Kurzschluss (Strom)

Als einen elektrischen Kurzschluss bezeichnet man eine (meist ungewollte) direkte leitende Verbindung zwischen zwei aktiven elektrischen Polen mit niedrigem elektrischen Widerstand, zum Beispiel zwischen dem Pluspol und dem Minuspol einer Batterie; zwischen den Außenleitern (L1-L2 oder L2-L3 oder L3-L1) beziehungsweise einem Außen- und dem Neutralleiter (L1-N, L2-N oder L3-N) bei Drehstromanlagen.

Während die elektrische Spannung dabei fast gegen Null geht, erreicht der elektrische Strom seinen Maximalwert, den Kurzschluss-Strom. Dieser Strom wird nur durch den in Reihe liegenden Innenwiderstand R_i der Stromquelle begrenzt. Der Kurzschluss-Strom beträgt daher:

I_K = \frac{U}{Z}

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 und Erde nennt man 3-polige Kurzschlüsse.

Ursachen und Arten

Ein Vorwort: Es gibt keinen Kurzschluss im physikalischen Sinne!

Im physikalischen Sinne wird der Kurzschluss als eine „widerstandslose Verbindung“ zweier unter Spannung stehender elektrische Leiter bezeichnet. In der Realität gibt es aber keinen Leiter, der einen Widerstand von 0 Ω besitzt (ausgenommen Supraleiter). In der Technik sowie der Umgangssprache versteht man unter einem Kurzschluss eine nahezu widerstandslose leitende Verbindung zwischen zwei unter Spannung stehenden elektrischen Leitern.

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 Isoliertstoff 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 metallische Berührung (satter Kurzschluss) 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...15000°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 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 (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.

Zur Vermeidung von Folgeschäden bei Lichtbogenfehlern aufgrund Überspannung gibt es in Schaltanlagen oft Kurzschließer. Diese verursachen im Falle eines Lichtbogenfehlers automatisch einen beabsichtigten Kurzschluss, um Folgeschäden durch die Lichtbogenwirkung zu vermeiden und die Überstromschutzeinrichtung möglichst schnell auszulösen.
Weiterhin gibt es mobile und stationäre Kurzschluss- und Erdungseinrichtungen 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.

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.

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 t_k unter anderem durch den Innenwiderstand R_i 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

Toasterkurzschluss.jpgs]]Durch eine fehlende Begrenzung des Kurzschluss-Stromes bzw. des kurzschlussänlichen 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. 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.).

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, die Masseverbindung (kleinere Polklemme) immer zuerst zu lösen und zuletzt anzuschließen.

Subtransienter Anfangskurzschlusswechselstrom

Der subtransiente Anfangskurzschlusswechselstrom $I_K ''$ 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 zur mechanischen Beurteilung von Stromwirkungen im Kurzschlussfall verwendet.

Siehe auch

Elektrische Energie | Elektrischer Strom