Fault Current

Ein Fehlerstrom ist der plötzliche, oft massive Stromfluss, der auftritt, wenn sich in einer Schaltung ein unbeabsichtigter Strompfad bildet. Dies geschieht, wenn die Isolierung zusammenbricht, Drähte sich berühren, die sich nicht berühren sollten, oder ein Leiter eine leitende Oberfläche wie ein Metallrahmen oder die Erde kontaktiert. Der Strom folgt dem Weg des geringsten Widerstands, umgeht die normale Last vollständig und kann in einem Bruchteil einer Sekunde Tausende von Ampere erreichen.

Die Größe und Dauer des Fehlerstroms hängen von der Quellenspannung, der Impedanz der Schaltung bis zur Ausfallstelle und dem Widerstand des Fehlerpfads selbst ab. Ein starrer Dreiphasenfehler in einem Hochspannungssystem kann Zehntausende von Ampere liefern; ein einphasiger 120-Volt-Erdschluss kann viel kleiner sein, ist aber trotzdem gefährlich. Die Geschwindigkeit, mit der der Fehlerstrom ansteigt, wird durch die Induktivität in der Schaltung bestimmt, die die Stromänderungsgeschwindigkeit begrenzt. In Schaltungen mit niedriger Impedanz, die direkt von Versorgungsleitungen oder großen Generatoren gespeist werden, kann der Strom seinen Spitzenwert in nur wenigen Zyklen der AC-Wellenform erreichen.

Fehlerströme erzeugen extrem schnell Wärme. Der I2R-Heizeffekt, bei dem die freigesetzte Energie proportional zum Quadrat des Stroms ist, bedeutet, dass bereits wenige hundert Ampere, die Millisekunden lang durch einen kleinen Leiter fließen, die Isolierung zum Rauchen bringen, schmelzen oder entzünden können. Dies ist der Grund, warum Schutzgeräte wie Sicherungen, Leitungsschutzschalter und Relais vorhanden sind: um Fehlerströme zu erkennen und zu unterbrechen, bevor thermische Schäden oder Lichtbogenunfälle auftreten.

Erkennung und Schutz

Schutzrelais erfassen Fehlerströme durch Stromwandler und vergleichen den gemessenen Wert mit voreingestellten Schwellwerten. Elektromechanische Relais reagieren innerhalb von Zehntel-Millisekunden; moderne digitale Relais können Fehler erkennen und Auslösesignale in einstelligen Millisekunden senden. Die Koordination von Schutzgeräten in einem Verteilnetz stellt sicher, dass das kleinste Schutzgerät am nächsten zur Fehlerstelle zuerst abschaltet und nur den fehlerhaften Bereich isoliert, anstatt das gesamte System abzuschalten.

Geräteratings werden in Bezug auf Fehlerstromfestigkeit angegeben, also die maximale Fehlerstromstärke, die ein Gerät aushalten kann, ohne dauerhaft beschädigt zu werden, wenn es für eine definierte Dauer, typischerweise eine bis drei Sekunden, damit beaufschlagt wird. Schaltanlagen, Transformatoren und Sammelschienen müssen alle für die verfügbare Fehlerstromstärke an ihrem Standort ausgelegt sein. Wenn Geräte mit niedrigerer Fehlerstromfestigkeit an einem Standort mit hoher Fehlerstromstärke installiert werden, sind vorgelagerte strombegrenzende Geräte erforderlich, um den durchgelassenen Strom auf akzeptable Werte zu reduzieren.