Was bedeutet Lichtbogenenergie und wie wird sie berechnet?

Lichtbogenenergie bezeichnet die Wärmemenge, die bei einem Lichtbogenkurzschluss in einer elektrischen Anlage freigesetzt wird. Sie wird in Joule pro Quadratzentimeter (J/cm²) oder Kalorien pro Quadratzentimeter (cal/cm²) angegeben und bestimmt maßgeblich, welche Schutzausrüstung Personen in der Nähe einer Anlage tragen müssen. Die folgenden Abschnitte erklären, wie ein Lichtbogen entsteht, nach welchen Normen die Energie berechnet wird und wie sich das Risiko gezielt reduzieren lässt.

Wie entsteht ein Lichtbogen in elektrischen Anlagen?

Ein Lichtbogen entsteht, wenn elektrischer Strom ungewollt durch die Luft zwischen zwei Leitern oder zwischen einem Leiter und Erde fließt. Das geschieht, sobald die elektrische Feldstärke hoch genug ist, um das umgebende Medium zu ionisieren. Auslöser können Isolationsfehler, Werkzeugfehler bei Wartungsarbeiten, Korrosion, Überspannungen oder schlicht menschliches Versagen sein.

Sobald der Lichtbogen gezündet hat, entwickelt er Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius, vergleichbar mit der Oberfläche der Sonne. Diese extreme Hitze erzeugt eine Druckwelle, schleudert geschmolzenes Metall in alle Richtungen und setzt intensive Lichtstrahlung frei. All diese Effekte zusammen bilden das sogenannte Arc-Flash-Ereignis, also den Lichtbogenüberschlag.

Besonders gefährlich ist, dass ein Lichtbogen in Millisekunden entsteht und sich schneller ausbreitet, als ein Mensch reagieren kann. In Mittelspannungsanlagen, Niederspannungshauptverteilungen und Schaltschränken besteht daher grundsätzlich ein Lichtbogenrisiko, sobald Arbeiten unter Spannung oder in der Nähe spannungsführender Teile durchgeführt werden. Die Lichtbogengefährdung ist deshalb kein theoretisches Risiko, sondern ein reales Sicherheitsproblem im Betrieb elektrischer Anlagen – insbesondere im Bereich der Energie- und Anlagentechnik.

Was ist Incident Energy und wie hängt sie mit der Lichtbogenenergie zusammen?

Incident Energy ist der englische Fachbegriff für die Auftreffenergie, also die Wärmemenge eines Lichtbogens, die auf eine Person oder Oberfläche in einem definierten Abstand zur Fehlerstelle auftrifft. Sie ist damit die praxisrelevante Größe der Lichtbogenenergie: Während die gesamte freigesetzte Energie im Fehlerpunkt entsteht, beschreibt die Incident Energy, wie viel davon tatsächlich auf den Körper einer Person einwirkt.

Die Incident Energy sinkt mit zunehmendem Abstand zur Fehlerstelle und wird üblicherweise auf einen Referenzabstand von 45 cm oder 60 cm bezogen. Der Zusammenhang ist nicht linear: Eine Verdopplung des Abstands reduziert die auftreffende Energie deutlich stärker, als eine einfache Halbierung erwarten lässt.

Für die Arc-Flash-Analyse sind beide Größen relevant. Die gesamte Lichtbogenenergie hängt von der Systemkonfiguration ab, die Incident Energy hingegen bestimmt, welche persönliche Schutzausrüstung (PSA) eine Person bei einem bestimmten Arbeitsabstand benötigt. Beide Begriffe werden im deutschen Sprachraum häufig synonym verwendet, obwohl sie technisch unterschiedliche Bezugsgrößen haben.

Nach welchen Normen wird die Lichtbogenenergie berechnet?

Die Lichtbogenenergie wird international nach der Norm IEEE 1584 berechnet, die zuletzt 2018 grundlegend überarbeitet wurde. Sie definiert das anerkannte Berechnungsverfahren für Arc-Flash-Analysen in Wechselstromsystemen mit Spannungen zwischen 208 V und 15 kV. Ergänzend gilt in Europa die Norm IEC 60479, die Auswirkungen elektrischer Ströme auf den menschlichen Körper beschreibt.

Im deutschen Kontext sind darüber hinaus folgende Regelwerke relevant:

DGUV Information 203-077: Die Unfallversicherungsträger geben hier konkrete Hinweise zum Schutz vor Lichtbogenüberschlägen und zur Auswahl geeigneter PSA.
DIN EN 61482-1-1 / IEC 61482-1-1: Regelt die Prüfmethoden für Schutzkleidung gegen die thermischen Auswirkungen von Lichtbögen.
NFPA 70E: US-amerikanischer Standard, der in international tätigen Unternehmen und bei Anlagen amerikanischer Hersteller häufig als Referenz verwendet wird.

Für eine vollständige Arc-Flash-Analyse in Deutschland empfiehlt sich die Anwendung von IEEE 1584 als Berechnungsgrundlage in Kombination mit den nationalen Vorschriften der DGUV und den einschlägigen VDE-Normen. Welche Norm konkret angewendet wird, hängt von der Anlagenkonfiguration, dem Betreiber und den vertraglichen Anforderungen ab.

Welche Parameter fließen in die Berechnung der Lichtbogenenergie ein?

Die Berechnung der Lichtbogenenergie nach IEEE 1584 berücksichtigt eine Reihe elektrischer und geometrischer Parameter, die gemeinsam die Intensität und Dauer des Lichtbogens bestimmen. Fehlt auch nur einer dieser Werte, ist eine belastbare Arc-Flash-Analyse nicht möglich.

Die wichtigsten Eingangsgrößen sind:

Kurzschlussstrom: Der verfügbare Kurzschlussstrom am Fehlerpunkt ist der entscheidende Ausgangswert. Je höher er ist, desto mehr Energie kann ein Lichtbogen freisetzen.
Lichtbogenstrom: Der tatsächlich im Lichtbogen fließende Strom liegt in der Regel unter dem Kurzschlussstrom und wird nach IEEE 1584 aus dem verfügbaren Kurzschlussstrom abgeleitet.
Auslösezeit der Schutzeinrichtung: Die Zeit, bis Sicherung, Leistungsschalter oder Schutzrelais den Stromkreis unterbrechen, hat den größten Einfluss auf die freigesetzte Energie. Eine kürzere Auslösezeit bedeutet deutlich weniger Incident Energy.
Systemspannung: Die Nennspannung des betroffenen Netzsegments beeinflusst den Lichtbogenstrom und damit die Energiefreisetzung.
Elektrodengeometrie und Leiterabstände: Der Abstand zwischen den Leitern im Schaltschrank oder der Schaltanlage beeinflusst die Lichtbogencharakteristik erheblich.
Gehäusetyp: Offene Anordnungen, geschlossene Schaltschränke und Kabelkanäle verhalten sich bei einem Lichtbogenereignis unterschiedlich. Das Gehäuse wirkt wie ein Reflektor und kann die auftreffende Energie erhöhen.
Arbeitsabstand: Der Abstand zwischen der Fehlerstelle und dem Körper der arbeitenden Person bestimmt, wie viel der freigesetzten Energie tatsächlich als Incident Energy ankommt.

Die Berechnung ist iterativ: Weil der Lichtbogenstrom von der Systemkonfiguration abhängt und gleichzeitig die Schutzeinrichtung beeinflusst, müssen beide Größen aufeinander abgestimmt berechnet werden. Moderne Netzberechnungssoftware wie ETAP oder DIgSILENT PowerFactory führt diese Berechnungen automatisiert durch – ein Anwendungsgebiet, das eng mit der Steuerungs- und Automatisierungstechnik verknüpft ist.

Wie wird die Schutzklasse (PPE-Kategorie) aus der Lichtbogenenergie abgeleitet?

Aus dem berechneten Incident-Energy-Wert wird direkt die erforderliche PPE-Kategorie (Personal Protective Equipment) abgeleitet. Die PPE-Kategorie gibt an, welche Schutzkleidung und Ausrüstung eine Person beim Arbeiten in der Nähe einer spannungsführenden Anlage tragen muss, um bei einem Lichtbogenereignis ausreichend geschützt zu sein.

Nach NFPA 70E und in Anlehnung an die DGUV-Empfehlungen gelten folgende Kategorien:

PPE-Kategorie 1: Bis 4 cal/cm² Incident Energy. Einfache flammhemmende Kleidung, Gesichtsschutz und Handschuhe.
PPE-Kategorie 2: Bis 8 cal/cm². Verstärkte flammhemmende Kleidung, Lichtbogenschutz-Gesichtsschutz, Helm.
PPE-Kategorie 3: Bis 25 cal/cm². Mehrstufige Schutzkleidung mit höherem ATPV-Wert (Arc Thermal Performance Value), vollständige Körperbedeckung.
PPE-Kategorie 4: Bis 40 cal/cm². Höchste Schutzklasse mit speziellen Lichtbogenschutzanzügen, verstärktem Gesichts- und Kopfschutz.

Übersteigt die berechnete Incident Energy 40 cal/cm², gilt der Bereich als nicht sicher für Arbeiten unter Spannung. In diesem Fall müssen die Anlage spannungsfrei geschaltet oder technische Maßnahmen zur Energiereduzierung ergriffen werden, bevor Arbeiten stattfinden dürfen.

Der ATPV-Wert der Schutzkleidung muss immer gleich oder höher als die berechnete Incident Energy sein. Dieser Wert gibt an, bei welcher Energiedichte die Kleidung mit 50%iger Wahrscheinlichkeit eine Verbrennung zweiten Grades verhindert.

Wie lässt sich die Lichtbogenenergie in bestehenden Anlagen reduzieren?

Die Lichtbogenenergie in einer bestehenden Anlage lässt sich durch technische Maßnahmen gezielt reduzieren, ohne die Anlage vollständig neu zu bauen. Da die freigesetzte Energie direkt von der Auslösezeit der Schutzeinrichtung und dem verfügbaren Kurzschlussstrom abhängt, setzen die wirksamsten Maßnahmen genau dort an.

Schutzeinrichtungen optimieren

Die effektivste Methode zur Reduzierung der Lichtbogenenergie ist die Verkürzung der Auslösezeit. Moderne Leistungsschalter mit elektronischen Auslösern bieten Zonen-Selektivität oder High-Speed-Auslösefunktionen, die den Stromkreis bei einem erkannten Lichtbogenereignis in wenigen Millisekunden unterbrechen. Lichtbogendifferentialschutz-Systeme (Arc Flash Detection Relays) erkennen den Lichtbogen direkt über Lichtsensoren und lösen innerhalb von 1 bis 2 Millisekunden aus, was die Incident Energy drastisch senkt.

Systemkonfiguration und Betriebsweise anpassen

Weitere wirksame Maßnahmen umfassen:

Maintenance Mode: Viele moderne Schutzrelais bieten einen Wartungsmodus, der die Auslöseschwellen temporär absenkt, wenn Arbeiten an der Anlage durchgeführt werden.
Netzstruktur anpassen: Durch das Aufteilen von Sammelschienen oder das Betreiben von Anlagen mit reduziertem Kurzschlussstrom lässt sich die verfügbare Fehlerenergie verringern.
Physische Barrieren und Remote-Bedienung: Wo immer möglich, sollten Schalthandlungen aus der Ferne oder hinter physischen Schutzwänden erfolgen, um den Arbeitsabstand zu vergrößern und damit die Incident Energy am Körper zu reduzieren.
Regelmäßige Arc-Flash-Analysen: Jede Änderung an der Anlage, am Netz oder an den Schutzeinstellungen kann die Lichtbogengefährdung verändern. Aktuelle Berechnungen sind daher Grundlage jeder sicheren Betriebsführung.

Wie KSV bei der Lichtbogenenergie-Analyse und Anlagensicherheit unterstützt

Die Lichtbogengefährdung ist ein komplexes Thema, das fundiertes Wissen über Netzschutz, Schaltanlagentechnik und normative Anforderungen erfordert. Wir bei KSV bringen genau diese Kompetenz mit: Als Spezialist für Energieverteilungssysteme und Mittelspannungsanlagen unterstützen wir Industrieunternehmen dabei, ihre Anlagen sicher, normgerecht und effizient zu betreiben. Mehr über unsere Leistungen und unsere Arbeitsweise erfahren Sie auf unserer Unternehmensseite.

Konkret helfen wir dabei:

Durchführung und Auswertung von Arc-Flash-Analysen auf Basis anerkannter Normen wie IEEE 1584
Planung und Implementierung moderner Schutzeinrichtungen zur Reduzierung der Incident Energy
Integration von Lichtbogendifferentialschutz-Systemen in bestehende Schaltanlagen
Überprüfung und Anpassung von Schutzeinstellungen bei Anlagenänderungen
Ganzheitliche Beratung zur elektrischen Sicherheit im Rahmen unseres Energiemanagement-Ansatzes, der Planung, Bau, Installation, Inbetriebnahme und Wartung aus einer Hand umfasst

Ob Neubau, Modernisierung oder Betriebsoptimierung: Wir begleiten Sie von der ersten Analyse bis zur abnahmereifen Anlage. Nehmen Sie jetzt Kontakt mit uns auf und erfahren Sie, wie wir die Sicherheit Ihrer elektrischen Anlagen konkret verbessern können.