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Enerige & Management > Automatisierungstreff - Warum es nicht egal ist, wie Kabel angeordnet sind
Bild: 50Hertz
AUTOMATISIERUNGSTREFF:
Warum es nicht egal ist, wie Kabel angeordnet sind
In einem modernen Starkstromkabel steckt weit mehr als nur Kupfer mit etwas Isolation. Ganz besonders gilt dies für Drehstromkabel mit  Stromstärken über 100 A. VON CHRISTIAN FISCHBACHER*
 
Es ist deshalb nicht nachvollziehbar, dass in der heutigen Zeit der Kabelpreis primär durch den Tageskurs der Kupfernotierung bestimmt wird. In jüngerer Zeit hat man aber doch erkannt, dass die EMVU (Elektro Magnetische Umweltverträglichkeit) bei der Starkstromübertragung, massgebend durch die Konstruktion des Starkstromkabels beeinflusst wird und somit verbunden mit Know-how ein eklatant höherer Mehrwert geschaffen werden kann.

Kürzlich wurde in einer auflagenstarken Fachzeitschrift über ein Starkstromverkabelungsproblem berichtet. Es ging dabei um die Verlegung von Einleiterkabel in je vierfacher Ausführung pro Außenleiter. Der Experte gab dem Fragesteller die folgenden zwei Empfehlungen:

 
Grafik: CFW EMV-Consulting AG


Gemäß VDE 0100-540 beziehungsweise IEC 60364-5-54 existiert die EMV-Anforderung, dass keine AC-Ströme auf Schutzleiter, Erdleiter und Potenzialausgleichsleiter fließen dürfen. Diese Forderung wird in der Praxis leider immer noch massiv verletzt, die induzierten Erdleiterströme betragen bei der Verlegung nach Abb. 1 ca. 50 A, nach Abb. 2 ca. 40 A.
 
Im weiteren darf es bei der Verlegung von Starkstromkabeln im Normalfall keine Rolle spielen, wie die Kabel verlegt werden, ob in Trassen, unterhalb von Decken, im Doppelboden oder in Kabelkavernen. Starkstromverbindungen müssen so ausgelegt sein, dass die magnetischen Streufelder sowie Erdschlaufenströme keine Grenzwerte verletzen, weder gesetzliche noch technische.

Folgende zwei EMV-Merkmale bestimmen die NF-Qualität von Starkstromleitungen:
1. Das magnetische Streufeld: Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein magnetisches Streufeld. Die Höhe dieses Streufeldes ist abhängig von der Stromstärke sowie der Anordnung der stromführenden Leiter. Die nachstehenden Abbildungen zeigen schematisch den Streufeldverlauf eines stromführenden Leiters.

 
CFW EMV-Consulting AG

 
Um das resultierende, magnetische Streufeld zu minimieren, werden bei Starkstromverbindungen Hin- und Rückleiter möglichst nahe zusammengelegt. Noch viel effizienter lässt sich das Streufeld reduzieren, wenn man die stromführenden Leiter zusätzlich verseilt. Dabei sollte die Schlaglänge aber optimal auf den Kabeldurchmesser abgestimmt sein. Je kleiner das Streufeld, umso höher der Wirkungsgrad und umso geringer werden ganz nebenbei auch die Übertragungsverluste.

Folgende Installationsarten werden nun EMV-mäßig miteinander verglichen:
 
CFW EMV-Consulting AG


Damit die durchgeführten Berechnungen möglichst der Praxis entsprechen, wurden die Phasenströme unterschiedlich gewählt, damit sich auch ein Neutralleiterstrom einstellt. Die genauen Berechnungsparameter sind im Diagramm eingetragen. Zudem wurden in der Simulation auch die induzierten PE-Ströme berücksichtigt, die approximativen PE-Induktionsströme sind in Abb. 7 ersichtlich.

 
Diagramm 1
CFW EMV-Consulting AG


Deutlich erkennt man, dass das magnetische Streufeld mit der CFW Power-Cable-Technologie sehr steil abfällt, somit werden mit dieser Technologie auch die Übertragungsverluste am kleinsten. Dies ist die Folge des zentrisch angeordneten Schutzleiters sowie der verseilten Außenleiter.
 
2. Induktion/Gegeninduktion: Magnetische Streufelder erzeugen in elektrisch leitenden Materialien Induktionsspannungen, die – wenn diese parallel zu den stromführenden Leitern angeordnet sind (beispielsweise Erdleiter, Kabeltrassen, Gas- und Wasserleitungen etc.) –, in sogenannte Erdschlaufenströme umgewandelt werden. Bei Nichtbeachtung dieser Problematik können so auch bei TN-S Installationen mit separaten Neutral- und Schutzleitern massive Erdschlaufenströme entstehen, die nicht selten 10 bis 15 % des größten Phasenstroms erreichen.
Die unangenehmen Folgen sind beispielsweise Korrosionsschäden, lästige Magnetfelderhöhungen, galvanische und magnetische Einkopplungen auf Elektronikplatinen, Daten- und Signalleitungen sowie zusätzliche Übertragungsverluste.
 
CFW EMV-Consulting AG


Genau genommen existieren zwei Induktionsprobleme, einerseits wenn der Schutzleiter PE (Protective Earth) geometrisch unterschiedliche Abstände zu den Außenleitern aufweist (Induktion), andererseits wenn der PE parallel zu den Außenleitern angeordnet ist (Gegeninduktion). Diese, physikalisch äußerst wichtige Erkenntnis erklärt, warum der PE auch in einem 5-Leiter Standardkabel nicht induktionsfrei ist, selbst wenn alle Leiter miteinander verseilt sind. Das nachfolgende Diagramm zeigt die Induktionsproblematik an den abgebildeten Leiteranordnungen.
 
 
Diagramm 2
CFW EMV-Consulting AG

Die immer noch weitverbreitete Einzeladerverlegung erweist sich auch in dieser Betrachtung als ungünstigste Variante, sowohl in Bezug auf das magnetische Streufeld (Diagramm 1) als auch in Bezug auf die induzierten PE-Ströme (Diagramm 2).

Untermauert wird diese Aussage durch folgendes Zitat von Dipl. Ing. Karl-Heinz Otto (öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Elektrotechnik):
„Auch ich kann nur dringend von einer Einzeladerverlegung abraten. Ich habe kürzlich einen großen Gebäudekomplex in Düsseldorf nach Korrosionsschäden und Störungen im Netzwerk untersuchen müssen. Über 44 A wurden trotz Netzsystem TN-S auf den Erdleiter eingekoppelt.“

Wie schon erwähnt, lösen auch Standardkabel das PE-Induktionsproblem nicht, weil der geometrische Abstand zu den Aussenleitern unterschiedlich ist (Fig. 3). Ab einem Leiterquerschnitt von 35 mm2 liegen die PE-Induktionsströme bereits im Bereich von 5 A. 

Nur die zentrische Anordnung des PE (Fig. 4) verhindert induktive Einkopplungen und somit die gefürchteten Erdschlaufenströme. Werden die Aussenleiter zusätzlich mit der optimalen Schlaglänge um den PE verseilt wie bei der „CFW PowerCable“ -Technologie), reduziert sich das magnetische Streufeld exponentiell. Müssen große Ströme übertragen werden, so dürfen mehrere Kabel parallel geschaltet werden. Im Gegensatz zu Einleiterkabeln teilen sich bei Parallelschaltung von CFW Power Cable die Ströme gleicher Phasen völlig gleichmäßig auf, d.h., Leiterüberhitzungen als Folge ungleicher Stromverteilung sind ausgeschlossen.

*Christian Fischbacher ist Senior EMV-Consultant bei CFW-EMV-Consulting in Reute (CH)
 

Christian Fischbacher*
© 2020 Energie & Management GmbH
Mittwoch, 29.01.2020, 09:06 Uhr

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