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Photovoltaik: Was ist ein Lichtbogen?

Wir möchten der Frage nachgehen, was überhaupt ein Lichtbogen ist, wie dieser zustande kommt und was ein Lichtbogen anrichten kann. Denn in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage und Brandschäden kommt der Begriff „Lichtbogen“ recht häufig vor.

Was ist ein Lichtbogen?

Ein Lichtbogen ist zwischen zwei Elektroden eine sich selbst erhaltende Gasentladung. Selbsterhalten deshalb, da der Lichtbogen eine ausreichend hohe elektrische Potentialdifferenz aufweist und durch Stoßionisation die benötigte hohe Stromdichte aufrecht erhält. Eine Potentialdifferenz beschreibt nichts anderes als die Spannung und bei einer Stoßionisation werden Elektronen durch einfallende, hinreichend schnelle Elektronen aus Atomen oder Molekülen herausgeschlagen. Dadurch werden diese ionisiert. Die Gasentladung selbst bildet ein Plasma in dem Atome oder Moleküle zum Teil ionisiert sind. Das Gas wird durch freie Ladungsträger elektrisch leitfähig. Ein Lichtbogen besitzt eine Temperatur von mehreren tausend Grad Celsius.

Das ganze ergibt dann einen Lichtbogen, wie auf dem unteren Bild schön zu sehen ist.

Lichtbogen zwischen zwei Stahlnägeln - Quelle Wikipedia

Lichtbogen zwischen zwei Stahlnägeln (Quelle Wikipedia)

Wie entsteht ein Lichtbogen?

Am einfachsten kann dies anhand des Schweißens erklärt werden. Dazu werden ein metallischer Werkstoff sowie die Schweißelektrode benötigt. Der Werkstoff wird an einem Pluspol angeschlossen, die Elektrode an einen Minuspol. Der Stromkreis (Gleichstrom) ist noch offen, da keine Verbindung zwischen den beiden besteht. Berührt nun die Elektrode den metallischen Werkstoff entsteht ein Lichtbogen, da der Stromkreis geschlossen wird. Der Werkstoff kann nun verarbeitet (geschweißt) werden. Die hohen Temperaturen bringen das Metall zum schmelzen. Vergrößert man nun den Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstoff, wird der Lichtbogen zwischen den beiden größer bzw. länger, bis er, je nach Spannungshöhe, abreisst.

Was kann ein Lichtbogen anrichten?

Nehmen wir an, das Solarkabel eines Solarmoduls wurde auf Grund von Wind am Dach aufgescheuert oder durch einen Tierverbiss (Marder) beschädigt. Die Isolierung des Kabels ist dermaßen beschädigt, so dass die Adern des Kabels zu sehen sind. Da die Solaranlage tagsüber unter hoher Spannung steht, kann ein Lichtbogen dadurch entstehen, sobald das offene Kabel nur in die Nähe eines spannungsführenden Teils gelangt. Das eigentliche Problem dabei ist, dass bei einer Solaranlage zwischen Solarmodulen und Wechselrichtern Gleichstrom anliegt. Dadurch bleibt der Lichtbogen solange erhalten, bis die Spannung der Solaranlage nachlässt und der Lichtbogen abreist. Das kann mitunter einen ganzen Tag andauern. Der Dachstuhl etc. kann durch den Lichtbogen anfangen zu brennen. Aber Achtung: Wird bei der Installation der Solaranlage nicht fachgerecht gearbeitet, kann ein Lichtbogen schon alleine dadurch entstehen, sobald ein Steckverbinder nicht richtig verbunden ist.

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Brandgefahr durch Photovoltaikanlagen: Fernsehbeitrag von Plusminus vom 11.01.2012

Am 11. Januar 2012 berichtete das Magazin Plusminus (ARD) über Brandgefahren durch Photovoltaikanlagen. Erfreulicherweise sind in Deutschland schon über eine Millionen Photovoltaikanlagen installiert und in Betrieb. Der Anteil der Photovoltaik an der Stromerzeugung beträgt bislang drei Prozent. Laut Plusminus bergen Photovoltaikanlagen die Gefahr, binnen weniger Sekunden bei einem Schaden einen Brand zu verursachen. Auslöser können Marderbisse sein, die unsachgemäße Montage der Solaranlage oder aber auch eine wetterbedingte Abnutzung.

Im Fernsehbeitrag wurde ein Brandfall in der Nähe von Gütersloh erläutert, wonach die Solaranlage auf einmal in Flammen stand. Was zu erst ein kleiner Brand war, entwickelte sich zu einem Feuerball. In nur wenigen Minuten war die Solarstromanlage vollständig abgebrannt. Durch den Brand wurde auch der Dachstuhl zerstört und die darunterliegende Wohnung konnte für Wochen nicht mehr bezogen werden. Jedoch übernahm die Versicherung den Schaden.
Wie Plusminus herausfand, sind häufige Brandursachen technische Defekte an einer Solaranlage. Handelt es sich hierbei um ein unterschätztes Problem? Nein, denn schon bei der Montage kann auf einiges geachtet werden. Über 80% der heute montierten Photovoltaikanlagen entsprechen nicht den Vorschriften, die bei der Montage zu beachten sind.

Worauf sollte geachtet werden?

  • Kabel sollten vor Tierverbiss geschützt werden
  • Kabel müssen stets ordentlich verlegt und befestigt sein (auch unter den Modulen)! Somit wird verhindert, dass Isolierungen sich abrubbeln (z. B. durch Windbewegungen) oder abrutschender Schnee die Kabel beschädigt oder gar abreißt.
  • keine minderwertigen Steckverbindungen verwenden.
  • darauf achten, dass die Steckverbindungen richtig und dauerhaft verbunden sind
  • hochwertige Solarmodule, Tragkonstruktionen und Materialien verwenden
  • regelmäßige Sichtung der Photovoltaikanlage durch den Betreiber
  • regelmäßige Überprüfung der Solaranlage durch Elektro-Fachleute

Brand durch einen Lichtbogen

Wie der Beitrag weiter zeigte, werden Brände häufig durch Lichtbögen hervorgerufen. Dazu wurde im Testlabor mit einer Highspeedkamera bei der Siemens AG in Regenburg ein Test gemacht. Bei Gleichspannung floss der Strom weiter und suchte sich an der unterbrochenen Stelle (z.B. Kabelbruch) einen Weg zum anderen Pol. Der Strom springt sozusagen über und verursacht damit einen Lichtbogen. Der Lichtbogen hat eine Temperatur von etwa 5.000 Grad und kann mehrere Stunden bestehen bleiben.

Auch sei das Lichtbogenproblem in Fachkreisen schon lange bekannt. Dem Magazin lagen hierfür Studien und Vorträge aus dem Jahr 2007 vor, die dieses Problem aufzeigen. In den Studien und Vorträgen wird auch vor einer Brandgefahr durch Lichtbögen gewarnt.

Nach Angaben von Plusminus, wurde der Bundesverband Solarwirtschaft darauf angesprochen, wie man die Probleme von Lichtbogen- und Brandgefahr in den Griff bekommen will und warum bislang noch keine Lösung entwickelt wurde. Man bat um eine Stellungnahme. Leider war BSW-Solar zu einer Stellungnahme nicht bereit. Lediglich schriftlich äußerte sich der Bundesverband Solarwirtschaft: „Ihre Frage unterstellt, dass es eine erhöhte Brandgefahr gibt. Diese Auffassung teilen wir nicht.“

Sofern es irgendwie möglich ist, achten Sie darauf, dass Ihre Solarstromanlage fachgerecht und nach den anerkannten Regeln der Technik installiert wird. Schließen Sie zudem eine Photovoltaikversicherung ab und sichern Sie somit Ihre finanzielle Anschaffung. Ferner ist es anzuraten, dem Gebäudeversicherer mitzuteilen, dass eine Photovoltaikanlage auf dem Dach des versicherten Gebäudes installiert ist – auch dann, wenn eine separate Photovoltaikversicherung (Allgefahrenversicherung) besteht. Hier erhalten Sie eine entsprechende Vorlage.

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