Ursachen und Arten

Ein Kurzschluss kann folgende Ursachen haben:

• Isolationsbruch, hervorgerufen z. B. durch Alterung
• Isolationsänderungen
  • durch ständige Beanspruchung der Isolationsmaterialien durch hohes elektrisches Feld ggf. mit Teilentladungen
  • durch Überhitzung und nachfolgende Erweichung oder chemische Veränderungen der Isolation
  • durch Einfluss von Wasser (es bilden sich Kriechwege oder der Isolierstoff nimmt Wasser auf)
  • durch mechanische Beschädigungen der Isolierung (hoch beanspruchte Handgeräte, auf Baustellen)
• durch menschliches Versagen (Fehlschaltung, leitfähige Gegenstände, Werkzeuge) in elektrischen Schaltanlagen und Geräten bei Nichtbeachtung der Sicherheitsregeln.

Es wird zwischen Kurzschluss durch Berühren eines unter Spannung stehenden Körpers (Körperschluss) und Kurzschluss über einen Fehlerwiderstand (Wirkwiderstand und Blindwiderstand) unterschieden.

Beim Kurzschluss über einen Fehlerwiderstand kann ein Lichtbogen mit einer charakteristischen Lichtbogenspannung entstehen. Der Lichtbogen verhält sich stark nichtlinear, er begrenzt den Strom nicht und verursacht hohe Temperaturen (5.000 bis 15.000 °C) sowie Störspannungen. Durch seine thermische und ionisierende Wirkung können weitere Isolierbauteile Schaden nehmen.

Da der Lichtbogen bei jeder Halbwelle des Wechselstromes nach dem Nulldurchgang der Spannung bei einer höheren Spannung zündet als verlischt, verursacht er eine Phasenverschiebung des Stromes wie bei einer Phasenanschnittsteuerung.

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 in Drehstromnetzen der größte Kurzschlussstrom fließt, da die Drehspannungsquelle trotz des Kurzschlusses relativ gering belastet ist und daher bei diesem Kurzschluss noch die meisten Energiereserven zur Verfügung hat. Es treten überdies Unsymmetrien auf, die in den anderen Leitern zu Überspannungen führen können.

Die elektrischen Betriebsmittel (Aluminium-Seile, Trennschalter, Leistungsschalter, Stromwandler, auch tragende Eisenkonstruktionen sowie die Erdungsleiter) müssen daher nach dem maximal auftretenden zweipoligen Kurzschlussstrom bemessen sein. Dabei wird zwischen thermischen Erscheinungen (Wärmeerscheinungen) und dynamischem (magnetische Kraftwirkungen) Kurzschlussstrom unterschieden.

Elektrotechnische Vorschriften und Richtlinien zur Berechnung des Kurzschlussstromes für elektrische (Hochspannungs-)Schaltanlagen finden sich in der VDE-Norm 0102.

Größe des Kurzschlussstromes

Ein großer Kurzschlussstrom kann nur entstehen, wenn zwischen der Verbindung kein Wirk- oder Blindwiderstand mehr liegt. Hat der Widerstand zwischen den spannungsführenden Leitern noch einen sehr geringen Wert, dann spricht man von einem „kurzschlussähnlichen“ Vorgang.

Beispiel: Zwischen Außenleiter (z. B. L1) und Neutralleiter (N) treiben 230 V den Fehlerstrom gegen Erdpotenzial, weil der den Gegenpol darstellende Neutralleiter geerdet ist; zwischen zwei Außenleitern (etwa L1 und L2) treiben 400 V den Kurzschlussstrom, da sich durch die Phasenverschiebung um 120° ein um ${\displaystyle {\sqrt {3}}}$ höherer Effektivwert einstellt (siehe Dreiphasenwechselstrom).

Dieser Kurzschlussstrom wird während der Kurzschlussdauer ${\displaystyle t_{\text{K}}}$ unter anderem durch den Innenwiderstand ${\displaystyle R_{\text{i}}}$ der Spannungsquelle (prakt. die Sekundärwicklung des vorgeschalteten Ortsnetztransformators), durch den Lichtbogenwiderstand an der Kurzschlussstelle, den Fehlerwiderstand an der Kurzschlussstelle und die Leiterwiderstände (Wirk- und Blindwiderstand) von Hin- und Rückleiter, bestimmt bzw. begrenzt.

Der maximale zu erwartende Kurzschlussstrom hängt somit vom Innenwiderstand bzw. der Netzimpedanz des Stromnetzes sowie dessen Nennspannung ab. Der Überlastschutz (z. B. Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schmelzsicherungen) muss diesen Strom abschalten können. Der Strom liegt in Hausinstallationsnetzen typischerweise bei etwa 500 bis 3000 A.

Folgen und Gegenmaßnahmen

Durch eine fehlende Begrenzung des Kurzschlussstromes bzw. des kurzschlussähnlichen Fehlerstromes kann es zu Schäden durch Überhitzung (weitere Isolationsschäden, Brände) im Verlauf der Leitungen oder Kabel beziehungsweise der elektrischen Schaltanlagenkomponenten führen, wenn diese nicht durch dem Querschnitt der Kabel angepasste Sicherungen geschützt sind.

Im Extremfall können vom Kurzschluss betroffene Drähte schlagartig verdampfen und einen Lichtbogen auslösen. Tritt ein Lichtbogen auf, kommt es durch Strahlungshitze, durch Metallspritzer und die Druckwelle zu weiteren Gefährdungen. Moderne Mittelspannungsschaltanlagen sind mit Druckentlastungsklappen ausgerüstet, die über einen Kontakt den Einspeiseleistungsschalter ausschalten.

Zur Verhinderung der Folgen von Kurzschlüssen setzt man in Niederspannungsnetzen sogenannte Leitungsschutzschalter und Schmelzsicherungen verschiedener Charakteristiken ein. Schmelzsicherungen müssen bei Auftreten eines hohen Kurzschlussstroms „durchbrennen“ und dabei die Kurzschlussstelle schnellstens vom 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 usw.) verschieden, um die Auswirkungen des Spannungseinbruches und des Kurzschlussstromes gering zu halten.

In den Hoch- und Mittelspannungsnetzen werden Netzschutzrelais eingesetzt, die anhand von Strom- und Spannungsmessungen einen Fehlerfall und dessen Ort erkennen können und mittels eines Leistungsschalters die entsprechenden Teile des Netzes abschalten. Bei Freileitungen wird die sogenannte Automatische Wiedereinschaltung (AWE) eingesetzt, da ein kurzzeitiger „Astabfall“ nicht zu einer Abschaltung führen soll. Es werden bei einem Auslösefall der oder die Leistungsschalter nach ca. 250 ms (Kurzunterbrechung) wieder eingeschaltet; tritt der Fehler nach wie vor auf, dann schaltet der Schutzschalter endgültig in Stellung aus: AWE erfolgreich – Fehler ist weg, AWE ohne Erfolg – Fehler besteht noch. Auch Bahnstromunterwerke führen einige Sekunden nach einer Kurzschlussabschaltung oft eine oder mehrere automatische Wiedereinschaltungen durch, um bei bestimmten Fehlern (Lichtbogen durch Blitzschlag oder Vögel) einen Weiterbetrieb der entsprechenden Teilstrecke zu ermöglichen.

Die mechanische Festigkeit, z. B. von freiliegenden Sammelschienen, muss in Wechselspannungsnetzen nach der größten auftretenden Kurzschluss-Impulsstromstärke bemessen werden. Dieser kurzzeitige Stromstoß ist über den Stoßfaktor κ mit dem anfänglichen Kurzschlusswechselstrom verknüpft. Der Faktor κ liegt im Bereich von 1 bis 2 und ist von den wirksamen Wirk- und Blindwiderständen in der Kurzschlussbahn bestimmt. Die mechanischen Belastungen zeigen aufgrund der Netzfrequenz ein dynamisches Verhalten.

Besonders große Kräfte treten bei generatornahen Kurzschlüssen auf und bewirken mechanische Zerstörungen oder – im Fall ölgefüllter Transformatoren – schwer bis gar nicht löschbare Transformatorbrände. Leistungstransformatoren werden daher oft im Freien und durch entsprechende Betonwände von der Umgebung getrennt aufgestellt.

Kurzschlussfestigkeit

Transformatoren zur Umsetzung vom Niveau der Netzspannung (230 V) auf Schutzkleinspannung unter 50 V können so ausgelegt werden, dass der Magnetkern einen hinreichend großen Streufluss aufweist, um im sekundärseitigen Kurzschlussfall den primärseitigen Strom zu limitieren. Ein ähnliches Prinzip liegt bei Schweißtransformatoren vor, welche betriebsbedingt sekundärseitig kurzgeschlossen werden.

Typischer Anwendungsfall sind Klingeltransformatoren und kleine Spielzeugtransformatoren, die formal als bedingt kurzschlussfest nach VDE 0551 und EN 60742 ausgelegt werden. Der primäre Stromfluss muss zudem zur Sicherung mindestens gegen Kurzschluss in den Zuleitungen begrenzt sein. Die weitere Absicherung erfolgt meist durch eine thermische Schutzeinrichtung, die den primären Stromfluss bei Überschreiten einer Kerntemperatur bis zum Abkühlen trennt.

Kurzschluss an Ein- und Ausgängen elektronischer Geräte

Um ein elektronisches Gerät dahingehend zu prüfen, ob am Eingang eines Gerätes Störungen anliegen, ist es oft hilfreich, die Eingänge (NF-Eingänge, Antennenbuchse) „kurzzuschließen“. Das ist „Techniker-Jargon“. Korrekter ist der Ausdruck, man solle die Eingänge überbrücken, denn dabei wird kein Strom fließen, jedoch werden eingestreute Störsignale gegen Masse abgeleitet. Auf diese Weise kann man die Quelle von Störungen eingrenzen.

Dagegen ist es meistens nicht ohne Schäden möglich, einen Ausgang (z. B. Lautsprecheranschluss eines Verstärkers, Antennenanschluss eines Senders) kurzzuschließen. Solche Kurzschlüsse verursachen zwar keine Gefahr, führen jedoch in der Regel zur Überlastung und Zerstörung der Endstufen bzw. einzelner Bauteile (Transistoren usw.).

Häufig sind daher Verstärkerausgänge durch diverse Schutzschaltungen geschützt, die im Kurzschlussfall den Verstärker abschalten. Eine weitere mögliche Schutzmaßnahme stellt unter Umständen ein Ausgangsübertrager dar, der so bemessen ist, dass im Fall eines Kurzschlusses der Sekundärwicklung, an dem die Last hängt, der maximal zulässige Ausgangsstrom nicht überschritten wird.

Kurzschluss von Akkumulatoren

Akkumulatoren können je nach Typ erhebliche Kurzschlussströme liefern, die nicht nur eine Schädigung oder Zerstörung der Akkumulatoren, sondern auch Sach- und Personenschäden verursachen können.

Kfz-Starterbatterien (Bleiakkumulatoren) können beispielsweise über 1000 A liefern, dadurch kann es im Falle eines Kurzschlusses zu Kabelbränden kommen – eine häufige Brandursache bei Kfz-Unfällen. Tritt bei der Arbeit an den Polklemmen der Starterbatterie ein Kurzschluss durch ein leitendes Werkzeug oder Schmuckstück (metallenes Uhrarmband oder Ring) auf, kann dieses Verbrennungen und/oder Metallspritzer erzeugen. Daher gilt die Regel, dass die Masseverbindung (−) immer zuerst zu lösen und zuletzt anzuschließen ist.

Bei redundanten und diodenentkoppelten Batterieanlagen mit Gleichspannung von 220 V gibt es im Zweifehlerfall einen gewollten Kurzschluss: Bei einem (−)Erdschluss an der Batterie 1 und einem (+)Erdschluss an der Batterie 2, oder umgedreht, entsteht eine unzulässig hohe Spannung (durch beide Erdschlüsse verursachte Reihenschaltung beider Batterien: max. U1 + U2 = 440 V). Durch eine starre Verbindung beider (−)Pole bewirken diese beiden Fehler einen Kurzschluss über Erde und somit schaltet eine vorgeschaltete Überstromschutzeinrichtung sicher ab. Somit wird eine Überlastung durch unzulässige Spannungserhöhung am Verbraucher vermieden.

Subtransienter Anfangskurzschlusswechselstrom

Der subtransiente Anfangskurzschlusswechselstrom ${\displaystyle I_{\text{K}}''}$ ist ein Begriff aus der Elektrotechnik. Dabei handelt es sich um eine rein theoretische Größe bei der Kurzschlussstromberechnung. Sie bezeichnet den Effektivwert der Wechselstromkomponente des Kurzschlussstroms im Augenblick des Kurzschlusseintritts. Er wird nicht zur mechanischen Beurteilung von Stromwirkungen im Kurzschlussfall verwendet. Für diese Betrachtung dient der Stoßkurzschlusswechselstrom.

Stoßkurzschlussstrom

Der Stoßkurzschlussstrom ${\displaystyle I_{\text{s}}}$ ist maßgebend zur Beurteilung und Berechnung der mechanischen Festigkeit insbesondere von:

• Generatorwicklungen
• Transformatorwicklungen
• Kabel- und Leitungsstrecken
• elektrischen Schaltanlagen.

Der Stoßkurzschlussstrom ist der höchste Augenblickswert des Wechselstromes nach Kurzschlusseintritt und wird als Scheitelwert angegeben.

${\displaystyle I_{\text{s}}=\varkappa \cdot {\sqrt {2}}\cdot I_{\text{K}}''}$

mit

${\displaystyle I_{s}}$ Stoßkurzschlussstrom

${\displaystyle \varkappa }$ Faktor zwischen 1,02 und 2 in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Resistanz ${\displaystyle R}$ zur Reaktanz ${\displaystyle X}$ der Kurzschlussbahn

${\displaystyle \varkappa =1{,}02+0{,}98\cdot \exp(-3\cdot R/X)}$

${\displaystyle I_{\text{K}}''}$ Anfangskurzschlusswechselstrom

Schutzeinrichtungen wie Leistungsschalter oder Sicherungen werden nicht für den Stoßkurzschlussstrom, sondern für den thermisch wirksamen Dauerkurzschlussstrom ausgelegt.