Kortsluitingen ( 1 )

Nederland en de omringende landen beschikken over een goede en betrouwbare elektriciteitsvoorziening. Toch is het niet te voorkomen, dat door storingen in componenten als nettkabels, huisaansluitkabels, schakelaars en transformatoren kortsluitingen kunnen optreden.
De gevolgen van kortsluitingen kunnen ernstig zijn en aanleiding geven tot netuitval, waar de gebruikers hinder van ondervinden en waardoor economische schade kan ontstaan. Ook kan een kortsluiting brand veroorzaken in installaties, die zich op die manier verder kan uitbreiden.

Oorzaken en maatregelen

Storingen in componenten van de elektriciteitsvoorziening kunnen ontstaan door veroudering, slijtage, werking van de bodem, vocht, fouten door fabrikanten, montagefouten, bedieningsfouten of door weersinvloeden.
Aangezien sommige van deze fouten niet geheel zijn te voorkomen, moet al het mogelijke worden gedaan om onderbrekingen van de stroomvoorziening door storingen te beperken.
De componenten van het elektriciteitsnet en de installaties moeten binnen gestelde grenzen opgewassen zijn tegen de gevolgen van kortsluitingen. Of dit inderdaad het geval is, wordt vastgesteld door proefnemingen in kortsluitlaboratoria, zoals dat bij de KEMA in Arnhem gebeurt.
Ook wordt met uiterst moderne en snelle beveiligingsmiddelen onmiddellijk ingegrepen bij een kortsluiting en het getroffen netgedeelte vrijwel direct afgeschakeld. Hierdoor blijft het materiaal intact en wordt de stroomvoorziening zoveel mogelijk in stand gehouden.

Effecten en grootte van de kortsluitstromen

Een kortsluiting in een elektriciteitsnet wil eigenlijk zeggen, dat - doordat een of meer geleiders direct met elkaar of met aarde in aanraking komen - het in de generatoren G opgewekte elektrische vermogen P niet op de plaats terecht komt waar het wordt verlangd, maar terugkeert via een kortere weg. De afbeelding laat dit op een vereenvoudigde manier zien.
De kortsluitstromen in de hoogspanningsnetten - bedreven door een driefasige wisselspanning van 50 Hertz - kunnen zeer groot zijn. In bijvoorbeeld het 380 kV-net zijn tegenwoordig al kortsluitstromen van 63 kA mogelijk. In 10 kV-netten wordt op kortsluitstromen van 25 kA gerekend. In de laagspanningsnetten voor 400/230 V kunnen direct achter de nettransformatoren soms wel kortsluitstromen van ruim 20 kA worden verwacht.
Hoewel door de hoge kwaliteit van het schakelmateriaal, de leidingen en de beveiligingsmiddelen al te grote schade wordt voorkomen, is het onvermijdelijk, dat de kortsluitstroom gedurende een aantal milliseconden werkzaam is en twee belangrijke effecten teweeg brengt, namelijk warmte-ontwikkeling en krachtwerking.

Warmte-ontwikkeling

Door de lage ohmse weerstand van de schakelaars en toevoerleidingen naar de kortsluitplaats, zal bij een kortsluiting de stroom I - die eerst een normale waarde had - overgaan in de soms tot enkele duizenden ampères ( kA’s ) oplopende kortsluitstroom I _k zoals schematisch weergegeven in de afbeelding. Het gevolg hiervan is, dat zich binnen zeer kort tijd hoge temperaturen zullen ontwikkelen in de netcomponenten.
De warmte-ontwikkeling door een stroom wordt bepaald door het kwadraat van de stroom I, de ohmse weerstand R van de componenten en de tijd t, dat de effectieve kortsluitstroom I _k aanwezig is, geschreven als:

• Q = I ² _k · R · t ( Joule )

Tegen deze warmte-ontwikkeling zijn te krap bemeten doorsneden van leidingen niet bestand en slecht contactmakende verbindingen lassen vast of branden weg. Dit wegbranden gebeurt in onderdelen van seconden en heeft soms het karakter van een explosie.
Aangezien kortsluitstromen van korte duur zijn, treedt een zogenaamd adiabatisch effect op, wat wil zeggen, dat de temperatuurstijging ( ΔT ) zó snel gaat, dat er nauwelijks warmte aan de omgeving wordt afgestaan. Bij een kortsluiting is een temperatuurstijging ΔT van 200 of 300 K dan ook geen zeldzaamheid.
De componenten die aan de gestelde eisen voldoen, zullen dergelijke kortstondige temperatuurverhogingen wel doorstaan, hoewel er duidelijke bovengrenzen worden gehanteerd die niet mogen worden overschreden.
In installaties met niet-goedgekeurde materialen en componenten, of bij slecht onderhouden installaties, kan een kortsluiting brandgevaar opleveren.

Krachtwerking

Voorafgaand aan de temperatuurstijging in de leidingen en de componenten, treden door de kortsluitstroom I _k ook elektrodynamische krachten op die soms gevaarlijk groot kunnen worden. Door de enorme kortsluitstromen ontstaan namelijk grote elektromagnetische velden rondom de geleiders. Afhankelijk van de stroomrichting en de positie van deze geleiders zullen dichtbij gelegen, parallellopende geleiders door de kortsluitstroom uit elkaar worden gedreven of juist naar elkaar worden getrokken, zoals op de afbeeldingen te zien is.

De stroomrichting in een geleider wordt aangegeven met een x als de stroom van ons af vloeit ( achterzijde van een pijl ) en met een · als de stroom naar ons toekomt ( voorzijde van een pijl ).
De optredende krachten worden - net als bij de warmte-ontwikkeling - voornamelijk bepaald door het kwadraat van de kortsluitstroom I _k, waarbij in dit geval de topwaarde van de kortsluitstroom I _ktop bepalend is voor de grootste optredende krachten. Zo’n topwaarde - die meestal een grootte heeft van 2,5 tot 2,75 x de effectieve kortsluitstroom
I _k - is aanwezig in het geval van een zogenaamde asymmetrische kortsluitstroom. Deze treedt op als overgangsverschijnsel op het moment dat de fasespanning
U _f = 0 en de stroom I van normaal bedrijf overgaat in de kortsluitstroom I _k.
Op de afbeelding is een grafiek weergegeven van een asymmetrische kortsluitstroom, gemaakt bij beproevingen van aardingsmateriaal voor 10 kV-installaties.
De kortsluitproef werd uitgevoerd bij een netfrequentie van 50 Hertz ( Hz ), zoals dat uit de grafiek kan worden afgelezen.
Bij deze proef was de effectieve waarde van de kortsluitstroom I _k = 58 kA en de asymmetrische kortsluitstroom I _ktop = 159 kA, dus ruim 2,7 x I _k.
Aangezien in deze gevallen de topwaarde maximaal is en de krachten – zoals eerder al aangegeven - door de topwaarde worden bepaald, zullen de krachten door deze pieken aanzienlijk zijn, zoals uit volgend rekenvoorbeeld duidelijk wordt.

Rekenvoorbeeld

Direct achter een nettransformator van 630 kVA, treedt tussen twee rails van een railstelsel in een hoofdverdeelkast een effectieve kortsluitstroom I _k op van 22 kA, ingeleid door een asymmetrische kortsluitstroom I _ktop van 55 kA. Deze stroom zal in de eerste perioden van de kortsluiting grote krachten veroorzaken. Uit berekeningen blijkt, dat de resulterende kracht F op de rails per meter = 6.050 N is bij een afstand a tussen de rails van 10 cm. De stromen zijn tegengesteld ten opzichte van elkaar, waardoor de rails uit elkaar worden gedreven.
Aangezien de krachten op de rails van een hoofdverdeelkast komen te staan, zal er veel aandacht moeten worden besteed aan het opvangen van deze krachten. Bij verkeerd gemonteerde of slecht ondersteunde geleiders, kunnen deze sterk vervormen en grote schade aanrichten.

Stroomrichting en aansluitingen

Als de kortsluitstroom I _k na een halve periode van richting omkeert - zoals dat bij wisselstroom het geval is- blijven de stromen tegengesteld ten opzichte van elkaar, waardoor in dit geval dus ook de krachten F elkaar blijven afstoten, zoals ook op voorgaande afbeelding te zien is.
Bij een aansluiting die een haakse bocht maakt, zullen de op elkaar inwerkende krachten F op de geleiders proberen de geleider recht te trekken. Om problemen te voorkomen, worden om die reden de aansluitingen op hoogspanningscomponenten altijd zo recht mogelijk uitgevoerd, zonder al te veel bochten. Is dit om een of andere reden niet goed mogelijk, dan worden extra steunpunten aangebracht.

Kortsluitstromen bij accu’s

Ook bij toepassing van gelijkstroom kunnen, afhankelijk van de grootte van de voedingsbron respectabele kortsluitstromen optreden.
Grote stationaire accubatterijen voor bijvoorbeeld een noodstroomvoeding - meestal UPS = Uninterruptible Power Supply genoemd - die bij grote computerruimten worden toegepast, bezitten soms een capaciteit van 250 Ah *) of meer bij een spanning van 400 volt.
Als bij zo’n grote accubatterij een directe kortsluiting op de aansluitklemmen aanwezig is, dan gaat er een kortsluitstroom I _k vloeien van ongeveer 8500 A ( = 8,5 kA ).
In een schakelkast op bijvoorbeeld 10 meter afstand, is I _k - afhankelijk van de elektrische weerstand van de gebruikte kabel - gereduceerd tot ongeveer 7 kA, en op 100 meter afstand is I _k tot 3 kA. Dit zijn nog steeds respectabele stromen, die natuurlijk op een selectieve manier beveiligd dienen te worden met smeltveiligheden of installatie-automaten.
Bij een personenauto ligt de capaciteit van de accubatterij meestal in de orde van 45 Ah. Een directe kortsluiting op de klemmen van deze accubatterij geeft een kortsluitstroom I _k van ongeveer 1,5 kA, dus ook een stroom om rekening mee te houden. Bij het achterlicht van de auto is door de inwendige weerstand van de kabels I _k de kortsluitstroom gereduceerd tot circa 400 A.
Dergelijke stromen kunnen leiden tot ernstige brandwonden als de kortsluitstroom door bijvoorbeeld een aan een vinger gedragen ring loopt of bij onzorgvuldig gebruik van steeksleutels of ander gereedschap van metaal.

---

* ) De capaciteit van een accubatterij ( Ah ) geeft aan, hoeveel ampère ( A ) er gedurende een aantal uren ( h ) kan worden afgenomen, zonder dat er behoeft te worden bijgeladen.