Kurzschluss oder Erdschluss – Wie man sie unterscheidet

„Der Schutzschalter hat wieder ausgelöst“ ist einer der unbrauchbarsten Sätze bei der Fehlersuche in elektrischen Anlagen, da er zwei sehr unterschiedliche Ereignisse beschreiben kann. Kurzschluss und Erdschluss unterbrechen beide die Stromzufuhr, können beide Wärme und Lichtbögen erzeugen und werden oft fälschlicherweise als „Systemfehler“ bezeichnet. Sie verlaufen jedoch auf unterschiedlichen Wegen, werden von unterschiedlichen Schutzgeräten erfasst, und die falsche Schutzkonfiguration für das eine Ereignis zu wählen und fälschlicherweise anzunehmen, sie decke auch das andere ab, ist ein häufiger – und teurer – Konstruktionsfehler.

Dieser Leitfaden unterscheidet die beiden Fehlerarten auf physikalischer Ebene und ordnet sie anschließend den jeweiligen Schutzeinrichtungen zu, die sie abfangen: Sicherungen und Leitungsschutzschalter bei Kurzschlüssen sowie Fehlerstrom- oder Isolationsüberwachung bei Erdschlüssen. Er richtet sich an EPC-Teams, Schaltschrankbauer und Komponenteneinkäufer, die Schutzsysteme für Elektrofahrzeuge, Solaranlagen und Energiespeichersysteme spezifizieren.

Definition der beiden Fehlertypen

Ein Kurzschluss Ein Kurzschluss ist ein unbeabsichtigter niederohmiger Pfad zwischen zwei Punkten innerhalb desselben Stromkreises, die eigentlich unterschiedliche Potenziale aufweisen sollten – meist zwischen zwei Leitern oder, in einem Gleichstromsystem, zwischen positivem und negativem Sammelschienenleiter. Der Strom nimmt den kürzesten Weg zurück zur Quelle und umgeht dabei die Last vollständig. Da der Strom nur durch den geringen Widerstand der Leitungen begrenzt wird, können Kurzschlussströme innerhalb von Mikrosekunden ein Vielfaches des Nennstroms des Geräts erreichen.

Ein Erdschluss Ein Erdschluss ist ein unbeabsichtigter Pfad zwischen einem stromführenden Leiter und Erde, Gehäusemasse oder einem geerdeten/verbundenen Metallteil – nicht unbedingt zurück zur Quelle. In vielen Systemen (insbesondere bei Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, PV-Strings und Akkus, die üblicherweise einen isolierten oder IT-bezogenen Gleichstromzwischenkreis verwenden) erzeugt ein einzelner Erdschluss keinen hohen Fehlerstrom, da kein geschlossener niederohmiger Stromkreis zurück zur Quelle besteht. Genau deshalb sind Erdschlüsse gefährlich: Sie können lange Zeit unbemerkt bleiben, ohne einen Überstromschutz auszulösen, bis ein zweiter Fehler oder eine Person den Stromkreis gegen Erde schließt.

Warum dasselbe Gerät nicht beides erfassen kann

Man könnte leicht annehmen, dass eine korrekt dimensionierte Sicherung oder ein Schutzschalter für einen Verteilerkasten „ausreichend“ Schutz bietet, da er Kurzschlussströme unterbricht. Das Problem ist jedoch, dass die meisten Erdschlüsse auf einem isolierten Gleichstromzwischenkreis nie genügend Strom erzeugen, um einen Überstromschutz auszulösen – genau das ist ja der Sinn einer isolierten (ungeerdeten) Topologie. Ein Erdschluss in einem IT-System kann unbegrenzt mit wenigen Milliampere Leckstrom bestehen bleiben, während eine 250-A-Sicherung auf einen Fehlerstrom wartet, den sie nie erreichen wird.

Aus diesem Grund kombiniert ein ordnungsgemäß geschütztes DC-System zwei unabhängige Erkennungsstrategien, anstatt sich auf eine einzige zu verlassen:

1. Überstromschutz Sie überwachen die Stromstärke in den Hauptleitern und unterbrechen den Stromfluss, sobald diese einen Schwellenwert überschreitet. Genau das tun Sicherungen, Leitungsschutzschalter und Schütze.
2. Rest- oder Isolierungsüberwachung Es überwacht Stromungleichgewichte (in geerdeten Systemen) oder einen Abfall des Isolationswiderstands gegen Erde (in isolierten/IT-Systemen). Dies ist eine grundlegend andere Messung – sie berücksichtigt nicht die Stromstärke in den Hauptleitern, sondern nur, ob Strom an einer Stelle abfließt, wo er nicht abfließen sollte.

Keine der beiden Schichten kann die andere ersetzen. Ein Ladegerät mit ausgezeichnetem Sicherungsschutz, aber ohne Isolierung oder Fehlerstromüberwachung, kann dennoch durch einen sich langsam entwickelnden Erdschluss, der die Sicherung nicht auslöst, einen tödlichen Stromschlag verursachen.

Kurzschlussschutz: Anpassung des Geräts an die Fehlerenergie

Die Auswahl des Kurzschlussschutzes hängt davon ab, wie schnell das Gerät den Fehler beheben muss und wie viel Energie es gefahrlos durchlassen kann, bevor es dies tut.

• Halbleitersicherungen Sie sind die am schnellsten abschaltenden Geräte für Gleichstromkreise und öffnen typischerweise innerhalb von Mikrosekunden bis wenigen Millisekunden, abhängig von der Fehlerstromstärke. HIITIOs HCHVT500 Serie Diese schnellwirkende Sicherungsfamilie mit einer Nennspannung von 500 V (erhältlich in Nennströmen von ca. 80 A bis über 400 A) wurde speziell zum Schutz von Leistungshalbleiterzweigen und Zwischenkreisen entwickelt, bei denen die durchlassende Energie unterhalb der Nennstromfestigkeit der geschützten Komponente bleiben muss. Da eine Sicherung ein Einwegbauteil ist, wird sie üblicherweise auf Zweigebene, vor den fehlerempfindlichsten Komponenten, platziert.
• Gleichstrom-Leistungsschalterwie beispielsweise HIITIOs HCB2D-Serie UL-zertifizierter DC-Miniatur-Leistungsschalter (Nennspannung bis 1000 V DC, 4-polig, UL-gelistet nach UL 489B mit einem Kurzschlussstrom von 10 kA) bieten eine wiederverwendbare, fernrücksetzbare Alternative für den Schutz von Zuleitungen und Verteileranlagen. Im Gegensatz zu einer Sicherung kann ein Leistungsschalter nach einer Fehlauslösung ohne Austausch der Hardware wieder eingeschaltet werden – allerdings kann er Fehlerenergie in der Regel nicht so schnell abbauen wie eine Halbleitersicherung.
• HVDC-Schützewie beispielsweise die keramikversiegelten Geräte von HIITIO. HCF-Serie (Auslegung bis 1000 V DC und 250 A Dauerstrom in gängigen Konfigurationen), geeignet für normale Schalt- und Trennaufgaben. Ein Schütz ist kein Ersatz für eine Sicherung oder einen Schutzschalter im Kurzschlussfall – seine Lichtbogenkammer und Kontaktkonstruktion sind für das kontrollierte Ein- und Ausschalten unter normalen und mäßigen Überlastbedingungen ausgelegt, nicht für die eigenständige Unterbrechung von Kurzschlussströmen.

HIITIO Produktreferenz

Ein praktischer Koordinierungsansatz:

• Platzieren Sie die Sicherung so nah wie möglich an dem Bauteil, das sie schützt, und dimensionieren Sie sie so, dass ihr Abschaltstrom I²t unterhalb der Kurzschlussfestigkeitsbemessung dieses Bauteils bleibt.
• Dimensionieren Sie den vorgelagerten Leistungsschalter oder Schütz für den Dauer- und Einschaltstrom der Zuleitung und vergewissern Sie sich, dass die Nennspannung für Gleichstrom, die Polarität und das Abschaltvermögen unabhängig voneinander für die Verwendung mit Gleichstrom geprüft wurden – keine dieser Nennwerte lässt sich automatisch von einem Wechselstrom-Typenschild übertragen.
• Prüfen Sie die Selektivität, damit bei einem nachgelagerten Fehler zuerst die nächstgelegene Schutzeinrichtung ausgeschaltet wird, anstatt einen vorgelagerten Leistungsschalter zu öffnen und einen größeren Teil des Systems als nötig stromlos zu machen.

Erdschlusserkennung: Aufspüren von Fehlern, die Überstromschutzgeräte übersehen

Die Erdschlusserkennung basiert auf dem Vergleich von Strömen anstatt auf der Messung der absoluten Stärke, weshalb sie ein eigenes, spezielles Gerät benötigt.

• Reststromwandler Die Vektorsumme des Stroms, der durch eine überwachte Leitergruppe fließt, wird gemessen. Im Normalbetrieb entspricht der Ausgangsstrom dem Rückstrom, die Differenz ist null. Jede Ungleichverteilung deutet darauf hin, dass irgendwo im Stromkreis Strom gegen Erde abfließt. HIITIOs HLB6-A1PV Fehlerstromwandler für EV-Ladegeräte ist ein Fluxgate-basierter, offener Regelkreis-Wandler, der genau nach dieser Spezifikation gefertigt wurde: Er erkennt Gleichstrom-Fehlerströme bis hinunter zu 6 mA und Wechselstrom-Fehlerströme bis hinunter zu 30 mA, erfüllt die Anforderungen des Modus 2 gemäß IEC 62752 und die Anforderungen des Modus 3 RDC-PD gemäß IEC 62955 und ist für überwachte Stromkreise mit 80 A (einphasig) oder 40 A (dreiphasig) ausgelegt – speziell dimensioniert für die Platzierung innerhalb eines EV-Ladegeräts in der Nähe der Stromleitungen oder des Fehlerstromschutzmoduls.
• Isolationsüberwachungsgeräte (IMDs) Bei ungeerdeten Gleichstromsystemen (IT) wird ein anderer Ansatz verfolgt: Anstatt die Unsymmetrie zu messen, wird ein kleines Messsignal eingespeist und der Isolationswiderstand von jedem stromführenden Leiter zur Erde geschätzt. IEC 61557-8 Definiert die Leistungsanforderungen für diese Geräte. Ein IMD kann einen sich langsam entwickelnden Isolationsfehler erkennen, lange bevor er so schwerwiegend wird, dass ein Fehlerstromschutzschalter auslöst.
• A-bewerteter Trennschalterwie beispielsweise HIITIOs HCG4-Serie DC-Trennschalter (Nennspannung 1500 VDC, IEC/EN 60947-3 und GB/T 14048.3-konform, Ui 1500 V, Uimp 12 kV), bietet Technikern eine geprüfte, lastunterbrechungsfähige Möglichkeit, einen Stromkreis nach Feststellung eines Erdschlusses spannungsfrei zu schalten – unabhängig vom Schütz, der für das tägliche Schalten verwendet wird.

Bildquelle: https://powerquality.blog/2023/03/13/ac-equipment-grounding-creating-a-safe-fault-current-path-to-ground/

Ein praktischer Rahmen: Welchen Fehler sehen Sie eigentlich?

Wenn ein Gerät wiederholt auslöst, helfen einige Beobachtungen vor Ort, die Fehlerart einzugrenzen, bevor man zum Multimeter greift:

• Löst unter Last jedes Mal sofort aus, bei gleichem Strom → deutet auf einen Kurzschluss oder eine starke Überlastung der Hauptleitungen hin. Prüfen Sie auf eingeklemmte Kabel, beschädigte Steckverbinder oder defekte Schaltgeräte.
• Die Ausfälle sind unregelmäßig und verschlimmern sich oft bei feuchtem oder nassem Wetter. → deutet auf einen Erdschluss durch feuchtigkeitsbedingte Beschädigung der Isolierung hin. Überprüfen Sie Kabelverschraubungen, Steckerdichtungen und den Schutz des Gehäuses gegen Eindringen von Feuchtigkeit.
• Der Isolationswiderstand sinkt seit Wochen oder Monaten, ohne dass ein Überstrom auslöst. → Ein klassisches Anzeichen für einen sich entwickelnden Erdschluss in einem isolierten System, das ein Überstromschutzgerät von selbst nicht erkennt. Genau für solche Fälle gibt es Fehlerstrom- oder Isolationsüberwachung, um sie frühzeitig zu erkennen.
• Eine Schutzeinrichtung löst aus, aber der gemessene Fehlerstrom stimmt nicht mit einem verschraubten Kurzschluss überein. → Es lohnt sich zu überprüfen, ob es sich bei dem Messwert „Kurzschluss“ tatsächlich um den Reststrompfad handelt, der auf einen Erdschluss reagiert, da manche Techniker die beiden beim Lesen von Auslöseprotokollen verwechseln.

Referenzen zur Einhaltung von Vorschriften, die man griffbereit haben sollte

• NFPA 70, Artikel 250 — Anforderungen an Erdung und Potentialausgleich gemäß dem US National Electrical Code.
• NFPA-70E — Elektrische Sicherheit am Arbeitsplatz, einschließlich der Beurteilung des Störlichtbogenrisikos im Zusammenhang mit der Energie von Kurzschlussereignissen.
• IEC 60364-4-41 — Schutz vor elektrischem Schlag, der internationale Kernbezugspunkt für die Philosophie des Erdschlussschutzes.
• IEC 60947-2 — Allgemeine Anforderungen an Leistungsschalter, einschließlich der Nennwerte für das Kurzschlussausschaltvermögen.
• UL 1053 — Erdschlusserkennungs- und -weiterleitungsgeräte, die nordamerikanische Referenz für Hardware zur Erkennung von Rest-/Erdschlüssen.

Häufig gestellte Fragen

Kann ein Erdschluss zu einem Kurzschluss führen?

Ja. Ein einzelner Erdschluss in einem isolierten System erzeugt oft nur einen geringen oder gar keinen Fehlerstrom. Tritt jedoch ein zweiter Erdschluss an einem anderen Leiter auf, bevor der erste behoben ist, können die beiden Fehler zusammen einen niederohmigen Pfad bilden, der sich wie ein Kurzschluss verhält. Genau deshalb setzen isolierte Gleichstromsysteme auf kontinuierliche Isolations- oder Fehlerstromüberwachung, anstatt auf das Auslösen eines Überstromschutzgeräts durch einen zweiten Fehler zu warten.

Schützt eine Sicherung oder ein Leitungsschutzschalter vor einem Erdschluss?

Nur teilweise und nur in geerdeten Systemen, in denen ein Erdschlussstrom ausreicht, um die Auslöseschwelle des Geräts zu überschreiten. Auf isolierten (IT) Gleichstromschienen – wie sie in Elektrofahrzeug-Akkus, PV-Strings und vielen Gleichstrom-Schnellladegeräten üblich sind – kann ein Erdschlussstrom mit wenigen Milliampere unbegrenzt bestehen bleiben, ohne jemals den Nennstrom einer Sicherung oder eines Schutzschalters zu erreichen. Deshalb benötigen diese Systeme zusätzlich zum Überstromschutz eine dedizierte Fehlerstrom- oder Isolationsüberwachung, nicht anstelle dessen.

Warum benötigen Ladegeräte für Elektrofahrzeuge speziell einen Fehlerstromwandler anstelle eines standardmäßigen Haushalts-FI-Schutzschalters?

Standardmäßige Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (FI-Schalter) für Wechselstrom sind in der Regel nicht geeignet, gleichmäßige Gleichstrom-Fehlerströme zu erkennen, die bei Fehlern im Ladevorgang von Elektrofahrzeugen auftreten können und in manchen Fällen einen nachgeschalteten FI-Schalter für Wechselstrom unempfindlich gegenüber weiteren Leckströmen machen können. Spezielle Messumformer für Ladegeräte von Elektrofahrzeugen, wie beispielsweise der HLB6-A1PV von HIITIO, werden gemäß IEC 62752 und IEC 62955 entwickelt und geprüft, da sie neben Wechselstrom-Fehlerströmen auch Gleichstrom-Fehlerströme bis hinunter zu 6 mA zuverlässig erkennen müssen.

Bietet eine höhere Sicherungs- oder Schutzschalternennleistung einen besseren Schutz vor Erdschlüssen?

Nein – und das ist ein weit verbreiteter Irrtum. Die Nennleistung von Überstromschutzgeräten richtet sich nach Kurzschluss- und Überlaststrom, nicht nach Fehlerstrom. Eine Erhöhung der Nennleistung einer Sicherung oder eines Schutzschalters, um „mehr Szenarien abzudecken“, verbessert die Fehlererkennung nicht und kann die Qualität des Kurzschlussschutzes sogar verringern, da mehr Fehlerenergie durchgelassen wird, bevor der Schutzschalter auslöst.

Wie oft sollte der Isolationswiderstand eines isolierten Gleichstromsystems geprüft werden?

Es gibt kein einheitliches Prüfintervall – es hängt von der geltenden Norm, der Betriebsumgebung des Systems und davon ab, ob bereits eine kontinuierliche Überwachung (mittels IMD) eingerichtet ist. Ein System mit kontinuierlicher, IEC 61557-8-konformer Überwachung ist grundsätzlich sicherer als ein System, das sich ausschließlich auf periodische manuelle Isolationsprüfungen verlässt, da es eine schleichende Verschlechterung zwischen den Prüfintervallen erkennt.

Zwei Fehler, ein umfassender Schutzplan — von HIITIO.

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Zuverlässiger Gleichstromschutz bedeutet, beide Fehlertypen zu erfassen, nicht nur denjenigen, der einen Schutzschalter auslöst. HIITIO fertigt die komplette Schutzkette: HCHVT500 Reihen-Halbleitersicherungen und Gleichstrom-Leistungsschalter der Serie HCB2D zum Schutz vor Kurzschluss und Überstrom, Fehlerstromwandler HLB6-A1PV zur Erdschlusserkennung und die HCG4 Trennschalter zur geprüften Spannungsfreiheit. Jedes Produkt wird mit UL-, CE-, CCC- oder CB-Dokumentation geliefert. Sprechen Sie mit einem HIITIO-Anwendungsingenieur über die richtige Schutzarchitektur für Ihr nächstes DC-Systemdesign.