Elektrischer Kurzschluss

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. Der Begriff bezeichnet sowohl die physische Verbindung (ohne Stromfluss) als auch das Ereignis des (extremen) Stromflusses durch diese Verbindung, sobald sie oder die Spannungsquelle aktiviert werden.

Der Begriff Kurzschluss ist im Internationalen Elektrotechnischen Wörterbuch IEV in Abschnitt 826-14-10 definiert und seine Begriffserklärung ist in dessen deutscher Online-Ausgabe (siehe unter Weblinks) kostenfrei nachlesbar.

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.

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.

Bei Wartungsarbeiten an Schaltanlagen und Oberleitungen finden mobile und stationäre Erdungs- und Kurzschließeinrichtungen Verwendung. Diese werden bei abgeschalteten und nach anschließender Anlagenprüfung auf Spannungsfreiheit angelegt. Damit wird selbst bei versehentlich zugeschalteter Spannung ein gefahrloses Arbeiten gewährleistet.

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. Durch statische Aufladungen entstehen Spannungen von mehreren tausend Volt, die beim Entladen ansonsten die Bauelemente zerstören würden.

Werden große Mengen hoch konzentrierter Salzlösung in ein Gewebe injiziert, wirkt diese Lösung als Kurzschluss für die Weiterleitung von (Schmerz-)Nervenimpulsen in diesem Gewebe; das kann als Methode zur Lokalanästhesie – vor allem beim Zahnarzt – angewendet werden.

Unbeabsichtigte Kurzschlüsse

Kurzschluss durch einen herabhängenden Ast

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 R_i der Spannungsquelle begrenzt. Der Kurzschluss-Strom beträgt daher:

$I_K = \frac{U}{Z}$,

wobei U die Spannung der Spannungsquelle, 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 Schaltfehler in elektrischen Anlagen bzw. Stromkreisen verursacht. Kurzschlüsse zwischen allen Außenleitern L1/L2/L3 nennt man dreiphasige Kurzschlüsse. Diese Kurzschlussströme werden durch Schutzeinrichtungen erfasst und die stromführenden Leiter durch Leistungsschalter bzw. durch Sicherungen ausgeschaltet.

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 leitfähigen Körpers (Körperschluss) und Kurzschluss über einen Fehlerwiderstand (Wirkwiderstand und Blindwiderstand) unterschieden.

Kurzschluss bei Kleinspannung (12 V / 20 A)

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 2-poligen 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 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 den Fehlerstrom gegen Erdpotenzial, weil der den Gegenpol darstellenden Neutralleiter geerdet ist; zwischen zwei Außenleitern (etwa L1 und L2) treiben 400 V den Kurzschlussstrom, da sich durch die Phasenverschiebung um 120° ein um √3 höherer Effektivwert einstellt (siehe Dreiphasenwechselstrom).

Dieser Kurzschlussstrom wird während der Kurzschlussdauer t_k unter anderem durch den Innenwiderstand R_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. Überlastschutzschalter (Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schmelzsicherungen) müssen diesen Strom abschalten können. Er liegt in Hausinstallationsnetzen etwa bei 500 bis 3000 A.

Folgen und Gegenmaßnahmen

Folgen eines Kurzschlusses (Masseschluss durch Besteckteil) am Heizelement eines Toasters

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.

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 dem größten auftreten Stoßkurzschlussstrom bemessen werden. Dieser kurzzeitige Stromstoß ist über den Stoßfaktor κ mit den anfänglichen Kurzschlusswechselstrom verknüpft werden. Der Faktor κ liegt im Bereich von 1 bis 2 und ist von dem 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 vorgeschaltene Überstromschutzeinrichtung sicher ab. Somit wird eine Überlastung durch unzulässige Spannungserhöhung am Verbraucher vermieden.

Subtransienter Anfangskurzschlusswechselstrom

Der subtransiente Anfangskurzschlusswechselstrom I_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.

Stoßkurzschlusswechselstrom

Der Stoßkurzschlusswechselstrom I_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.

$I_s = \varkappa \cdot \sqrt{2} \cdot I_k''$

I_s Stoßkurzschlussstrom
$\varkappa$ Faktor zwischen 1,1 und 1,9 in Abhängigkeit der Größe der Quelle
I_k'' Anfangskurzschlusswechselstrom

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

Siehe auch

• Fehlerarten in Drehstromsystemen
• Erdschluss
• Netzschutz
• Strom-Spannungs-Kennlinie

Weblinks

 Wiktionary: Kurzschluss – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Kurzschluss eines Transformators bei einer Freileitung − Video
• Deutsche Online-Ausgabe und Umsetzung des IEV in Deutschland