Elektrischer Kurzschluss
Als einen elektrischen Kurzschluss bezeichnet man eine (meist ungewollte) direkte leitende Verbindung zwischen zwei aktiven elektrischen Polen (z. B. zwischen dem Pluspol und dem Minuspol einer Batterie oder zwischen den Außenleitern (L1-L2 und/oder L2-L3 und/oder L3-L1) bei Drehstromanlagen).
Kurzschlüsse werden meist durch eine schadhaft gewordene Isolation oder durch einen Schaltungsfehler in elektrischen Anlagen bzw. Stromkreisen verursacht.
Während die elektrische Spannung dabei fast gegen Null geht, erreicht der elektrische Strom seinen Maximalwert, den Kurzschlussstrom. Dieser Strom wird nur durch den Innenwiderstand Ri der Stromquelle begrenzt. Der Kurzschlussstrom beträgt daher:
- ,
wobei U die Spannung der Stromquelle, Z die Summe aller Impedanzen (Wirk- und Blindwiderstände) in der Kurzschlussstrombahn bedeutet.
Ursachen und Arten
Ein Kurzschluss kann durch Isolationsmangel (z. B. durch Isolationsbruch, hervorgerufen durch Alterung, Isolationsveränderung durch ständige Beanspruchung der Isolationsmaterialien durch hohes elektrisches Feld, Teilentladungen genannt), erfolgen. Auch durch mechanische Beschädigungen der Isolierung auf Baustellen etc. sowie durch menschliches Versagen (Schaltfehler in elektrischen Schaltanlagen durch Nichtbeachtung der Sicherheitsregeln) können Kurzschlüsse entstehen.
Es wird zwischen Kurzschluss durch metallische Berührung (satter Kurzschluss) und Kurzschluss über einen Fehlerwiderstand (Wirkwiderstand und Blindwiderstand) unterschieden.
Beim Kurzschluss über einen Fehlerwiderstand kann ein Lichtbogen mit eigener Lichtbogenspannung entstehen. Der Lichtbogen ist stark induktiv, er ist ein Blindwiderstand und verursacht große Phasenverschiebung.
In Dreiphasennetzen kann ein dreipoliger (symmetrischer), zweipoliger (zwischen je zwei von L1, L2 oder L3) oder ein einpoliger (unsymmetrischer, zwischen L1 und Erdungseinrichtungen) Kurzschluss entstehen. Der zweipolige Kurzschluss ist dabei derjenige, bei dem der größte Kurzschlussstrom fließt, einfach deswegen, weil die Drehstromquelle trotz des Kurzschlusses "noch" relativ "gering" belastet ist und daher bei diesem Kurzschluss noch die meisten Energiereserven zur Verfügung hat. Aus diesem Grund müssen die Betriebsmittel (Al-Seile, Trennschalter, Leistungsschalter, Stromwandler, sogar tragende Eisenkonstruktionen und auch ober- oder unterirdische (im Erdreich eingegrabene) Erdungsleiter aus Kupfer oder verzinktem Flachstahl ebenfalls nach dem max. auftretenden 2-pol-Kurzschlussstrom in Kiloampere thermisch (Wärmeerscheinungen) und dynamisch (auf Kraftwirkungen) bemessen sein. Elektrotechnische Vorschriften u. Richtlinien zur Berechnung des Kurzschlussstromes für Elektrische (Hochspannungs-)Schaltanlagen finden sich in der VDE Norm 0102.
Größe des Kurzschlussstromes
Ein hoher Kurzschluss kann nur entstehen, wenn zwischen der Verbindung kein Wirk- oder Blindwiderstand mehr liegt. Beträgt der Widerstand zwischen den spannungsführenden Leitern noch einen sehr geringen Wert, dann spricht man von einem "kurzschlussähnlichen" Vorgang.
Zwischen Außenleiter (z. B. L1 und N (Neutralleiter) treiben 230 V, 50 Hz, den Fehlerstrom gegen Erdpotenzial, weil der N geerdet ist, und dieser den Gegenpol darstellt, und zwischen Außenleiter und Außenleiter treiben 400 Volt~ den Kurzschlussstrom.
Dieser Kurzschlussstrom wird während der Kurzschlussdauer tk unter anderem durch den Innenwiderstand Ri der Stromquelle (prakt. die Sekundärwicklung des vorgeschalteten Ortsnetztransformators) oder auch durch den Lichtbogenwiderstand an der Kurzschlussstelle, dem Fehlerwiderstand an der Kurzschlussstelle und den Leiterwiderständen (Wirk- und Blindwiderstand) von Hin- und Rückleiter bestimmt bzw. begrenzt.
Folgen
Durch eine fehlende Begrenzung des Kurzschlussstromes bzw. des kurzschlussänlichen Fehlerstromes kann es zu Schäden durch Überhitzung im Verlauf der Leitungen oder Kabel, beziehungsweise der elektrischen Schaltanlagenkomponenten führen, wenn diese nicht durch querschnittsangepasste Sicherungen geschützt sind.
Die Sicherungen müssen bei Auftreten des hohen Kurzschlussstromes abschmelzen und dabei die Kurzschlussstelle schnellstens vom "gesunden" übrigen Versorgungsnetz trennen. Das Abschalten muss abhängig von der Anlage sehr rasch erfolgen (maximal im 1/10 Sekundenbereich), je nach Charakteristik des Anwendungsbereiches (Haushaltsinstallation, Elektronikschutz, Steuerungsschutz etc.)verschieden, um die Auswirkungen des Spannungseinbruches und des Kurzschlussstromes gering zu halten. Wenn dies nicht geschieht, ist die Möglichkeit eines Brandes nicht ausgeschlossen.
Zur Verhinderung der Folgen von Kurzschlüssen setzt man im TN-C-S-System so genannte Leitungsschutzschalter und Schmelzsicherungen verschiedener Charakteristiken ein.
Es ist auch die mechanische Festigkeit, z.B. von freiliegenden Sammelschienen, nach dem Kurzschlussstrom zu bemessen. Da aufgrund des hohen Stromes enorme gleich- oder entgegengesetztgerichtete Magnetfelder auftreten. Diese mechanischen Belastungen zeigen aufgrund der Netzfrequenz ein dynamisches Verhalten.
Kurzschluss am Eingang elektronischer Geräte?
Um ein elektronisches Gerät zu prüfen, ob am Eingang Störungen (quasi als Antenne) eingefangen werden, wird oft empfohlen, den „Eingang kurzzuschließen“. Damit meint man das Überbrücken eines passiven Einganges. Hierbei fließt kein nennenswerter Strom, jedoch werden kleinste eingestreute Funksignale doch kurzgeschlossen und zumeist auch gegen Masse abgeleitet. Jedoch gibt es dort auch keinen Kurzschlussstrom wie ihn manche erwarten würden.
Man hüte sich dagegen, einen Ausgang kurzzuschließen, wenn es nicht für eine Messung besonderer Parameter erforderlich ist. Dann könnte in dem Bauteil etwas zerstört werden.