Der Moment vor dem Kurzschluss

Ein Kurzschluss dauert oft nur einen Augenblick. Für die elektrische Anlage kann dieser Augenblick trotzdem entscheidend sein. Innerhalb kürzester Zeit steigt der Strom auf ein Vielfaches des normalen Betriebsstroms an. Leitungen erwärmen sich, elektromagnetische Kräfte wirken auf Leiter und Schutzorgane müssen möglichst schnell reagieren. Der eigentliche Kurzschluss ist dabei nicht einfach nur „zu viel Strom“, sondern ein sehr niederohmiger Fehlerstromkreis.

Im normalen Betrieb begrenzen Verbraucher und Leitungen den Strom. Ein Elektromotor, eine Heizung oder ein Netzteil besitzt einen bestimmten elektrischen Widerstand beziehungsweise eine Impedanz. Kommt es dagegen beispielsweise zu einer direkten Verbindung zwischen Außenleiter und Neutralleiter, fällt ein großer Teil dieser Begrenzung weg. Der Gesamtwiderstand des Fehlerstromkreises kann sehr klein werden. Nach dem Ohmschen Gesetz führt das bei gleichbleibender Spannung zu einer entsprechend hohen Stromstärke. Wie hoch der tatsächliche Kurzschlussstrom ausfällt, hängt unter anderem von der Netzimpedanz, der Leitungslänge und dem Querschnitt der Leiter ab.

Dabei passiert mehr, als nur eine große Zahl auf dem Messgerät erscheinen zu lassen. Die hohen Ströme erzeugen starke magnetische Felder. Zwischen parallel verlaufenden Leitern können dadurch erhebliche elektromagnetische Kräfte entstehen. Gleichzeitig führt der hohe Strom zu einer schnellen Erwärmung der Leiter. Weil die Verlustleistung mit P = I² × R vom Quadrat des Stroms abhängt, kann schon eine kurze Zeit mit sehr hohem Strom eine erhebliche thermische Belastung verursachen. Bei einem zehnfach höheren Strom wäre die ohmsche Verlustleistung unter gleichen Bedingungen theoretisch hundertmal so hoch.

Genau deshalb müssen Schutzorgane einen Kurzschluss schnell erkennen und den Stromkreis unterbrechen. Ein Leitungsschutzschalter nutzt dafür unter anderem eine elektromagnetische Schnellauslösung. Steigt der Strom durch einen Kurzschluss stark an, erzeugt die Spule im Schutzschalter ein entsprechend starkes Magnetfeld und löst die Abschaltung aus. Zusätzlich besitzt der Leitungsschutzschalter einen thermischen Auslöser, der auf länger anhaltende Überlastungen reagiert. Kurzschluss und Überlast werden damit auf unterschiedliche Weise erkannt.

Beim Abschalten ist die Arbeit allerdings noch nicht vollständig erledigt. Ein hoher Strom lässt sich nicht immer einfach unterbrechen, weil elektrische Energie in den Leitungen und magnetischen Feldern gespeichert sein kann. Beim Öffnen der Kontakte kann deshalb ein Lichtbogen entstehen. Dieser macht die eigentlich isolierende Luft kurzfristig leitfähig und muss im Schutzgerät kontrolliert gelöscht werden. Die Konstruktion von Schaltkontakten, Lichtbogenkammern und anderen Komponenten entscheidet deshalb wesentlich darüber, wie sicher ein Schutzorgan einen hohen Fehlerstrom abschalten kann.

Wie hoch der Kurzschlussstrom tatsächlich werden kann, ist für die Auswahl und Prüfung elektrischer Betriebsmittel entscheidend. Schutzschalter besitzen deshalb definierte Ausschaltvermögen, und Anlagen werden so geplant, dass im Fehlerfall die Schutzorgane zuverlässig ansprechen. Ein Kurzschluss ist damit kein spektakuläres Ereignis, bei dem einfach irgendwo „der Strom explodiert“. Es ist ein genau berechenbarer Fehlerzustand, bei dem innerhalb kürzester Zeit sehr hohe elektrische und mechanische Belastungen entstehen können. Die Schutztechnik hat die Aufgabe, diesen Zustand möglichst schnell zu beenden – idealerweise, bevor aus einem elektrischen Fehler ein größerer Schaden entsteht.