Ein elektrischer Kurzschluss ist eine nahezu widerstandslose Verbindung der beiden Pole einer elektrischen Spannungsquelle, oder allgemeiner zweier Schaltungspunkte mit normalerweise verschiedenem Potential, durch die die Spannung zwischen diesen Teilen auf einen Wert nahe null fällt. Dieser Begriff bezeichnet sowohl die physische Verbindung (ohne Stromfluss) als auch das Ereignis des extremen Stromflusses durch diese Verbindung, sobald sie oder die Spannungsquelle aktiviert werden.
Im Gegensatz zu elektrischen Verbindungen, die der Abschirmung oder Feldsteuerung dienen, kann durch eine Kurzschlussverbindung ein hoher Strom fließen, der meistens ein Mehrfaches des Betriebsstromes beträgt. Dieser hohe Kurzschlussstrom kommt durch den geringen ohmschen Widerstand zustande (siehe ohmsches Gesetz).
Zu sogenannten Kurzschlussschiebern in der HF-Technik siehe z. B. Wellenmesser oder Lecherleitung.
Beabsichtigte Kurzschlüsse Die fünf Sicherheitsregeln zur Vermeidung von Stromunfällen besagen, dass vor Arbeiten an elektrischen Anlagen nicht nur die Außenleiter freigeschaltet werden müssen, sondern gegebenenfalls anschließend auch ein Kurzschluss zwischen den spannungsfrei geschalteten Außenleitern und Erdpotential hergestellt werden muss.
Bei Wartungsarbeiten an Schaltanlagen und Oberleitungen werden mobile und stationäre Erdungs- und Kurzschließeinrichtungen verwendet. Zu den mobilen Erdungseinrichtungen in elektrischen Anlagen zählen die Erdungsstange und die Erdungspeitsche. Diese werden angelegt, sobald die Anlagen abgeschaltet sind und auf Spannungsfreiheit geprüft wurden. Ohne Erdung könnten auf den abgeschalteten Leitungen Restladungen bestehen bleiben oder neue Störladungen entstehen (z. B. über magnetische Induktion parallel laufender eingeschalteter Leitungen), die sich bei Berührung über den menschlichen Körper entladen. Zu den stationären Kurzschlusseinrichtungen gehören Erdungsschalter,Ein Erdungsschalter ist ein mechanisches Schaltgerät zum Erden von Teilen eines Stromkreises, das während einer bestimmten Dauer elektrischen Strömen unter anormalen Bedingungen, wie z. B. beim Kurzschluss, standhält, aber im üblichen Betrieb keinen elektrischen Strom führen muss. die in Einspeisefeldern von Mittelspannungsschaltanlagen, oft auch in Kombination mit dem Lasttrennschalter, installiert sind. Unter bestimmten Voraussetzungen können auch abgangsseitige Erdungsschalter gefordert sein. Anstatt der Erdungsschalter können unter bestimmten Voraussetzungen auch sogenannte „Erdungsfestpunkte“ vom Stromnetzbetreiber zugelassen sein. (PDF; 904 kB), abgerufen am 6. März 2012
Insbesondere Leistungskondensatoren mit niedrigem Innenwiderstand und hohem Isolationswiderstand zwischen den Elektroden müssen bei Lagerung und Transport permanent kurzgeschlossen gehandhabt werden. Dies dient dazu sicherzustellen, dass sie entladen sind und eine ungewollte Aufladung während der Lagerung zu vermeiden. Es reicht daher nicht einen Leistungskondensator einmalig zu entladen, beispielsweise nach einem regulären Betrieb, da bei offenen Anschlüssen am Kondensator durch die dielektrische Absorption neue Ladungen aus dem Dielektrikum auf die Elektroden wandern können und sich über längere Zeiträume hohe Spannungen bilden.
Um Schäden durch elektrostatische Entladungen zu vermeiden, befinden sich ESD-empfindliche elektronische Bauelemente (wie MOSFETs, IGBTs, ICs) vor dem Einbau zum Transport und zur sicheren Handhabung oft in elektrisch leitfähiger Verpackung; alternativ werden ihre Anschlüsse dazu kurzgeschlossen.
Unbeabsichtigte Kurzschlüsse mini|Kurzschluss durch einen herabhängenden Ast Bei einem Kurzschluss zwischen den Polen einer Batterie oder Spannung führenden Außenleitern, beziehungsweise einem Außen- und dem Neutralleiter einer Drehstromanlage erreicht der Strom seinen Maximalwert, den „Anfangskurzschlussstrom“. Dieser Strom wird nur durch den Widerstand der Leitung und den in Reihe liegenden Innenwiderstand der Spannungsquelle begrenzt. Der Kurzschlussstrom beträgt daher:
mit der Spannung der Spannungsquelle und der Summe aller Impedanzen (Wirk- und Blindwiderstände) in der Kurzschluss-Strombahn . Dieser sehr hohe Anfangskurzschlussstrom besteht nur einige Millisekunden und schwächt sich danach zu einem Dauerkurzschlussstrom ab. Er kann durch Überstromschutzeinrichtungen abgeschaltet werden.
Kurzschlüsse werden meistens durch eine schadhaft gewordene Isolation oder durch einen Schaltfehler in elektrischen Anlagen bzw. Stromkreisen verursacht. Kurzschlüsse zwischen allen Außenleitern L1/L2/L3 nennt man dreiphasige Kurzschlüsse. Alle Kurzschlussströme werden durch Schutzeinrichtungen erfasst und die stromführenden Leiter durch Leitungsschutzschalter bzw. durch Sicherungen ausgeschaltet.
Bei Erdkabeln kann es aufwendig sein, den Kurzschluss zu orten, da eine Freilegung des Kabels auf seiner gesamten Länge oft nicht möglich ist. auf ekz.ch
Ursachen und Arten Ein Kurzschluss kann folgende Ursachen haben: Isolationsbruch, hervorgerufen z. B. durch Alterung Isolationsänderungen durch ständige Beanspruchung der Isolationsmaterialien durch hohes elektrisches Feld ggf. mit Teilentladungen durch Überhitzung und nachfolgende Erweichung oder chemische Veränderungen der Isolation durch Einfluss von Wasser (es bilden sich Kriechwege oder der Isolierstoff nimmt Wasser auf) durch mechanische Beschädigungen der Isolierung (hoch beanspruchte Handgeräte, auf Baustellen) durch menschliches Versagen (Fehlschaltung, leitfähige Gegenstände, Werkzeuge) in elektrischen Schaltanlagen und Geräten bei Nichtbeachtung der Sicherheitsregeln.
Es wird zwischen Kurzschluss durch Berühren eines unter Spannung stehenden Körpers (Körperschluss) und Kurzschluss über einen Fehlerwiderstand (Wirkwiderstand und Blindwiderstand) unterschieden.
mini|Kurzschluss bei Kleinspannung (12 V / 20 A)
Beim Kurzschluss über einen Fehlerwiderstand kann ein Lichtbogen mit einer charakteristischen Lichtbogenspannung entstehen. Der Lichtbogen verhält sich stark nichtlinear, er begrenzt den Strom nicht und verursacht hohe Temperaturen (5.000 bis 15.000 °C) sowie Störspannungen. Durch seine thermische und ionisierende Wirkung können weitere Isolierbauteile Schaden nehmen.
Da der Lichtbogen bei jeder Halbwelle des Wechselstromes nach dem Nulldurchgang der Spannung bei einer höheren Spannung zündet als verlischt, verursacht er eine Phasenverschiebung des Stromes wie bei einer Phasenanschnittsteuerung.
In Dreiphasennetzen kann ein dreipoliger (symmetrischer), zweipoliger (zwischen je zwei von L1, L2 oder L3) oder ein einpoliger (unsymmetrischer, zwischen L1 und Erdungseinrichtungen) Kurzschluss entstehen.
Der „zweipolige Kurzschluss“ ist dabei derjenige, bei dem in Drehstromnetzen der größte Kurzschlussstrom fließt, da die Drehspannungsquelle trotz des Kurzschlusses relativ gering belastet ist und daher bei diesem Kurzschluss noch die meisten Energiereserven zur Verfügung hat. Es treten überdies Unsymmetrien auf, die in den anderen Leitern zu Überspannungen führen können.
Die elektrischen Betriebsmittel (Aluminium-Seile, Trennschalter, Leistungsschalter, Stromwandler, auch tragende Eisenkonstruktionen sowie die Erdungsleiter) müssen daher nach dem maximal auftretenden zweipoligen Kurzschlussstrom bemessen sein. Dabei wird zwischen thermischen Erscheinungen (Wärmeerscheinungen) und dynamischem (magnetische Kraftwirkungen) Kurzschlussstrom unterschieden.
Elektrotechnische Vorschriften und Richtlinien zur Berechnung des Kurzschlussstromes für elektrische (Hochspannungs-)Schaltanlagen finden sich in der VDE-Norm 0102.
Größe des Kurzschlussstromes Ein großer Kurzschlussstrom kann nur entstehen, wenn zwischen der Verbindung kein ausreichender Wirk- oder Blindwiderstand mehr liegt. Hat der Widerstand zwischen den spannungsführenden Leitern noch einen sehr geringen Wert, dann spricht man von einem „kurzschlussähnlichen“ Vorgang.
Beispiel: Zwischen Außenleiter (z. B. L1) und Neutralleiter (N) treiben 230 V den Fehlerstrom gegen Erdpotenzial, weil der den Gegenpol darstellende Neutralleiter geerdet ist; zwischen zwei Außenleitern (etwa L1 und L2) treiben 400 V den Kurzschlussstrom, da sich durch die Phasenverschiebung um 120° ein um höherer Effektivwert einstellt (siehe Dreiphasenwechselstrom).
Dieser Kurzschlussstrom wird während der Kurzschlussdauer unter anderem durch den Innenwiderstand der Spannungsquelle (prakt. die Sekundärwicklung des vorgeschalteten Ortsnetztransformators), durch den Lichtbogenwiderstand an der Kurzschlussstelle, den Fehlerwiderstand an der Kurzschlussstelle und die Leiterwiderstände (Wirk- und Blindwiderstand) von Hin- und Rückleiter, bestimmt bzw. begrenzt.
Der maximale zu erwartende Kurzschlussstrom hängt somit vom Innenwiderstand bzw. der Netzimpedanz des Stromnetzes sowie dessen Nennspannung ab. Der Überlastschutz (z. B. Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schmelzsicherungen) muss diesen Strom abschalten können. Der Strom liegt in Hausinstallationsnetzen typischerweise bei etwa 500 bis 3000 A.
Folgen und Gegenmaßnahmen mini|200px|Folgen eines Kurzschlusses (Masseschluss durch Besteckteil) am Heizelement eines ToastersDurch eine fehlende Begrenzung des Kurzschlussstromes bzw. des kurzschlussähnlichen Fehlerstromes kann es zu Schäden durch Überhitzung (weitere Isolationsschäden, Brände) im Verlauf der Leitungen oder Kabel beziehungsweise der elektrischen Schaltanlagenkomponenten führen, wenn diese nicht durch dem Querschnitt der Kabel angepasste Sicherungen geschützt sind.
Im Extremfall können vom Kurzschluss betroffene Drähte schlagartig verdampfen und einen Lichtbogen auslösen. Tritt ein Lichtbogen auf, kommt es durch Strahlungshitze, Metallspritzer und die Druckwelle zu weiteren Gefährdungen. Moderne Mittelspannungsschaltanlagen sind mit Druckentlastungsklappen ausgerüstet, die über einen Kontakt den Einspeiseleistungsschalter ausschalten.
Zur Verhinderung der Folgen von Kurzschlüssen setzt man in Niederspannungsnetzen sogenannte Leitungsschutzschalter und Schmelzsicherungen verschiedener Charakteristiken ein. Schmelzsicherungen müssen bei Auftreten eines hohen Kurzschlussstroms „durchbrennen“ und dabei die Kurzschlussstelle schnellstens vom übrigen Versorgungsnetz trennen. Das Abschalten muss abhängig von der Anlage sehr rasch erfolgen (maximal im 1/10-Sekundenbereich), je nach Charakteristik des Anwendungsbereiches (Haushaltsinstallation, Elektronikschutz, Steuerungsschutz usw.) verschieden, um die Auswirkungen des Spannungseinbruches und des Kurzschlussstromes gering zu halten.
In den Hoch- und Mittelspannungsnetzen werden Netzschutzrelais eingesetzt, die anhand von Strom- und Spannungsmessungen einen Fehlerfall und dessen Ort erkennen können und mittels eines Leistungsschalters die entsprechenden Teile des Netzes abschalten. Bei Freileitungen wird die sogenannte Automatische Wiedereinschaltung (AWE) eingesetzt, da ein kurzzeitiger „Astabfall“ nicht zu einer Abschaltung führen soll. Es werden bei einem Auslösefall der oder die Leistungsschalter nach ca. 250 ms (Kurzunterbrechung) wieder eingeschaltet; tritt der Fehler nach wie vor auf, dann schaltet der Schutzschalter endgültig in Stellung aus: AWE erfolgreich – Fehler ist weg, AWE ohne Erfolg – Fehler besteht noch. Auch Bahnstromunterwerke führen einige Sekunden nach einer Kurzschlussabschaltung oft eine oder mehrere automatische Wiedereinschaltungen durch, um bei bestimmten Fehlern (Lichtbogen durch Blitzschlag oder Vögel) einen Weiterbetrieb der entsprechenden Teilstrecke zu ermöglichen.