Schutz bei Kurzschluss
Jul 19th, 2009 by Stefan Fassbinder
In der Tagespresse und im alltäglichen Sprachgebrauch wird oft jede Störung der Stromversorgung als »Kurzschluss« bezeichnet. Für uns Elektrofachkräfte ist aber der Kurzschluss nur einer mehrerer möglicher Fehler. Ein Kurzschluss ist, wie der Name sagt und wie in »Grundzüge des Schutzes gegen Stromschlag« beschrieben, ein – in diesem Zusammenhang stets ungewolltes – Vorbeifließen des Stroms an der Last über eine nahezu widerstandslose Abkürzung. Der Strom wird dann fast nur noch durch den inneren Widerstand der speisenden Quelle und die Widerstände des Leitungsnetzes begrenzt, und die sind in der Regel sehr gering. Der Strom steigt also schlagartig auf ein Zig-Faches des Werts an, für den die betroffene Verteilungs-Anlage bemessen ist. Ein Meter üblicher Installationsleitung von 1,5 mm² Leiterquerschnitt hat einen Widerstand von R = 0,012 Ω und ist in der Regel mit einem Strom von I = 16 A belastbar. Die in der Leitung erzeugte Wärmeleistung P errechnet sich dann zu:
P = I² * R = (16 A)² * 0,012 Ω = 3 W.
Je nach Verlegeart (wie gut oder wie schlecht diese Wärme abgeführt werden kann) und Häufungsfaktor (wie viele solcher Adern gemeinsam in einer Trasse liegen) erwärmt diese Wärmeleistung die Leitung von der angenommenen Umgebungstemperatur von 30°C auf die höchstzulässige Dauer-Gebrauchstemperatur von üblicherweise 70°C, also um etwa 40 K.
So weit, so gut. Bei einem Kurzschluss direkt an der Steckdose kann der Strom aber auch auf 1000 A ansteigen. Die in einem Meter Leitung freigesetzte Wärmeleistung beträgt dann:
P = I² * R = (1000 A)² * 0,012 Ω = 12000 W = 12 kW!
Hui! Das sind 24 kW/m, wenn man Hin- und Rückweg zusammenrechnet! Ist diese Steckdose 10 m hinter dem Sicherungskasten angeordnet, kommen schon 240 kW zusammen! Dies entspricht einer Leistung, die ausreichen würde, um 20 bis 30 Häuser zu beheizen! Wie lange macht die Leitung das mit?
Mal sehen: Also dieser eine Meter Leitung enthält (Hinweg plus Rückweg) 26 g Kupfer. Die spezifische Wärmekapazität von Kupfer beträgt c = 0,4 Ws/(g*K). Das betreffende Stück Leitung hat also eine Wärmekapazität von gut 10 Ws/K. Es wird sich somit bei einer Wärmebelastung von 24 kW mit einer Geschwindigkeit von etwa 2400 K/s erwärmen! Mit anderen Worten: Nach etwa 0,4 s schmilzt das Kupfer. Nach 0,2 s sind bereits etwa 500°C erreicht. Das dürfte genügen, um die Leitung in ihrem gesamten Verlauf gleichzeitig in Brand zu stecken!
Warum brennen dann so wenige Häuser ab? Schließlich kann ein Kurzschluss nie ganz ausgeschlossen werden. Mit Bedacht sprechen die VDE-Bestimmungen vom »Schutz bei Kurzschluss« und nicht vom »Schutz vor Kurzschluss«, denn diesen kann es nicht geben! Es gilt, einen Schutz aufzubauen, der beim Auftreten eines Kurzschlusses das Eintreten solcher Katastrophen sicher verhindert. Hierzu werden Schmelzsicherungen oder Leitungsschutzschalter (Sicherungsautomaten) eingesetzt. Da dann, wenn ein solches Schutzorgan anspricht, der Kurzschlussstrom bereits in voller Höhe fließt, muss das Gerät also in der Lage sein, diesen starken Strom zu unterbrechen, also abzuschalten. Das Schaltvermögen ist deswegen ein entscheidendes Kriterium bei der Auswahl und Dimensionierung des Schutzes. Wehe, wenn es einem solchen Leitungsschutzschalter, den man für 2,50 € im Baumarkt kaufen kann, einmal nicht gelingen sollte, den Kurzschlussstrom zu unterbrechen! Was dann?
Dann tut es das nächste »stromaufwärts« vorgelagerte Schutzorgan, zumeist eine der drei Sicherungen am Drehstromzähler. Aus Gründen der Selektivität soll diese stets mindestens zwei »Nummern« größer gewählt werden als der nachgeordnete Schutz, da die zulässigen Toleranzbreiten relativ groß sind und jeweils an die Toleranz-Bereiche der nächsten Normgröße stoßen. Ansonsten kann es sein, dass bei einem Fehler in einem Endstromkreis die Vorsicherung unnötigerweise ausgelöst wird, obwohl der Leitungsschutzschalter des Endstromkreises in Ordnung war und ebenfalls »fiel«. Dann wird mehr dunkel als auf Grund des Fehlers nötig gewesen wäre. Die Kunst, dies zu vermeiden, bezeichnet man als Selektivität.
Und wenn die Zählersicherung auch versagt oder eigenmächtig »geflickt«, also überbrückt (kurzgeschlossen) wurde, indem man z. B. ein Metallteil in die Fassung gewürgt hat? Ebenso gut könnte man die Bremsleitungen eines KFZ ansägen – obwohl selbst dieser wahnwitzige Regelverstoß von einer ansonsten ordnungsgemäß aufgebauten Haus-Installation noch abgefangen wird. Im Haus-Anschlusskasten, der üblicherweise an jener Stelle angeordnet ist, wo die Leitung des Netzbetreibers in das Gebäude eintritt, befinden sich nämlich noch einmal 3 Sicherungen von z. B. 63 A Nennstrom oder mehr, je nach Größe des Gebäudes. Diese dreifache Sicherheit ist erforderlich, um unter allen, auch grob fahrlässig herbei geführten Umständen zu vermeiden, dass der Kurzschlussstrom von möglicherweise 1000 A länger als etwa 0,1 s fließt – denn wie oben gezeigt: Danach wird’s schlagartig brenzlig!
Nun kann die Leitung aber auch länger sein. Dann ist ihr Widerstand größer und der Strom im Falle eines Kurzschlusses kleiner – und wenn die Haussicherung beispielsweise mit einem Nennwert von 63 A ausgewiesen ist, heißt dies noch lange nicht, dass sie bei 64 A abschaltet. Selbst einen Strom von fast 100 A wird sie noch nicht notwendigerweise unterbrechen – und wenn, dann erst nach längerer Zeit. Bis dahin brennt der Endstromkreis mit 1,5 mm² Leiterquerschnitt aber schon. Diese Sicherung ist im Prinzip nur zum Schutz des vorgelagerten Erdkabels mit z. B. 16 mm² Querschnitt geeignet; die von dort zum Zähler führende Leitung ist meist mit 6 mm² oder 10 mm² ausgeführt und wird durch die Zählersicherung geschützt.
Fazit: Die Längen der Endstromkreise unterliegen bestimmten Obergrenzen, da es ansonsten im Kurzschlussfall bei gleichzeitigem Versagen des unmittelbar dem Endstromkreis zugeordneten Schutzorgans, womit gerechnet werden muss, unweigerlich zum Brand kommt. Zur Einhaltung der Längen müssen unter Umständen mehr Unterverteilungen eingebaut werden. Alternativ kann für größere Längen ein größerer Querschnitt gewählt werden. Auch wenn es auf den ersten Blick paradox erscheint: Der Kurzschlussstrom muss abgeschaltet werden, weil es sich um einen für die betroffene Anlage viel zu großen Strom handelt. Gleichzeitig ist aber dafür zu sorgen, dass der Strom im Falle eines Kurzschlusses auch groß genug wird, damit der Kurzschlussschutz – und zwar hinreichend schnell – reagiert.
Die durch eine entsprechende Auslegung erreichte Begrenzung der Leiterwiderstände hat im regulären Betrieb auch den Vorteil, dass der Rückgang der Spannung bei Belastung gering bleibt. So wird also nicht das Licht merklich dunkler bzw. heller, wenn sich am selben Stromkreis ein großer Verbraucher ein- oder ausschaltet.
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