Oberschwingungen Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

Leitfaden Netzqualität Oberschwingungen Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen 3.5.1 Oberschwingungen Oberschwingungen Au...
Author: Brit Müller
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Leitfaden Netzqualität

Oberschwingungen Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

3.5.1

Oberschwingungen

Oberschwingungen Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen Prof. Angelo Baggini, Università di Bergamo Prof. Jan Desmet, Hogeschool West-Vlaanderen Übersetzung: Deutsches Kupferinstitut, August 2004

Diese Schrift wurde im Rahmen der Leonardo Power Quality Initiative (LPQI) erstellt, eines europäischen Ausbildungs- und Übungsprogramms unter der Schirmherrschaft und mit Unterstützung des Leonardo da Vinci Programms der Europäischen Union und der ICA International Copper Association. Weitere Informationen finden Sie unter: www.lpqi.org.

Deutsches Kupferinstitut (DKI) Das Deutsche Kupferinstitut wurde 1927 als zentrale technisch-wissenschaftliche Auskunfts- und Beratungsstelle für Kupfer und Kupferlegierungen in Deutschland gegründet. Gegenstand und Anliegen seiner Beratungstätigkeit ist die Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen. Hier geht es um die Erhaltung herkömmlicher und um die Erschließung neuer Anwendungsgebiete. Das Deutsche Kupferinstitut sammelt und verbreitet zu diesem Zweck alle zugänglichen Informationen aus Wissenschaft, Technologie und Praxis. Sein Ziel ist es, die dort gewonnenen Kenntnisse und Erfahrungen einem breiten Publikum bekannt zu machen und zu erläutern, und somit den allgemeinen Wissensstand und die Wertschätzung von Kupfer und Kupferlegierungen zu fördern und zu festigen. Das Deutsche Kupferinstitut ist seit 1995 auch im Internet unter www.kupferinstitut.de und bei direkten Fragen per E-mail unter [email protected] zu erreichen. So können Informationen und Daten zum Werkstoff Kupfer und seinen Legierungen rund um die Uhr direkt abgefragt werden.

European Copper Institute (ECI) Das Europäische Kupferinstitut ECI wird getragen von Mitgliedswerken der ICA (International Copper Association) und dem IWCC (International Wrought Copper Council, einem Zusammenschluss der Halbzeugwerke). Auf Basis dieser Mitgliederschaft handelt das ECI im Interesse der weltgrößten Kupfer-Erzeuger und der führenden europäischen Halbzeugwerke für den Einsatz von Kupfer. Seit seiner Gründung im Januar 1996 bündelt es die Aktivitäten eines Netzwerks aus 10 nationalen Kupferzentren in Benelux, Deutschland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Italien, Polen, Skandinavien, Spanien und Ungarn und setzt die Aktivitäten fort, die 1959 von der Copper Products Development Association und 1961 von der INCRA (International Copper Research Association) begonnen wurden. Haftungsausschluss Der Inhalt dieses Projekts gibt nicht notwendigerweise die Meinung der Europäischen Union wieder, noch zeichnet diese in irgendeiner Weise hierfür verantwortlich. ECI und DKI übernehmen keine Verantwortung für irgendwelche direkten oder indirekten Folge- oder Zufallsschäden, die aus dem sachgemäßen oder unsachgemäßen Gebrauch der in dieser Veröffentlichung enthaltenen Informationen und Daten entstehen. Copyright© European Copper Institute und Deutsches Kupferinstitut. Ungekürzter Nachdruck bei korrekter Angabe der Quelle erlaubt. LPQI wird in Deutschland durch die Mitglieder der nationalen Partnerschaft unterstützt:

Oberschwingungen Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen Einleitung Dieser Band beschreibt die Auslegung des Neutralleiters bei Auftreten von Netzqualitäts-Problemen wie Strömen der Oberschwingungen durch 3 teilbarer Ordnungszahlen. Dies kommt vor allem in Niederspannungsnetzen zum Tragen, in denen die Oberschwingungs-Belastung durch einphasige Lasten zunehmend zum Problem wird. Oberschwingungsströme durch 3 teilbarer Ordnungen addieren sich linear im Neutralleiter statt sich gegenseitig auszulöschen, wie es bei der Grundschwingung und bei anderen Oberschwingungsströmen der Fall ist. Das Ergebnis sind Neutralleiterströme, die deutlich höher sind als die zugehörigen Außenleiterströme, typischerweise bis zu 170 % des Außenleiterstroms. Die Auswahl der Leiterquerschnitte wird in IEC 60364, Teil 5-52 »Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Kabel- und Leitungsanlagen« geregelt. Diese Norm beinhaltet Bestimmungen und Empfehlungen zur Auswahl der Leiterquerschnitte nach Laststrom, Isolierstoff des Kabels, Verlegeart und Umgebungs-Bedingungen. Dort werden normative Bestimmungen zur Auswahl des Neutralleiter-Querschnitts beim Auftreten von Strom-Oberschwingungen sowie im Anhang D einige informative Hinweise gegeben. Die nationalen Normen lehnen sich eng an die IEC 60364 an, wenn auch mit erheblichem zeitlichem Versatz, so dass die meisten nationalen Normen die Bemessung von Neutralleitern noch nicht erschöpfend behandeln. Da nur wenige ElektroHandwerker und Planer Zugang zu IEC-Normen haben und sich auf ihre eigenen nationalen Normen stützen, müssen sie sich bei der Bemessung der Neutralleiter-Querschnitte auf ihre eigene Fachkenntnis und ihre Erfahrung verlassen. Dieser Band möchte zur Klärung der Sache beitragen und die Belange der IEC einem breiteren Publikum zugänglich machen.

Theoretischer Hintergrund In einem im Stern verschalteten DreiphasenSystem stellt der Neutralleiterstrom die Vektorsumme der drei Außenleiterströme dar. Bei einem symmetrischen, sinusförmigen Drehstromsystem ist diese Summe und somit der Neutralleiterstrom zu jedem Zeitpunkt gleich null (Bild 1). In einem Einphasenlasten speisenden Drehstromnetz ist der Neutralleiterstrom selten null, weil die Belastungen der Außenleiter sich unterscheiden. Gewöhnlich ist die Differenz jedoch gering und in jedem Fall weit geringer als jeder der Außenleiterströme (Bild 2). Bei der Versorgung nicht linearer Lasten ist selbst bei symmetrischer Aufteilung auf die 3 Außenleiter eine erhebliche Belastung des Neutralleiters wahrscheinlich. Bei nicht sinusförmigen Außenleiterströmen ist deren Summe selbst bei gleichen Effektivwerten nicht notwendigerweise gleich null. Beispielsweise drei Ströme gleichen Effektivwerts von rechteckiger Kurvenform bilden einen erheblichen Neutralleiterstrom aus (Bild 3).

Bild 1: Bei symmetrischer dreiphasiger Last ist der Neutralleiterstrom gleich null

Tatsächlich sind die Außenleiterstrom-Anteile dritter Oberschwingung (und aller anderen Oberschwingungen durch 3 teilbarer Ordnungen – die sechste, neunte usw.) alle phasengleich, sind also Komponenten eines Nullsystems und addieren sich somit arithmetisch auf, statt sich vektoriell auszulöschen (siehe Bild 4). Bild 2: Bei unsymmetrischer dreiphasiger Last ist der Neutralleiterstrom nicht gleich null, aber kleiner als der größte Außenleiterstrom

Der Neutralleiterstrom kann auf Grund der dritten Oberschwingung den netzfrequenten Außenleiterstrom übersteigen.

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Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

Die Anforderungen der Norm IEC 60364-5-52:2001, »Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 5-52: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Kabel- und Leitungsanlagen« befasst sich mit der sicheren VerteilungsErrichtung aus dem Blickwinkel der Installationstechnik und Leiterquerschnitt-Bemessung. Die Verlegeart bestimmt häufig die thermischen Betriebs-Bedingungen des Kabels und beeinflusst daher die Stromtragfähigkeit der Leitung oder des Stromkreises. Sofern Kabel verschiedener Kreise gemeinsam auf einer Pritsche, in einem Kanal oder Schacht untergebracht sind, setzt sich die Belastbarkeit der einzelnen Leitung wegen der gegenseitigen Erwärmung herab. In anderen Worten wird die Belastbarkeit eines Kabels bestimmt durch die vom Stromfluss erzeugte Wärmeleistung und die durch Konvektion mögliche Wärme-Abfuhr. Gemeinsam bestimmen diese Größen die Betriebstemperatur des Kabels, die natürlich nicht die jeweils zulässigen Grenzen für den Isolierstoff überschreiten darf, 70 °C für Thermoplaste (wie PVC) oder 90 °C für Duroplaste (wie XLPE). Die in der Norm angegebenen Bemessungswerte und Korrekturfaktoren beruhen auf von typischen Bedingungen ausgehenden praktischen Untersuchungen und theoretischen Berechnungen und müssen gegebenenfalls an die jeweils bekannten Verlege-Bedingungen angepasst werden. Da das Auftreten von Oberschwingungen durch 3 teilbarer Ordnung im Neutralleiter erhöhte Wärme-Entstehung mit sich bringt, muss dies in der Auswahl der Kabelquerschnitte berücksichtigt werden.

Bild 3: Bei nicht linearer, wenn auch symmetrischer, dreiphasiger Last ist der Neutralleiterstrom nicht null und kann wegen der Nullsystem-Komponenten sogar größer als der Außenleiterstrom werden

Die IEC 60364-5-524 nimmt Bezug auf die Bemessung des Neutralleiter-Querschnitts bei nicht sinusförmigen Strömen. Abschnitt 524.2 gibt an, der Neutralleiter müsse mindestens den gleichen Querschnitt haben wie die Außenleiter ◆



in Zweileiter-Einphasenkreisen und für alle Leiterquerschnitte in Mehrphasenkreisen und in DreileiterEinphasenkreisen (also Einphasenkreisen mit Mittel-Anzapfung als Neutralleiter), wenn der Außenleiter-Querschnitt ≤16 mm2 für Kupfer oder ≤ 25 mm2 für Aluminium ist.

Abschnitt 524.3 legt fest, dass bei anderen Mehrphasen-Stromkreisen der Neutralleiter mit vermindertem Querschnitt ausgeführt werden darf, wenn alle folgenden Bedingungen erfüllt sind: ◆

Der größte im bestimmungsgemäßen Betrieb zu erwartende Neutralleiterstrom, einschließlich Oberschwingungen, wenn vorhanden, ist nicht größer als die StromBelastbarkeit der reduzierten Leiterquerschnittsfläche des Neutralleiters.

Bild 4: Ströme der dritten Oberschwingung im Neutralleiter

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Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen



Der Neutralleiter ist vor Überstrom geschützt.



Der Neutralleiter besteht aus mindestens 16 mm2 Kupfer oder 25 mm2 Aluminium.

Dies sind normative Abschnitte – in anderen Worten: Diese Festlegungen müssen zur Einhaltung der Norm befolgt werden. Die Einhaltung dieser Kriterien erfordert jedoch die Kenntnis der Art und Anzahl nach Inbetriebnahme zu betreibender Lasten – leider liegt diese Information selten vor. Die Norm verfügt aber auch über einen informativen Anhang – als Hilfestellung und Leitfaden für den Planer statt als Vorschrift gedacht – in dem eine Methode der richtigen Kabel-Bemessung angegeben ist. Der vorliegende Band gibt den Anhang der Norm wieder, erweitert um ausgearbeitete Beispiele und einige Beobachtungen bezüglich Nennwert-Reduktion bei gemeinsamer Führung und Spannungsfall.

Normative Richtlinien Die Funktionsfähigkeit eines elektrischen Betriebsmittels oder Leitungswegs lässt sich durch auf das Netz, auf die speisende Quelle oder auf die Last einwirkende Störungen erheblich beeinflussen. Von allen auf Starkstromleitungen einwirkenden elektromagnetischen Störungen stellt das Vorhandensein von Oberschwingungsströmen eine der wichtigsten dar. Deren Auswirkungen kann Überlastung der Außenleiter wie des Neutralleiters zur Folge haben. Hier soll die Auslegung des Neutralleiters betrachtet werden. Dabei ist zu beachten, dass die Belastungstabellen in den Normen viele Annahmen treffen, und dass es in der Verantwortung des Planers liegt zu beurteilen, wann diese Voraussetzungen nicht erfüllt sind, um angemessene Ausgleichs-Maßnahmen zu treffen. Die wichtigste Annahme ist, dass in einem 4- oder 5-Leiter-Kabel nur 3 Leiter Strom führen; mit anderen Worten, es wird von symmetrischer linearer Last ausgegangen. Im Falle unsymmetrischer, aber linearer Last fließt der Unsymmetriestrom im Neutralleiter, was jedoch dadurch ausgeglichen wird, dass mindestens ein Außenleiter geringer belastet wird. Unter der Annahme, kein Außenleiter werde überlastet, wird die normale Verlustwärme im Kabel nicht überschritten. Im Falle nicht linearer Last tritt aber ein Neutralleiterstrom auf, der zusätzlich zur vollen Last jedes Außenleiters zur Verlustwärme beiträgt. Unter den beschriebenen Bedingungen verzerrten Stroms ist die Verlustwärme in den Leitern größer als unter idealen linearen Verhältnissen, und die Belastbarkeit der Leitung ist entsprechend niedriger. Darüber hinaus kann der in Folge der in der Vergangenheit im Gebäude-Bestand oftmals im Querschnitt geminderte Neutralleiter überlastet werden, ohne dass der Neutralleiterstrom überhaupt die Höhe des Außenleiterstroms erreicht. Der Neutralleiterstrom lässt sich unmöglich bestimmen, sofern die praktische oder theoretische Kurvenform der Lastströme nicht bekannt ist. Als Näherung kann er jedoch im Falle von Gleichrichterlasten wie Computer 1,61 Mal so hoch angenommen werden wie der Außenleiterstrom, kann aber im ungünstigsten Fall, z. B. bei auf kleinen Steuerwinkel eingestellten Phasen-Anschnittsteuerungen (α ≤ 60°) auch seinen theoretischen Höchstwert von 1,73 Mal Außenleiterstrom erreichen. Der einfachste Lösungs-Ansatz für dieses Problem besteht in geeigneten Korrekturfaktoren für die StromBelastbarkeit von Kabeln und Leitungen. Anhang D der IEC 364-5-52 gibt hierfür eine Methode zur Ermittlung des passenden Reduktionsfaktors an. Der Einfachheit halber geht dieser Ansatz von folgenden Voraussetzungen aus: ◆ ◆



das Netz sei dreiphasig und die Last symmetrisch, die einzig bedeutende Oberschwingung, die sich nicht im Neutralleiter aufhebt, sei die dritte (die anderen durch 3 teilbarer Ordnung seien also verhältnismäßig klein, und andere Oberschwingungen träten näherungsweise symmetrisch auf und löschten sich daher aus), und das Kabel habe 4 oder 5 Leiter mit gleichem Leiterwerkstoff und gleichem Querschnitt im Neutralleiter und in den Außenleitern.

Anteil der dritten Oberschwingung am Außenleiterstrom [%]

Gemäß Außenleiterstrom gewählter Wert Gemäß Neutralleiterstrom gewählter Wert

0-15

1,00

-

15-33

0,86

-

33-45

-

0,86

> 45

-

1,00

Tabelle 1: Reduktionsfaktoren für mit Oberschwingungen durch 3 teilbarer Ordnung belastete Leitungen 3

Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

Streng genommen müsste auch der in Abhängigkeit vom Querschnitt die Belastbarkeit beeinträchtigende Skineffekt in die Berechnung der Auswirkungen von Strom-Oberschwingungen einbezogen werden, doch als erste Näherung kann dies vernachlässigt werden. Tabelle 1 gibt die empfohlenen Reduktionsfaktoren wieder. Zur Berechnung der Belastbarkeit eines 4- oder 5-Leiter-Kabels mit durch Oberschwingungsströme belastetem Neutralleiter ist der Belastungsstrom aus der Norm mit folgenden Korrekturfaktoren zu multiplizieren: Für Außenleiterströme mit bis zu 15 % Anteil dritter Strom-Oberschwingung wird in der Norm kein vergrößerter Neutralleiter-Querschnitt angegeben. Unter diesen Umständen wäre mit einer Neutralleiter-Belastung von höchstens 45 % des Außenleiterstroms und einer Zunahme der Verlustwärme um 6 % gegenüber der NennBelastbarkeit zu rechnen. Diese Überlastung ist gewöhnlich hinnehmbar, es sei denn, das Kabel ist unter sehr beengten Verhältnissen mit knappem Luft-Zutritt oder nahe äußeren Wärmequellen verlegt. Ein zusätzlicher Sicherheitsrahmen mag z. B. unter beengten Verhältnissen ratsam sein. Für Außenleiterströme von 15 % bis 33 % Anteil dritter Strom-Oberschwingung kann man mit einem Neutralleiterstrom in etwa gleicher Höhe wie im Außenleiter rechnen, und die Kabellast muss um einen Faktor von 0,86 vermindert werden. So müsste etwa für einen Laststrom von 20 A ein Kabel für 24 A ausgewählt werden. Sobald die dritte Oberschwingung 33 % überschreitet, muss das Kabel nach dem Neutralleiterstrom ausgewählt werden. Für Außenleiterströme von 33 % bis 45 % Anteil dritter Strom-Oberschwingung wird zur Auswahl der Neutralleiterstrom zu Grunde gelegt, aber die Last um den Faktor 0,86 reduziert. Ab 45 % Anteil dritter Strom-Oberschwingung muss das Kabel nach dem Neutralleiterstrom, also 135 % des Außenleiterstroms, ausgewählt und zusätzlich um den Faktor 0,86 geringer belastet werden. Für noch höhere Oberschwingungs-Anteile, etwa den ungünstigsten Fall von 57 %, wird das Kabel ausschließlich nach dem Neutralleiterstrom bemessen. Für einen Reduktionsfaktor besteht hier keine Notwendigkeit mehr, da die Außenleiter jetzt überdimensioniert sind. Da die angegebenen Reduktionsfaktoren ausschließlich unter Berücksichtigung der dritten Oberschwingung errechnet wurden, müsste bei Auftreten von Oberschwingungen höherer durch 3 teilbarer Ordnungen in einem Gesamt-Ausmaß über 10 % der Strom noch einmal reduziert werden. Die Lage kann insbesondere dann kritisch werden, wenn der Neutralleiter als gemeinsamer Rückleiter für mehrere Stromkreise dient (wo immer dies gemäß örtlicher Normenlage zulässig ist). Tabelle 2 bis Tabelle 5 stellen die Veränderung der Nennwerte mit und ohne dritte Oberschwingung dar. Die Strom-Nennwerte wurden gemäß IEC 60364-5-523 berechnet. Die angegebenen Werte gelten für ein 4-adriges 0,6/1kV Kabel mit für 90 °C bemessenem Isolierstoff.

Luft (30 °C) Freiluft Kanal

Querschnitt 1,5 mm2 2,5 mm2 4,0 mm2 6,0 mm2 10,0 mm2 16,0 mm2 25,0 mm2 35,0 mm2 50,0 mm2 70,0 mm2 95,0 mm2 120,0 mm2 150,0 mm2

23,0 A 32,0 A 42,0 A 54,0 A 75,0 A 100,0 A 127,0 A 158,0 A 192,0 A 246,0 A 298,0 A 346,0 A 399,0 A

19,5 A 26,0 A 35,0 A 44,0 A 60,0 A 80,0 A 105,0 A 128,0 A 154,0 A 194,0 A 233,0 A 268,0 A 300,0 A

Boden (20 °C) mit Kanal ρ =1 ρ = 1,5 20,0 A 19,0 A 26,0 A 25,0 A 33,0 A 32,0 A 43,0 A 41,0 A 59,0 A 55,0 A 76,0 A 72,0 A 100,0 A 93,0 A 122,0 A 114,0 A 152,0 A 141,0 A 189,0 A 174,0 A 226,0 A 206,0 A 260,0 A 238,0 A 299,0 A 272,0 A

direkt im Erdreich ρ =1 ρ = 1,5 30,0 A 26,0 A 40,0 A 36,0 A 51,0 A 45,0 A 65,0 A 56,0 A 88,0 A 78,0 A 114,0 A 101,0 A 148,0 A 130,0 A 178,0 A 157,0 A 211,0 A 185,0 A 259,0 A 227,0 A 311,0 A 274,0 A 355,0 A 311,0 A 394,0 A 345,0 A

Tabelle 2: Bemessungsströme mit Oberschwingungsströmen dritter Ordnung bis 15 % (0,6/1 kV, 4 Leiter, 90 °C)

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Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

Luft (30°C) Freiluft Kanal

Querschnitt 1,5 mm2 2,5 mm2 4,0 mm2 6,0 mm2 10,0 mm2 16,0 mm2 25,0 mm2 35,0 mm2 50,0 mm2 70,0 mm2 95,0 mm2 120,0 mm2 150,0 mm2

20,0 A 28,0 A 36,0 A 46,0 A 65,0 A 86,0 A 109,0 A 136,0 A 165,0 A 212,0 A 256,0 A 298,0 A 343,0 A

17,0 A 22,0 A 30,0 A 38,0 A 52,0 A 69,0 A 90,0 A 110,0 A 132,0 A 167,0 A 200,0 A 230,0 A 258,0 A

Boden (20°C) mit Kanal direkt im Erdreich ρ =1 ρ = 1,5 ρ =1 ρ = 1,5 17,0 A 16,0 A 26,0 A 22,0 A 22,0 A 22,0 A 34,0 A 31,0 A 28,0 A 28,0 A 44,0 A 39,0 A 37,0 A 35,0 A 56,0 A 48,0 A 51,0 A 47,0 A 76,0 A 67,0 A 65,0 A 62,0 A 98,0 A 87,0 A 86,0 A 80,0 A 127,0 A 112,0 A 105,0 A 98,0 A 153,0 A 135,0 A 131,0 A 121,0 A 181,0 A 159,0 A 163,0 A 150,0 A 223,0 A 195,0 A 194,0 A 177,0 A 267,0 A 236,0 A 224,0 A 205,0 A 305,0 A 267,0 A 257,0 A 234,0 A 339,0 A 297,0 A

Tabelle 3: Bemessungsströme mit Oberschwingungsströmen dritter Ordnung bis 33 % (0,6/1 kV, 4 Leiter, 90 °C)

Luft (30°C) Freiluft Kanal

Querschnitt 1,5 mm2 2,5 mm2 4,0 mm2 6,0 mm2 10,0 mm2 16,0 mm2 25,0 mm2 35,0 mm2 50,0 mm2 70,0 mm2 95,0 mm2 120,0 mm2 150,0 mm2

15,0 A 20,0 A 27,0 A 34,0 A 48,0 A 64,0 A 81,0 A 101,0 A 122,0 A 157,0 A 190,0 A 220,0 A 254,0 A

12,0 A 17,0 A 22,0 A 28,0 A 38,0 A 51,0 A 67,0 A 82,0 A 98,0 A 124,0 A 148,0 A 171,0 A 191,0 A

Boden (20°C) mit Kanal ρ =1 ρ = 1,5 13,0 A 12,0 A 17,0 A 16,0 A 21,0 A 20,0 A 27,0 A 26,0 A 38,0 A 35,0 A 48,0 A 46,0 A 64,0 A 59,0 A 78,0 A 73,0 A 97,0 A 90,0 A 120,0 A 111,0 A 144,0 A 131,0 A 166,0 A 152,0 A 190,0 A 173,0 A

direkt im Erdreich ρ =1 ρ = 1,5 19,0 A 17,0 A 25,0 A 23,0 A 32,0 A 29,0 A 41,0 A 36,0 A 56,0 A 50,0 A 73,0 A 64,0 A 94,0 A 83,0 A 113,0 A 100,0 A 134,0 A 118,0 A 165,0 A 145,0 A 198,0 A 175,0 A 226,0 A 198,0 A 251,0 A 220,0 A

Tabelle 4: Bemessungsströme mit Oberschwingungsströmen dritter Ordnung bis 45 % (0,6/1 kV, 4 Leiter, 90 °C)

Durch Einsatz einadriger Kabel wird die Auswahl der Querschnitte für Außen- und Neutralleiter voneinander unabhängig. Andererseits lässt sich die gegenseitige thermische Beeinflussung wegen der unsteten relativen Lage zueinander schlechter analytisch nachvollziehen. Die direkteste Vorgehensweise besteht in unabhängiger Auslegung des Neutralleiters, immer eingedenk der Abhängigkeit der thermischen Belastbarkeit und der Reaktanz des Stromkreises von der relativen Anordnung der Leiter zueinander. Als weitere Faktoren sollten berücksichtigt werden: ◆

Wird das Kabel zusammen mit anderen Kabeln verlegt, nimmt ein größerer Strom darin (also Oberschwingungsstrom im Neutralleiter) durch stärkere Erwärmung auch Einfluss auf die anderen Kabel. Dem muss durch Häufungsfaktoren Rechnung getragen werden. 5

Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

Luft (30°C) Freiluft Kanal

Querschnitt 1,5 mm2 2,5 mm2 4,0 mm2 6,0 mm2 10,0 mm2 16,0 mm2 25,0 mm2 35,0 mm2 50,0 mm2 70,0 mm2 95,0 mm2 120,0 mm2 150,0 mm2

13,0 A 18,0 A 23,0 A 30,0 A 42,0 A 56,0 A 71,0 A 88,0 A 107,0 A 137,0 A 166,0 A 192,0 A 222,0 A

11,0 A 14,0 A 19,0 A 24,0 A 33,0 A 44,0 A 58,0 A 71,0 A 86,0 A 108,0 A 129,0 A 149,0 A 167,0 A

Boden (20°C) mit Kanal direkt im Erdreich ρ =1 ρ = 1,5 ρ =1 ρ = 1,5 11,0 A 11,0 A 17,0 A 14,0 A 14,0 A 14,0 A 22,0 A 20,0 A 18,0 A 18,0 A 28,0 A 25,0 A 24,0 A 23,0 A 36,0 A 31,0 A 33,0 A 31,0 A 49,0 A 43,0 A 42,0 A 40,0 A 63,0 A 56,0 A 56,0 A 52,0 A 82,0 A 72,0 A 68,0 A 63,0 A 99,0 A 87,0 A 84,0 A 78,0 A 117,0 A 103,0 A 105,0 A 97,0 A 144,0 A 126,0 A 126,0 A 114,0 A 173,0 A 152,0 A 144,0 A 132,0 A 197,0 A 173,0 A 166,0 A 151,0 A 219,0 A 192,0 A

Tabelle 5: Bemessungsströme mit Oberschwingungsströmen dritter Ordnung bis 60 % (0,6/1 kV, 4 Leiter, 90 °C)



Der Spannungsfall aller durch 3 teilbarer Strom-Oberschwingungen im Neutralleiter führt in allen Außenleitern zu Oberschwingungs-Spannungsfällen. Das kann bei langen Leitungswegen eine weitere Heraufsetzung des Neutralleiter-Querschnitts erfordern.

Besondere Aufmerksamkeit ist bei Kabeln mit Armierung oder metallischem Schirm geboten. Der Beitrag der Oberschwingungen zu den Wirbelstrom-Verlusten in der Armierung bzw. im Schirm kann beträchtliche Ausmaße annehmen. Daher sollte der Rückleiter-Querschnitt, wann immer verzerrte Lastströme zu erwarten sind, niemals kleiner bemessen werden als der Außenleiter-Querschnitt. Entsprechendes gilt selbstredend auch für sämtliche Bestandteile des Rückleiterkreises. Wenn die Auslegungs-Kenngrößen des Rückleiterkreises den der zugehörigen Außenleiter überschreiten, was schon in üblichen Netzen der Fall sein kann, kann es schwierig, wenn nicht gar unmöglich werden, passende marktgängige Bauteile zu finden, die diesen Forderungen gerecht werden. Die einzig machbaren Alternativen bestehen im Begrenzen der Last oder in der Auslegung nach größtem Querschnitt. Der Schutz muss natürlich nach den kleineren Außenleiter-Querschnitten ausgelegt werden. Für Endstromkreise sollten jeweils eigene Neutralleiter und eigene Stromkreise für jede verzerrende Last vorgesehen werden. Dies gewährt gleichzeitig die bestmögliche elektromagnetische Trennung zwischen störenden und störempfindlichen Baugruppen. Durch bestmögliche Verteilung der Lasten auf die Außenleiter wird zusätzliche N-Last durch Unsymmetrie vermieden. Obige Aussagen sind für große Leiterquerschnitte ebenso wichtig und gültig wie für bescheidenere. Auch sind sie, zumindest näherungsweise, auf Stromschienen anwendbar.

Rechenbeispiel Betrachten wir folgendes Beispiel: Ein dreiphasiger Stromkreis mit 39 A Nennlast soll als 4-adriges, PVC-isoliertes Kabel direkt auf der Wand verlegt werden. Ohne Oberschwingungs-Belastung fiele die Wahl auf ein Kabel mit 6 mm2 Querschnitt und einer Belastbarkeit von 41 A. Mit 20 % dritter Oberschwingung und dem folglich zu Grunde zu legenden Reduktionsfaktor 0,86 errechnet sich der äquivalente Strom zu: 39,0 A = 45 A 0,86 was ein Kabel von 10 mm2 Querschnitt erfordert.

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Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

Bei einer dritten Oberschwingung in Höhe von 40 % sollte der Querschnitt nach dem Neutralleiterstrom von 39 A×0,4 ×3 = 46,8 A ausgelegt und mit dem Reduktionsfaktor von 0,86 versehen werden: 46,8 A = 54,4 A 0,86 Somit reicht ein 10 mm2 starkes Kabel auch hier noch aus. Bei 50 % dritter Oberschwingung muss der Kabelquerschnitt noch immer auf den Neutralleiterstrom hin ausgelegt werden: 39 A×0,5 ×3 = 58,5 A was ein 16 mm starkes Kabel erfordert. (In diesem Fall ist der Reduktionsfaktor gleich 1.) 2

Schlussfolgerungen Die Darlegungen in diesem Schriftstück haben gezeigt, wie übliche, ohne Netzqualitätsprobleme sehr wohl anwendbare Auslegungskriterien zur Bedeutungslosigkeit verfallen, wenn die zu Grunde gelegten theoretischen Hypothesen nicht zutreffen. Im vorliegenden Fall ist die Annahme idealer Spannungs- und Stromkurven nicht erfüllt. Bei der Bemessung des Neutralleiters legt die landläufige Praxis den Einsatz von Querschnitten kleiner oder gleich dem der entsprechenden Außenleiter und die gemeinsame Verwendung eines Außenleiters für mehrere Stromkreise nahe. Andererseits jedoch erfordert die angemessene Berücksichtigung der bei nicht linearen Lasten auftretenden elektromagnetischen Einflüsse die Auswahl eines Neutralleiters größeren oder zumindest gleichen Querschnitts wie die Außenleiter nach dem tatsächlich darin fließenden Strom. Der Einsatz eines getrennten Neutralleiters für jeden Stromkreis (einstmals in einigen Ländern vorgeschrieben) ist ebenso erforderlich. Wie das Rechenbeispiel zeigt, kann das Problem in wichtigen Hauptleitungen einer Produktionsstätte ebenso auftauchen wie in Endstromkreisen beliebiger elektrischer Anlagen. Literatur [1] P Chizzolini, P L Noferi: Ottimizzazione degli interventi sulla rete di distribuzione mirati al miglioramento della continuita’ del servizio elettrico. LXXXVII Riunione AEI, Firenze 1986. [2] N Korponay, R Minkner: Analysis of the new IEC drafts for 185 (44-1) and 186 (44-2) instruments transformers in relation to the requirements of modern protection systems - Journée d’ études: Les transformateurs de mesure E2-20 SEE novembre 1989. [3] T M Gruzs: A survey of neutral currents in three-phase computer power systems, IEEE Transaction on industry applications, vol. 26, n° 4 July/August 1990. [4] IEC 364: Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 5-52: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Kabelund Leitungsanlagen

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Notizen

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Partner: Leonardo Netzwerk-ner: Leonardo Netzwerk-ner: Leonardo internationale und Gründungspartner: European Copper Institute (ECI)

Deutsches Kupferinstitut e.V. (DKI)

Polskie Centrum Promocji Miedzi (PCPM)

www.eurocopper.org

www.kupferinstitut.de

www.miedz.org.pl

Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH)

Engineering Consulting and Design (ECD)

Provinciale Industriële Hogeschool (PIH)

www.agh.edu.pl

www.ecd.it

www.pih.be

Centre d’Innovació Technològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA)

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII)

Università di Bergamo

www.etsii.upm.es

www.unibg.it

University of Bath www.bath.ac.uk

Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW)

www.citcea.upc.es

Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)

www.htw-saarland.de

www.ceiuni.it

Istituto Italiano del Rame

University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST) www.umist.ac.uk

www.iir.it

Copper Benelux

Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven)

Union International de l’Electrotechnique (UIE)

www.kuleuven.ac.be

www.uie.org

Politechnika Wroclawska

Universidade de Coimbra (ISR)

www.copperbenelux.org

Copper Development Association (CDA UK) www.cda.org.uk

www.pwr.wroc.pl

www.uc.pt

Redaktionsrat David Chapman

Copper Development Association

[email protected]

Prof. Angelo Baggini

Università di Bergamo

[email protected]

Dr. Araceli Hernández Bayo

ETSII - Universidad Politécnica de Madrid

[email protected]

Prof. Ronnie Belmans

UIE

[email protected]

Franco Bua

ECD-Engineering Consulting & Design

[email protected]

Prof. Anibal de Almeida

ISR - Universidade de Coimbra

[email protected]

Hans De Keulenaer

European Copper Institute

[email protected]

Gregory Delaere

Lemcko

[email protected]

Prof. Jan Desmet

Hogeschool West-Vlaanderen

[email protected]

Marcel Didden

Laborelec

[email protected]

Dr. Johan Driesen

KU Leuven

[email protected]

Stefan Fassbinder

Deutsches Kupferinstitut

[email protected]

Prof. Zbigniew Hanzelka

Akademia Górniczo-Hutnicza

[email protected]

Dr. Antoni Klajn

TU Breslau

antoni.klajn@ pwr.wroc.pl

Reiner Kreutzer

HTW-Hochschule für Technik und Wirtschaft

[email protected]

Prof. Wolfgang Langguth

HTW-Hochschule für Technik und Wirtschaft

[email protected]

Jonathan Manson

Gorham & Partners Ltd.

[email protected]

Prof. Henryk Markiewicz

TU Breslau

[email protected]

Carlo Masetti

CEI

[email protected]

Dr. Jovica Milanoviˇc

UMIST

[email protected]

Dr. Miles Redfern

University of Bath

[email protected]

Andreas Sumper

CITCEA

[email protected]

Roman Targosz

Polish Copper Promotion Centre

[email protected]

Prof. Angelo Baggini

Università di Bergamo v.le Marconi 5 Dalmine 24044 Italien Tel: Fax: Email: Web:

00 39 035 2052353 00 39 035 2052377 [email protected] www.unibg.it

Prof. Jan Desmet

Hogeschool West-Vlaanderen Graaf Karel de Goedelaan 5 8500 Kortrijk Belgien Tel: Fax: Email: Web:

00 32 56 24 12 39 00 32 56 24 12 34 [email protected] www.pih.be

Deutsches Kupferinstitut Am Bonneshof 5 D-40474 Düsseldorf

European Copper Institute Tervurenlaan 168 / b 10 B-1150 Brussel

Tel.: Fax: E-Mail: Internet:

Tel.: Fax: E-Mail: Website:

+49 211 4796300 +49 211 4796310 [email protected] www.kupferinstitut.de

+32 2 7777070 +32 2 7777079 [email protected] www.eurocopper.org

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