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Elektrischer Kurzschluss
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Ein elektrischer Kurzschluss ist eine nahezu widerstandslose Verbindung leitfähiger Teile, durch die eine Spannung zwischen diesen Teilen auf einen Wert nahe Null fällt.
Im Gegensatz zu elektrischen Verbindungen, die der Abschirmung oder Feldsteuerung dienen, kann durch eine Kurzschlussverbindung ein hoher Strom fließen, der meist ein Mehrfaches des Betriebsstromes beträgt.
Zu sogenannten Kurzschlussschiebern in der HF-Technik siehe z.B. Wellenmesser oder Lecherleitung.
Inhaltsverzeichnis |
Beabsichtigte Kurzschlüsse
Die fünf Sicherheitsregeln besagen, dass vor Arbeiten an elektrischen Anlagen nicht nur die Außenleiter freigeschaltet werden müssen, sondern gegebenenfalls anschließend auch ein Kurzschluss zwischen den Außenleitern und dem Neutralleiter hergestellt werden muss.
Hierzu gibt es mobile und stationäre Erdungs- und Kurzschlusseinrichtungen zur Verwendung bei Wartungsarbeiten an Schaltanlagen und Oberleitungen. Diese werden bei abgeschalteter Anlage angelegt, um ein gefahrloses Arbeiten zu gewährleisten, falls der Strom versehentlich zugeschaltet wird.
Große Kondensatoren (Leistungskondensatoren) müssen kurzgeschlossen gehandhabt werden, um sicherzustellen, dass sie entladen sind und von ihnen bei Berühren der Anschlüsse keine Gefahr ausgeht. Es reicht nicht, einen Kondensator einmalig zu entladen, da neue Ladungen aus dem Dielektrikum auf die Elektroden wandern können.
ESD- empfindliche elektronische Bauelemente (MOSFET, IGBT, ICs) sind oft vor dem Einbau zum Transport und zur sicheren Handhabung kurzgeschlossen, um Schäden durch elektrostatische Entladungen zu vermeiden. Solche Entladungen erzeugen Spannungen von mehreren tausend Volt und würden ansonsten die Bauelemente zerstören.
Unbeabsichtigte Kurzschlüsse
Bei einem Kurzschluss zwischen den Polen einer Batterie oder Spannung führenden Außenleitern beziehungsweise einem Außen- und dem Neutralleiter einer Drehstromanlage erreicht der Strom seinen Maximalwert, den Kurzschluss-Strom. Dieser Strom wird nur durch den Widerstand der Leitung und den in Reihe liegenden Innenwiderstand Ri der Stromquelle begrenzt. Der Kurzschluss-Strom beträgt daher:
,
wobei U die Spannung der Stromquelle, Z die Summe aller Impedanzen (Wirk- und Blindwiderstände) in der Kurzschluss-Strombahn bedeutet.
Kurzschlüsse werden meist durch eine schadhaft gewordene Isolation oder durch einen Schaltungsfehler in elektrischen Anlagen bzw. Stromkreisen verursacht. Kurzschlüsse zwischen den Außenleitern L1/L2/L3 nennt man dreipolige Kurzschlüsse.
Ursachen und Arten
Ein Kurzschluss kann folgende Ursachen haben:
- Isolationsbruch, hervorgerufen z. B. durch Alterung
- Isolationsveränderungen
- 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 leitfähigen 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 große Temperaturen (5...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 verlöscht, 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 Drehstromquelle 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 2-poligen Kurzschlussstrom bemessen sein. Dabei wird zwischen thermischem Erscheinungen (Wärmeerscheinungen) und dynamischem (magnetische Kraftwirkungen) Kurzschlussstrom unterschieden.
Elektrotechnische Vorschriften u. Richtlinien zur Berechnung des Kurzschlussstromes für Elektrische (Hochspannungs-)Schaltanlagen finden sich in der VDE Norm 0102.
Größe des Kurzschlussstromes
Ein hoher 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 N (Neutralleiter) treiben 230 V, 50 Hz, den Fehlerstrom gegen Erdpotenzial, weil der N geerdet ist, und dieser den Gegenpol darstellt, und zwischen Außenleiter (L1) gegen Außenleiter (L2) und /oder (L3) treiben 400 Volt~ den Kurzschlussstrom.
Dieser Kurzschluss-Strom 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 Kurzschluss-Stelle, den Fehlerwiderstand an der Kurzschluss-Stelle 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. Überlast-Schutzschalter (Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schmelzsicherungen) müssen diesen Strom abschalten können. Er liegt in Hausinstallationsnetzen etwa bei 500 bis 3000 A.
Folgen und Gegenmaßnahmen
Tritt ein Lichtbogen auf, kommt es durch die hohe Strahlungshitze, durch Metallspritzer und die Druckwelle zu weiteren Gefährdungen. Mittelspannungs-Schaltzellen sind daher oft mit Druckentlastungsklappen ausgerüstet.
Zur Verhinderung der Folgen von Kurzschlüssen setzt man in Niederspannungsnetzen so genannte Leitungsschutzschalter und Schmelzsicherungen verschiedener Charakteristiken ein.
Schmelzsicherungen müssen bei Auftreten des hohen Kurzschluss-Stromes „durchbrennen“ und dabei die Kurzschluss-Stelle 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 Kurzschluss-Stromes 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.
Bahnstrom-Unterwerke führen einige Sekunden nach einer Kurzschluss-Abschaltung oft eine oder mehrere automatische Wiedereinschaltungen durch, um bei bestimmten Fehlern (Lichtbogen durch Blitzschlag oder Vögel) einen Weiterbetrieb der entsprechenden Teilstrecke zu ermöglichen.
Auch die mechanische Festigkeit, z. B. von freiliegenden Sammelschienen, muss nach dem Kurzschluss-Strom bemessen werden, da aufgrund des hohen Stromes enorme gleich- oder entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder und entsprechende Kräfte auftreten. Diese mechanischen Belastungen zeigen aufgrund der Netzfrequenz ein dynamisches Verhalten.
Besonders große Kräfte treten bei Kurzschluss in Transformatoren und Generatoren auf. Mechanische Zerstörungen und - im Fall ölgefüllter Transformatoren - Explosionen oder umherfliegende Teile werden oft durch Betonwände eingegrenzt.
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. Hierbei fließt kein nennenswerter Strom, jedoch werden eingestreute Störsignale kurzgeschlossen bzw. gegen Masse abgeleitet. Auf diese Weise kann man die Quelle von Störungen eingrenzen.
Dagegen ist es meist 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 über 1000 A liefern, dadurch kann es zu Kabelbränden kommen - eine häufige Brandursache bei KFZ-Unfällen.
Tritt bei der Arbeit an den Polklemmen der Starterbatterie ein Kurzschluss mit einem Werkzeug auf, kann dieses sekundenschnell glühend heiß werden und Verbrennungen oder Metallspritzer erzeugen. Daher gilt die Regel, dass die Masseverbindung (kleinere Polklemme) immer zuerst zu lösen und zuletzt anzuschließen ist.
Subtransienter Anfangskurzschlusswechselstrom
Der subtransiente Anfangskurzschlusswechselstrom IK'' ist ein Begriff aus der Elektrotechnik. Es handelt sich hierbei um eine rein theoretische Größe bei der Kurzschluss-Stromberechnung und bezeichnet den Effektivwert der Wechselstromkomponente des Kurzschluss-Stroms im Augenblick des Kurzschlusseintritts. Er wird nicht zur mechanischen Beurteilung von Stromwirkungen im Kurzschlussfall verwendet. Für diese Betrachtung dient der Stoßkurzschlusswechselstrom.
Stoßkurzschlusswechselstrom
- maßgebend für die dynamische Festigkeit
- dient zur Berechnung der Beanspruchung von Schienen und Stützerumbruchkräften
- höchster Augenblickswert des Stromes nach Kurzschlussstromeintritt
- wird als Scheitelwert angegeben
Siehe auch
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