Brand- und Explosionsschutz
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Elektrotechnik
Querschnitte bei Kabelanlagen in Funktionserhalt
ep5/2008, 2 Seiten
Temperaturbedingte Widerstandserhöhung Die temperaturbedingte Erhöhung des ohmschen Widerstands bei Kabelanlagen in Funktionserhalt wird bei den Prüfungen nach der DIN 1402-12 [1] nicht berücksichtigt und muss deshalb von dem Planer eingerechnet werden. Welche Temperaturen anzunehmen sind, kann aus dem Anhang A dieser Norm entnommen werden. Hier heißt es: „... dass Kabelanlagen in Kanälen und beschichtete Kabelanlagen ... zum Zeitpunkt des Funktionsverlustes eine Temperatur von etwa 150 °C aufweisen. Für Kabelanlagen mit integriertem Funktionserhalt ... sind näherungsweise als Leitertemperaturen zum Zeitpunkt des Funktionsverlustes die Brandraumtemperaturen (nach Einheitstemperaturzeitkurve ETK also etwa 830 °C nach 30 Minuten und 980 °C nach 90 Minuten, d. V.) anzusetzen, wenn kein besonderer Nachweis erfolgt.“ In Tafel sind die Temperaturen zusammengefasst. Die temperaturbedingte Widerstandserhöhung hängt sowohl von der Temperaturerhöhung des Leiters als auch vom Anteil der vom Brand betroffenen Leitungslänge ab und berechnet sich zu R = pRk (1) p vom Brand betroffener Anteil von der Gesamtlänge der Leitung Rk Widerstand des Leiters bei der Anfangstemperatur (angenommen 20 °C) Temperaturkoeffizient (Cu = 0,00392 K-1; Al = 0,0042 K-1) Temperaturerhöhung gegenüber der Anfangstemperatur von 20 °C nach Tafel Im Brandfall wird der Warmwiderstand der Leitung Rw = Rk +R und mit (1) Rw = Rk +p Rk oder Rw = Rk (1 + p ) (2) Fasst man die Konstanten Cu und zu einem Parameter k zusammen, so wird k1 = 0,51 für Leitungen in Kanälen oder beschichtete Kabel (Endtemperatur 150 °C) k2 = 3,17 für Kabelanlagen mit integriertem Funktionserhalt in E 30 (Endtemperatur 830 °C) und k3 = 3,76 für Kabelanlagen mit integriertem Funktionserhalt in E 90 (Endtemperatur 980 °C). Im Bild ist diese Gleichung als folgende normierte Funktion dargestellt: (3) Teilweise geben die Kabelhersteller auch die Temperaturen an, die bei den Brandprüfungen direkt am Leiter gemessenen wurden. Wenn ein solcher Nachweis vorliegt, dürfen diese Temperaturen bei der Widerstandsermittlung = p k + 1 Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 5 436 FÜR DIE PRAXIS Brandschutz Querschnitte bei Kabelanlagen in Funktionserhalt F. Schmidt, Magdeburg In verschiedenen Veröffentlichungen wurde bereits auf die Berücksichtigung der Brandtemperaturen bei Kabelanlagen in Funktionserhalt eingegangen [1], [2], [3]. Da jedoch in der Vergangenheit Fragen zu Details auftraten, die bei der Querschnittsermittlung eine Rolle spielen können, soll die zu dem Thema vorhandene Literatur durch diesen Beitrag ergänzt werden. Autor Dipl.-Ing. Friedemann Schmidt, Magdeburg, ist Mitarbeiter des TÜV. Erhöhung des ohmschen Widerstands durch die Brandtemperatur 1: Kabel mit integriertem Funktionserhalt E 90 2: Kabel mit integriertem Funktionserhalt E 30 3: Kabel in E-30- oder E-90-Kanälen und beschichtete Kabel Installationsart maximale Leitertemperatur Temperaturerhöhung in K in °C gegenüber 20 °C Anfangstemperatur Kabel in E30 oder E90 150 130 und beschichtete Kabel Kabel mit integriertem 830 810 Funktionserhalt E30 Kabel mit integriertem 980 960 Funktionserhalt E90 Beispiel 1. Ein 100 Meter langes Kabel mit integriertem Funktionserhalt E 30 verläuft durch mehrere Brandabschnitte. Dabei beträgt der längste Kabelweg innerhalb eines Brandabschnitts 60 Meter. Das bedeutet, dass maximal 60 % der Gesamtlänge von einem Brand betroffen werden (p = 0,6). Aus Bild lässt auf der für diesen Fall zutreffenden Geraden 2 mit p = 0,6 der Wert Rw/Rk = 2,9 ablesen - das heißt, dass sich der ohmsche Widerstand auf das 2,9-fache des Kaltwiderstands erhöht. Zum Ausgleich ist demzufolge der 2,9-fache Querschnitt gegenüber dem für 20 °C notwendig. Tafel Widerstände von Cu-Leitern mit Kunststoffisolierung bei 20 °C [5], [6] A [mm²] R' [/km] X' [/km] 1,5 12,1 0,129 2,5 7,41 0,120 4 4,61 0,114 6 3,08 0,109 10 1,83 0,109 16 1,15 0,106 25 0,73 0,103 35 0,52 0,097 50 0,39 0,092 70 0,27 0,089 95 0,19 0,085 120 0,15 0,083 150 0,12 0,080 185 0,10 0,080 240 0,08 0,079 300 0,06 0,079 Tafel Leitertemperaturen nach [1] Anhang A ebenfalls herangezogen werden. So ist zum Beispiel an den Kupferleitern eines Kabels mit integriertem Funktionserhalt nach 30 Minuten Brenndauer eine Temperatur von nur etwa 420 °C gemessen worden, während aber die Brandraumtemperatur bereits 830 °C betrug [4]. Da der Widerstand bei 420 °C rund 50 % des Widerstandes bei 830 °C beträgt, könnte somit ein viel kleinerer Querschnitt eingesetzt werden, als mit Bild ermittelt wird. Berücksichtigung der Kabelinduktivität In Niederspannungsanlagen bis 500 V berücksichtigt man bei der Querschnittsermittlung zur Einhaltung eines vorgegebenen Spannungsfalls bis etwa 25 mm² den induktiven Leitungswiderstand X in der Regel nicht. Der induktive Widerstandsanteil ist bei einem Verhältnis von R/X > 3 so gering, dass er für die praktischen Rechnungen kaum noch eine Rolle spielt. Ist allerdings dieses Verhältnis R/X < 3, wird der induktive Spannungsfall schon bedeutend. Zu beachten ist, dass sich der ohmsche Warmwiderstand aufgrund der Temperaturerhöhung wie folgt errechnet Rw = Rk (p k + 1). Ohne die Berücksichtigung der Kabelinduktivität X sind in Drehstromkreisen: · der Querschnitt allgemein · der nötige Querschnitt bei warmer Leitung (4) · der vorhandene Spannungsfall bei warmer Leitung (5) Mit Berücksichtigung der Kabelinduktivität X gilt in Drehstromkreisen für: · den Querschnitt allgemein · den vorhandenen Spannungsfall bei einer warmen Leitung (6) spezifischer Leiterwiderstand für Kupfer (Cu = 0,0175 mm2/m) l verlegte Kabellänge cos Leistungsfaktor des Verbrauchers I Scheinstrom des Verbrauchers U zulässiger Spannungsfall auf der Leitung R' ohmscher Leitungswiderstand je km (aus Tafel ) X' induktiver Leitungswiderstand je km (aus Tafel ) p·k+1 Verhältnis von Warm- zu Kaltwiderstand (Bild ) Literatur [1] DIN 1402-12:1998-11 Funktionserhalt von elektrischen Kabelanlagen. [2] Technische Informationen der Kabelhersteller [3] Schmidt, F.: Brandschutz in der Elektroinstallation. 4. Auflage. Berlin: Huss Medien, 2005. [4] Technische Information pyrofil (Dätwyler). [5] DIN EN 60228 (VDE 0295):2005-09 Leiter für Kabel und isolierte Leitungen. [6] Taschenbuch Automatisierungs- und Elektroenergie-Anlagen. VEB Verlag-Technik; Berlin 1977, S. 197. A = 3 l I cos (p k + 1) A = 3 l I cos Uvorh = 3 l I R'(pk + 1)cos + X 'sin A = 3 l I cos U - 3 l I X 'sin Uvorh = 3 l I R'(p k + 1)cos Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 5 437 Elektroinstallations- und Verteilungssysteme ARCON® Lichtbogen erfassen und verlöschen Lichtwellenleiter erfassen die Lichtemission eines beginnenden Störlichtbogens. Der Kuszschlussstrom wird durch Stromwandler erfasst. In nur 2 ms wird der Lichtbogen gelöscht. Die Auswirkungen sind sehr gering, so dass meistens sofort wieder zugeschaltet werden kann. www.hensel-electric.de ARCON® schützt vor Produktionsausfall durch Störlichtbögen! Niederspannungs-Schaltanlagen SAS 5000 von Hensel Geben Sie dem Lichtbogen keine Chance! Gustav Hensel Gmb H & Co. KG · D-57368 Lennestadt Beispiel 2. Zuleitung in einem E-30-Kanal für einen Verteiler Leitungslänge l = 100 m, davon 40 m im größten Brandabschnitt (p = 0,4); Kupferleiter = 0,0175 mm²/m; Nennspannung U = 400 V; Nennleistung P = 200 kW; Leistungsfaktor cos = 0,80; zul. Spannungsfall u = 3 % (U = 12 V) Der Strom wird Aus Bild ergibt sich mit der Geraden 1 bei p = 0,4 das Verhältnis von Warmzu Kaltwiderstand mit p·k+1 = 1,2. Zunächst wird mit (4) der erforderliche Querschnitt der warmen Leitung ohne Berücksichtigung von X ermittelt: Gewählt wird ein Kabel mit A = 95 mm², X' = 0,085 km sowie mit Die Kontrolle des Spannungsfalls ohne Berücksichtigung von X ergibt mit (5) einen zulässigen Wert von 2,95 %. Mit Berücksichtigung von X wird nach (6) der Spannungsfall zu groß (3,7 %), sodass der nächsthöhere Querschnitt (A = 120 mm²) notwendig ist. A = 3 0,0175 mm2 100 m361 A 0,81,2 12V A = 87,4mm2 I = 3 U cos 200kW 3 400V 0,8 = 361A Uvorh = 3 l I R'(pk + 1)cos + X 'sin Uvorh = 3 0,1km361 A 0,2360,8 + 0,0850,6 Uvorh = 15 V Uvorh = 3 l I R' p k + 1 ( )cos Uvorh = 3 0,1km361 A 0,236 0,8 Uvorh = 11,8V Rw ' = R' p k + 1 ( )= 0,197 1,2 ' = 0,236 A = 3 l I cos p k + 1 ( )
Autor
- F. Schmidt
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