Veröffentlicht:
4. August 2011
Kategorie:
Fachartikel
Der Kurzschluss ist eine der bedeutendsten Störungen, die in einem elektrischen Netz auftreten können. Seine Folgen sind oft schwerwiegend, wenn nicht verheerend.
Einleitung
Der Kurzschluss ist eine der bedeutendsten Störungen, die in einem elektrischen Netz auftreten können. Seine Folgen sind oft schwerwiegend, wenn nicht verheerend:
Definitionen
Der Kurzschlussstrom an einem Punkt eines Netzes wird durch den Effektivwert Icc (in kA) seiner Wechselstromkomponente ausgedrückt. Der maximale Momentanwert, den der Kurzschlussstrom erreichen kann, ist der Scheitelwert ip der ersten Halbperiode.
Dieser Scheitelwert kann wegen der abklingenden Gleichstromkomponente, die sich der Wechselstromkomponente überlagern kann, wesentlich höher sein als √2• Icc. Diese zufällige Gleichstromkomponente hängt vom Momentanwert der Spannung im Moment des Auftretens des Kurzschlusses und von den Eigenschaften des Netzes ab. Die Kurzschlussleistung wird durch den Ausdruck Scc = √2 Un • Icc (in MVA) definiert.
Dieser fiktive Wert ist physikalisch nicht vorhanden. Es handelt sich um eine mit einer Scheinleistung vergleichbare praktische konventionelle Größe.
Der Kurzschluss ist eine der bedeutendsten Störungen, die in einem elektrischen Netz auftreten können. Seine Folgen sind oft schwerwiegend, wenn nicht verheerend:
- Der Kurzschluss stört den Bereich des Netzes an der Nähe der Fehlerstelle durch die von ihm bewirkte plötzliche Spannungsabsenkung.
- Er zwingt zur Abschaltung eines oft großen Teils des Netzes durch entsprechende Schutzeinrichtungen.
- Alle vom Kurzschlussstrom durchflossenen Betriebsmittel und Verbindungen (Kabel, Leitungen) erleiden eine hohe mechanische Beanspruchung (durch elektrodynamische Kräfte), die zum Bruch führen kann, und eine thermische Beanspruchung, die ein Schmelzen der Leiter und eine Zerstörung der Isolationen bewirken kann.
- An der Fehlerstelle entsteht meistens ein Lichtbogen hoher Energie, dessen zerstörerische Auswirkungen sehr stark sind und der sich schnell ausbreiten kann.
Definitionen
Der Kurzschlussstrom an einem Punkt eines Netzes wird durch den Effektivwert Icc (in kA) seiner Wechselstromkomponente ausgedrückt. Der maximale Momentanwert, den der Kurzschlussstrom erreichen kann, ist der Scheitelwert ip der ersten Halbperiode.
Dieser Scheitelwert kann wegen der abklingenden Gleichstromkomponente, die sich der Wechselstromkomponente überlagern kann, wesentlich höher sein als √2• Icc. Diese zufällige Gleichstromkomponente hängt vom Momentanwert der Spannung im Moment des Auftretens des Kurzschlusses und von den Eigenschaften des Netzes ab. Die Kurzschlussleistung wird durch den Ausdruck Scc = √2 Un • Icc (in MVA) definiert.
Dieser fiktive Wert ist physikalisch nicht vorhanden. Es handelt sich um eine mit einer Scheinleistung vergleichbare praktische konventionelle Größe.
Kurzschluss zwischen Phasen
Der Wert Icc des dreiphasigen Kurzschlussstroms an einem Punkt F des Netzes beträgt:
wobei U die verkettete Spannung am Punkt F vor dem Auftreten des Fehlers und Zcc die von der Fehlerstelle aus gesehene Ersatzimpedanz des vorgeschalteten Netzes ist.
Diese Berechnung ist somit im Prinzip einfach. Ihre praktische Komplexität ergibt sich aus der Schwierigkeit der Berechnung von Zcc, der Impedanz, die allen seriellen und parallelen Einzelimpedanzen der dem Fehler vorgeschalteten Netzkomponenten entspricht. Diese Impedanzen sind selber die quadratische Summe von Widerständen und Reaktanzen:
Eine wesentliche Vereinfachung liegt insbesondere vor, wenn man die Kurzschlussleistung (Scc) an der Anschlussstelle an das Netz des Elektrizitätsversorgungsunternehmens kennt.
Aus dem Wert von Scc an dieser Stelle kann die Impedanz Za, die der dieser Stelle vorgeschalteten Impedanz entspricht, mit der folgenden Formel abgeleitet werden:
Ebenso ist nicht unbedingt nur eine Spannungsquelle vorhanden; es können mehrere parallele Spannungsquellen vorliegen, denn insbesondere Synchronund Asynchronmotoren verhalten sich unter Kurzschlussbedingungen wie Generatoren. Der dreiphasige Kurzschlussstrom ist im Allgemeinen der höchste Strom, der im Netz fließen kann. Der zweiphasige Kurzschlussstrom ist niedriger (im Verhältnis von √3/2, d.h. er beträgt ungefähr 87%).
Der Wert Icc des dreiphasigen Kurzschlussstroms an einem Punkt F des Netzes beträgt:
wobei U die verkettete Spannung am Punkt F vor dem Auftreten des Fehlers und Zcc die von der Fehlerstelle aus gesehene Ersatzimpedanz des vorgeschalteten Netzes ist.
Diese Berechnung ist somit im Prinzip einfach. Ihre praktische Komplexität ergibt sich aus der Schwierigkeit der Berechnung von Zcc, der Impedanz, die allen seriellen und parallelen Einzelimpedanzen der dem Fehler vorgeschalteten Netzkomponenten entspricht. Diese Impedanzen sind selber die quadratische Summe von Widerständen und Reaktanzen:
Eine wesentliche Vereinfachung liegt insbesondere vor, wenn man die Kurzschlussleistung (Scc) an der Anschlussstelle an das Netz des Elektrizitätsversorgungsunternehmens kennt.
Aus dem Wert von Scc an dieser Stelle kann die Impedanz Za, die der dieser Stelle vorgeschalteten Impedanz entspricht, mit der folgenden Formel abgeleitet werden:
Ebenso ist nicht unbedingt nur eine Spannungsquelle vorhanden; es können mehrere parallele Spannungsquellen vorliegen, denn insbesondere Synchronund Asynchronmotoren verhalten sich unter Kurzschlussbedingungen wie Generatoren. Der dreiphasige Kurzschlussstrom ist im Allgemeinen der höchste Strom, der im Netz fließen kann. Der zweiphasige Kurzschlussstrom ist niedriger (im Verhältnis von √3/2, d.h. er beträgt ungefähr 87%).
Erdschluss (einphasig)
Der Wert dieses Stroms hängt von der Impedanz Zn zwischen dem Sternpunkt und Erde ab. Diese Impedanz kann praktisch gleich null sein, wenn der Sternpunkt direkt geerdet (und somit diese Impedanz in Serie mit dem Erdungswiderstand geschaltet) ist, oder praktisch gleich unendlich, wenn der Sternpunkt nicht geerdet (und somit diese Impedanz parallel zur Phasen-Erde- Kapazität des Netzes geschaltet) ist. Zum Berechnen dieses asymmetrischen Kurzschlussstroms muss die Methode der symmetrischen Komponenten beigezogen werden. Diese Methode ersetzt das reale Netz durch eine Überlagerung der folgenden 3 Netze: Mitnetz, Gegennetz und Nullnetz. Auf diese Weise wird jedes Element des Netzes durch die folgenden 3 Impedanzen charakterisiert:
Mitimpedanz Z1,
Gegenimpedanz Z2 und
Nullimpedanz Z0.
Der Wert des Erdschlussstroms I0 beträgt:
Diese Berechnung ist für Netze erforderlich, bei denen der Sternpunkt über eine Impedanz Zn geerdet ist, um die Einstellwerte der Erdschlussstromschutzeinrichtungen zu bestimmen, die in Aktion treten müssen, um den Erdschlussstrom zu unterbrechen. In der Praxis gilt:
Der Wert dieses Stroms hängt von der Impedanz Zn zwischen dem Sternpunkt und Erde ab. Diese Impedanz kann praktisch gleich null sein, wenn der Sternpunkt direkt geerdet (und somit diese Impedanz in Serie mit dem Erdungswiderstand geschaltet) ist, oder praktisch gleich unendlich, wenn der Sternpunkt nicht geerdet (und somit diese Impedanz parallel zur Phasen-Erde- Kapazität des Netzes geschaltet) ist. Zum Berechnen dieses asymmetrischen Kurzschlussstroms muss die Methode der symmetrischen Komponenten beigezogen werden. Diese Methode ersetzt das reale Netz durch eine Überlagerung der folgenden 3 Netze: Mitnetz, Gegennetz und Nullnetz. Auf diese Weise wird jedes Element des Netzes durch die folgenden 3 Impedanzen charakterisiert:
Mitimpedanz Z1,
Gegenimpedanz Z2 und
Nullimpedanz Z0.
Der Wert des Erdschlussstroms I0 beträgt:
Diese Berechnung ist für Netze erforderlich, bei denen der Sternpunkt über eine Impedanz Zn geerdet ist, um die Einstellwerte der Erdschlussstromschutzeinrichtungen zu bestimmen, die in Aktion treten müssen, um den Erdschlussstrom zu unterbrechen. In der Praxis gilt: