Zum Inhalt

Brände durch zu geringe Kurzschlussströme

Ein bisschen Schmauchspuren, abgetrennte Platine sonst nichts, weil der Schalter in 50 ms ausgelöst hat.

Text und Grafik: Markus Gehrig

In Niederspannungsanlagen muss ein Kurzschluss eine Mindestansprechhöhe des Schutzgerätes erreichen. Da Niederspannungsnetze gemessen an der verfügbaren Kurzschlussleistung einen verhältnismässig grossen Kurzschlussstrom erzeugen, ist das im Allgemeinen kein Problem.

Allerdings gibt es eine ganze Reihe Anwendungsfälle, in denen das nicht so ist:

  1. Lange Zuleitungen mit relativ hohen Absicherungen
  2. Notstromquellen die ein ausgedehntes Netz speisen
  3. Ausgangsseitig von USV-Anlagen (darüber wurde hier schon viel geschrieben, darum gehen wir nicht weiter darauf ein.)
  4. Grossspeicher welche kurzzeitig eine höhere Leistung an die Verbraucher abgeben, als der Netzanschluss zu liefern vermag.
  5. PV-Anlagen im Inselbetrieb

Lange Leitungen

Lange Leitungen sind nichts neues. Dazu gibt es Faustregeln, die der Elektroinstallateur kennt und anwendet. Das ist so weit sehr praktisch, wenn man nicht nur die Faustregel, sondern auch ihre Anwendungsgrenzen kennt. Massgebend ist da der minimale Kurzschlussstrom. Er beträgt einen Viertel des dreipoligen oder 3/4 des einpoligen Kurzschlussstromes (4.3.5 B+E NIN2020). Man kann den Wert auch mit einem Berechnungsprogramm exakt berechnen.
Mit diesem Wert kann man nun sehr einfach prüfen, ob eine Schmelzsicherung in 0.4 Sekunden oder 5 Sekunden auslöst, in dem man die waagrechten Striche (rot) in Abb. 1 einzeichnet und bei den entsprechenden Sicherungsgrösse die Auslösetoleranz (blau) einzeichnet. Ist nun der minimale Kurzschluss grösser als der obere Toleranzwert, so ist die Auslösung gewährleistet.

Abbildung 1: Kennlinie Auslösung NHS bis 0.4 und 5 Sekunden

Beispiel auf der Abbildung 1:
NHS 160 A:
Auslösung in 5 Sekunden: ca. 950 A mal 1.1 = 1140 A -> 1200 A
Auslösung in 0.4 Sekunden: ca. 1600 A mal 1.1 = 1760 A -> 1800 A
Wie sie sehen, ist die Ablesegenauigkeit selbst auf einem grossen Bildschirm die grösste Schwäche dieser Methode. Berechnungsprogramme ergeben genaue Werte.

Statt Schmelzsicherungen können aber auch Leistungsschalter mit elektronischen Auslösern verwendet werden. Diese haben den Vorteil, dass sie punktgenau auf den Iz des Kabels eingestellt werden können und ebenso genau kann der Kurzschlussauslöser auf die den kleinsten Kurzschlussstrom eingestellt werden.

Die Einstellregel für das sichere Auslösen ist einfach:
I1 =< Iz
I2 < 0.83 * Ikmin

Der Faktor 0.83 berücksichtigt die Toleranz des Kurzschlussauslösers. (Abb. 2)

Um Selektivität zu vor- und nachgeschalteten Schutzgeräten zuerreichen, sind weitere Einstellungen notwenig.

Abbildung 2 Einstellung des Leistungsschalters

Notstromquellen

Notstromgeneratoren haben eine grössere Quellenimpedanz. Die ist abhängig von der Nennleistung und wird normalerweise in Prozent angegeben. Notstromanlagen speisen oft in die Hauptverteilung ein und versorgen das Netz bei Netzausfall mit Strom. Meistens muss die Notstromanlage nicht alle Verbraucher versorgen, sondern nur wenige, aber wichtige Geräte- und Anlagen, die im Areal oft weit verteilt angeordnet sind. Die günstigste Lösung für die Erschliessung ist die Nutzung der ohnehin vorhandenen oder notwendigen Verteilinstallation, die für viel grössere Ströme ausgelegt ist. So kann ein NHS-Abgang in der Hauptverteilung einen Nennstrom haben, der grösser ist als jener der Notstromanlage. Da die Notstromanlage einen Kurzschlussstrom von ca. 2.5 bis 3-fachen Nennstrom bringen kann, wird eine Schmelzsicherung unter Umständen bei einem Kurzschluss erst nach 10 Minuten abschalten. Während dieser Zeit sind die Berührungsspannungen gefährlich hoch und ein Brand ist wahrscheinlich. Solche Situationen können mit Leistungsschaltern mit elektronischen Auslösern relativ einfach vermieden werden, da der Kurzschlussauslöser beliebig tief einstellt werden kann. Zu beachten sind in diesem Zusammenhang noch die Anlaufströme. Bei Verteilleitung ist das im Notbetrieb in der Regel kein Problem. Mit Vorteil achtet man darauf, dass die Leistungsschalter über einen zweiten Parametersatz verfügen. Diesen zweiten Parametersatz füttert man mit den Kurzschlussdaten im Notstrombetrieb und aktiviert ihn über einen Kontakt der Inselbetrieb signalisiert aus der Leittechnik oder der Notstromsteuerung.

Speicher

Immer öfter werden grosse Speicher installiert, um zum Beispiel Schnellladestationen zu puffern. Die Idee ist, auf diese Weise grosse Netzspitzen zu kappen oder an einem Standort mit geringer Einspeisungsleistung eine leistungsfähige Schnellladestation zu errichten. Der Haken ist die Netzkurzschlussleistung, die eben so gering daher kommt wie die Anschlussleistung. Eine Schnellladestation hat rasch 400 bis 600 A Netzstrom. Für eine NHS mit 400 A Nennstrom ist ein Kurzschlussstrom von über 3 kA erforderlich um die Sicherung in 5 Sekunden abzubrennen. Der dreipolige Kurzschluss müsste dann deutlich über 12 kA liegen, was bei einem Netzanschluss von 200 Ampere höchstwahrscheinlich nicht gegeben ist. Den geringen Kurzschlussbeitrag des Speichers vernachlässigen wir hier.

Manch einer fragt sich nun, was mit der Spannung geschieht, wenn man die Anlage derart kurzschlussnah betreibt. Die Antwort lautet: Der Speicher ist eine Erzeugungseinheit. Er reguliert die Spannung über die Blindleistung.

Die Lösung für die Schutztechnik ist ähnlich wie beim Notstrom: Ein Leistungsschalter mit elektronischen Schutzauslöser. Damit lassen sich tiefe Werte für den Kurzschlussauslöser einstellen.

PV-Anlagen im Inselbetrieb

PV-Anlage im Inselbetrieb müssen entweder einen Kurzschlussstrom liefern können, der ein Schutzgerät zum Auslösen bringt oder sich bei Kurzschluss automatisch abschalten. Der minimale Kurzschlussstrom ist beim Hersteller erhältlich. Die Auslegung der Schaltanlage und des Bemessungsgrenzkurzschlussabschaltstromes (Icu) erfolgt nach Massgabe der Netzdaten, wogegen der minimale Kurzschlussstrom in Inselbetrieb für die Schutzparametrierung wichtig ist.

Schutzauslöser

Der Schutzauslöser ist ein Gerät das an oder in den Leistungsschalter eingebaut ist. Diese Geräte werden entweder über DIP-Schalter, Tasten und LCD-Anzeige oder idealerweise über Touchscreen parametriert. Es lohnt sich hier etwas mehr Geld auszugeben, denn wenn der Kontrolleur vorrechnet, dass die Abschaltbedingungen nicht eingehalten werden, wird nicht eingeschaltet bis die Schaltanlage umgebaut ist. Die Kosten die damit entstehen, lassen unangenehme Fragen aufkommen.

Markus Gehrig
MG Power Engineering AG
Dozent an der HF und Lehrbeauftragter an der HSLU
Tech-Blog: power-affairs.ch

Schreiben Sie einen Kommentar

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

Copied!
error: Meldung: Der Inhalt ist geschützt!