störphänomenen, wie sie in elektrischen Systemen hoher Leistung vorkommen können, zu entfernen.

Design von Systemen zur Störlichtbogen-Detektierung

Für Systemdesigner kann es schwierig sein, PV-Anlagen oder andere Gleichstromsysteme hoher Leistung mit einer Störlichtbogen-Detektierung auszustatten. Zunächst gilt es, das Detektierungssystem mithilfe eines Isolationstransformators von den Gleichstromleitungen zu isolieren. Dieser Transformator mit seiner geringen Magnetisierungs-Induktivität liefert nur ein schwaches Wechselstromsignal, das anschließend verstärkt und gefiltert werden muss, um starke Wechselstromsignale wie etwa die Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz sowie Störungen beispielsweise von Wechselrichtern oder Schaltreglern zu entfernen. Da viele Wechselrichter mit Frequenzen unter 50 kHz arbeiten, eignet sich der Bereich von 50 kHz bis 100 kHz sehr gut zur Überwachung. Oberhalb von 200 kHz dagegen wird das Signal in den Hochleistungs-Leitern schließlich nicht für die Übertragung hochfrequenter Wechselstromsignale ausgelegt sind, stark gedämpft.

Problematisch ist hierbei, dass das gewählte Frequenzband auch vom Seefunk und anderen Funkdiensten mit extrem starken Sendern genutzt wird. Angesichts der Größe vieler Hochleistungs-Gleichstromanlagen (zum Beispiel PV-Anlagen) kann es passieren, dass die Verkabelung die Signale solch starker Dauerstrichsender empfängt, wodurch die subtile Signatur eines Störlichtbogens überdeckt werden kann. Wegen der Existenz solcher Signale muss ein als Front-End dienender A/D-Wandler einen extrem großen Dynamikbereich von fast 100 dB haben. In einem System für den praktischen Einsatz ist ein 16-Bit-ADC erforderlich.

Sind die Signale einmal erfasst und korrekt digitalisiert, gilt es die Daten mithilfe verschiedener Signalverarbeitungs-Verfahren (zum Beispiel FFT) aufzubereiten, um die schwache Signatur eines Störlichtbogens von anderen Störquellen und anderen zufälligen Störbeeinflussungen zu isolieren. Dies erfordert einige Rechenleistung und eine Reihe von DSP-Funktionen, um die FFT-Berechnungen zu beschleunigen. Zum Abschluss ergeben diese Berechnungen, ob das vorgefundene Signal tatsächlich von einem entstehenden Störlichtbogen herrührt oder vielmehr von einem Sender oder einem entfernten Gewitter verursacht wurde.

Referenzdesigns als Ausgangspunkt

Im Wissen um die Komplexität, die das Design von Systemen zur Detektierung von Störlichtbögen mit sich bringt, haben Halbleiterhersteller wie Texas Instruments komplette Referenzdesigns entwickelt, die die gesamte Signalkette und Back-end-Verarbeitung enthalten und den Designprozess dadurch vereinfachen. Ein Beispiel hierfür ist das Referenzdesign RD-195 zur Detektierung von Störlichtbögen in PV-Anlagen hoher Leistung. Es umfasst neben der Leiterplatte selbst auch die Software und ein Handbuch und kann den Zeitaufwand, der für das Design eines Lichtbogendetektierungssystems dieser Art entsteht, entscheidend reduzieren.