Kurzschlussfestigkeit
Die Kurzschlussfestigkeit gibt an, ob ein elektrisches Betriebsmittel die thermischen und mechanischen Belastungen eines Kurzschlusses unbeschadet übersteht. Bei Stromschienensystemen ist sie ein wesentliches Kriterium für eine sichere Planung der Energieverteilung.
In diesem Beitrag erklären wir, wie Kurzschlussströme entstehen, welche Kennwerte die Kurzschlussfestigkeit beschreiben und worauf bei der Auslegung von Stromschienen zu achten ist.
Was bedeutet Kurzschlussfestigkeit?
Ein Kurzschluss entsteht, wenn zwischen Leitern mit unterschiedlichem elektrischem Potenzial eine unbeabsichtigte, niederohmige Verbindung besteht. Dadurch kann der Strom innerhalb kürzester Zeit auf ein Vielfaches des normalen Betriebsstroms ansteigen.
Kurzschlussfestigkeit bedeutet, dass eine Stromschiene diesem hohen Strom für eine festgelegte Zeit standhält. Dabei dürfen sich die Stromschiene nicht gefährlich verformen und es dürfen keine Schäden entstehen, die die Isolierung, die Verbindungen oder die weitere Betriebssicherheit beeinträchtigen.
Die Kurzschlussfestigkeit ist nicht mit dem Bemessungsstrom zu verwechseln. Letzterer beschreibt die dauerhaft zulässige Belastung. Die Kurzschlussfestigkeit bezieht sich dagegen auf eine sehr hohe, kurzzeitig auftretende Fehlerbelastung.
Wie stark belastet ein Kurzschluss die Stromschiene?
Bei einem Kurzschluss wirken gleichzeitig thermische und mechanische Belastungen auf das Stromschienensystem. Diese müssen beide bei der Auslegung berücksichtigt werden.
Thermische Belastung durch Kurzschlussströme
Der hohe Kurzschlussstrom erwärmt die Leiter, Verbindungsstellen und Kontakte innerhalb kurzer Zeit stark. Die entstehende Wärme steigt dabei mit dem Quadrat des Stroms und mit der Dauer des Kurzschlusses.
Je länger eine Schutzeinrichtung zum Abschalten benötigt, desto größer ist die thermische Belastung. Eine unzulässige Erwärmung kann Isolierungen beschädigen, Kontaktstellen beeinträchtigen oder die Materialeigenschaften der Leiter verändern.
Dynamische Belastung durch elektromagnetische Kräfte
Zwischen stromdurchflossenen Leitern entstehen elektromagnetische Kräfte. Bei einem Kurzschluss steigen diese Kräfte durch die hohe Stromstärke erheblich an.
Die dabei wirkende Lorentzkraft kann Leiter, Halterungen und Verbindungsstellen mechanisch beanspruchen. Entscheidend sind deshalb unter anderem die Anordnung der Leiter, ihre Abstände sowie die Stabilität des Gehäuses und der Verbindungselemente.
Welche Kennwerte beschreiben die Kurzschlussfestigkeit?
Die Kurzschlussfestigkeit wird durch mehrere elektrische Kennwerte beschrieben. Für die Bewertung eines Stromschienensystems sind insbesondere der Bemessungskurzzeitstrom und der Bemessungsstoßstrom von Bedeutung.
Bemessungskurzzeitstrom Icw
Der Bemessungskurzzeitstrom Icw gibt den Effektivwert des Stroms an, dem das System für eine festgelegte Zeit standhalten kann. Die zugehörige Dauer muss immer mit angegeben werden, beispielsweise Icw für eine Sekunde.
Dieser Kennwert beschreibt vor allem die thermische Kurzschlussfestigkeit. Bei einem längeren Abschaltvorgang wird mehr Wärme in die Leiter und Verbindungsstellen eingebracht.
Bemessungsstoßstrom Ipk
Der Bemessungsstoßstrom Ipk beschreibt den höchsten momentanen Strom, dem das System standhalten kann. Dieser Spitzenwert tritt unmittelbar nach Beginn des Kurzschlusses auf.
Ipk ist vor allem für die dynamische Kurzschlussfestigkeit relevant. Er zeigt an, ob die Stromschiene die kurzzeitig auftretenden elektromagnetischen Kräfte ohne gefährliche Verformungen aufnehmen kann.
Bedingter Bemessungskurzschlussstrom Icc
Der bedingte Bemessungskurzschlussstrom Icc wird für Systeme angegeben, deren Kurzschlussfestigkeit in Verbindung mit einer bestimmten vorgeschalteten Schutzeinrichtung bewertet wurde.
Die Schutzeinrichtung begrenzt den Kurzschlussstrom oder schaltet ihn innerhalb einer definierten Zeit ab. Deshalb darf dieser Wert nur gemeinsam mit der vom Hersteller vorgesehenen Schutzvorrichtung betrachtet werden.
Wovon hängt die Kurzschlussfestigkeit einer Stromschiene ab?
Sie ergibt sich aus dem Zusammenspiel mehrerer konstruktiver und elektrischer Faktoren:
- Leitermaterial und -querschnitt: Das Material (Kupfer oder Aluminium) und die Abmessungen der Leiter beeinflussen die Erwärmung und die mechanische Belastbarkeit.
- Anordnung der Leiter: Die Leiterabstände und die Phasenanordnung bestimmen, wie stark die elektromagnetischen Kräfte wirken.
- Bauform des Systems: Eine kompakte Konstruktion kann die Leiter mechanisch stabilisieren und Belastungen gleichmäßiger verteilen.
- Verbindungsstellen: Schienenverbinder müssen den auftretenden Kräften und Temperaturen sicher standhalten.
- Gehäuse und Befestigungen: Das Gehäuse, die Halterungen und die Montagepunkte müssen die mechanischen Kräfte aufnehmen können.
- Isolierung: Die Isolierstoffe dürfen durch kurzfristige Erwärmung oder mechanische Bewegung nicht beschädigt werden.
- Abschaltzeit: Je schneller die Schutzeinrichtung den Fehler abschaltet, desto geringer ist die thermische Beanspruchung.
Auch der Leiterquerschnitt und die zulässige Stromdichte spielen bei der thermischen Auslegung eine wichtige Rolle.
Wie wird die erforderliche Kurzschlussfestigkeit ermittelt?
Grundlage der Planung ist der maximal zu erwartende Kurzschlussstrom am Einbauort. Dieser hängt unter anderem von der Leistung und Impedanz des Transformators sowie von der Netzstruktur und den vorgeschalteten Leitungen ab.
Die ermittelten Kurzschlusswerte werden anschließend mit den Herstellerangaben des Stromschienensystems verglichen. Dabei müssen sowohl Icw als auch die zugehörige Dauer und Ipk berücksichtigt werden.
Eine Kurzschlussberechnung sollte mindestens die folgenden Punkte umfassen:
- den maximalen Kurzschlussstrom am Einspeisepunkt,
- die Kurzschlussströme entlang des gesamten Stromschienenverlaufs,
- die Ausschaltzeiten der vorgesehenen Schutzeinrichtungen,
- die Kurzschlussfestigkeit der Einspeisungen und Schienenverbinder sowie
- die Belastbarkeit der Abgangskästen und angeschlossenen Betriebsmittel.
Es reicht nicht aus, nur den Hauptstrang zu betrachten. Die Kurzschlussfestigkeit muss für das gesamte System einschließlich aller Übergänge, Einspeisungen und Abgänge nachgewiesen werden.
Welche Rolle spielen Schutzeinrichtungen und Selektivität?
Leistungsschalter, Sicherungen und andere Schutzeinrichtungen müssen Kurzschlüsse erkennen und sicher abschalten. Ihre Auslösekennlinien und Ausschaltzeiten müssen auf die Kurzschlussfestigkeit des Stromschienensystems abgestimmt sein.
Gleichzeitig ist die Selektivität in der Energieverteilung zu beachten. Im Fehlerfall sollte möglichst nur die unmittelbar betroffene Schutzeinrichtung auslösen. So lassen sich unnötige Abschaltungen größerer Anlagenbereiche vermeiden.
Strombegrenzende Schutzeinrichtungen können den tatsächlich durchgelassenen Spitzenstrom und die thermische Energie reduzieren. Für die Bewertung sind jedoch immer die konkreten Herstellerangaben und die geprüfte Kombination der Komponenten maßgeblich.
Worauf ist bei der Planung und Montage zu achten?
Die Kurzschlussfestigkeit eines Stromschienensystems kann nur gewährleistet werden, wenn die Planung und Montage den geprüften Systemvorgaben entsprechen.
Besonders wichtig sind:
- die korrekte Auswahl des Stromschienensystems,
- die Einhaltung der vorgeschriebenen Befestigungsabstände,
- die fachgerechte Montage aller Schienenverbinder,
- das vorgegebene Anzugsdrehmoment an Verbindungsstellen,
- die passende Auswahl der Schutzgeräte,
- die Berücksichtigung aller Einspeisungen und Betriebszustände sowie
- die Dokumentation der Kurzschlussberechnung.
Werden eine Anlage erweitert oder Transformatoren, Einspeisungen und Schutzgeräte verändert, muss die Kurzschlussfestigkeit erneut bewertet werden. Durch eine höhere Transformatorleistung oder parallele Einspeisungen können die zu erwartenden Kurzschlussströme deutlich steigen.
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Stromschienensysteme müssen so ausgelegt sein, dass sie die am Einsatzort auftretenden Kurzschlussströme sicher aufnehmen. Die erforderlichen Kennwerte werden deshalb bereits während der Planung mit der Netz- und Anlagenstruktur abgeglichen.
Welche Systemausführung geeignet ist, hängt vom Bemessungsstrom, den berechneten Kurzschlusswerten, der Trassenführung und den vorgesehenen Schutzgeräten ab. ABH unterstützt Sie bei der technischen Auslegung und der Abstimmung der einzelnen Komponenten.
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