Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen bei Oberschwingungsströmen

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1 Dipl.-Ing. Bernd Siedelhofer, ABB STOTZ-KONTAKT, Heidelberg, Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen bei Oberschwingungsströmen August 2013 Slide 1

2 Übersicht Bernd Siedelhofer / bernd.siedelhofer@de.abb.com Aktuelle Normen zu Kabel- und Leitungsanlagen Auswahl und Errichtung von Kabel- und Leitungsanlagen Neuausgabe DIN VDE in 06/2013 Strombelastbarkeit (allgemein) Neuausgabe DIN VDE in 06/2013 Strombelastbarkeit bei Lastströmen mit Oberschwingungsanteilen DIN VDE Beiblatt 3: August 2013 Slide 2

3 bisher: VDE Überwachung des Neutralleiters VDE Anwendung von Korrekturfaktoren neu erschienen ist im Oktober 2012: DIN VDE Beiblatt 3 Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen in 3-phasigen Verteilungsstromkreisen bei Lastströmen mit Oberschwingungsanteilen August 2013 Slide 3

4 Ursachen für Oberschwingungsströme besonders auffällig sind Geräte kleinerer Leistung, weil hier die zulässigen Grenzwerte großzügiger angesetzt sind als bei höheren Leistungen, z. B. bei Lampen 25W bei sonstigen Geräte < 75W (keine Grenzwerte einfache Schaltungsarten hohe Stromverzerrungen) hier macht s dann die Vielzahl der angeschlossenen Geräte, die von einem gemeinsamen Verteilungsstromkreis versorgt werden August 2013 Slide 4

5 Strom 9-W-Kompaktsparlampe Kompakt-Energiesparlampe mit Elektronischem Vorschaltgerät (EVG): extrem verzerrte Stromkurvenform mit hohen relativen Oberschwingungsamplituden bis in den khz-bereich Spannung Grundschwingungsstrom nur ca. 40mAeff, Gesamtstrom aber ca. 70mAeff Spitzenwert über 300mAS (entspricht Crestfaktor CFI = 300/70 = 4,3) Quelle: Dirty Power - Oberschwingungen durch nichtlineare Verbraucher Dipl.-Ing. (FH) Günter Höck, GMC-I Gossen-Metrawatt GmbH August 2013 Slide 5

6 Veranlassung bereits in der Vergangenheit wurde in verschiedenen Regelwerken darauf hingewiesen, dass bei der Festlegung von Leiterquerschnitten bzw. bei der Ermittlung von Strombelastbarkeitswerten eine eventuelle zusätzliche Belastung des Neutralleiters bei Oberschwingungen zu berücksichtigen ist aber: Was ist genau zu tun??? August 2013 Slide 6

7 Sachlage: die bisher üblicherweise genutzte Vorgehensweise nach DIN VDE hat 2 Fälle berücksichtigt: 2 belastete Adern - bei einem 1-phasigen Stromkreis 3 belastete Adern - bei einem 3-phasigen Stromkreis bei a) symmetrischer Belastung der Außenleiter kein zusätzlicher Strom im N b) unsymmetrischer Belastung der Außenleiter zusätzlicher Strom im N aber mind. 1 Außenleiter führt einen niedrigeren Strom August 2013 Slide 7

8 Sachlage: a) verursachen elektrische (elektronische) Verbrauchsmittel Oberschwingungsanteile im Laststrom, und b) sind diese Verbrauchsmittel 1-phasig auf mehrere Außenleiter verteilt, dann werden sich diese Oberschwingungsströme selbst bei symmetrischer Lastverteilung auf die Außenleiter im Neutralleiter des vorgelagerten Verteilungsstromkreises (3phasig) nicht kompensieren wenn sie eine bestimmte Ordnungszahl haben (durch 3 teilbar) August 2013 Slide 8

9 symmetrische Belastung der 3 Außenleiter eines Verteilungsstromkreises mit linearen Lasten unsymmetrische Belastung der 3 Außenleiter eines Verteilungsstromkreises mit linearen Lasten die Strombelastbarkeitswerte in VDE für 3 belastete Adern gelten August 2013 Slide 9 symmetrische Belastung der 3 Außenleiter eines Verteilungsstromkreises mit nichtlinearen Lasten Strombelastbarkeitswerte für 3 belastete Adern müssen reduziert werden

10 Sachlage: in DIN VDE gab es bereits in der Ausgabe von 1998 den Hinweis In einem Drehstromkreis wird symmetrische Belastung angenommen. Wenn darüber hinaus der Neutralleiter belastet wird, ohne dass die Außenleiter entsprechend entlastet werden, muss der Neutralleiter bei der Festlegung der Strombelastbarkeit des Kabels oder der Leitung mit berücksichtigt werden. Solche Ströme im Neutralleiter können beispielsweise durch einen ausgeprägten Oberschwingungsstrom in Drehstromkreisen verursacht werden. August 2013 Slide 10

11 Sachlage: in DIN VDE Ausgabe 2003 wurde dann ein informativer Anhang B dazu aufgenommen mit der Angabe von Reduktionsfaktoren: August 2013 Slide 11

12 Anteil der Oberschwingungsströme am Laststrom 15 % kein vergrößerter Neutralleiterquerschnitt empfohlen (Neutralleiterbelastung von höchstens 45 % des Außenleiterstroms, Zunahme der Verlustwärme im gesamten Kabel/in der gesamten Leitung um 6 % gegenüber der Nennbelastbarkeit) Anteil Oberschwingungen am Laststrom > % Neutralleiterstrom ggf. gleich hoch wie in jedem Außenleiter Kabel-/Leitungslast muss um einen Faktor von 0,86 vermindert werden August 2013 Slide 12

13 Anteil Oberschwingungen am Laststrom > % das Kabel/die Leitung ist nach dem Neutralleiterstrom auszuwählen und: die zulässige Last wird zusätzlich um den Faktor 0,86 reduziert Anteil Oberschwingungen am Laststrom > 45 % das Kabel/die Leitung muss nach dem Neutralleiterstrom ( 135 % des Außenleiterstroms) ausgewählt werden kein zusätzlicher Reduktionsfaktor erforderlich, da die Außenleiter jetzt überdimensioniert sind August 2013 Slide 13

14 IZ = 24A, wenn Oberschwingungsanteil 0 15% Werte gerechnet für 60% alle Verlegearten 3 Bereiche der Oberschw.-anteile Cu, 4 300mm² Al, mm² Belastbarkeit für feste Verlegung in und an Gebäuden, Verlegearten A, B, C, D, E, F und G, Betriebstemperatur 70 C, Umgebungstemperatur: 25 C in Luft, 20 C im Erdboden August 2013 Slide 14

15 aber: Wie kommt man an die Oberschwingungsanteile? Beiblatt 3 zu VDE zeigt 2 Vorgehensweisen auf: a) Abschätzung des Oberschwingungsanteils im Laststrom anhand von typischen Messergebnissen (siehe Tabelle A.2) alternativ: b) August 2013 Slide 15 Anwendung von Reduktionsfaktoren in Abhängigkeit des Anteils Oberschwingungen verursachender Verbrauchsmittel (siehe Tabelle 2)

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17 Büroetage mit 6 Räumen à 8 Arbeitsplätze je Arbeitsplatz 1 PC + Bildschirm je Raum 1 Kopierer, 1 FAX, 8 Leuchten mit je 2 KLL Beispiel Gerät Anzahl Leistungsaufnahme Laststrom Verzerrungsstrom Außenleiterstrom W A ma Verzerrungsstrom je Außenleiter im Neutralleiter A A A KLL 58W par. komp ,3 67 9,6 2,14 6,43 PC 1) , ,68 4,32 12,96 Bildschirm 1) , ,84 2,19 6,58 Kopierer 1) , ,22 0,29 0,86 FAX 1) , ,34 0,17 0,5 gesamt August 2013 Slide 17 22,7 27,33

18 Beispiel Büroetage mit 6 Räumen à 8 Arbeitsplätze je Arbeitsplatz 1 PC + Bildschirm je Raum 1 Kopierer, 1 FAX, 8 Leuchten mit je 2 KLL ergibt für den versorgenden Verteilungsstromkreis bei Verlegeart B2, PVC, 25 C, keine Häufung: Laststrom je Außenleiter = 22,7A zusätzlicher Strom im Neutralleiter = 27,3A erforderlicher Mindestquerschnitt (ohne Berücksichtigung von weiteren Verbrauchsmitteln und irgendwelchen Reservefaktoren): August 2013 Slide 18 4mm² ohne Berücksichtigung der zus. Neutralleiterbelastung 6mm² mit Berücksichtigung der zus. Neutralleiterbelastung

19 Beispiel Büroetage mit 6 Räumen à 8 Arbeitsplätze je Arbeitsplatz 1 PC + Bildschirm je Raum 1 Kopierer, 1 FAX, 8 Leuchten mit je 2 KLL alternative Vorgehensweise für eine (grobe) Abschätzung: (a) Verhältnis der Summe der Leistung aller Oberschwingungen verursachenden Verbraucher, die durch die betrachtete Verteilung versorgt werden, zur Gesamtleistung aller durch die Verteilung versorgten Verbrauchsmittel August 2013 Slide 19 Anteil der Leistung(a) in % Umrechnungsfaktor (für Verteilerstromkreise) > ,95 > ,90 > ,85 > ,80 > ,75 > ,70 > 75 0,65

20 Beispiel Büroetage mit 6 Räumen à 8 Arbeitsplätze je Arbeitsplatz 1 PC + Bildschirm je Raum 1 Kopierer, 1 FAX, 8 Leuchten mit je 2 KLL mehr als 75% der Verbrauchsgeräte, die durch die Verteilung versorgt werden, sind nichtlineare Lasten der Reduktionsfaktor kann mit 0,65 angenommen werden der korrigierte Außenleiterstrom beträgt somit: 22,7A / 0,65 = 34,9 A das Kabel/die Leitung ist für eine Strombelastbarkeit von mind. 34,9A auszulegen nach VDE , Tabelle A.1 (TU=25 C) mit Verlegeart B2 und 3 belasteten Adern ist jetzt ebenfalls ein Leiterquerschnitt von mind. 6 mm² erforderlich August 2013 Slide 20 Anteil der Leistung(a) in % 0 15 Umrechnungsfaktor (für Verteilerstromkreise) 1 > ,95 > ,90 > ,85 > ,80 > ,75 > ,70 > 75 0,65

21 DIN VDE die Auswahl und die Errichtung von Kabel- und Leitungen für Niederspannungsanlagen erfolgt grundsätzlich nach DIN VDE Ergebnis internationaler Normenarbeit: IEC :2009 plus Modifikationen bei CENELEC HD :2011 plus August 2013 Slide 21 nationale Zusätze für DE (grau)

22 DIN VDE Ergebnis internationaler Normenarbeit aber: Abschnitt 523 wird (wie bisher) in Deutschland eigenständig als DIN VDE veröffentlicht entgegenstehende nationale Normen (DIN VDE : und DIN VDE : ) müssen bis zurückgezogen werden Neuausgabe gilt ab Datum der Veröffentlichung (Juni 2013) die zu diesem Zeitpunkt bereits in Planung oder Bau befindlichen Anlagen können noch auf bisheriger Normengrundlage fertiggestellt werden August 2013 Slide 22

23 DIN VDE wesentliche Änderungen: der Abschnitt 521 Arten von Kabel- und Leitungsanlagen wurde neu strukturiert (viele nationale Regelungen - Grauschattierungen ) kleinere Änderungen im Hinblick auf Schienenverteiler und Stromschienensysteme (521.4) Anforderungen an die Auswahl und Errichtung von elektrischen Betriebsmitteln (auch Geräte- und Verbindungsdosen und Verteiler) in Hohlwänden jetzt in bisher in DIN VDE , Abschnitt Änderungen bezüglich des maximal zulässigen Spannungsfalls zwischen Hauseinführung und Verbrauchsmittel (525) August 2013 Slide 23

24 DIN VDE wesentliche Änderungen: kleinere Änderungen bezüglich elektrischer Verbindungen einschl. zusätzlicher Ausnahmen für die Prüfung von Verbindungen und zusätzliche Anmerkungen zusätzliche Anforderungen im Hinblick auf Näherungen unterirdischer Starkstromkabel und Fernmeldekabel kleinere Änderungen bezüglich Auswahl und Errichtung von Kabelund Leitungsanlagen in Bezug auf Instandhaltung einschließlich Reinigung Tabelle mit Übersicht der Verlegearten zukünftig nur noch in VDE August 2013 Slide 24

25 DIN VDE Spannungsfall (Empfehlung) zwischen Übergabestelle (Hausanschluss) und Anschlusspunkt für ein Verbrauchsmittel sollten folgende Werte nicht überschritten werden: versorgt aus Beleuchtung andere el. Verbrauchsmittel A öffentlichem Verteilungsnetz 3% 5% B privatem Verteilungsnetz 6% 8% im Fall B sollten für Endstromkreise die Werte von A eingehalten werden Anhang G enthält eine Berechnungsgrundlage August 2013 Slide 25

26 DIN VDE Veröffentlichung gemeinsam mit DIN VDE im Juni 2013 Übernahme von Abschnitt 523 von VDE in Deutschland als eigenständige Norm entgegenstehende nationale Normen (DIN VDE : ) müssen bis zurückgezogen werden Neuausgabe gilt ab Datum der Veröffentlichung (Juni 2013) die zu diesem Zeitpunkt bereits in Planung oder Bau befindlichen Anlagen können noch auf bisheriger Normengrundlage fertiggestellt werden August 2013 Slide 26

27 DIN VDE wesentliche Hinweise und Änderungen Belastbarkeitsangaben für isolierte Starkstromleitungen wurden aus dem aktuellen HD übernommen Referenzverlegeart D1 Verlegung im Elektro-Installationsrohr oder in einem Kabelschacht im Erdreich wurde aus dem aktuellen HD als Verlegeart D übernommen - direkte Verlegung im Erdreich ( D2 ) ist weiterhin in den zugehörigen Kabelbauarten festgelegt die Übersicht der Kabel- und Leitungsbauarten wurde aktualisiert und an die EN (VDE ) angepasst Strombelastbarkeitswerte für große Nennquerschnitte ( 150mm² bei Verlegart B1 und B2) wurden gemäß HD ergänzt kleine Änderungen bzgl. der Leiterdimensionierung bei Oberschwingungen August 2013 Slide 27

28 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Noch Fragen?? August 2013 Slide 29

29 August 2013 Slide 30