Leiterquerschnittsberechnung in Kabeln

Elektrische Energie wird über Kabel mit unterschiedlichen Querschnitten und Spannungsebenen von den Kraftwerken, in denen sie erzeugt wird, bis zu den Endpunkten, an die sie geliefert wird, übertragen und verteilt. Bei der Bestimmung dieser Kabeltypen sollte eine Entscheidung getroffen werden, indem analysiert wird, in welchen Umgebungen sie eingesetzt werden, welchen äußeren Einflüssen sie ausgesetzt sind und wie sie auf mögliche Umweltbedingungen reagieren.

Nach der Festlegung des Kabeltyps mit möglichen Alternativen sollte der elektrische Querschnitt (Größe) des in diesen Kabeln zu verwendenden Leiters bestimmt werden. Die Berechnung des Kabelquerschnitts sollte mindestens so detailliert und sorgfältig erfolgen wie die Analysen, die bei der Bestimmung des Kabeltyps durchzuführen sind. Der wichtigste Faktor bei der Berechnung des Kabelquerschnitts sollte die Sicherheit sein. Damit das Kabel seinen Dienst ohne Sicherheitsprobleme fortsetzen kann, müssen die aktuelle Leistung und die Leistungsanalysen, die dem System in Zukunft hinzugefügt werden können, korrekt durchgeführt werden.

Die Abmessungen des Leiters sollten so gewählt werden, dass das Polymermaterial, das den Leiter umhüllt, die Grenzwerte des Leiters nicht überschreitet und dem durchfließenden Strom keinen Widerstand entgegensetzt, der über den in internationalen Normen festgelegten maximalen Widerstandswerten liegt. Dann kommen die Kostenfaktoren ins Spiel. Um die Sicherheit der Anlage zu gewährleisten, sollten übermäßige Ausgaben vermieden werden. Der Weg dorthin führt über die Ermittlung des am besten geeigneten Leiterquerschnitts durch eine Kosten-Sicherheits-Optimierung.

Unter Berücksichtigung der Sicherheits- und Kostenfaktoren gibt es drei wichtige Parameter bei der Berechnung des Kabelquerschnitts:

Strombelastbarkeit, Spannungsabfall und Kurzschlussstrom.

Strombelastbarkeit: Es handelt sich um den maximalen Stromwert, bei dem das installierte oder zu installierende Kabel sicher weiter verwendet werden kann, ohne dass eines seiner Bauteile Schaden nimmt, im Wesentlichen auf der Grundlage der Temperatur. Die Strombelastbarkeit hat einen direkten Einfluss auf die Wahl des Kabelquerschnitts.

Spannungsabfall: Es handelt sich um den Umstand, dass die Spannung aufgrund der durch den Innenwiderstand des Leiters verursachten Verluste mit der Entfernung von der Quelle zur Last abnimmt. Mit zunehmender Transportstrecke nimmt dieser Verlust zu und der Leiterquerschnitt muss vergrößert werden.

Kurzschlussstrom: Er ist ein zeitlich variabler Parameter in Wechselstromsystemen und ist die Strommenge, die während der Kurzschlusszeit in dem Bereich fließt, in dem der Kurzschluss auftritt.

Anhand dieser drei Parameter lassen sich drei verschiedene Kabelquerschnitte ermitteln.

Der hier durchzuführende Prozess besteht darin, eine sichere und wirtschaftliche Kabelleitergröße zu bestimmen, indem ein oberer Querschnitt gewählt wird, der dem größten dieser drei Querschnitte entspricht oder ihm am nächsten kommt.

Gehen wir davon aus, dass wir den Leiterquerschnitt anhand eines Beispiels berechnen: Bestimmen wir einen 3-adrigen Kabeltyp und -querschnitt für die Versorgung einer 200 m entfernten Pumpe mit einer Leistung von 235 kW und einer auf dem Etikett angegebenen Spannungsebene von 1 kV, wobei ein maximaler Spannungsabfall von 3 % zulässig ist.

Bekannte Werte;

Leistung P=235kW

Spannung U=1kV

Leistungsfaktor: cosφ=0,8

Abstand/Entfernung: L=200m

Zulässiger Spannungsabfall: %e=3%

Mit diesen bekannten Parametern ist es möglich, einen Stromwert mit der folgenden Leistungsformel zu ermitteln;

Anhand dieses Stromwertes können wir die Leiterquerschnitte der Kabel mit 50 mm2 für PVC-isolierte Kabel und 35 mm2 für XLPE-isolierte Kabel bestimmen. (Siehe Tabelle: 1)

Schließlich müssen wir entscheiden, ob wir den gewählten Querschnitt ändern, nachdem wir die Übereinstimmung dieser Typen mit der Berechnung des gewünschten maximalen prozentualen Spannungsabfalls überprüft haben. Wenn wir den Spannungsabfall für Kabel mit zwei verschiedenen Isoliermaterialien berechnen;

Leistung P=235kW

Spannung U=1kV

Entfernung/Entfernung: L=200m

Zulässiger Spannungsabfall: %e=3%

Leitfähigkeitskoeffizient: k(Cu)=56 m/Ωmm2

Leiter-Querschnitt: SPVC=50mm2, SXLPE=35mm2

Da die erhaltenen Werte unter dem zulässigen Spannungsabfall %e (3 %) liegen, ist eine Wiederholung dieses Vorgangs nicht erforderlich; wenn man jedoch den kleinstmöglichen Leiterquerschnitt auf der Grundlage des maximalen Spannungsabfalls bestimmt;

Nach dieser Berechnung liegt der dem ermittelten Leiterquerschnitt am nächsten kommende Querschnitt bei 35mm2.

Der Querschnitt von 35 mm² hat mit XLPE-Isolierung (N2XY) eine ausreichende Strombelastbarkeit für den berechneten Strom von 169,80 A (174 A), während er mit PVC-Isolierung (NYY) eine geringere Strombelastbarkeit aufweist (159 A). Bei der auf diese Weise durchgeführten Berechnung ergab sich die Notwendigkeit, einen oberen Querschnitt anzusetzen, der mit 50 mm2 bestimmt wurde.

Wenn man eine detailliertere Berechnung durchführen möchte, indem man dem Beispiel zusätzliche Bedingungen hinzufügt, z. B. unter der Annahme, dass wir das dreiadrige Kabel, das unser System speisen wird, unter der Erde verlegen, werden die Art, die Temperatur und der Wärmewiderstand des Bodens benötigt. Angenommen, wir haben eine Umgebung mit einer Temperatur von 350C, trockenem Sand und einem thermischen Widerstand von 1,5 K.m/W, die Korrekturfaktoren in den Normen (IEC 60364-5-52 oder DIN VDE 0298-4) unter diesen Bedingungen; fPVC = 0,84 / fXLPE = 0,89 für die Temperatur und 1,1 für den thermischen Widerstand.

Wenn wir in diesem Fall den ersten ermittelten Stromwert entsprechend diesen Korrekturfaktoren umordnen, müssen wir unsere neuen Stromwerte finden. Ausgehend vom oberen Querschnitt des ersten vorausberechneten Kabels und dem entsprechenden Leiterquerschnitt müssen daher die Strombelastbarkeitswerte durch Multiplikation mit den oben genannten Korrekturfaktoren ermittelt werden. Wenn der Stromwert, der sich aus der Multiplikation mit den Korrekturfaktoren ergibt, gleich oder größer ist als der erste ermittelte Stromwert, bedeutet dies, dass der gewählte Querschnitt geeignet ist. Andernfalls sollte die Prüfung fortgesetzt werden, indem man zum nächsthöheren Querschnitt übergeht und mit dem Korrekturfaktor multipliziert. Führt man diesen Vorgang nach dem angegebenen Beispiel durch, so liegen die Stromwerte der Kabel im oberen Querschnitt bei der Multiplikation mit den Korrekturfaktoren über dem gewünschten Stromwert, so dass die Querschnitte als „geeignet“ bewertet werden. Neue Stromwerte der Abschnitte mit angewandtem Korrekturfaktor;

IPVC(70mm2)=232×0,84×1,1= 214,36A
IXLPE(50mm2)= 206×0,87×1,1= 197,14A.

Neue Kabel und Querschnitte, die nach diesen neuen Stromwerten zu bestimmen sind;

NYY - 3x70mm2, In = 232A

N2XY - 3x50mm2, In = 206A

Für diese zusätzlichen Bedingungen liegt der erforderliche Spannungsabfall unter den Bedingungen, die für zwei Kabeltypen mit 50mm2 Leitern und PVC-Isolierung, 35mm2 Leitern und XLPE-Isolierung ermittelt wurden, unter dem geforderten Wert; da der Spannungsabfall von Kabeln mit 70mm2 Leitern und PVC-Isolierung, 50mm2 Leitern und XLPE-Isolierung unter diesem Wert liegen wird, ist eine erneute Berechnung des Spannungsabfalls nicht erforderlich.