Ein Fehlerstrom ist ein unbeabsichtigter, unkontrollierter, hoher Stromfluss durch ein elektrisches System. Fehlerströme werden durch Kurzschlüsse mit sehr niedriger Impedanz verursacht. Dabei kann es sich um Kurzschlüsse gegen Erde oder zwischen Phasen handeln. Der daraus resultierende hohe Stromfluss kann zur Überhitzung von Geräten und Leitern, zu überhöhten Kräften und manchmal sogar zu schweren Lichtbögen, Explosionen und Explosionen führen. Zu den Fehlerursachen gehören Dinge wie Blitzschlag, Tiere, Schmutz und Schutt, heruntergefallene Werkzeuge, Korrosion und menschliches Versagen.

Fehlerstromberechnungen basieren auf dem Ohmschen Gesetz, wonach der Strom (I) gleich der Spannung (V) geteilt durch den Widerstand (R) ist. Die Formel lautet I = V/R. Bei einem Kurzschluss wird der Widerstand sehr klein, und das bedeutet, dass der Strom sehr groß wird.

Wäre der Widerstand gleich Null, dann würde der berechnete Fehlerstrom gegen unendlich gehen. Aber auch Kupferdraht hat einen gewissen Widerstand; er ist kein perfekter Leiter. Um den Fehlerstrom zu bestimmen, muss man den Gesamtwiderstand von der Stromquelle bis zur Fehlerstelle kennen.

Fehlerstromberechnungen sind erforderlich

Die Kenntnis des verfügbaren Fehlerstroms ist bei der Auswahl von Schutzgeräten wichtig, wird aber auch von den Vorschriften gefordert. Im National Electric Code (NEC) 110.24(A) heißt es:

„Betriebsmittel in anderen Gebäuden als Wohneinheiten müssen vor Ort gut lesbar mit dem maximal verfügbaren Fehlerstrom gekennzeichnet werden. Die Feldkennzeichnung(en) muss (müssen) das Datum der Fehlerstromberechnung enthalten und von ausreichender Dauerhaftigkeit sein, um der jeweiligen Umgebung standzuhalten.“

Das bedeutet, dass vor Ort installierte Etiketten auf elektrischen Geräten, wie z. B. Hausanschlussgeräten, vorhanden sein müssen, die den verfügbaren Kurzschlussfehlerstrom angeben. Dadurch kann der Kurzschlussstromwert (Short Circuit Current Rating, SCCR) des Geräts leicht mit dem maximal verfügbaren Fehlerstrom verglichen werden.

Bei jeder Änderung des Geräts muss die Fehlerstromberechnung neu durchgeführt werden. Dies ist in NEC 110.24(B) festgelegt:

„Wenn Änderungen an der elektrischen Installation vorgenommen werden, die sich auf den maximal verfügbaren Fehlerstrom an der Anlage auswirken, muss der maximal verfügbare Fehlerstrom überprüft oder neu berechnet werden, um sicherzustellen, dass die Nennwerte der Anlage für den maximal verfügbaren Fehlerstrom an den Leitungsanschlüssen der Anlage ausreichend sind. Die in 110.24(A) geforderte(n) Feldkennzeichnung(en) ist (sind) an die neue Höhe des maximal verfügbaren Fehlerstroms anzupassen.“

Fehlerarten

In einem elektrischen System gibt es verschiedene Arten von möglichen Fehlern:

• Ein Kurzschluss, der dazu führt, dass der Strom die normale Last umgeht.
• Ein „Erdschluss“, bei dem Strom in die Erde fließt.
• In Dreiphasensystemen kann es einen Kurzschluss zwischen einer oder mehreren Phasen geben. Diese Fehlerart erzeugt in der Regel die höchsten Fehlerströme.

Die vierte Fehlerart, ein Leerlauffehler, erzeugt keinen Kurzschlussstrom. Ein offener Fehler entsteht durch eine unbeabsichtigte Unterbrechung des Stroms.

Schutzsysteme müssen in allen oben genannten Situationen Schäden an den Geräten verhindern und Personen schützen. Das bedeutet, dass Fehlerstromberechnungen durchgeführt werden müssen, damit die geeigneten Schutzeinrichtungen ausgewählt werden können.

Schraubfehler vs. Lichtbogenfehler

Ein elektrischer Fehler kann entweder ein Schraubfehler oder ein Lichtbogenfehler sein.

Bei einem Schraubfehler gibt es eine feste Verbindung. Dadurch kann der Fehlerstrom durch einen Leiter fließen. Diese Art von Fehler kann auftreten, wenn ein Installateur eine Stromquelle an die Erde anschließt, anstatt an den Punkt, an dem sie angeschlossen werden sollte. Wenn der Strom eingeschaltet wird, kommt es sofort zu einem verschraubten Fehler, der die Schutzeinrichtung auslöst. Da der Stromfluss eingedämmt wurde, ist der Schaden normalerweise begrenzt. Ein verschraubter Fehler erzeugt jedoch die höchsten Fehlerströme.

Ein Lichtbogenfehler entsteht, wenn keine feste Verbindung besteht, sondern sich die Leiter so weit annähern, dass der Strom über die Lücke springt und einen Lichtbogen erzeugt. Der anfängliche Lichtbogen ionisiert die Luft und erzeugt ein Plasma, das es ermöglicht, dass der Stromfluss schnell ansteigt und aufrechterhalten wird, was zu einem Lichtbogenblitz oder einer Lichtbogenexplosion führt. Wenn ein Lichtbogenüberschlag möglich ist, müssen Fehlerstromberechnungen durchgeführt werden, um die sicheren Schutzgrenzen und die erforderliche PSA zu bestimmen sowie die Informationen zu liefern, die für die Lichtbogenetiketten benötigt werden, die zusätzlich zu den erforderlichen NEC 110.24-Fehlerstrometiketten angebracht werden müssen.

Dreiphasenfehler

IEC 60909 „Short Circuit Currents in Three-Phase Systems“ (Kurzschlussströme in dreiphasigen Systemen) gibt die anerkannte Berechnungsmethode für dreiphasige Fehlerströme an.

Ein Fehler in einem dreiphasigen System kann entweder symmetrisch (ausgeglichen) oder unsymmetrisch (unsymmetrisch) sein. Bei einem symmetrischen Fehler sind alle drei Phasen gleichermaßen betroffen. Dies ist jedoch selten der Fall. Die meisten Dreiphasenfehler sind unsymmetrisch, was die Fehlerstromberechnung erschwert.

Inhaltsquellen

Bevor eine Fehlerstromberechnung durchgeführt werden kann, müssen alle möglichen Stromquellen identifiziert werden. Dies kann einige Stromquellen einschließen, die möglicherweise nicht berücksichtigt wurden. Es gibt vier mögliche Quellen für den Kurzschlussfehlerstrom:

• Stromerzeuger vor Ort: Diese liegen nahe beieinander, und der Fehlerstrom wird nur durch die Impedanz des Generators selbst und des Stromkreises begrenzt.
• Synchronmotoren: Ein Synchronmotor ist ein Wechselstrommotor, bei dem die Drehzahl des Motors proportional zur Frequenz des Stroms ist. Fällt der Strom aus, wie es bei einem Kurzschluss der Fall ist, dreht sich der Motor durch die Trägheit der mechanischen Last weiter. Der Motor wirkt dann wie ein Generator, der Strom liefert, und dieser trägt zum Gesamtstrom bei, der zum Fehler fließt.
• Induktionsmotoren: Dieser Motortyp wird auch zum Generator, wenn es irgendwo anders im System zu einem Kurzschlussfehler kommt. Der von einem Asynchronmotor erzeugte Fehlerstrom hält jedoch nur einige Zyklen lang an. Der Strom entspricht in etwa dem Anlaufstrom des Motors bei blockiertem Rotor.
• Elektrisches Versorgungssystem: Der größte Teil des Fehlerstroms kommt in der Regel vom Stromversorger. Die Höhe des Kurzschlussstroms hängt ab von:
• der sekundären Nennspannung des Transformators und der Impedanz
• der Impedanz der Generatoren
• der Impedanz des Stromkreises vom Transformator zum Kurzschluss.

Zur Vereinfachung der Fehlerstromberechnung wird angenommen, dass alle elektrischen Generatoren im System gleichphasig sind und mit der Nennspannung des Systems arbeiten.

Dreiphasig verschraubt

Um den Fehlerstrom berechnen zu können, wird eine Kurzschlussstudie durchgeführt. Dabei wird in der Regel der ungünstigste Fall betrachtet, d.h. der verschraubte dreiphasige Fehlerzustand. Auf der Grundlage dieser Situation können andere Fehlerbedingungen angenähert werden.

Der Fehlerstrombeitrag der Motoren im System ist wichtig. In vielen Fällen können Motoren das Vier- bis Sechsfache ihres normalen Volllaststroms beitragen. Auch wenn der Strom nur von sehr kurzer Dauer ist, muss er unbedingt in die Fehlerstromberechnung einbezogen werden.

Wenn eine Störlichtbogenstudie durchgeführt wird, sollte die Fehlerstromberechnung immer noch für den höchsten verschraubten dreiphasigen Kurzschlussstrom erfolgen.

Fehlerstromkennzeichnung

Nach der Berechnung des Fehlerstroms sollten an den Geräten Kennzeichnungen angebracht werden, die den verfügbaren Kurzschlussstrom angeben. Wenn ein Lichtbogen-Etikett erforderlich ist, sollte es ebenfalls gedruckt und an der entsprechenden Stelle angebracht werden. Für jedes Etikett sind benutzerdefinierte Informationen erforderlich, die sich aus der Fehlerstromberechnung ergeben.

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