Kurzschlussleistung

Die Kurzschlussleistung ist ein Begriff aus der elektrischen Energietechnik und insbesondere für Stromnetze und deren Kurzschlussbehandlung relevant. Sie ist eine Bemessungsgröße und wird als eine Scheinleistung ausgedrückt.

Berechnung

Die Kurzschlussleistung S_k ist in Dreiphasensystemen das Produkt aus dem Kurzschlussstrom I_k, dem Nennwert der Strangspannung U_n und dem Verkettungsfaktor $\textstyle {\sqrt {3}}$:

$S_{k}={\sqrt {3}}\cdot U_{n}\cdot I_{k}$

Die Kurzschlussleistung ist im physikalischen Bezug keine tatsächliche Leistung, da in obiger Formel Größen verknüpft werden, welche nicht gleichzeitig auftreten. Dies folgt aus dem Umstand, dass die Spannung im Kurzschlussfall und am Kurzschlusspunkt praktisch 0 V beträgt und die Nennspannung U_n im Fall ohne Kurzschlussstrom festgelegt ist.

Die Kurzschlussleistung ist eine Bemessungsgröße, um die Beanspruchung einer elektrischen Anlage und dabei insbesondere das Schaltvermögen von Leistungsschaltern zu quantifizieren. Ein Leistungsschalter muss dabei über eine Ausschaltleistung verfügen, die über der Kurzschlussleistung liegt, um den Stromfluss im Kurzschlussfall sicher und ohne Schäden am Schalter schalten zu können.

In Hochspannungsnetzen liegen die Kurzschlussleistungen, je nach Spannungsebene, Netztopologie und Ort des Kurzschlusspunktes, bei einigen MVA bis 1000 MVA. Die höchsten Kurzschlussleistungen treten dabei bei Sammelschienen auf, wenn diese von mehreren Quellen mit niederer Impedanz gespeist werden.

Der Kurzschlussstrom I_k ergibt sich nicht aus dem Widerstand des Verbrauchers, sondern aus der Netzimpedanz Z gemäß dem ohmschen Gesetz zu

$I_{k}={\frac {c\cdot U_{n}}{{\sqrt {3}}\cdot Z}}$

mit dem Faktor c, der nach Norm die Toleranz der Netzspannung berücksichtigt (c = 0,95 … 1,1). Damit kann man die Kurzschlussleistung auch darstellen in der Form

$\Rightarrow S_{k}={\frac {c\cdot U_{n}^{2}}{Z}}$.

Die Kurzschlussleistung eines Netzes kann bei fester Nennspannung auch durch die Netzimpedanz ausgedrückt werden.

Eine hohe Kurzschlussleistung ist ein Maß für die Spannungsqualität und Störfestigkeit eines Stromnetzes. Die Kurzschlussleistung kann durch den Ausbau eines Stromnetzes beeinflusst werden. Technisch kann dies auch durch eine dezentrale Netzstruktur realisiert werden.

Von der Kurzschlussleistung zu unterscheiden ist die am Kurzschlusspunkt primär in Wärme umgesetzte Leistung, welche als physikalisch relevante Größe auftritt. Typischerweise erfolgt bei fehlendem sattem Kurzschluss die Wärmeumsetzung am Kurzschlusspunkt in Form eines Lichtbogens, welcher die Lichtbogenleistung

$P_{l}=U_{l}\cdot I_{k}$

mit der Lichtbogenspannung U_l aufweist.

Strombegrenzung

Bei der nachträglichen Erweiterung von Stromnetzen und der damit verbundenen Steigerung der Kurzschlussleistung kann es dazu kommen, dass bereits bestehende Leistungsschalter nicht auf die dann höhere Kurzschlussleistung ausgelegt sind. Um den kostenintensiven Austausch der Schalter zu vermeiden, können Kurzschlussstrombegrenzer eingesetzt werden. Typische Einsatzbereiche sind mehrfach parallel gespeiste Sammelschienenabschnitte auf der Mittelspannungs-, teilweise auch auf der Höchstspannungsebene. Diese Abschnitte sind im Normalbetrieb über Kurzschlussstrombegrenzer zu einer Sammelschiene verbunden, um durch die Parallelschaltung eine geringe Netzimpedanz im Bereich der Sammelschiene zu erzielen. Im Kurzschlussfall wird durch die Strombegrenzungseinheit die Sammelschiene in mehrere getrennte Teilabschnitte aufgespalten; so wird der Kurzschlussstrom begrenzt, und der nachfolgende Ausschaltvorgang kann ohne Schaden am Leistungsschalter erfolgen.

Übliche Strombegrenzer auf Mittelspannungsebene sind die pyrotechnischen Strombegrenzer, welche im Kurzschlussfall durch eine Sprengladung in einem rohrförmigen Verbindungsstück die einzelnen Sammelschienenabschnitte vor dem Auslösen des Leistungsschalters auftrennen. Die Zündung erfolgt durch eine elektronische Schaltung, welche den Kurzschluss vor dem Ausschaltvorgang der Leistungsschalter schnell und sicher erkennen muss. Nachteile sind der Wartungsaufwand und die technisch aufwändige Erkennung eines Kurzschlusses zum Auslösen der Sprengladung, da Fehlauslösungen z. B. durch hohe Einschaltströme oder auch Blitzentladungen vermieden werden müssen.

Daneben bestehen noch andere Verfahren, wie supraleitende Strombegrenzer, welcher zu den resistiven Strombegrenzern zählen. Dabei werden im normalen Betriebsfall die Sammelschienensabschnitte über supraleitende Kupplungen verbunden, welche im Kurzschlussfall hochohmig werden und so den Strom limitieren. Nachteilig sind die für Supraleiter notwendigen Kühleinrichtungen.

Literatur

• Rene Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. Teubner, 2003, ISBN 3-519-26424-2. 
• Adolf J. Schwab: Elektro-Energiesysteme. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-92226-1, Kapitel 11. 
• Manfred Stege: Kurzschluß-Erkennungsalgorithmen zum strombegrenzenden Schalten. Diss. Techn. Univ. Braunschweig 1992.