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Lichtbogen

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

24.08.2020

Letztes Update

08.04.2022

Inhalt des Wiki-Artikels

Wie entsteht ein Lichtbogen? Die Antwort gibt es hier!

Ein Lichtbogen ist eine elektrische Entladung zwischen zwei Elektronen, die bei hoher Spannung und Stromdichte durch Ionisation entsteht. Aufgrund einer Gasentladung bildet sich ein Plasma, durch das kontinuierlich Strom fließt. Die Entladung erscheint als gleißendes, bogenförmiges Licht, daher hat der Lichtbogen seinen Namen. Das Gas im Plasma erreicht Temperaturen von 5000 bis 7300 Kelvin, bei so genannten Hochstrombögen sogar bis zu 50 000 Kelvin, das sind umgerechnet rund 49 727 °C. Lichtbögen, die bei Schalthandlungen in der elektrischen Energietechnik vorkommen, werden Schaltlichtbögen genannt, während solche, die unerwünscht auftreten, als Störlichtbögen bezeichnet werden.

Gefahren durch Schaltlichtbögen

Wird ein Last-, Erd- oder Kurzschlussstrom durch eine Schalthandlung unterbrochen, entsteht ein Lichtbogen.2 Grund dafür ist, dass der elektrische Strom nach dem Öffnen der Kontakte als bogenförmige Entladung weiterfließt, da sich die Luft, die als Isolationsmaterial fungiert, ionisiert. Diese Schaltlichtbögen bergen Gefahren, besonders beim Abschalten induktiver Lasten, wie Motoren oder Transformatoren, denn im Magnetfeld der Induktivität ist Energie gespeichert, die für einen Weiterfluss des Stroms sorgt, so dass beim Öffnen der Kontakte eine sehr hohe Spannung entsteht. Ein Schaltlichtbogen kann Störemissionen oder Kontaktverschleiß zur Folge haben. Darüber hinaus sind Lichtbögen schwer zu löschen, es besteht das Risiko, dass Gegenstände in der Umgebung durch sie entflammen und der Brand sich auf Gebäude ausweitet.

Schaltlichtbögen unterbrechen

Lediglich beim Abschalten niedriger Leistungen bei Wechselspannung, wenn geringe Ströme vorliegen, erlöscht der Schaltlichtbogen von selbst. Dies ist zum Beispiel bei Lichtschaltern, Netzschaltern und Nockenschaltern an Herden der Fall. Liegt die Spannung bei über 50 Volt und der Strom bei mehr als 1  Ampere, vor allem bei Gleichspannung, sind Maßnahmen zur Unterbrechung des Lichtbogens beziehungsweise zum Umleiten des Stromflusses erforderlich. Beispielsweise kann bei induktiven Lasten im Niederspannungsbereich bei Gleichspannung eine Freilaufdiode und bei Wechselspannung eine Boucherot-Schaltung eingesetzt werden. In Leitungsschutzschaltern werden für gewöhnlich Hornableiter zum Löschen des Schaltlichtbogens verwendet. Im Hochspannungsbereich kommen neben mit Druckluft oder Schwefelhexafluorid arbeitenden Lasttrenn- und Leistungsschaltern auch Blasmagneten und gekapselte Schaltanlagen wie Selbstblasschalter zum Einsatz, um Schaltlichtbögen zu unterbrechen.

Verletzungen durch Störlichtbögen

Tritt ein Lichtbogen zwischen zwei elektrischen Anlagenteilen ungewollt auf, so spricht man von einem Störlichtbogen oder einem Fehlerlichtbogen. Die Ursachen für das Auftreten von Störlichtbögen sind vielfältig, sie können unter anderem aufgrund von Montagefehlern, betriebsbedingten Fehlern, Überspannung oder Nagetierverbiss entstehen. Da der Lichtbogen mit einem enormen Druck und hohen Temperaturen von Tausenden Grad Celsius im Plasma einhergeht, gehen von ihm Gefahren aus. Nicht nur Materialien, auch Personen können durch Störlichtbögen zu Schaden kommen. Ein Unfall mit einem Lichtbogen kann eine schwere Verletzung oder Verbrennung zur Folge haben, ein elektrischer Schlag ist lebensgefährlich. Weitere Risiken bestehen aufgrund von giftigen Gasen, außerdem kann ein Schaltlichtbogen-Unfall ein durch eine Druckwelle verursachtes akustisches Trauma nach sich ziehen. Deshalb ist es unbedingt notwendig, Maßnahmen zu treffen, um unerwünscht auftretende Lichtbögen zu vermeiden.1

Maßnahmen gegen Störlichtbögen

Bei der Errichtung und dem Betrieb elektrischer Anlagen sind Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung von Schäden an Personen und Materialien durch Lichtbögen verpflichtend. Durch Isolierungen werden Lichtbogenzündungen ausgeschlossen, lichtbogenfeste Abdeckungen verringern die Auswirkungen von Störlichtbögen.2 Auch durch die regelmäßige Wartung und Reinigung elektrischer Anlagen wird die Gefahr verringert, dass ein Lichtbogen auftritt. Durch die Abmilderung von Kurzschlussstrom und -dauer wird die Lichtbogenenergie gesenkt, der Einsatz von Systemen zur Lichtbogenerkennung und -abschaltung mindert die Einwirkenergie.

Wer in einer elektrischen Anlage tätig ist, kann sich darüber hinaus durch das Tragen einer persönlichen Schutzausrüstung gegen die Auswirkungen von Störlichtbögen, kurz PSAgS, schützen. Zur PSAgS gehören Schutzbekleidung wie Jacke, Hose oder ein Schaltmantel, Handschutz wie ein Schalthandschuh, Kopf- und Gesichtsschutz wie ein Helm mit Schutzvisier und Sicherheitsschuhe. Vor allem bei Schalthandlungen, Abdeckarbeiten, dem Einbau von Erdungs- und Kurzschließgarnituren, Arbeiten unter Spannung und beim Messen und Prüfen sollte die persönliche Schutzausrüstung getragen werden, deren wichtigste Funktion der Schutz vor den thermischen Auswirkungen eines Lichtbogens ist. Auf internationaler Ebene gibt es zwei genormte Tests zur Bestimmung des Schutzniveaus der PSAgS, in Europa ist der sogenannte Box-Text gängig, außerdem gibt es den Open-Arc-Test. Wichtig zu wissen ist beim Kauf von Schutzkleidung, dass die Ergebnisse beider Prüfverfahren nicht miteinander vergleichbar sind.3

Praktische Anwendung von Lichtbögen

Ein Lichtbogen birgt nicht nur Gefahren, er kann auch praktisch genutzt werden. Bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts kamen Lichtbögen in der Beleuchtungstechnik zur Anwendung, nämlich in sogenannten Bogenlampen, die als älteste elektrische Lichtquellen gelten. Weiterentwicklungen sind Quecksilberhochdrucklampen und Xenon-Kurzbogenlampen, Letztere werden für starke Scheinwerfer und Kinoprojektoren genutzt. Lichtbögen kommen zudem beim Schweißen zum Einsatz, sie sind die Grundlage für das Lichtbogenschweißen. Zu diesem zählen verschiedene spezielle Schweißverfahren wie das MIG/MAG-Schweißen und das WIG-Schweißen. Weitere Einsatzgebiete für den Lichtbogen sind das Glasfaserspleißen und das Lichtbogenspritzen. Bei der Stahlherstellung werden Lichtbogenofen genutzt, dünne Metallschichten werden per Lichtbogenverdampfen erzeugt. Lichtbogentriebwerke an Satelliten sorgen dafür, dass diese Manöver durchführen können, um ihre Bahn zu halten oder zu ändern. Des Weiteren findet der Lichtbogen in der Spektralanalyse Anwendung: In ihm wird zu analysierendes Material verdampft, um die entsprechenden Spektrallinien anzuregen.4

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