Kurzschlussstrom sicher verhindern

Was ist Kurzschlussstrom und wie kommt er zustande?

In der Elektrik ist ein Kurzschluss eine widerstandslose Verbindung zweier Pole einer Spannungsquelle ohne einen dazwischenliegenden Verbraucher oder Energiewandler. Da Strom immer den Weg des geringsten Widerstands nimmt, ändert sich bei einem Kurzschluss die Energieverteilung und durch die plötzliche Verbindung fällt die Spannung zwischen diesen beiden Teilen auf einen Wert nahe null. Durch den geringen Ohmschen Widerstand kann dabei kurzzeitig ein sehr hoher Kurzschlussstrom fliessen, der meist ein Mehrfaches des normalen Betriebsstromwertes in diesem Stromkreis beträgt: Die Spannung ist durch die Spannungsquelle vorgegeben, durch das Kurzschlussereignis fällt aber der Widerstand auf einen sehr niedrigen Wert ab, weil nur noch der Innenwiderstand der Spannungsquelle vorhanden ist. Dadurch kann sich in einem kurzgeschlossenen Stromkreis kurzzeitig eine enorme Stromstärke aufbauen.

Dieser Kurzsschlussstrom kann extrem gefährliche Auswirkungen haben: Er kann Schaltanlagen vollständig zerstören, Brände verursachen und in der Nähe befindliche Personen schwer verletzen oder töten. Durch den Kurzschlussstrom können die betroffenen Leitungen sogar verdampfen. Es kann auch ein Lichtbogen entstehen, der den Strom nicht begrenzt und Temperaturen von 5.000 bis zu 15.000 Grad Celsius entwickelt.

Wie entsteht ein Kurzschlussstrom in Leitungen?

Bei einem unbeabsichtigten Kurzschluss entsteht zwischen zwei Leitern ein Kurzschlussstrom, der sofort seinen Maximalwert erreicht. Dieser Maximalwert bleibt nur für wenige Millisekunden bestehen und fällt dann auf den deutlich niedrigeren Dauerkurzschlussstrom ab. Ein Kurzschlussfall wird in der Regel durch einen Schaltfehler in einer elektrischen Anlage oder durch eine beschädigte oder mit der Zeit schadhaft gewordene Isolierung verursacht. Der maximal mögliche Kurzschlussstrom kann durch eine Messung festgestellt oder vorab berechnet werden, da er durch die Spannung und die in dieser Anlage auftretenden Widerstände beeinflusst wird. Bei der Bestimmung ist zu berücksichtigen, dass sich der Kurzschlussstrom nicht aus dem Widerstand des Verbrauchers ergibt, sondern aus der Netzimpedanz.

Was ist bei elektrischen Arbeiten zu beachten?

Um Kurzschlussströme bei Montagearbeiten zu vermeiden, müssen vor Arbeiten an elektrischen Anlagen die Aussenleiter freigeschaltet werden. Weiterhin muss gegebenenfalls noch ein beabsichtigter Kurzschluss zwischen den spannungsfreien Aussenleitern und der Erdung hergestellt werden. Das kann auch mit mobilen Anlagen wie Erdungsstange und Erdungspeitsche gewährleistet werden. In Mittelspannungsanlagen sind dafür Erdungsschalter installiert.

Was ist die Kurzschlussfestigkeit?

Die Kurzschlussfestigkeit oder SCCR (für Short Circuit Current Rating) ist ein Wert für Komponenten oder Baugruppen, etwa Transformatoren. Diese Zahl gibt den maximalen Kurzschlussstrom an, die diese Komponente oder Baugruppe ohne Schaden verkraften kann. Für Schaltanlagen muss die Kurzschlussfestigkeit vom Hersteller nachgewiesen werden. Dieser Nachweis kann durch Messungen, aber auch durch einen Vergleich mit einer geprüften Referenzkonstruktion erbracht werden.

Welche Rolle spielen Spannungsquelle und Widerstand?

Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Stromstärke der Quotient aus Spannung und Widerstand. Da die Spannung durch die Stromquelle vorgegeben ist, steigt die Stromstärke bei einem Abfall des Widerstands durch einen Kurzschluss plötzlich sehr stark an. Je höher die Spannung der Spannungsquelle, umso höher ist also auch der mögliche Kurzschlussstrom. Die Kurzschlussleistung ist das Produkt aus Kurzschlussstrom, Nennspannung und einem Verkettungsfaktor und kann mit diesen drei Werten berechnet werden. Dies ist vor allem für die Bemessung von Leistungsschaltern wichtig, da deren Ausschaltleistung über der Kurzschlussleistung liegen muss, damit sie den Stromfluss im Kurzschlussfall sicher trennen können.

Welche Schutzeinrichtungen gibt es gegen Kurzschlussstrom?

Schutzeinrichtungen können Kurzschlussströme erfassen und die betroffenen stromführenden Leiter durch Sicherungen oder Leitungsschutzschalter abschalten. Diese Schutzeinrichtungen müssen der jeweiligen Leitungsspannung angepasst sein. Bei Niederspannungsanlagen sind dazu Schutzleiter ausreichend, die alle berührbaren und dadurch potenziell stromführenden Teile (vor allem Gehäuseteile aus Metall) in einem Kurzschlussfall mit der Erde verbinden und dadurch spannungsfrei halten (Schutzerdung). Das gewährleisten sie, indem sie eine Isolation zwischen berührbaren stromführenden Teilen und der Spannung herstellen (Basisschutz). Der Schutzleiter wird ergänzt durch eine Vorrichtung zur automatischen Abschaltung im Kurzschlussfall. Bei der normalen Haushaltsspannung von 230 Volt sind dafür einfache Sicherungen ausreichend: Schmelzsicherungen brennen bei einem Kurzschluss einfach durch und müssen danach ausgetauscht werden, bei Magnetsicherungen wird ein Schalter umgelegt, der den Stromfluss sofort unterbricht. In Hochspannungsanlagen werden als Schutzeinrichtung Leistungsschalter eingebaut. Diese können nicht nur die reguläre Betriebsspannung, sondern auch hohe Kurzschlussströme sicher ausschalten, ohne dass dabei Schäden an der Anlage auftreten.

Welche gesetzlichen Grundlagen gibt es für die Kurzschlussfestigkeit in der Schweiz?

In der Schweiz sind Betriebsinhaber von Starkstromanlagen durch Artikel 17 der Starkstromverordnung StV SR 734.2 dazu verpflichtet, ihre Starkstromanlagen instand zu halten und kontrollieren zu lassen. Dabei muss auch die Kurzschlussfestigkeit überprüft werde. Für Niederspannungsanlagen ist die Niederspannungs-Installationsverordnung (NIV) ausschlaggebend.