Auswahl der richtigen Sicherung für selbstregulierende Begleitheizungen

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1 Einleitung Die passende Sicherungsstärke für S/R-en lässt sich mithilfe der Informationen des Datenblattes oder der CompuTrace -s-designsoftware einfach ermitteln. Es kann aber auch passieren, dass sich ein Ingenieur oder Techniker folgende Frage stellt: Auf welcher technischen Grundlage wurden die Daten zur Sicherungsstärke und die resultierenden Werte ermittelt? Dieser ThermoTip erklärt, auf welcher technischen Grundlage die Sicherungsauswahl erfolgt. Die Hauptfaktoren für die richtigen Größenverhältnisse sind: () die festgelegte Einschalttemperatur, (2) Art und Strombelastbarkeit der Sicherung, (3) die festgelegten Einschalteigenschaften der S/R- und (4) die Gesamtlänge der an die Sicherung angeschlossenen sleitung. Widerstandseigenschaften Der Widerstand einer selbstregulierenden kann durch einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) beschrieben werden, was bedeutet, dass der Widerstand mit der Temperatur ansteigt. Ein Beispiel dafür, wie sich der Wirkwiderstand als Funktion der stemperatur (nicht der Rohrtemperatur) darstellen lässt, ist in Abbildung sichtbar. Das Beispiel bezieht sich auf eine Frostschutzheizung. Wirkwiderstand (Ohm/m) Temperatur C Normierter Stromfluss, 5,, Spitze Elektrisches/Thermisches Gleichgewicht des Heizkabels Ausgeglichene Rohrtemperatur.. Zeit (Sekunden) Abb. 2: Stromverlauf bei Inbetriebnahme einer selbstregulierenden Das Stromverhalten bei Inbetriebnahme lässt sich durch drei Stromwerte beschreiben: Einschaltstromspitze die direkt nach dem Einschalten verzeichnete Stromstärke, wenn die Temperatur der der Rohre entspricht (bei Hochfahren des Systems) Maximalstrom die Stromstärke, die gemessen wird, nachdem die ihre Gleichgewichtstemperatur oberhalb der Rohrtemperatur erreicht hat (normalerweise 3 Sekunden nach Einschalten) Betriebsstrom die nach Erreichen der Betriebstemperatur des Rohres oder der eingestellten zu erhaltenden Temperatur gemessene Stromstärke (einige Stunden nach Einschalten, je nach Rohrgröße und enthaltenen Flüssigkeiten) s- und Rohrtemperatur bei diesen drei Stromniveaus sind in Abbildung 3 abgebildet. T Heizung = -2 C R = 24 Ω/m Maximal T Heizung = +44 C R = 66 Ω/m Betrieb T Heizung = +59 C R = 5 Ω/m Abb.: Wirkwiderstand vs. stemperatur Es wird ersichtlich, dass der Widerstand der Frostschutzheizung von -2 ºC bis 3 ºC langsam ansteigt. Die typische Betriebstemperatur für die liegt bei 4 ºC bis 6 ºC. Oberhalb von 6 ºC steigt der Widerstand der Heizleitung erheblich, da sie sich der Temperatur von 8 ºC nähert, bei der sie sich ausschaltet. = -2 C Zeit = + (Einschalten) Abb. 3a = -2 C Zeit = 3 Sekunden Abb. 3b = +5 C Zeit = 4 Stunden Abb. 3c Stromeigenschaften bei Inbetriebnahme Der sich mit der stemperatur verändernde Widerstand sorgt für die Stromeigenschaften bei Inbetriebnahme einer S/R-. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für die Stromeigenschaften bei Inbetriebnahme einer S/R-. Rohr- und stemperatur bei Systemstart Abb. 3(a) zeigt Rohr und beim Einschalten. Das Rohr und die haben die gleiche Temperatur von -2 C. In diesem Beispiel beträgt der Widerstand der 24 W/m. Die Stromstärke bei diesem Widerstand wird als StromSPITZE bezeichnet. Formular TT22-9

2 Abb. 3(b) zeigt Rohr und nach 3 Sekunden. Zu diesem Zeitpunkt hat sich die Rohrtemperatur noch nicht verändert, aber die hat ihre Gleichgewichtstemperatur von 44 C oberhalb der Rohrtemperatur von -2 C erreicht. Der Widerstand der bei 44 ºC beträgt 66 W/m. Somit wurde der MAXIMALstrom erreicht. Abb. 3(c) zeigt das Rohr bei einer Betriebstemperatur von 5 C. Diese Temperatur wird je nach Rohrgröße womöglich erst nach mehreren Stunden erreicht. Die stemperatur beträgt nun 59 ºC und ihr Widerstand beläuft sich auf 5 W/m. Bei diesem Widerstandswert ist die BETRIEBSstromstärke erreicht. Abbildung 4 stellt den Wirkwiderstand der sowohl als Funktion der Betriebszeit als auch der stemperatur dar Zeit = 4 hr 25 2 Zeit = 3 s 5 Zeit = Temperatur C Abb.4: Wirkwiderstand vs. stemperatur und Zeit Wirkwiderstand (Ohm/m) Das ist die Grundlage für den typischen Stromflussverlauf bei Inbetriebnahme, wie in Abbildung 2 illustriert. Bei Berechnung der Sicherungsstärke darf sich der Stromflussverlauf bei Inbetriebnahme der nicht mit der (minimalen) Auslösekurve der Sicherung überschneiden. Sicherungseigenschaften Die Auslösekurven von Sicherungen werden für gewöhnlich auf doppellogarithmischen Graphen abgebildet, in denen Vielfache des Nennstroms als Funktion der Zeit dargestellt werden. Bei Sekunden liegt das auf dem Niveau der Auslösekurve oder nähert sich ihr an. Ein Beispiel für eine typische Auslösekurve einer nordamerikanischen Sicherung ist in Abbildung 5 sichtbar. Beachten Sie, dass die minimale Auslösekurve dieser typischen nordamerikanischen Sicherung einen Einschaltstrom von maximal dem Zehnfachen des Sicherungsnennstroms zulässt. Bei einer 2-A-Sicherung wird also eine Stromspitze von 2 A zugelassen, ohne dass die Sicherung ausgelöst wird. Nach Sekunden muss die Stromstärke allerdings unterhalb des 2,-fachen des Nennstroms fallen, also im Fall einer 2-A-Sicherung auf maximal 42 A. Die Auslöseeigenschaften von Sicherungen können variieren. Zwei weitere häufig verwendete internationale Sicherungssysteme sind Typ C und Typ B. Die Auslösekurven für diese zwei Sicherungsarten sind in Abbildung 6(a) und 6(b) dargestellt. Abb. 5: Typische Auslösekurve einer nordamerikanischen Sicherung Abb. 6a: Typische Auslösekurve einer IEC-Typ-C-Sicherung Abb. 6b: Typische Auslösekurve einer IEC-Typ-B-Sicherung Formular TT22-9 2

3 Abgesehen von einer niedrigeren Einschaltstromtoleranz ähnelt die Reaktionskurve der internationalen Typ-C-Sicherung in Abbildung 6(a) der typischen nordamerikanischen Sicherung. Der zugelassene Einschaltstrom für eine Sicherung des Typs B liegt bei einem zugelassenen Vielfachen von 2, erheblich niedriger. Darum ist es bei der Ermittlung der thermischen Belastung für eine Sicherung für eine S/R- wichtig, die Sicherungsklasse oder den Typ zusammen mit der Strombelastbarkeit zu beachten. Vorgehensweise zur Berechnung der Sicherungsstärke Wie bereits erwähnt muss die Strombelastbarkeit der Sicherung ermittelt werden, damit sich der Einschaltstrom der unterhalb des s befindet. Alternativ muss bei Einsatz einer spezifischen Sicherung die Kabellänge so angepasst werden, dass der Widerstand der unterhalb der Auslösekurve bleibt. Bei vielen S/R-soptionen ist der Maximalstrom der (3 Sekunden nach Einschalten) größer oder gleich der zugelassenen Sicherungsstrombelastung und somit unterhalb der Auslösekurve (es kommt nicht zu einer Überschneidung). Abbildung 7 zeigt ein Beispiel. Die Stromkurve bei Inbetriebnahme der befindet sich jederzeit unterhalb der Auslösekurve der Sicherung. Dazu könnte es zum Beispiel kommen, wenn sich der Maximalstrom der S/R- bei 3 Sekunden knapp unterhalb von 2 A befindet und die Sicherung mit einem Nennstrom von 2 A ausgewiesen ist. In manchem Fällen kann der Maximalstrom der dem Nennstrom der Sicherung entsprechen. Dann überschneiden sich Einschaltstromstärke und. Abbildungen 8(a) und 8(b) zeigen Beispiele. Im Beispiel mit der QO-Sicherung kommt es innerhalb der ersten Sekunden zu einer Überschneidung. Für die Typ-B-Sicherung kommt es zum Zeitpunkt + bei der Stromspitze zur Überschneidung. Min Max Abb. 8a: Typische Auslösekurve einer nordamerikanischen Sicherung Min Max Min Max Abb. 7: Typische Auslösekurve einer nordamerikanischen Sicherung Maximale Stromstärke bei -%-Belastung Abb. 8b: Typische Auslösekurve einer IEC-Typ-B-Sicherung Formular TT22-9 3

4 Damit die Sicherung nicht ausgelöst wird, müssen beide Stromprofile nach links verschoben werden, damit es bei Inbetriebnahme nicht zu einer Überschneidung kommt. Diese Verschiebung kann als prozentualer Anteil des Nennstroms der Sicherung ausgedrückt werden. Die entsprechende Prozentzahl kann dann verwendet werden, um den effektiven Sicherungsnennstrom oder die Kreislänge bei % Ladung anzupassen. Dies wird in Abbildungen 9(a) und 9(b) deutlich. Min Max Um eine Überschneidung zu vermeiden, musste die Einschaltstromkurve der in Abbildung 9(a) um 8 % des Nennstroms der Sicherung nach links verschoben werden und um 7 % des Nennstroms der Sicherung in Abbildung 9(b). Für das Beispiel der nordamerikanischen Sicherung kommt es während der ersten Sekunden zur Überschneidung. Für die IEC-Typ-B-Sicherung kommt es zum Zeitpunkt + bei der Stromspitze zur Überschneidung. Wenn beide in diesem Beispiel verwendeten Sicherungen Nennstromstärken von 2 A hätten, läge der zulässige Maximalstrom bei 6 A bzw. 4 A, nicht 2 A. Nun stellt sich die Frage: Wie wird der Maximalstrom ermittelt? Zuvor wurde der Maximalstrom wie folgt definiert: Maximalstrom die Stromstärke, die gemessen wird, nachdem die ihre Gleichgewichtstemperatur oberhalb der Rohrtemperatur erreicht hat (normalerweise 3 Sekunden nach Einschalten). Dabei handelt es sich um den gleichmäßigen Strom, der das S/R-Kabel bei der festgelegten Einschalttemperatur durchfließt, nahe der vom Hersteller vorgegebenen Obergrenze für die Leistungstoleranz. Als Beispiel dient die mit Max gekennzeichnete Linie in Abbildung. 8 7 Wert bei Einschalttemperatur -2 C Abb. 9a: Typische Auslösekurve einer nordamerikanischen Sicherung Maximale Stromstärke bei 8-%-Belastung Min Max Leistungsabgabe (W/m) Max Min Rohrtemperatur C Abb. : / Leistungsabgabe als Funktion der Rohrtemperatur Abb. 9b: Typische Auslösekurve einer IEC-Typ-B-Sicherung Maximale Stromstärke bei 7-%-Belastung Die Kurve für die minimale Leistungsabgabe, die untere, mit Min gekennzeichnete Linie, dient dazu, den Wärmeverlust der Rohre zu ermitteln. Aufgrund der selbstregulierenden Eigenschaften führt eine niedrigere Rohrtemperatur zu einer höheren Leistungsausgabe und einer höheren Stromstärke. Darum werden die Daten zur Sicherungsstärke für verschiedene Einschalttemperaturen aufgelistet. Für eine konservative Berechnung der Sicherungsstärke wird die Kurve mit der maximalen Leistungsabgabe oder Toleranz für den Maximalstrom verwendet. Formular TT22-9 4

5 Hier ist ein Beispiel für die Sicherungsgrößenermittlung auf Grundlage der Schritte, die bisher erläutert wurden. Voraussetzungen: Eine Betriebsspannung von 24 VAC Eine vorgegebene nordamerikanische Sicherung mit einem Nennstrom von 2 A Eine Einschalttemperatur von -2 ºC Eine S/R-Frostschutzbegleitheizung mit 33 W/m bei ºC (Kabel Typ -2) Welche Länge kann die sleitung maximal haben, um bei den oben genannten Bedingungen mit der oben genannten nordamerikanischen Sicherung gesichert zu werden? Schritt : Wenn das normalisierte S/R -2 Stromverhalten auf die minimale Auslösekurve der nordamerikanischen Sicherung trifft, handelt es sich um einen Offset-/Belastungsfaktor von 8 % (vgl. Abb. 9a). Schritt 2: Der Nennstrom der nordamerikanischen Sicherung beträgt 2 A. Die eingesetzte Stromstärke, die nicht zur Auslösung führt, beträgt bei einem Belastungsfaktor von 8 % 6 A. Schritt 3: Bei einer Einschalttemperatur von -2 C beträgt die maximale Leistungsabgabe des S/R -2 Heizkabels 57 W/m. Bei 24 VAC entspricht das einer Maximalstromstärke von,24 A/m, vgl. Abb.. Schritt 4: Durch Dividieren der effektiven Stromstärke der nordamerikanischen 2-A-Sicherung von 6 A mit der Maximalstromstärke von,24 A/m ergibt sich eine Länge von 67 m. Dabei handelt es sich um die maximale Länge des S/R -2 Kabels, das bei einer Einschalttemperatur von -2 ºC mit einer nordamerikanischen 2-A-Sicherung verwendet werden kann. Zusammenfassung Bei der Berechnung der Sicherungsstärke für eine S/R- müssen verschiedenen Faktoren berücksichtigt werden: () Einschalttemperatur, (2) Stromflussverhalten der bei Inbetriebnahme, (3) Sicherungstyp und (4) Nennstrom der Sicherung. Dieser ThermoTip hat dargelegt, wie man die Stärke einer Sicherung oder die maximale Kreislänge bei einer vorhandenen Sicherung ermitteln kann. Auch wenn dieser Prozess zunächst etwas komplex erscheinen kann, führt das CompuTrace Designprogramm von Thermon diese einfachen Schritte schnell auf Grundlage der vom Anwender im Reiter EINSTELLUNGEN des Programms eingegebenen Werte für den Sicherungstypen und Nennstrom aus. Bitte beachten Sie, dass der Maximalstrom von CompuTrace nicht für die Ermittlung der Sicherungsstärke verwendet werden sollte. Die Tabelle zu den Sicherungsstärken, die auf Thermon-Datenblättern für verzeichnet sind, wurde auf Grundlage der zuvor aufgeführten Schritte berechnet. Verwenden Sie das CompuTrace Designprogramm von Thermon oder die Datenblätter zu Ihrer, um die maximale Länge des Begleitheizkreises zu ermitteln. Formular TT22-9 5