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Elektrischer Kurzschluss
Ein elektrischer Kurzschluss ist eine nahezu widerstandslose Verbindung der beiden Pole einer elektrischen Spannungsquelle, oder allgemeiner zweier …
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Grundbegriff und Bedeutung
Ein elektrischer Kurzschluss ist eine nahezu widerstandslose Verbindung zwischen den beiden Polen einer elektrischen Spannungsquelle oder allgemeiner zwischen zwei Schaltungspunkten, die normalerweise verschiedenes Potential haben. Durch diese Verbindung fällt die Spannung zwischen diesen Punkten auf einen Wert nahe null. Der Begriff meint sowohl die physische Verbindung selbst, auch wenn noch kein Strom fließt, als auch das Ereignis eines extremen Stromflusses, sobald die Verbindung oder die Spannungsquelle aktiv wird.
Weil der ohmsche Widerstand sehr klein ist, kann nach dem ohmschen Gesetz ein sehr hoher Strom entstehen. Dieser Kurzschlussstrom beträgt meistens ein Mehrfaches des normalen Betriebsstroms. Er ist gefährlich, weil er Leitungen, Bauteile und Schaltanlagen überhitzen, Lichtbögen auslösen und mechanische Kräfte erzeugen kann. Das physikalisch-technische Gegenteil eines Kurzschlusses ist die elektrische Unterbrechung. Bei der Unterbrechung einer Konstantstromquelle kann ohne Schutzmaßnahmen eine Überspannung entstehen, besonders wenn sich im Stromkreis eine geladene Induktivität befindet.
Beabsichtigte Kurzschlüsse
Kurzschlüsse können absichtlich hergestellt werden, vor allem aus Sicherheitsgründen. Nach den fünf Sicherheitsregeln zur Vermeidung von Stromunfällen müssen vor Arbeiten an elektrischen Anlagen nicht nur die Außenleiter freigeschaltet werden; gegebenenfalls wird anschließend auch ein Kurzschluss zwischen den spannungsfrei geschalteten Außenleitern und Erdpotential hergestellt.
Bei Wartungsarbeiten an Schaltanlagen und Oberleitungen nutzt man mobile und stationäre Erdungs- und Kurzschließeinrichtungen. Mobile Erdungseinrichtungen sind zum Beispiel Erdungsstange und Erdungspeitsche. Sie werden angebracht, nachdem eine Anlage abgeschaltet und auf Spannungsfreiheit geprüft wurde. Ohne Erdung könnten Restladungen bestehen bleiben oder Störladungen entstehen, etwa durch magnetische Induktion parallel laufender eingeschalteter Leitungen. Diese Ladungen könnten sich bei Berührung über den menschlichen Körper entladen.
Stationäre Einrichtungen sind zum Beispiel Erdungsschalter in Einspeisefeldern von Mittelspannungsschaltanlagen, oft kombiniert mit einem Lasttrennschalter. Unter bestimmten Voraussetzungen können auch abgangsseitige Erdungsschalter oder sogenannte Erdungsfestpunkte zugelassen sein.
Auch Leistungskondensatoren mit niedrigem Innenwiderstand und hohem Isolationswiderstand zwischen den Elektroden werden bei Lagerung und Transport permanent kurzgeschlossen gehandhabt. So wird sichergestellt, dass sie entladen bleiben. Eine einmalige Entladung reicht nicht aus, weil durch dielektrische Absorption später wieder Ladungen aus dem Dielektrikum auf die Elektroden wandern können und hohe Spannungen entstehen können. ESD-empfindliche elektronische Bauelemente wie MOSFETs, IGBTs und ICs werden zum Transport oft in leitfähiger Verpackung aufbewahrt oder ihre Anschlüsse werden kurzgeschlossen, um Schäden durch elektrostatische Entladungen zu vermeiden.
Unbeabsichtigte Kurzschlüsse und Stromgröße
Unbeabsichtigte Kurzschlüsse entstehen meist durch beschädigte Isolation oder durch Schaltfehler in elektrischen Anlagen und Stromkreisen. Ursachen können Isolationsbruch durch Alterung, Veränderungen des Isolierstoffs, hohe elektrische Felder mit Teilentladungen, Überhitzung, Wasser, mechanische Beschädigungen oder menschliches Versagen sein. Man unterscheidet unter anderem Kurzschluss durch Berühren eines unter Spannung stehenden Körpers, genannt Körperschluss, und Kurzschluss über einen Fehlerwiderstand, also über Wirk- und Blindwiderstand.
Bei einem Kurzschluss zwischen Batteriepolen, zwischen spannungführenden Außenleitern oder zwischen Außenleiter und Neutralleiter erreicht der Strom seinen Maximalwert, den Anfangskurzschlussstrom. Er wird nur durch den Leitungswiderstand und den in Reihe liegenden Innenwiderstand Ri der Spannungsquelle begrenzt. Der Kurzschlussstrom IK beträgt:
IK = U / Z
Dabei ist U die Spannung der Spannungsquelle und Z die Summe aller Impedanzen, also Wirk- und Blindwiderstände, in der Kurzschluss-Strombahn. Der sehr hohe Anfangskurzschlussstrom dauert nur einige Millisekunden und schwächt sich dann zu einem Dauerkurzschlussstrom ab.
Ein großer Kurzschlussstrom kann nur entstehen, wenn zwischen den verbundenen Punkten kein ausreichender Wirk- oder Blindwiderstand mehr liegt. In Hausinstallationsnetzen liegt der Kurzschlussstrom typischerweise bei etwa 500 bis 3000 A. Zwischen Außenleiter und Neutralleiter treiben 230 V den Fehlerstrom gegen Erdpotential. Zwischen zwei Außenleitern treiben 400 V den Kurzschlussstrom, weil sich durch die Phasenverschiebung um 120° ein um √3 höherer Effektivwert ergibt.
In Dreiphasennetzen unterscheidet man dreipolige symmetrische Kurzschlüsse, zweipolige Kurzschlüsse zwischen zwei Außenleitern und einpolige unsymmetrische Kurzschlüsse zwischen einem Außenleiter und Erdungseinrichtungen. Der zweipolige Kurzschluss führt in Drehstromnetzen zum größten Kurzschlussstrom. Betriebsmittel wie Aluminium-Seile, Trennschalter, Leistungsschalter, Stromwandler, tragende Eisenkonstruktionen und Erdungsleiter müssen deshalb nach dem maximal auftretenden zweipoligen Kurzschlussstrom bemessen sein.
Folgen und Schutzmaßnahmen
Wenn der Kurzschlussstrom nicht begrenzt oder abgeschaltet wird, kann er Leitungen, Kabel und Schaltanlagen durch Überhitzung beschädigen. Weitere Isolationsschäden und Brände sind möglich. Im Extremfall verdampfen betroffene Drähte schlagartig und lösen einen Lichtbogen aus. Ein Lichtbogen ist eine elektrische Entladung durch ein ionisiertes Gas; er kann sehr hohe Temperaturen verursachen. Im Artikel werden 5.000 bis 15.000 °C genannt. Gefahren entstehen durch Strahlungshitze, Metallspritzer und eine Druckwelle.
In Niederspannungsnetzen werden Leitungsschutzschalter und Schmelzsicherungen eingesetzt. Schmelzsicherungen müssen bei einem hohen Kurzschlussstrom durchbrennen und die Kurzschlussstelle schnell vom restlichen Versorgungsnetz trennen. Je nach Anlage muss das sehr rasch geschehen, maximal im Bereich von 1/10 Sekunde. Dadurch sollen Spannungseinbruch und Kurzschlussstrom möglichst geringe Auswirkungen haben.
In Hoch- und Mittelspannungsnetzen erkennen Netzschutzrelais anhand von Strom- und Spannungsmessungen einen Fehlerfall und seinen Ort. Dann schalten Leistungsschalter die betroffenen Netzteile ab. Bei Freileitungen wird häufig die Automatische Wiedereinschaltung (AWE) verwendet: Nach etwa 250 ms Kurzunterbrechung wird wieder eingeschaltet. Ist der Fehler verschwunden, war die AWE erfolgreich; besteht er weiter, schaltet der Schutzschalter endgültig aus. Auch Bahnstromunterwerke führen nach einer Kurzschlussabschaltung oft eine oder mehrere automatische Wiedereinschaltungen durch.
Mechanische Bauteile müssen zusätzlich gegen die Kräfte kurzer Stromstöße ausgelegt sein. In Wechselspannungsnetzen ist dafür die größte Kurzschluss-Impulsstromstärke wichtig. Der Stoßfaktor κ liegt im Bereich von 1 bis 2 und hängt von Wirk- und Blindwiderständen der Kurzschlussbahn ab. Besonders große Kräfte treten bei Kurzschlüssen nahe an Generatoren auf. Sie können mechanische Zerstörungen oder bei ölgefüllten Transformatoren schwer löschbare Transformatorbrände verursachen.
Kurzschlussfestigkeit und Elektronik
Kurzschlussfestigkeit bedeutet, dass ein Gerät oder Bauteil einen Kurzschluss in einem bestimmten Rahmen ohne gefährliche Folgen übersteht. Transformatoren zur Umsetzung von 230 V Netzspannung auf Schutzkleinspannung unter 50 V können so gebaut werden, dass ihr Magnetkern einen ausreichend großen Streufluss besitzt. Dadurch wird bei einem sekundärseitigen Kurzschluss der primärseitige Strom begrenzt. Ein ähnliches Prinzip nutzen Schweißtransformatoren, die betriebsbedingt sekundärseitig kurzgeschlossen werden. Typische Beispiele sind Klingeltransformatoren und kleine Spielzeugtransformatoren, die als bedingt kurzschlussfest nach VDE 0551 und EN 60742 ausgelegt werden.
Bei elektronischen Geräten ist zwischen Ein- und Ausgängen zu unterscheiden. Eingänge wie NF-Eingänge oder Antennenbuchsen werden zu Prüfzwecken manchmal „kurzgeschlossen“; genauer ist „überbrückt“, weil dabei normalerweise kein Strom fließt. Eingestreute Störsignale werden gegen Masse abgeleitet, sodass man Störquellen eingrenzen kann. Ausgänge wie Lautsprecheranschlüsse eines Verstärkers oder Antennenanschlüsse eines Senders dürfen dagegen meist nicht kurzgeschlossen werden. Solche Kurzschlüsse führen häufig zur Überlastung und Zerstörung von Endstufen oder Bauteilen wie Transistoren. Deshalb besitzen Verstärkerausgänge oft Schutzschaltungen, die im Kurzschlussfall abschalten.
Akkumulatoren können je nach Typ sehr hohe Kurzschlussströme liefern. Kfz-Starterbatterien, also Bleiakkumulatoren, können über 1000 A liefern. Bei Kurzschluss kann es zu Kabelbränden kommen; das ist eine häufige Brandursache bei Kfz-Unfällen. Leitende Werkzeuge oder Schmuckstücke wie metallene Uhrarmbänder oder Ringe können bei Arbeiten an Polklemmen Verbrennungen und Metallspritzer verursachen. Deshalb gilt die Regel, dass die Masseverbindung (−) immer zuerst gelöst und zuletzt angeschlossen wird.
Berechnungsgrößen und Normen
Für die Berechnung und Beurteilung von Kurzschlussströmen gibt es spezielle Größen. Der subtransiente Anfangskurzschlusswechselstrom IK'' ist eine theoretische Größe der Kurzschlussstromberechnung. Er bezeichnet den Effektivwert der Wechselstromkomponente des Kurzschlussstroms im Augenblick des Kurzschlusseintritts. Für die mechanische Beurteilung von Stromwirkungen wird er nicht verwendet; dafür dient der Stoßkurzschlussstrom.
Der Stoßkurzschlussstrom Is ist der höchste Augenblickswert des Wechselstroms nach Kurzschlusseintritt und wird als Scheitelwert angegeben. Er ist maßgebend für die mechanische Festigkeit von Generatorwicklungen, Transformatorwicklungen, Kabel- und Leitungsstrecken sowie elektrischen Schaltanlagen. Die Formel lautet:
Is = κ · √2 · IK''
Dabei ist κ ein Faktor zwischen 1,02 und 2, abhängig vom Verhältnis der Resistanz R zur Reaktanz X der Kurzschlussbahn. Genannt wird außerdem:
κ = 1,02 + 0,98 · exp(−3 · R/X)
Schutzeinrichtungen wie Leistungsschalter oder Sicherungen werden nicht für den Stoßkurzschlussstrom ausgelegt, sondern für den thermisch wirksamen Dauerkurzschlussstrom.
Wichtige Normen sind DIN EN 60909-0 VDE 0102:2002-07 für Kurzschlussströme in Drehstromnetzen und die Berechnung der Ströme, DIN EN 60909-3 VDE 0102-3:2010-08 für Ströme bei Doppelerdkurzschluss und Teilkurzschlussströme über Erde sowie DIN EN 60865-1 VDE 0103:1994-11 für die Berechnung der Wirkung von Kurzschlussströmen.
