Cálculo de CortocircuitoIEC 60909Dimensionamiento de TablerosIngeniería EléctricaDistribución de Potencia

Kurzschlussstromberechnung nach IEC 60909 und Schaltgeräte-Ausschaltvermögen

Erfahren Sie, wie Sie Kurzschlussströme nach IEC 60909 berechnen und das Ausschaltvermögen (Icu vs Ics) in Hauptverteilern richtig dimensionieren.

Ing. Francisco Ramírez

Einführung in das Kurzschlussphänomen in Niederspannungsnetzen

Die sichere und zuverlässige Auslegung von elektrischen Energieverteilungssystemen in industriellen Umgebungen erfordert ein tiefes Verständnis der transienten Phänomene, die während eines Kurzschlusses auftreten. Wenn ein Kurzschluss in der Nähe einer Hauptverteilung (HV) auftritt, können die Stromstärken augenblicklich von normalen Lastwerten auf Kurzschlusspegel von mehreren Kiloampere ansteigen. Dieser abrupte Anstieg löst enorme elektrodynamische und thermische Belastungen aus, die die strukturelle Integrität der Schaltanlagen gefährden.

Die internationale Norm IEC 60909 legt das Standardverfahren zur Berechnung dieser Ströme in Drehstromnetzen fest. Im Gegensatz zu vereinfachten Methoden unterscheidet die Methodik nach IEC 60909 präzise zwischen dem Anfangs-Kurzschlusswechselstrom, dem Stoßkurzschlussstrom, dem Ausschaltstrom und dem Dauerkurzschlussstrom. Dies ermöglicht es Ingenieuren, das Ausschaltvermögen von Schaltgeräten korrekt auszuwählen und die mechanische Festigkeit von Sammelschienensystemen zu dimensionieren.

Die Physik des Kurzschlusstransienten

Das Verhalten des Stroms während eines Kurzschlusses ist ein transientes Phänomen, das aus zwei Hauptkomponenten besteht: einer symmetrischen Wechselstromkomponente (AC) und einer asymmetrischen, abklingenden Gleichstromkomponente (DC). Die allgemeine Gleichung, die den Augenblickswert des Kurzschlussstroms beschreibt, wird durch die Impedanz der Fehlerschleife und den Phasenwinkel der Spannung zum Zeitpunkt des Kurzschlusseintritts bestimmt.

i(t)=2Ik′′[sin(ωt+ψ−ϕ)−sin(ψ−ϕ)e−t/τ]i(t) = \sqrt 2 I_{k}'' [ sin(\omega t + \psi - \phi ) - sin(\psi - \phi ) e^{-t / \tau } ]

Die Gleichstromkomponente klingt exponentiell gemäß der Zeitkonstante τ ab. Ist das X/R-Verhältnis am Fehlerort hoch (typisch in der Nähe von großen Transformatoren oder Generatoren), ist die Zeitkonstante größer. Dies bedeutet, dass die Asymmetrie über mehrere Perioden fortbesteht, was den Stoßkurzschlussstrom (ip) erhöht und die Leistungsschalter extremen Belastungen aussetzt.

Elektrodynamische Beanspruchung von Sammelschienen

Der Stoßkurzschlussstrom (ip) tritt etwa eine halbe Periode nach Fehlereintritt auf. Dieser maximale Strom bestimmt die maximale elektrodynamische Kraft auf die Sammelschienen und deren Halterungen. Die Kräfte zwischen parallelen Leitern werden nach dem Biot-Savart-Gesetz berechnet:

Fd=(μ0/2π)⋅(ip2/d)⋅lF_{d} = (\mu _{0} / 2\pi ) \cdot (i_{p}^{2} / d) \cdot l

Da die Kraft proportional zum Quadrat des Stoßstroms (ip2) ist, kann ein Fehler bei der Schätzung des X/R-Verhältnisses zur mechanischen Zerstörung der Schaltanlage führen, noch bevor die Schutzgeräte auslösen.

Berechnungsmethode nach IEC 60909

Die Norm IEC 60909 führt das Konzept der äquivalenten Spannungsquelle am Fehlerort ein. Diese Methode nimmt an, dass die einzige aktive Quelle im System eine ideale Spannungsquelle am Fehlerknoten ist, deren Wert der Nennspannung multipliziert mit einem Spannungsfaktor c entspricht.

Nennspannung des Netzes (Un)Spannungsfaktor cmax (Maximaler Kurzschlussstrom)Spannungsfaktor cmin (Minimaler Kurzschlussstrom)
Niederspannung (100 V bis 1000 V)1.05 oder 1.100.95
Mittel- und Hochspannung (> 1 kV)1.101.00

Auswahl des Ausschaltvermögens in Hauptverteilern

Nach Berechnung der Kurzschlussströme (Ik'' und ip) müssen Leistungsschalter (MCCB/ACB) gemäß Produktnormen wie IEC 60947-2 ausgewählt werden.

Grenzkurzschlussausschaltvermögen (Icu) vs. Betriebskurzschlussausschaltvermögen (Ics)

  • Icu: Der maximale Kurzschlussstrom, den der Schalter sicher abschalten kann. Nach dem Abschalten eines Fehlers dieser Größenordnung ist der Schalter oft nicht mehr betriebsbereit und muss ersetzt werden.
  • Ics: Der Kurzschlussstrom, den der Schalter wiederholt abschalten kann, ohne dass seine Betriebseigenschaften beeinträchtigt werden. In kritischen Industrieanlagen sollte immer Ics = 100% Icu gefordert werden.

Optimierung mit Vexten

Die manuelle Berechnung komplexer Impedanzen nach IEC 60909 ist fehleranfällig. Das Modul Kurzschluss der Vexten-Suite automatisiert diese Berechnungen präzise. In Kombination mit dem Modul Kabeldimensionierung und Strombelastbarkeit stellt Vexten sicher, dass Ihre Anlage thermisch und dynamisch optimal ausgelegt ist.