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Ein elektrischer Kurzschluss ist eine nahezu widerstandslose Verbindung der beiden Pole einer elektrischen Spannungsquelle (oder allgemeiner zweier Schaltungspunkte mit normalerweise verschiedenem Potential), durch die eine Spannung zwischen diesen Teilen auf einen Wert nahe Null fällt. Beim Begriff kann man unterscheiden zwischen der physischen Verbindung selbst und dem Ereignis des (extremen) Stromflusses durch diese Verbindung, sobald sie oder die Spannungsquelle aktiviert werden.
Im Gegensatz zu elektrischen Verbindungen, die der Abschirmung oder Feldsteuerung dienen, kann durch eine Kurzschlussverbindung ein hoher Strom fließen, der meistens ein Mehrfaches des Betriebsstromes beträgt.
Der hohe Strom kommt durch den ihm kaum mehr entgegengesetzten ohmschen Widerstand zustande (siehe Ohmsches Gesetz).
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 bzw. Erdpotenzial hergestellt werden muss.
Hierzu gibt es mobile und stationäre Erdungs- und Kurzschließeinrichtungen zur Verwendung bei Wartungsarbeiten an Schaltanlagen und Oberleitungen. Diese werden bei abgeschalteter und nachher auf Spannungsfreiheit geprüfter Anlage angelegt, um ein gefahrloses Arbeiten zu gewährleisten, falls die Spannung 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, auch wenn eine bestimmte Entladezeit laut VDE vorgegeben ist. Es reicht nicht, einen Kondensator einmalig zu entladen, da durch die dielektrische Absorption 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.
Wenn man große Mengen hoch konzentrierter Salzlösung in ein Gewebe injiziert, wirkt diese Lösung als Kurzschluss auf die Weiterleitung von (Schmerz-)Nervenimpulsen in diesem Gewebe, so dass dies als Methode zur Lokalanästhesie – vor allem beim Zahnarzt – angewendet werden kann.
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 Anfangskurzschlussstrom. 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. Dieser sehr hohe Anfangskurzschlussstrom besteht nur einige Millisekunden und schwächt sich danach zu einem Dauerkurzschlussstrom ab. Er kann durch Überstromschutzeinrichtungen abgeschaltet werden.
Kurzschlüsse werden meistens 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.
Diese Kurzschlussströme werden durch Schutzeinrichtungen erfasst und durch Leistungsschalter bzw. durch Sicherungen ausgeschaltet.
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 hohe Temperaturen (5000 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 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 und 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 Neutralleiter (N) treiben 230 V, 50 Hz, den Fehlerstrom gegen Erdpotenzial, weil der den Gegenpol darstellenden Neutralleiter geerdet ist; zwischen zwei Außenleitern (etwa L1 und L2) 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
Durch eine fehlende Begrenzung des Kurzschluss-Stromes 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.
Tritt ein Lichtbogen auf, kommt es durch die hohe Strahlungshitze, durch Metallspritzer und die Druckwelle zu weiteren Gefährdungen. Moderne Mittelspannungsschaltanlagen sind mit Druckentlastungsklappen ausgerüstet, welche über einen Kontakt den Einspeiseleistungsschalter ausschaltet.
Zur Verhinderung der Folgen von Kurzschlüssen setzt man in Niederspannungsnetzen sogenannte 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 usw.) 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.
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 Millisekunden (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 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". Dieses ist "Techniker-Jargon". Korrekter ist hierfür der Ausdruck, man solle die Eingänge überbrücken, denn hierbei 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.
Bei redundanten und diodenentkoppelten Batterieanlagen mit Gleichspannung von 230 V gibt es einen gewollten Kurzschluss: Bedingt durch einen Erdschluss beider Batterieteile würde eine unzulässige Spannungserhöhung an den angeschlossenen Verbrauchern bis zur doppelten Batteriespannung (460 V) entstehen. Dies wird durch Verbinden beider Minuspole verhindert. Entsteht nun ein Erdschluss auf beiden Seiten, so entsteht auch ein Kurzschluss, welcher von der Überstromschutzeinrichtung sicher abgeschaltet wird. Somit wird eine Überlastung durch unzulässige Spannungserhöhung am Verbraucher vermieden.
KFZ-Starterbatterien (Bleiakkumulatoren) können über 1.000 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 Werkzeug oder Schmuckstück (metallenes Uhrarmband oder Ring) 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
Der Stoßkurzschlusswechselstrom ist maßgebend für die dynamische Festigkeit. Er dient zur Berechnung der Beanspruchung von Schienen und Stützerumbruchkräften. Er ist der höchste Augenblickswert des Stromes nach Kurzschlussstromeintritt und wird als Scheitelwert angegeben.
Für diesen Stoßkurzschlusswechselstrom muss die vorgelagerte Sicherheitseinrichtung (Sicherung oder Leistungsschalter) ausgelegt sein.
