Gleichstrom schalten: Warum der Lichtbogen nicht loslässt und was wirklich schützt

Von DerSchneider

Es gibt einen physikalischen Grund, warum das Schalten von Gleichstrom seit jeher als heikler gilt als das von Wechselstrom: den fehlenden Nulldurchgang. Im AC-Netz wird der Strom hundertmal pro Sekunde null. In diesem Moment verliert ein entstehender Lichtbogen seine Energiezufuhr, kühlt ab, und die Schaltstrecke bleibt frei. Bei Gleichstrom gibt es diesen Moment nicht. Der Lichtbogen brennt weiter, stabil und heiß, bis entweder die Spannung zusammenbricht oder die Kontakte zerstört sind. Mit dem Vordringen von Photovoltaik, Batteriespeichern und DC-Industrienetzen rückt diese alte Erkenntnis in eine neue Praxis: Die Schutzkonzepte, die im AC-Bereich jahrzehntelang verlässlich funktionierten, lassen sich nicht einfach übertragen.

Die Physik: Warum DC-Lichtbögen hartnäckig sind

Ein Lichtbogen ist ein Plasma – ein ionisiertes Gas, das durch hohe Temperatur selbst zum Leiter wird. Im Inneren der Lichtbogensäule herrschen Temperaturen von über 10.000 Kelvin . Im Wechselstromkreis erzwingt der periodische Stromnulldurchgang eine Abkühlung und Rekombination der Ladungsträger. Der Kanal bricht zusammen, die Strecke bleibt frei. Im Gleichstromkreis fehlt dieser natürliche Löschimpuls. Das Plasma wird kontinuierlich mit Energie nachgeliefert und bleibt bestehen, bis die Spannung nicht mehr ausreicht oder der Kontaktabstand zu groß geworden ist.

Die TU Dresden hat dieses Verhalten systematisch untersucht. Bei Störlichtbögen in Batteriesystemen zeigte sich: Der Ladezustand der Batterie (State of Charge, SOC) hat einen hohen Einfluss auf den Kurzschlussstrom und den Lichtbogenstrom, während der Einfluss auf die Spannung gering ist . Das ist relevant für die Auslegung von Schutzsystemen, denn es bedeutet, dass die Gefährdung nicht statisch ist, sondern vom Betriebszustand der Quelle abhängt.

Die Gefahren: Was tatsächlich droht

Thermische Gefährdung des Menschen. Die DGUV Information 203-077 enthält seit ihrer zweiten Ausgabe von September 2020 ein eigenes Berechnungsverfahren für Lichtbogenenergien in DC-Systemen. Es basiert auf einer empirischen Näherungsgleichung für die Lichtbogenspannung und einem iterativen Verfahren zur Bestimmung des Lichtbogenkurzschlussstroms . Die Gleichung lautet:

U_LB = (34 + 0,532 · d) · I_kLB^0,12

Dabei ist d der Elektrodenabstand in Millimetern und I_kLB der Lichtbogenkurzschlussstrom in Ampere . Die Dresdner Messungen am National Arc fault Research Center (NARC) zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Berechnung nach diesem Verfahren – die Abweichungen liegen überwiegend zwischen -10 und +10 Prozent . Die DGUV-Information ist also eine belastbare Grundlage für die PSA-Auswahl, jedenfalls für die untersuchten Konfigurationen.

Gleichzeitig bleibt eine Einschränkung: Die Forschung zu DC-Lichtbögen ist noch nicht abgeschlossen. Eine Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2025 stellt fest, dass es „keinen einheitlich akzeptierten Algorithmus“ für die DC-Lichtbogenberechnung gibt. NFPA 70E-2024 bietet die Maximum-Power-Methode im Anhang, und die DGUV-Information bietet das iterative Verfahren – aber eine vergleichende Bewertung zeigt, dass verschiedene Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können . Wer eine DC-Anlage auslegt, sollte daher nicht blind einer einzelnen Methode vertrauen, sondern die Sensitivität der Ergebnisse im Blick behalten.

Anlagenschutz und die offene Frage der Grenzwerte. Die Schutzkonzepte für den Anlagenfunktionsschutz in AC-Systemen basieren auf maximal zulässigen Werten für die Lichtbogenenergie. Ob diese Werte auf DC-Systeme übertragbar sind, ist eine offene Forschungsfrage. Das NARC untersucht, wie die Lichtbogenenergie auf ein zulässiges Maß begrenzt werden kann, und welche Anforderungen an die Erkennungs- und Abschaltgeschwindigkeit von Schutzsystemen daraus folgen . Eine abschließende Antwort steht aus.

Serielle und parallele Lichtbögen. Das NARC unterscheidet zwei grundlegende Fehlerarten: Serielle Störlichtbögen treten innerhalb eines Leiters auf, etwa an einer korrodierten Klemmstelle. Der Strom liegt im Bereich des Laststroms, und weder Überstromschutz noch Fehlerstromschutz erkennen den Fehler zuverlässig. Parallele Störlichtbögen entstehen zwischen verschiedenen Potentialen; der Strom erreicht Kurzschlussniveau von mindestens 1 kA, und die Abschaltung muss im Millisekundenbereich erfolgen .

Die Normen: Klare Verbote und offene Flanken

Halbleiter dürfen nicht trennen. Nach DIN VDE 0100-530 Abschnitt 537.2.2 dürfen Halbleiterbauelemente nicht als Trennstelle verwendet werden. Ausschließlich aus Halbleitern aufgebaute Schaltvorrichtungen sind nicht zum Freischalten zulässig. Eine Hybrid-Schaltvorrichtung – Halbleiter plus mechanische Trennstrecke mit ausreichenden Luft- und Kriechstrecken – kann jedoch für das Freischalten geeignet sein . Das ist der entscheidende Unterschied: Der Halbleiter unterbricht den Strom, die Mechanik stellt die galvanische Trennung her.

Steckverbinder sind keine Schalter. Im Allgemeinen dürfen Steckverbinder nicht für das betriebsmäßige Schalten verwendet werden. Nur spezielle CBC-Steckverbinder nach DIN EN 61984 sind für das Trennen unter Last vorgesehen – und für DC-Anwendungen fehlen laut der Normungs-Roadmap Gleichstrom im Niederspannungsbereich noch geeignete Prüfparameter .

DC-Gerätenormen existieren, aber AC-Zulassung bedeutet nichts. Für Leitungsschutzschalter gilt DIN EN IEC 60898-3 (VDE 0641-13) für DC-Anwendungen. Die Norm ist für Gleichstrom-Leitungsschutzschalter bis 440 V DC, 125 A und 10.000 A Schaltvermögen anwendbar . Ein AC-geprüfter Leitungsschutzschalter ist jedoch nicht automatisch für DC zugelassen. Sein magnetisches Auslöseverhalten und sein Schaltvermögen für DC sind oft nicht geprüft. Die DC-Zulassung muss beim Hersteller ausdrücklich vorliegen.

Die fünf Sicherheitsregeln gelten. Freischalten, gegen Wiedereinschalten sichern, Spannungsfreiheit feststellen, Erden und Kurzschließen, benachbarte Teile abdecken – diese Regeln nach DIN VDE 0105-100 gelten auch für DC-Anlagen. Aber ihre Anwendung setzt voraus, dass die Anlage die Möglichkeit bietet, sie einzuhalten. Eine PV-Anlage, die tagsüber nicht abschaltbar ist, entzieht sich der ersten Regel.

Die Mittel: Was tatsächlich schützt

Spezialisierte DC-Schalter. Elektromechanische DC-Leitungsschutzschalter nutzen Permanentmagnete, um den Lichtbogen von den Kontakten weg in Löschkammern zu treiben, wo er durch Bleche gekühlt und in Teilbögen zerlegt wird. Diese Geräte sind robust und unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen. Ihre DC-Zulassung muss explizit vorliegen.

Hybride Schalter. Der Halbleiter übernimmt die Stromunterbrechung und verhindert den Lichtbogen, der mechanische Kontakt stellt die galvanische Trennung sicher. Diese Kombination erfüllt die normative Anforderung an eine Trennstelle, die ein reiner Halbleiter nicht erfüllen kann .

Vollständig elektronische Leistungsschalter. Sie unterbrechen rein halbleiterbasiert in Mikrosekunden und sind für Anwendungen mit extrem schnell ansteigenden Fehlerströmen geeignet. Aber auch sie entbinden nicht von der Pflicht zur mechanischen Trennstelle für Wartungsarbeiten.

Persönliche Schutzausrüstung (PSA). Die DGUV Information 203-077 ist die zentrale Handlungsanleitung für die Bewertung der thermischen Gefährdung durch Störlichtbögen und die Auswahl der PSA. Für DC-Systeme enthält sie das iterative Berechnungsverfahren mit der Näherungsgleichung für die Lichtbogenspannung . Die Auswahl erfolgt über die Gefährdungsbeurteilung. Angesichts der noch laufenden Forschung zur Vergleichbarkeit verschiedener Berechnungsmethoden ist eine konservative Auslegung ratsam, solange keine normativ abgesicherte einheitliche Methode existiert.

Arbeitsschutz jenseits der Technik

Die fünf Sicherheitsregeln gelten selbstverständlich auch für DC. Die DGUV Regel 103-012 regelt Arbeiten unter Spannung, die DGUV Vorschrift 3 die Pflichten des Betreibers. Was fehlt, ist eine durchgängige Abbildung der DC-spezifischen Gefährdungen in diesen Regelwerken. Die Normungs-Roadmap Gleichstrom im Niederspannungsbereich des VDE/DKE benennt diese Lücke und arbeitet an einer Integration .

Bis dahin gilt: Die Gefährdungsbeurteilung muss die DC-Besonderheiten eigenständig erfassen – den fehlenden Nulldurchgang, die begrenzte Löschfähigkeit mechanischer Schalter, die offene Frage einer einheitlichen Berechnungsmethode für Lichtbogenenergien und die Tatsache, dass viele Schutzorgane für DC nicht qualifiziert sind.

Fazit

Gleichstrom ist auf dem Vormarsch, und das ist gut für die Energieeffizienz. Aber die Sicherheitsinfrastruktur hält erst Schritt für Schritt mit. Die Normen sind auf dem Weg, die Forschung arbeitet an den offenen Fragen, und die Gerätetechnik hat für viele Anwendungen tragfähige Lösungen. Was fehlt, ist ein flächendeckendes Bewusstsein dafür, dass DC nicht einfach „AC ohne Nulldurchgang“ ist.

Drei Dinge gehören in jede Planung: Erstens, prüfe die DC-Zulassung jedes Schaltgeräts und Schutzorgans – AC-Zulassung bedeutet nichts. Zweitens, verlasse dich nicht auf Halbleiter als Trennstelle; die mechanische Trennung bleibt Pflicht. Drittens, nutze die DGUV Information 203-077 für die PSA-Auswahl, aber bleibe dir bewusst, dass die Methodenvielfalt bei DC-Lichtbogenberechnungen noch keine einheitliche Antwort kennt.

Die Technikgeschichte lehrt, dass Sicherheitsstandards oft erst nach Schadensfällen nachziehen. Es wäre ein Fortschritt, wenn die DC-Sicherheit diese Lektion vorwegnähme.

Quellen

1. DGUV Information 203-077: „Thermische Gefährdung durch Störlichtbögen – Hilfestellung zur Auswahl der PSA“, Ausgabe September 2020, Anhang 3.4.4.1 (Iteratives Verfahren für DC-Systeme) .
2. M. Bruhns, P. Schegner: „Untersuchung von Störlichtbögen in Batteriesystemen“, NARC, TU Dresden, VDE AK 1 Sitzung, 01.12.2025 .
3. DIN VDE 0100-530:2018-06, Abschnitt 537.2.2 (Halbleiter nicht als Trennstelle) .
4. E DIN VDE 0100-537, Abschnitt 537.2.2; Elektropraktiker: „Die fünf Sicherheitsregeln – Ihre Anwendung sowohl in AC- als auch DC-Niederspannungs-Anlagen“, 2019 .
5. DIN EN IEC 60898-3 / VDE 0641-13:2026-09, Gleichstrom-Leitungsschutzschalter .
6. DKE: „German Standardization Roadmap Low Voltage DC“, Version 2 .
7. M. Bruhns, R. Herrmann, P. Schegner: „Forschung zu stromstarken NS-Störlichtbögen am NARC der TU Dresden“, 674. VDE Elektrotechnisches Kolloquium, 03.12.2025 .
8. Yang Peng: „Review of DC Arc Flash Calculation Methods for Photovoltaic Systems“, 电力勘测设计, 2025(2): 29-37 .