Wie berechnet man den maximalen Kurzschlussstrom in Anlagen?

Den maximalen Kurzschlussstrom in einer Anlage berechnet man, indem man die Quellspannung durch die Summe aller Impedanzen im Fehlerstromkreis dividiert. Grundlage ist dabei die Norm IEC 60909, die ein standardisiertes Berechnungsverfahren mit Spannungsfaktor c vorschreibt. Die Berechnung ist Pflicht bei jeder Planung, Erweiterung oder Modernisierung elektrischer Anlagen, um Schutzeinrichtungen korrekt auszulegen und die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen rund um die Kurzschlussberechnung.

Welche Faktoren beeinflussen den maximalen Kurzschlussstrom?

Der maximale Kurzschlussstrom in einer Anlage wird vor allem durch die Netzspannung, die Impedanzen aller Betriebsmittel im Fehlerstromkreis sowie die Netztopologie bestimmt. Je niedriger die Gesamtimpedanz und je höher die Netzspannung, desto größer fällt der Kurzschlussstrom aus.

Im Einzelnen spielen folgende Faktoren eine entscheidende Rolle:

Netzimpedanz: Die Impedanz des vorgelagerten Versorgungsnetzes, die vom Netzbetreiber als Anfangskurzschlussleistung oder Kurzschlussimpedanz angegeben wird, bildet die Basis jeder Berechnung.
Transformatorimpedanz: Jeder Transformator bringt eine eigene Kurzschlussspannung u_k mit, die direkt in die Gesamtimpedanz einfließt. Ein Transformator mit niedriger u_k erhöht den möglichen Kurzschlussstrom erheblich.
Kabel- und Leitungsimpedanzen: Länge, Querschnitt und Material der Leitungen bestimmen deren ohmschen Widerstand und induktiven Anteil. Kurze, dicke Kabel reduzieren die Impedanz und erhöhen damit den Kurzschlussstrom.
Betriebsmittelkonfiguration: Ob Betriebsmittel in Reihe oder parallel geschaltet sind, verändert die resultierende Impedanz grundlegend.
Betriebstemperatur: Leiter erwärmen sich im Betrieb, was ihren ohmschen Widerstand erhöht. Für den maximalen Kurzschlussstrom rechnet man mit minimaler Betriebstemperatur, also dem niedrigsten Widerstand.

Für Industrieanlagen ist besonders relevant, dass lokale Generatoren oder große Motoren als Kurzschlussquellen wirken können und den Fehlerstrom zusätzlich speisen. Diese Einspeisungen müssen bei der Kurzschlussberechnung berücksichtigt werden, da sie den maximalen Kurzschlussstrom deutlich erhöhen. Mehr zu den Grundlagen moderner Energie- und Anlagentechnik finden Sie in unserem Leistungsbereich.

Welche Normen gelten für die Kurzschlussberechnung in Deutschland?

In Deutschland ist die IEC 60909 (national umgesetzt als DIN EN 60909) die maßgebliche Norm für die Berechnung von Kurzschlussströmen in Drehstromnetzen. Sie gilt für Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungsanlagen und legt das Verfahren der Ersatzspannungsquelle an der Fehlerstelle fest.

Ergänzend dazu sind folgende Regelwerke relevant:

DIN VDE 0100-430: Schutz von Kabeln und Leitungen bei Überströmen, einschließlich Kurzschlussschutz.
DIN VDE 0100-530: Auswahl und Errichtung von Schaltgeräten und Steuergeräten, deren Auslegung auf dem Kurzschlussstrom basiert.
DIN EN 61439 (VDE 0660-600): Normenreihe für Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen, die Anforderungen an die Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen und NSHV-Anlagen stellt.
Technische Anschlussbedingungen (TAB): Die Netzbetreiber geben in ihren TAB die Netzdaten vor, die als Eingangsgrößen in die Kurzschlussberechnung einfließen.

Die IEC 60909 definiert dabei zwei wesentliche Berechnungsgrößen: den maximalen Kurzschlussstrom für die Auslegung von Schutzeinrichtungen und den minimalen Kurzschlussstrom für den Nachweis der Schutzwirkung. Wer Anlagen in Deutschland plant oder erweitert, kommt an diesen Normen nicht vorbei.

Wie berechnet man den Kurzschlussstrom nach IEC 60909 Schritt für Schritt?

Die Kurzschlussberechnung nach IEC 60909 folgt einem definierten Verfahren, das auf der Methode der Ersatzspannungsquelle basiert. Der Kurzschlussstrom wird dabei nicht aus dem tatsächlichen Betriebszustand, sondern aus einer normierten Ersatzspannung ermittelt.

Das Vorgehen lässt sich in folgende Schritte gliedern:

Netzdaten erfassen: Spannung U_n, Frequenz, Anfangskurzschlussleistung S_k“ des vorgelagerten Netzes sowie Daten aller relevanten Betriebsmittel (Transformatoren, Leitungen, Motoren) zusammenstellen.
Spannungsfaktor c festlegen: Die IEC 60909 schreibt vor, mit einer normierten Ersatzspannung c × U_n / √3 zu rechnen. Für den maximalen Kurzschlussstrom gilt c_max = 1,05 bei Niederspannung bis 1000 V (bei Toleranzen bis +6 % gilt c_max = 1,10) und c_max = 1,10 bei Mittelspannung.
Impedanzen berechnen: Alle Impedanzen werden auf eine gemeinsame Spannungsebene umgerechnet. Für Transformatoren gilt: Z_T = (u_k / 100) × (U_n² / S_r). Für Leitungen: Z_L = (R + jX) × Länge.
Gesamtimpedanz ermitteln: Alle Impedanzen im Fehlerstromkreis werden vektoriell addiert: Z_ges = √(R_ges² + X_ges²).
Anfangskurzschlusswechselstrom berechnen: I_k“ = (c × U_n) / (√3 × Z_ges). Dieser Wert ist der maßgebliche maximale Kurzschlussstrom für die Auslegung von Schutzgeräten.
Stoßkurzschlussstrom ermitteln: Für mechanische Beanspruchungen wird der Stoßkurzschlussstrom i_p = κ × √2 × I_k“ berechnet, wobei κ vom R/X-Verhältnis abhängt.
Ergebnisse dokumentieren und prüfen: Die berechneten Werte werden mit den Schaltfestigkeiten der eingesetzten Betriebsmittel verglichen und in der Anlagendokumentation festgehalten.

Für komplexe Netze mit mehreren Einspeisungen oder Ringspeisungen empfiehlt sich der Einsatz spezialisierter Netzberechnungssoftware, die das IEC-Verfahren automatisiert abbildet. Ergänzend dazu bieten moderne Lösungen aus der Steuerungs- und Automatisierungstechnik wertvolle Unterstützung bei der laufenden Überwachung elektrischer Anlagen.

Was ist der Unterschied zwischen dem maximalen und minimalen Kurzschlussstrom?

Der maximale Kurzschlussstrom beschreibt den höchstmöglichen Fehlerstrom unter ungünstigsten Bedingungen und dient der Auslegung von Schutzgeräten auf thermische und dynamische Belastbarkeit. Der minimale Kurzschlussstrom ist der kleinstmögliche Fehlerstrom und wird benötigt, um sicherzustellen, dass Schutzeinrichtungen im Fehlerfall tatsächlich ansprechen.

Beide Werte werden nach IEC 60909 mit unterschiedlichen Eingangsparametern berechnet:

Maximaler Kurzschlussstrom: Spannungsfaktor c_max, minimale Impedanzen (kalte Leiter, günstige Netzkonfiguration), alle parallel laufenden Einspeisungen aktiv.
Minimaler Kurzschlussstrom: Spannungsfaktor c_min = 0,95 bei Niederspannung, maximale Impedanzen (warme Leiter bei Betriebstemperatur), ungünstige Netzkonfiguration, reduzierte Einspeisung.

In der Praxis ist der minimale Kurzschlussstrom besonders wichtig für den Nachweis des Leitungsschutzes. Ein Schutzschalter muss bei einem Kurzschluss am Ende der Leitung sicher auslösen. Ist der minimale Kurzschlussstrom dort zu gering, löst der Schutzschalter möglicherweise nicht schnell genug aus, und die Leitung kann überhitzen. Beide Werte gemeinsam bilden damit das vollständige Bild der elektrischen Sicherheit einer Anlage.

Welche Fehler passieren häufig bei der Kurzschlussberechnung?

Bei der Kurzschlussberechnung passieren in der Praxis immer wieder dieselben Fehler, die zu einer Unter- oder Überdimensionierung von Schutzeinrichtungen führen. Die häufigsten davon sind das Vergessen von Einspeisungen, eine falsche Impedanzumrechnung und die Nutzung veralteter Netzdaten.

Konkret treten folgende Fehler besonders häufig auf:

Motoreinspeisungen ignorieren: Große Elektromotoren speisen im Kurzschlussfall Strom zurück ins Netz. Werden sie nicht als Kurzschlussquellen erfasst, wird der tatsächliche Kurzschlussstrom unterschätzt.
Falscher Spannungsfaktor c: Das Verwechseln von c_max und c_min oder die Anwendung des falschen Werts für die jeweilige Spannungsebene führt zu systematischen Berechnungsfehlern.
Impedanzumrechnung auf falsche Bezugsspannung: Bei Netzen mit mehreren Spannungsebenen müssen alle Impedanzen auf eine gemeinsame Bezugsspannung umgerechnet werden. Fehler dabei verzerren das gesamte Ergebnis.
Veraltete Netzdaten des Netzbetreibers: Die Kurzschlussleistung des vorgelagerten Netzes ändert sich durch Netzausbau oder -umbau. Wer mit alten Werten rechnet, riskiert eine falsche Auslegung.
Kabeltemperatur nicht berücksichtigt: Für den maximalen Kurzschlussstrom müssen Leitungswiderstände bei Mindesttemperatur angesetzt werden. Das Rechnen mit Nenntemperatur unterschätzt den maximalen Fehlerstrom.
Leitungsimpedanzen vernachlässigt: Gerade bei kurzen, dicken Kabeln in der Niederspannung wird der Impedanzanteil der Leitungen manchmal als vernachlässigbar eingestuft, obwohl er das Ergebnis spürbar beeinflusst.

Ein weiterer häufiger Fehler ist die fehlende Aktualisierung der Kurzschlussberechnung bei Anlagenerweiterungen. Wer neue Transformatoren, Einspeisungen oder Leitungsabschnitte hinzufügt, ohne die Berechnung zu aktualisieren, verlässt sich auf Werte, die die tatsächliche Anlage nicht mehr korrekt abbilden.

Wann sollte man die Kurzschlussberechnung von einem Fachbetrieb durchführen lassen?

Eine Kurzschlussberechnung durch einen Fachbetrieb ist immer dann notwendig, wenn die Anlage eine gewisse Komplexität überschreitet, normative Nachweispflichten bestehen oder sicherheitsrelevante Entscheidungen auf den Ergebnissen basieren. Für einfache, überschaubare Anlagen kann eine interne Berechnung ausreichen, bei industriellen Produktionsanlagen ist ein Fachbetrieb jedoch der Standard.

Konkrete Situationen, in denen ein Fachbetrieb hinzugezogen werden sollte, sind:

Neuplanung industrieller Anlagen: Bei der Planung neuer Produktionslinien oder Fertigungsanlagen muss die Kurzschlussberechnung die gesamte elektrische Infrastruktur abbilden, inklusive Mittelspannungseinspeisung, Transformatoren und Unterverteilungen.
Anlagenerweiterungen und Modernisierungen: Jede Erweiterung verändert die Impedanzverhältnisse im Netz. Ohne aktualisierte Berechnung können bestehende Schutzgeräte für den neuen Kurzschlussstrom ungeeignet sein.
Behördliche Nachweise und Abnahmen: Für Genehmigungsverfahren oder die Abnahme durch den Netzbetreiber ist eine normgerechte, dokumentierte Kurzschlussberechnung nach IEC 60909 erforderlich.
Schaltanlagen mit hohen Kurzschlussströmen: Anlagen mit Kurzschlussströmen im Bereich mehrerer Kiloampere erfordern eine präzise Auslegung aller Betriebsmittel auf thermische und dynamische Festigkeit.
Netzanalyse nach Störfällen: Nach einem Kurzschlussereignis hilft eine Neuberechnung dabei, die Ursache zu verstehen und die Schutzkonzeption zu überprüfen.

Wie wir bei der Kurzschlussberechnung und Anlagenauslegung unterstützen

Als Spezialist für Energieverteilungssysteme und industrielle Elektrotechnik übernehmen wir bei KSV die vollständige Kurzschlussberechnung und Anlagenauslegung für Produktions- und Fertigungsbetriebe. Unsere Leistung umfasst dabei den gesamten Strang der Energieverteilung, von der Mittelspannungseinspeisung bis zur Unterverteilung. Einen Überblick über unser Leistungsspektrum und unsere Kompetenzen finden Sie auf unserer Unternehmensseite.

Konkret unterstützen wir Sie mit:

Normgerechter Kurzschlussberechnung nach IEC 60909 für Niederspannungs- und Mittelspannungsanlagen, inklusive vollständiger Dokumentation
Netzberechnung und Netzanalyse für komplexe industrielle Netze mit mehreren Einspeisungen, Transformatoren und Motorlasten
Planung und Dimensionierung von Niederspannungshauptverteilungen (NSHV) und Schaltanlagen bis 7.000 Ampere
Mittelspannungsschaltanlagen und Transformatoren als Teil einer ganzheitlichen Energieverteilungslösung
Energiemanagement und Gebäudeleittechnik zur lückenlosen Überwachung und Steuerung der gesamten elektrischen Infrastruktur
Modernisierung bestehender Anlagen mit aktualisierter Schutzkonzeption und normgerechter Nachweisführung

Mit über 45 Jahren Erfahrung in der Elektrotechnik und einem Team von mehr als 185 Fachleuten realisieren wir Projekte jeder Größenordnung, branchenunabhängig und immer aus einer Hand. Sprechen Sie uns an, wenn Sie eine zuverlässige Kurzschlussberechnung oder eine vollständige Anlagenplanung benötigen. Wir freuen uns auf Ihre Anfrage.