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Elektrische Systeme sind so ausgelegt, dass sie unter normalen Bedingungen sicher funktionieren. Fehler wie Kurzschlüsse und Erdschlüsse können jedoch innerhalb von Millisekunden extrem hohe Ströme verursachen. Die während eines Fehlers verfügbare Stromstärke wird als prospektiver Fehlerstrom (PFC) bezeichnet.

Das Verständnis von PFC und prospektivem Kurzschlussstrom (PSCC) hilft Elektrikern, Ingenieuren und Bauunternehmern bei der Auswahl von Schutzvorrichtungen mit geeigneten Abschaltleistungen und der Gewährleistung eines sicheren Betriebs in den Anlagen.

Was ist ein potenzieller Fehlerstrom (PFC)?

Der voraussichtliche Fehlerstrom ist der maximale Strom, der in einem Stromkreis während eines Fehlers fließen könnte, wenn der Widerstand der Schutzeinrichtungen vernachlässigbar wäre. Er stellt den höchstmöglichen Fehlerstrom an einem bestimmten Punkt der Anlage dar.

Der präfrontale Kortex wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter:

Höhere Fehlerströme treten im Allgemeinen näher am Versorgungstransformator auf, wo die Impedanz niedriger ist.

Unterschied zwischen PFC, PSCC und PEFC

Der Begriff PFC wird oft als allgemeine Beschreibung des verfügbaren Fehlerstroms verwendet, während PSCC und PEFC spezifische Fehlertypen beschreiben.

Voraussichtlicher Kurzschlussstrom (PSCC)

PSCC bezeichnet den Fehlerstrom zwischen stromführenden Leitern, wie zum Beispiel:

Dreiphasige Fehler erzeugen üblicherweise die höchsten Fehlerstromwerte.

Potenzieller Erdschlussstrom (PEFC)

PEFC bezeichnet den Strom, der bei einem Erdschluss fließt. Der Wert hängt stark vom Erdungssystem und der Schleifenimpedanz des Erdschlusssystems ab.

Bei vielen elektrischen Inspektionen werden sowohl PSCC als auch PEFC gemessen, wobei der höhere Wert als PFC der Anlage festgehalten wird.

Warum der Fehlerstrom wichtig ist

Schutzeinrichtungen wie Leitungsschutzschalter, Fehlerstromschutzschalter (RCBOs), Motorschutzschalter (MCCBs) und Sicherungen sind so konstruiert, dass sie Fehlerströme sicher unterbrechen, bevor es in einer elektrischen Anlage zu Schäden kommt.

Wenn der zu erwartende Fehlerstrom das Abschaltvermögen der Schutzeinrichtung übersteigt, kann die Anlage im Fehlerfall ausfallen, was potenziell schwere Schäden an der Schaltanlage und erhöhte Sicherheitsrisiken zur Folge haben kann.

Genaue Fehlerstromberechnungen helfen Ingenieuren und Elektrikern bei der Auswahl geeigneter Schaltanlagen, der korrekten Koordination von Schutzvorrichtungen, der Reduzierung von Störlichtbogenrisiken und der Überprüfung, ob die Abschaltzeiten den Vorschriften für elektrische Installationen entsprechen.

Beispielsweise sollte ein 6kA MCB nicht in einem Stromkreis installiert werden, in dem der gemessene Fehlerstrom 6kA überschreitet, da der Leistungsschalter möglicherweise nicht in der Lage ist, den Fehler sicher zu unterbrechen.

Wie berechnet man den voraussichtlichen Kurzschlussstrom?

Die am häufigsten verwendete Formel zur Berechnung von PSCC lautet:

 

Kennzahlen:

Isc =

V Z

Die Gesamtimpedanz umfasst:

Mit sinkender Impedanz steigt der Fehlerstrom.

Beispielrechnung für PSCC

Betrachten wir ein 400-V-Drehstromsystem, das von einem 500-kVA-Transformator mit 5 % Impedanz gespeist wird.

Schritt 1: Berechnung des Volllaststroms

IFL =

500000 √3 × 400

Der Nennstrom beträgt ungefähr 722 A.

Schritt 2: Kurzschlussstrom berechnen

ISC =

722 × 100 5

Der berechnete voraussichtliche Kurzschlussstrom beträgt ungefähr 14.4 kA.

Dieser Wert würde dann mit der Abschaltleistung der im System installierten Schutzeinrichtungen verglichen.

Faktoren, die PSCC und PFC beeinflussen

Verschiedene Installationsmerkmale können die Fehlerstrompegel erhöhen oder verringern.

Transformatorgröße

Größere Transformatoren erzeugen im Allgemeinen höhere Fehlerströme, da sie eine geringere Impedanz aufweisen. Mit zunehmender Transformatorleistung kann im Fehlerfall mehr Strom fließen.

Beispielsweise liefern Transformatoren für den gewerblichen und industriellen Einsatz in der Regel höhere Fehlerströme als kleinere Transformatoren für Wohngebäude.

Die Impedanz des Transformators beeinflusst auch die Höhe des Fehlerstroms. Eine niedrigere Impedanz ermöglicht einen höheren Fehlerstrom, während eine höhere Impedanz dazu beiträgt, diesen zu begrenzen.

Kabellänge

Längere Kabel erhöhen die Impedanz des Stromkreises, wodurch der verfügbare Fehlerstrom am Fehlerort sinkt. Mit zunehmender Kabellänge steigt auch der elektrische Widerstand, was die Stromstärke, die bei einem Kurzschluss oder Erdschluss fließen kann, begrenzt.

Aus diesem Grund weisen Stromkreise, die weiter von der Stromquelle entfernt sind, in der Regel niedrigere Fehlerstrompegel auf.

Leitergröße

Größere Leiterquerschnitte weisen einen geringeren elektrischen Widerstand auf, wodurch der Fehlerstrom leichter durch den Stromkreis fließen kann. Mit zunehmendem Leiterquerschnitt sinkt die Impedanz des Stromkreises, was zu einem höheren potenziellen Fehlerstrom führen kann.

Kleinere Leiter erzeugen einen höheren Widerstand, was zwar dazu beitragen kann, die Fehlerstromstärke zu begrenzen, aber auch den Spannungsabfall und die Wärmeentwicklung unter Lastbedingungen erhöhen kann.

Fehlertyp

Verschiedene Arten von elektrischen Fehlern erzeugen unterschiedlich hohe Fehlerströme. Ein dreiphasiger Fehler erzeugt typischerweise den höchsten Fehlerstrom, da alle drei Phasen direkt miteinander kurzgeschlossen werden und der Fehlerstrompfad nur minimale Impedanz aufweist.

Ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen erzeugt üblicherweise einen geringeren Strompegel, da nur zwei Phasen betroffen sind. Ein Erdschluss führt im Allgemeinen zu einem noch geringeren Fehlerstrom, da dessen Größe stark von der Impedanz des Erdungsrückleitungspfads und der Konfiguration des Erdungssystems abhängt.

Versorgungslage

Bei Anlagen in der Nähe von Umspannwerken treten aufgrund der geringeren Netzimpedanz häufig höhere PFC-Werte auf.

Wie der potenzielle Fehlerstrom gemessen wird

In der Praxis messen Elektriker üblicherweise den PFC mithilfe eines Multifunktions-Installationstesters (MFT) oder eines speziellen Schleifentesters.

Das Gerät legt kurz eine Testlast an und berechnet aus der gemessenen Impedanz den verfügbaren Fehlerstrom.

Messung von PSCC

PSCC wird typischerweise zwischen folgenden Werten gemessen:

• Leitung und Neutralleiter
• Leitung und Leitung (Drehstromsysteme)

Messung von PEFC

PEFC wird gemessen zwischen:

• Leitung und Erde

Der höchste Messwert wird üblicherweise als PFC-Wert für die Anlage erfasst.

Typisches PFC-Testverfahren

Ein typischer PFC-Test beginnt mit der Isolierung nachgeschalteter Stromkreise, wo dies für sichere Testbedingungen erforderlich ist. Das Testgerät wird dann am Ursprung der Anlage oder direkt am Verteilerkasten angeschlossen.

Nach Auswahl des PFC- oder Schleifenimpedanz-Testmodus am Messgerät werden Messungen zwischen Phase und Neutralleiter zur Bestimmung des voraussichtlichen Kurzschlussstroms (PSCC) und zwischen Phase und Erde zur Bestimmung des voraussichtlichen Erdschlussstroms (PEFC) durchgeführt.

Sobald beide Messwerte erfasst sind, wird üblicherweise der höhere Wert als voraussichtlicher Fehlerstrom der Anlage notiert.

PFC-Tests werden üblicherweise an Hauptverteilern, Verteilerkästen, Endstromkreisen und kommerziellen Schaltanlagen durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Schutzeinrichtungen in der Lage sind, potenzielle Fehlerströme sicher zu unterbrechen.

Probleme mit hohen und niedrigen Fehlerströmen

Sowohl zu hohe als auch zu niedrige Fehlerströme können zu Schutzproblemen führen.

Hoher PFC-Wert

Sehr hohe Fehlerstrompegel können in einer elektrischen Anlage erhebliche Sicherheits- und Anlagenrisiken bergen. Übersteigt der Fehlerstrom das Abschaltvermögen eines Leitungsschutzschalters, kann dieser den Fehler möglicherweise nicht sicher unterbrechen.

Hohe Fehlerströme können die Lichtbogenenergie erhöhen und Schaltanlagen sowie Verteilanlagen übermäßig thermisch und mechanisch belasten. In solchen Fällen sind Schutzeinrichtungen mit höherer kA-Nennleistung erforderlich, um Fehlerzustände sicher zu bewältigen.

Niedriges PFC

Auch ein niedriger Fehlerstrom kann Probleme verursachen, da manche Schutzeinrichtungen möglicherweise nicht schnell genug reagieren, um den Fehler sicher zu unterbrechen.

Gängige Methoden zur Reduzierung des Fehlerstroms

Bei zu hohen Fehlerstrompegeln können Ingenieure verschiedene Maßnahmen ergreifen, um das Risiko zu verringern und sicherzustellen, dass das elektrische System sicher und vorschriftsmäßig bleibt.

Eine gängige Lösung besteht darin, höher dimensionierte Leitungsschutzschalter zu installieren, die größere Fehlerströme sicher und ohne Beschädigung unterbrechen können. Strombegrenzende Sicherungen können ebenfalls eingesetzt werden, um die maximale Fehlerenergie zu reduzieren und nachgeschaltete Geräte zu schützen.

In einigen Fällen erhöhen Ingenieure die Kabelimpedanz, indem sie längere Kabelstrecken oder kleinere Leiter wählen. Dies trägt dazu bei, die Menge des durch das System fließenden Fehlerstroms zu begrenzen.

Durch die Anpassung der Transformatorimpedanz lassen sich die potenziellen Fehlerstrompegel reduzieren, indem der im Fehlerfall verfügbare Strom begrenzt wird. In größeren Anlagen kann die gesamte Verteilungsanlage neu gestaltet werden, um das Fehlerstrommanagement zu optimieren, die Schutzkoordination zu verbessern und die Belastung elektrischer Betriebsmittel zu verringern.

PFC- und Schutzgeräteauswahl

Jede Schutzvorrichtung hat eine Nennbruchfestigkeit, wie zum Beispiel:

Die Nennleistung des Geräts muss den maximal zu erwartenden Kurzschlussstrom am Installationsort übersteigen.

Beispielsweise:

Gemessener PFC	Mindestleistungspegel
4KA	6-kA-Leistungsschalter
8KA	10-kA-Leistungsschalter
18KA	25-kA-Leistungsschalter

Aus diesem Grund wird normalerweise vor der Auswahl oder dem Austausch von Schaltanlagen eine Fehlerstromprüfung durchgeführt.

Fazit

Die Prüfung des prospektiven Fehlerstroms (PSCC) ist Bestandteil der elektrischen Überprüfung, Inbetriebnahme und Systemplanung. Genaue PSCC- und PEFC-Werte tragen dazu bei, dass Schutzeinrichtungen Fehler sicher abschalten können und die Anlagen den elektrischen Normen entsprechen.

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