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Leitfaden Netzqualität

OberschwingungenAuslegung des Neutralleiters in

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3.5.1

OberschwingungenAuslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

Prof. Angelo Baggini, Università di BergamoProf. Jan Desmet, Hogeschool West-Vlaanderen

Übersetzung: Deutsches Kupferinstitut, August 2004

Diese Schrift wurde im Rahmen der Leonardo Power Quality Initiative (LPQI) erstellt, eineseuropäischen Ausbildungs- und Übungsprogramms unter der Schirmherrschaft und mit Unterstützung des Leonardo da VinciProgramms 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 Kupferund Kupferlegierungen in Deutschland gegründet. Gegenstand und Anliegen seiner Beratungstätigkeit ist die Verwendung vonKupfer und Kupferlegierungen. Hier geht es um die Erhaltung herkömmlicher und um die Erschließung neuerAnwendungsgebiete.

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 bekanntzu machen und zu erläutern, und somit den allgemeinen Wissensstand und die Wertschätzung von Kupfer undKupferlegierungen zu fördern und zu festigen.

Das Deutsche Kupferinstitut ist seit 1995 auch im Internet unter www.kupferinstitut.de und bei direkten Fragen per E-mailunter [email protected] zu erreichen. So können Informationen und Daten zum Werkstoff Kupfer und seinenLegierungen 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 demIWCC (International Wrought Copper Council, einem Zusammenschluss der Halbzeugwerke). Auf Basis dieserMitgliederschaft handelt das ECI im Interesse der weltgrößten Kupfer-Erzeuger und der führenden europäischenHalbzeugwerke für den Einsatz von Kupfer. Seit seiner Gründung im Januar 1996 bündelt es die Aktivitäten eines Netzwerksaus 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 Associationund 1961 von der INCRA (International Copper Research Association) begonnen wurden.

HaftungsausschlussDer Inhalt dieses Projekts gibt nicht notwendigerweise die Meinung der Europäischen Union wieder, noch zeichnet diese inirgendeiner Weise hierfür verantwortlich.

ECI und DKI übernehmen keine Verantwortung für irgendwelche direkten oder indirekten Folge- oder Zufallsschäden, die ausdem sachgemäßen oder unsachgemäßen Gebrauch der in dieser Veröffentlichung enthaltenen Informationen und Datenentstehen.

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LPQI wird in Deutschland durch die Mitglieder der nationalen Partnerschaft unterstützt:

Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen

EinleitungDieser Band beschreibt die Auslegung des Neutralleiters bei Auftreten von Netzqualitäts-Problemen wieStrömen der Oberschwingungen durch 3 teilbarer Ordnungszahlen. Dies kommt vor allem in Niederspan-nungsnetzen zum Tragen, in denen die Oberschwingungs-Belastung durch einphasige Lasten zunehmendzum Problem wird. Oberschwingungsströme durch 3 teilbarer Ordnungen addieren sich linear im Neutral-leiter statt sich gegenseitig auszulöschen, wie es bei der Grundschwingung und bei anderen Ober-schwingungsströmen der Fall ist. Das Ergebnis sind Neutralleiterströme, die deutlich höher sind als die zuge-hörigen Außenleiterströme, typischerweise bis zu 170 % des Außenleiterstroms.

Die Auswahl der Leiterquerschnitte wird in IEC 60364, Teil 5-52 »Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebs-mittel – Kabel- und Leitungsanlagen« geregelt. Diese Norm beinhaltet Bestimmungen und Empfehlungen zurAuswahl der Leiterquerschnitte nach Laststrom, Isolierstoff des Kabels, Verlegeart und Umgebungs-Bedingun-gen. Dort werden normative Bestimmungen zur Auswahl des Neutralleiter-Querschnitts beim Auftreten vonStrom-Oberschwingungen sowie im Anhang D einige informative Hinweise gegeben. Die nationalen Normenlehnen sich eng an die IEC 60364 an, wenn auch mit erheblichem zeitlichem Versatz, so dass die meisten natio-nalen Normen die Bemessung von Neutralleitern noch nicht erschöpfend behandeln. Da nur wenige Elektro-Handwerker 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 ihreErfahrung verlassen. Dieser Band möchte zur Klärung der Sache beitragen und die Belange der IEC einembreiteren Publikum zugänglich machen.

Theoretischer HintergrundIn einem im Stern verschalteten Dreiphasen-System stellt der Neutralleiterstrom die Vektor-summe der drei Außenleiterströme dar. Bei einemsymmetrischen, sinusförmigen Drehstromsystemist diese Summe und somit der Neutralleiterstromzu jedem Zeitpunkt gleich null (Bild 1).

In einem Einphasenlasten speisenden Dreh-stromnetz ist der Neutralleiterstrom selten null,weil die Belastungen der Außenleiter sich unter-scheiden. Gewöhnlich ist die Differenz jedochgering und in jedem Fall weit geringer als jeder derAußenleiterströme (Bild 2).

Bei der Versorgung nicht linearer Lasten ist selbstbei symmetrischer Aufteilung auf die 3 Außen-leiter eine erhebliche Belastung des Neutralleiterswahrscheinlich. Bei nicht sinusförmigen Außen-leiterströmen ist deren Summe selbst bei gleichenEffektivwerten nicht notwendigerweise gleichnull. Beispielsweise drei Ströme gleichen Effektiv-werts von rechteckiger Kurvenform bilden einenerheblichen Neutralleiterstrom aus (Bild 3).

Tatsächlich sind die Außenleiterstrom-Anteiledritter Oberschwingung (und aller anderen Ober-schwingungen durch 3 teilbarer Ordnungen – diesechste, neunte usw.) alle phasengleich, sind alsoKomponenten eines Nullsystems und addierensich somit arithmetisch auf, statt sich vektoriellauszulöschen (siehe Bild 4).

Der Neutralleiterstrom kann auf Grund der drittenOberschwingung den netzfrequenten Außenlei-terstrom übersteigen.

Oberschwingungen

1

Bild 1: Bei symmetrischer dreiphasiger Last ist derNeutralleiterstrom gleich null

Bild 2: Bei unsymmetrischer dreiphasiger Last ist der Neutralleiterstrom nicht gleich null,

aber kleiner als der größte Außenleiterstrom

Die Anforderungen der NormIEC 60364-5-52:2001, »Errichten von Niederspan-nungsanlagen – Teil 5-52: Auswahl und Errichtungelektrischer Betriebsmittel – Kabel- und Leitungs-anlagen« befasst sich mit der sicheren Verteilungs-Errichtung aus dem Blickwinkel der Installations-technik und Leiterquerschnitt-Bemessung. DieVerlegeart bestimmt häufig die thermischenBetriebs-Bedingungen des Kabels und beeinflusstdaher die Stromtragfähigkeit der Leitung oder desStromkreises. Sofern Kabel verschiedener Kreisegemeinsam auf einer Pritsche, in einem Kanaloder Schacht untergebracht sind, setzt sich dieBelastbarkeit der einzelnen Leitung wegen dergegenseitigen Erwärmung herab. In anderenWorten wird die Belastbarkeit eines Kabels be-stimmt durch die vom Stromfluss erzeugte Wär-meleistung und die durch Konvektion möglicheWärme-Abfuhr. Gemeinsam bestimmen dieseGrößen die Betriebstemperatur des Kabels, dienatürlich nicht die jeweils zulässigen Grenzen fürden Isolierstoff überschreiten darf, 70 °C fürThermoplaste (wie PVC) oder 90 °C für Duroplaste(wie XLPE). Die in der Norm angegebenen Be-messungswerte und Korrekturfaktoren beruhenauf von typischen Bedingungen ausgehendenpraktischen Untersuchungen und theoretischenBerechnungen und müssen gegebenenfalls an diejeweils bekannten Verlege-Bedingungen ange-passt werden. Da das Auftreten von Oberschwin-gungen durch 3 teilbarer Ordnung im Neutral-leiter erhöhte Wärme-Entstehung mit sich bringt,muss dies in der Auswahl der Kabelquerschnitteberücksichtigt werden.

Die IEC 60364-5-524 nimmt Bezug auf die Bemes-sung des Neutralleiter-Querschnitts bei nichtsinusförmigen Strömen. Abschnitt 524.2 gibt an,der Neutralleiter müsse mindestens den gleichenQuerschnitt haben wie die Außenleiter

◆ in Zweileiter-Einphasenkreisen und füralle Leiterquerschnitte

◆ in Mehrphasenkreisen und in Dreileiter-Einphasenkreisen (also Einphasenkreisenmit Mittel-Anzapfung als Neutralleiter),wenn der Außenleiter-Querschnitt≤16 mm2 für Kupfer oder ≤ 25 mm2 fürAluminium ist.

Abschnitt 524.3 legt fest, dass bei anderen Mehr-phasen-Stromkreisen der Neutralleiter mit ver-mindertem Querschnitt ausgeführt werden darf,wenn alle folgenden Bedingungen erfüllt sind:

◆ Der größte im bestimmungsgemäßenBetrieb zu erwartende Neutralleiterstrom,einschließlich Oberschwingungen, wennvorhanden, ist nicht größer als die Strom-Belastbarkeit der reduzierten Leiterquer-schnittsfläche des Neutralleiters.


2

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

Bild 4: Ströme der dritten Oberschwingung im Neutralleiter

◆ 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 Normbefolgt werden. Die Einhaltung dieser Kriterien erfordert jedoch die Kenntnis der Art und Anzahl nach In-betriebnahme zu betreibender Lasten – leider liegt diese Information selten vor. Die Norm verfügt aber auchüber 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 einigeBeobachtungen bezüglich Nennwert-Reduktion bei gemeinsamer Führung und Spannungsfall.

Normative RichtlinienDie Funktionsfähigkeit eines elektrischen Betriebsmittels oder Leitungswegs lässt sich durch auf das Netz, aufdie speisende Quelle oder auf die Last einwirkende Störungen erheblich beeinflussen. Von allen auf Stark-stromleitungen einwirkenden elektromagnetischen Störungen stellt das Vorhandensein von Oberschwin-gungsströmen eine der wichtigsten dar. Deren Auswirkungen kann Überlastung der Außenleiter wie des Neu-tralleiters 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 derVerantwortung des Planers liegt zu beurteilen, wann diese Voraussetzungen nicht erfüllt sind, um angemes-sene Ausgleichs-Maßnahmen zu treffen. Die wichtigste Annahme ist, dass in einem 4- oder 5-Leiter-Kabel nur3 Leiter Strom führen; mit anderen Worten, es wird von symmetrischer linearer Last ausgegangen. Im Falleunsymmetrischer, aber linearer Last fließt der Unsymmetriestrom im Neutralleiter, was jedoch dadurch aus-geglichen wird, dass mindestens ein Außenleiter geringer belastet wird. Unter der Annahme, kein Außenleiterwerde überlastet, wird die normale Verlustwärme im Kabel nicht überschritten. Im Falle nicht linearer Last trittaber 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 unteridealen linearen Verhältnissen, und die Belastbarkeit der Leitung ist entsprechend niedriger. Darüber hinauskann der in Folge der in der Vergangenheit im Gebäude-Bestand oftmals im Querschnitt geminderte Neutral-leiter überlastet werden, ohne dass der Neutralleiterstrom überhaupt die Höhe des Außenleiterstromserreicht.

Der Neutralleiterstrom lässt sich unmöglich bestimmen, sofern die praktische oder theoretische Kurvenformder Lastströme nicht bekannt ist. Als Näherung kann er jedoch im Falle von Gleichrichterlasten wie Computer1,61 Mal so hoch angenommen werden wie der Außenleiterstrom, kann aber im ungünstigsten Fall, z. B. beiauf kleinen Steuerwinkel eingestellten Phasen-Anschnittsteuerungen (α ≤ 60°) auch seinen theoretischenHöchstwert von 1,73 Mal Außenleiterstrom erreichen.

Der einfachste Lösungs-Ansatz für dieses Problem besteht in geeigneten Korrekturfaktoren für die Strom-Belastbarkeit von Kabeln und Leitungen. Anhang D der IEC 364-5-52 gibt hierfür eine Methode zur Ermittlungdes passenden Reduktionsfaktors an. Der Einfachheit halber geht dieser Ansatz von folgenden Voraussetzun-gen aus:

◆ das Netz sei dreiphasig und die Last symmetrisch,

◆ die einzig bedeutende Oberschwingung, die sich nicht im Neutralleiter aufhebt, sei die dritte (dieanderen durch 3 teilbarer Ordnung seien also verhältnismäßig klein, und andere Oberschwingungenträten näherungsweise symmetrisch auf und löschten sich daher aus), und

◆ das Kabel habe 4 oder 5 Leiter mit gleichem Leiterwerkstoff und gleichem Querschnitt im Neutralleiterund in den Außenleitern.

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


3

Anteil der dritten Oberschwingung amAußenleiterstrom [%]

0-15 1,00 -

15-33 0,86 -

33-45 - 0,86

> 45 - 1,00

Gemäß Außenleiterstrom gewählter Wert Gemäß Neutralleiterstrom gewählter Wert


4

Streng genommen müsste auch der in Abhängigkeit vom Querschnitt die Belastbarkeit beeinträchtigendeSkineffekt in die Berechnung der Auswirkungen von Strom-Oberschwingungen einbezogen werden, doch alserste 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 belaste-tem 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 vergrößer-ter Neutralleiter-Querschnitt angegeben. Unter diesen Umständen wäre mit einer Neutralleiter-Belastung vonhöchstens 45 % des Außenleiterstroms und einer Zunahme der Verlustwärme um 6 % gegenüber der Nenn-Belastbarkeit zu rechnen. Diese Überlastung ist gewöhnlich hinnehmbar, es sei denn, das Kabel ist unter sehrbeengten Verhältnissen mit knappem Luft-Zutritt oder nahe äußeren Wärmequellen verlegt. Ein zusätzlicherSicherheitsrahmen mag z. B. unter beengten Verhältnissen ratsam sein.

Für Außenleiterströme von 15 % bis 33 % Anteil dritter Strom-Oberschwingung kann man mit einem Neutral-leiterstrom in etwa gleicher Höhe wie im Außenleiter rechnen, und die Kabellast muss um einen Faktor von0,86 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 ausge-wählt werden. Für Außenleiterströme von 33 % bis 45 % Anteil dritter Strom-Oberschwingung wird zur Aus-wahl der Neutralleiterstrom zu Grunde gelegt, aber die Last um den Faktor 0,86 reduziert. Ab 45 % Anteil drit-ter 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 ausschließ-lich nach dem Neutralleiterstrom bemessen. Für einen Reduktionsfaktor besteht hier keine Notwendigkeitmehr, da die Außenleiter jetzt überdimensioniert sind.

Da die angegebenen Reduktionsfaktoren ausschließlich unter Berücksichtigung der dritten Oberschwingungerrechnet wurden, müsste bei Auftreten von Oberschwingungen höherer durch 3 teilbarer Ordnungen ineinem Gesamt-Ausmaß über 10 % der Strom noch einmal reduziert werden. Die Lage kann insbesondere dannkritisch werden, wenn der Neutralleiter als gemeinsamer Rückleiter für mehrere Stromkreise dient (wo immerdies gemäß örtlicher Normenlage zulässig ist).

Tabelle 2 bis Tabelle 5 stellen die Veränderung der Nennwerte mit und ohne dritte Oberschwingung dar. DieStrom-Nennwerte wurden gemäß IEC 60364-5-523 berechnet. Die angegebenen Werte gelten für ein 4-adriges0,6/1kV Kabel mit für 90 °C bemessenem Isolierstoff.

Quer- Luft (30 °C) Boden (20 °C)schnitt Freiluft Kanal mit Kanal direkt im Erdreich

ρ =1 ρ =1,5 ρ =1 ρ =1,51,5 mm2 23,0 A 19,5 A 20,0 A 19,0 A 30,0 A 26,0 A

2,5 mm2 32,0 A 26,0 A 26,0 A 25,0 A 40,0 A 36,0 A

4,0 mm2 42,0 A 35,0 A 33,0 A 32,0 A 51,0 A 45,0 A

6,0 mm2 54,0 A 44,0 A 43,0 A 41,0 A 65,0 A 56,0 A

10,0 mm2 75,0 A 60,0 A 59,0 A 55,0 A 88,0 A 78,0 A

16,0 mm2 100,0 A 80,0 A 76,0 A 72,0 A 114,0 A 101,0 A

25,0 mm2 127,0 A 105,0 A 100,0 A 93,0 A 148,0 A 130,0 A

35,0 mm2 158,0 A 128,0 A 122,0 A 114,0 A 178,0 A 157,0 A

50,0 mm2 192,0 A 154,0 A 152,0 A 141,0 A 211,0 A 185,0 A

70,0 mm2 246,0 A 194,0 A 189,0 A 174,0 A 259,0 A 227,0 A

95,0 mm2 298,0 A 233,0 A 226,0 A 206,0 A 311,0 A 274,0 A

120,0 mm2 346,0 A 268,0 A 260,0 A 238,0 A 355,0 A 311,0 A

150,0 mm2 399,0 A 300,0 A 299,0 A 272,0 A 394,0 A 345,0 A

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

Durch Einsatz einadriger Kabel wird die Auswahl der Querschnitte für Außen- und Neutralleiter voneinanderunabhängig. Andererseits lässt sich die gegenseitige thermische Beeinflussung wegen der unsteten relativenLage zueinander schlechter analytisch nachvollziehen.

Die direkteste Vorgehensweise besteht in unabhängiger Auslegung des Neutralleiters, immer eingedenk derAbhängigkeit der thermischen Belastbarkeit und der Reaktanz des Stromkreises von der relativen Anordnungder Leiter zueinander. Als weitere Faktoren sollten berücksichtigt werden:

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


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Quer- Luft (30°C) Boden (20°C)schnitt Freiluft Kanal mit Kanal direkt im Erdreich

ρ =1 ρ =1,5 ρ =1 ρ =1,51,5 mm2 20,0 A 17,0 A 17,0 A 16,0 A 26,0 A 22,0 A

2,5 mm2 28,0 A 22,0 A 22,0 A 22,0 A 34,0 A 31,0 A

4,0 mm2 36,0 A 30,0 A 28,0 A 28,0 A 44,0 A 39,0 A

6,0 mm2 46,0 A 38,0 A 37,0 A 35,0 A 56,0 A 48,0 A

10,0 mm2 65,0 A 52,0 A 51,0 A 47,0 A 76,0 A 67,0 A

16,0 mm2 86,0 A 69,0 A 65,0 A 62,0 A 98,0 A 87,0 A

25,0 mm2 109,0 A 90,0 A 86,0 A 80,0 A 127,0 A 112,0 A

35,0 mm2 136,0 A 110,0 A 105,0 A 98,0 A 153,0 A 135,0 A

50,0 mm2 165,0 A 132,0 A 131,0 A 121,0 A 181,0 A 159,0 A

70,0 mm2 212,0 A 167,0 A 163,0 A 150,0 A 223,0 A 195,0 A

95,0 mm2 256,0 A 200,0 A 194,0 A 177,0 A 267,0 A 236,0 A

120,0 mm2 298,0 A 230,0 A 224,0 A 205,0 A 305,0 A 267,0 A

150,0 mm2 343,0 A 258,0 A 257,0 A 234,0 A 339,0 A 297,0 A



ρ =1 ρ =1,5 ρ =1 ρ =1,51,5 mm2 15,0 A 12,0 A 13,0 A 12,0 A 19,0 A 17,0 A

2,5 mm2 20,0 A 17,0 A 17,0 A 16,0 A 25,0 A 23,0 A

4,0 mm2 27,0 A 22,0 A 21,0 A 20,0 A 32,0 A 29,0 A

6,0 mm2 34,0 A 28,0 A 27,0 A 26,0 A 41,0 A 36,0 A

10,0 mm2 48,0 A 38,0 A 38,0 A 35,0 A 56,0 A 50,0 A

16,0 mm2 64,0 A 51,0 A 48,0 A 46,0 A 73,0 A 64,0 A

25,0 mm2 81,0 A 67,0 A 64,0 A 59,0 A 94,0 A 83,0 A

35,0 mm2 101,0 A 82,0 A 78,0 A 73,0 A 113,0 A 100,0 A

50,0 mm2 122,0 A 98,0 A 97,0 A 90,0 A 134,0 A 118,0 A

70,0 mm2 157,0 A 124,0 A 120,0 A 111,0 A 165,0 A 145,0 A

95,0 mm2 190,0 A 148,0 A 144,0 A 131,0 A 198,0 A 175,0 A

120,0 mm2 220,0 A 171,0 A 166,0 A 152,0 A 226,0 A 198,0 A

150,0 mm2 254,0 A 191,0 A 190,0 A 173,0 A 251,0 A 220,0 A

◆ Der Spannungsfall aller durch 3 teilbarer Strom-Oberschwingungen im Neutralleiter führt in allenAußenleitern zu Oberschwingungs-Spannungsfällen. Das kann bei langen Leitungswegen eine weitereHeraufsetzung des Neutralleiter-Querschnitts erfordern.

Besondere Aufmerksamkeit ist bei Kabeln mit Armierung oder metallischem Schirm geboten. Der Beitrag derOberschwingungen zu den Wirbelstrom-Verlusten in der Armierung bzw. im Schirm kann beträchtliche Aus-maße annehmen. Daher sollte der Rückleiter-Querschnitt, wann immer verzerrte Lastströme zu erwartensind, niemals kleiner bemessen werden als der Außenleiter-Querschnitt. Entsprechendes gilt selbstredendauch für sämtliche Bestandteile des Rückleiterkreises.

Wenn die Auslegungs-Kenngrößen des Rückleiterkreises den der zugehörigen Außenleiter überschreiten, wasschon in üblichen Netzen der Fall sein kann, kann es schwierig, wenn nicht gar unmöglich werden, passendemarktgängige Bauteile zu finden, die diesen Forderungen gerecht werden. Die einzig machbaren Alternativenbestehen im Begrenzen der Last oder in der Auslegung nach größtem Querschnitt. Der Schutz muss natürlichnach den kleineren Außenleiter-Querschnitten ausgelegt werden.

Für Endstromkreise sollten jeweils eigene Neutralleiter und eigene Stromkreise für jede verzerrende Last vor-gesehen werden. Dies gewährt gleichzeitig die bestmögliche elektromagnetische Trennung zwischen stören-den und störempfindlichen Baugruppen. Durch bestmögliche Verteilung der Lasten auf die Außenleiter wirdzusätzliche N-Last durch Unsymmetrie vermieden. Obige Aussagen sind für große Leiterquerschnitte ebensowichtig und gültig wie für bescheidenere. Auch sind sie, zumindest näherungsweise, auf Stromschienenanwendbar.

RechenbeispielBetrachten wir folgendes Beispiel: Ein dreiphasiger Stromkreis mit 39 A Nennlast soll als 4-adriges, PVC-iso-liertes Kabel direkt auf der Wand verlegt werden. Ohne Oberschwingungs-Belastung fiele die Wahl auf einKabel mit 6 mm2 Querschnitt und einer Belastbarkeit von 41A.

Mit 20 % dritter Oberschwingung und dem folglich zu Grunde zu legenden Reduktionsfaktor 0,86 errechnetsich der äquivalente Strom zu:

was ein Kabel von 10 mm2 Querschnitt erfordert.

39,0 A= 45 A

0,86


6



ρ =1 ρ =1,5 ρ =1 ρ =1,51,5 mm2 13,0 A 11,0 A 11,0 A 11,0 A 17,0 A 14,0 A

2,5 mm2 18,0 A 14,0 A 14,0 A 14,0 A 22,0 A 20,0 A

4,0 mm2 23,0 A 19,0 A 18,0 A 18,0 A 28,0 A 25,0 A

6,0 mm2 30,0 A 24,0 A 24,0 A 23,0 A 36,0 A 31,0 A

10,0 mm2 42,0 A 33,0 A 33,0 A 31,0 A 49,0 A 43,0 A

16,0 mm2 56,0 A 44,0 A 42,0 A 40,0 A 63,0 A 56,0 A

25,0 mm2 71,0 A 58,0 A 56,0 A 52,0 A 82,0 A 72,0 A

35,0 mm2 88,0 A 71,0 A 68,0 A 63,0 A 99,0 A 87,0 A

50,0 mm2 107,0 A 86,0 A 84,0 A 78,0 A 117,0 A 103,0 A

70,0 mm2 137,0 A 108,0 A 105,0 A 97,0 A 144,0 A 126,0 A

95,0 mm2 166,0 A 129,0 A 126,0 A 114,0 A 173,0 A 152,0 A

120,0 mm2 192,0 A 149,0 A 144,0 A 132,0 A 197,0 A 173,0 A

150,0 mm2 222,0 A 167,0 A 166,0 A 151,0 A 219,0 A 192,0 A

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:

Somit reicht ein 10 mm2 starkes Kabel auch hier noch aus.

Bei 50 % dritter Oberschwingung muss der Kabelquerschnitt noch immer auf den Neutralleiterstrom hin aus-gelegt werden:

39 A×0,5×3 = 58,5 A

was ein 16 mm2 starkes Kabel erfordert. (In diesem Fall ist der Reduktionsfaktor gleich 1.)

SchlussfolgerungenDie Darlegungen in diesem Schriftstück haben gezeigt, wie übliche, ohne Netzqualitätsprobleme sehr wohlanwendbare Auslegungskriterien zur Bedeutungslosigkeit verfallen, wenn die zu Grunde gelegten theoreti-schen Hypothesen nicht zutreffen. Im vorliegenden Fall ist die Annahme idealer Spannungs- und Stromkur-ven nicht erfüllt.

Bei der Bemessung des Neutralleiters legt die landläufige Praxis den Einsatz von Querschnitten kleiner odergleich dem der entsprechenden Außenleiter und die gemeinsame Verwendung eines Außenleiters für mehrereStromkreise nahe. Andererseits jedoch erfordert die angemessene Berücksichtigung der bei nicht linearen Las-ten auftretenden elektromagnetischen Einflüsse die Auswahl eines Neutralleiters größeren oder zumindestgleichen Querschnitts wie die Außenleiter nach dem tatsächlich darin fließenden Strom. Der Einsatz einesgetrennten Neutralleiters für jeden Stromkreis (einstmals in einigen Ländern vorgeschrieben) ist ebenso erfor-derlich. Wie das Rechenbeispiel zeigt, kann das Problem in wichtigen Hauptleitungen einer Produktionsstätteebenso 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 SEEnovembre 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 – Kabel-und Leitungsanlagen

46,8 A= 54,4 A

0,86


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Notizen

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Partner:

European Copper Institute(ECI)www.eurocopper.org

Akademia Górniczo-Hutnicza(AGH)www.agh.edu.pl

Centre d’Innovació Technològica en Convertidors Estàtics i Accionaments(CITCEA)www.citcea.upc.es

Comitato Elettrotecnico Italiano(CEI)www.ceiuni.it

Copper Beneluxwww.copperbenelux.org

Copper DevelopmentAssociation(CDA UK)www.cda.org.uk

Leonardo Netzwerk-ner:

Deutsches Kupferinstitut e.V.(DKI)www.kupferinstitut.de

Engineering Consulting and Design(ECD)www.ecd.it

Escuela Técnica Superior deIngenieros Industriales(ETSII)www.etsii.upm.es

Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes(HTW)www.htw-saarland.de

Istituto Italiano del Ramewww.iir.it

Katholieke Universiteit Leuven(KU Leuven)www.kuleuven.ac.be

Politechnika Wroclawskawww.pwr.wroc.pl

Leonardo Netzwerk-ner:

Polskie Centrum Promocji Miedzi(PCPM)www.miedz.org.pl

Provinciale Industriële Hogeschool(PIH)www.pih.be

Università di Bergamowww.unibg.it

University of Bathwww.bath.ac.uk

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

Union International de l’Electrotechnique(UIE)www.uie.org

Universidade de Coimbra(ISR)www.uc.pt

RedaktionsratDavid 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 Milanovic UMIST [email protected]

Dr. Miles Redfern University of Bath [email protected]

Andreas Sumper CITCEA [email protected]

Roman Targosz Polish Copper Promotion Centre [email protected]

Leonardo internationale und Gründungspartner:

Deutsches KupferinstitutAm Bonneshof 5D-40474 Düsseldorf

Tel.: +49 211 4796300Fax: +49 211 4796310E-Mail: [email protected]: www.kupferinstitut.de

European Copper InstituteTervurenlaan 168 / b 10B-1150 Brussel

Tel.: +32 2 7777070Fax: +32 2 7777079E-Mail: [email protected]: www.eurocopper.org

Prof. Jan Desmet

Università di Bergamov.le Marconi 5Dalmine 24044Italien

Tel: 00 39 035 2052353Fax: 00 39 035 2052377Email: [email protected]: www.unibg.it

Prof. Angelo Baggini

Hogeschool West-VlaanderenGraaf Karel de Goedelaan 58500 KortrijkBelgien

Tel: 00 32 56 24 12 39Fax: 00 32 56 24 12 34Email: [email protected]: www.pih.be

3 5 1 aussen 200904 - Kupferinstitut€¦ · gering und in jedem Fall weit geringer als jeder der...

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