Kabel und Leitungen
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Elektrotechnik
Software zur Auswahl von Niederspannungskabeln
ep1/2003, 5 Seiten
Auswahlkriterien und Einflussgrößen Die Kabelauswahl muss nach folgenden Kriterien erfolgen: · Strombelastbarkeit [1, 2, 3] · Überlastschutz [4, 5, 6] · Abschaltbedingung [7, 8] · Thermische Kurzschlussfestigkeit [4, 5, 6] · Spannungsfall im Dauerbetrieb · Spannungsfall bei Motoranlauf. Hauptsächlich im Zusammenhang mit den Kriterien Abschaltbedingung und Spannungsfall sind die Versorgungsaufgabe · Speisung eines Motors · Speisung eines nichtmotorischen Abnehmers · Speisung einer Unterverteilung (UV) oder Blackbox (BB), die Art der Schutzeinrichtung · NH-Sicherung, Betriebsklasse gG/gL · NH-Sicherung, Betriebsklasse · Leistungsschalter (Nullpunktlöscher) mit ausgewähltem Auslöser · strombegrenzender Leistungsschalter (SB) mit ausgewähltem oder fest zugeordnetem Auslöser und der vorgesehene Anschlusspunkt des Kabels an Haupt- oder Unterverteilung für die Kabelauswahl bestimmend. Die Forderung, Selektivität zwischen den Abgangsschaltgeräten in Unterverteilungen oder Blackboxen und einem vorgeordneten Leistungsschalter (Nullpunktlöscher) zu gewährleisten, ergibt, dass für die Kabelauswahl Einstellströme und Verzögerungszeiten der Kurzschlussauslöser vorgegeben werden müssen. Bei Kabeln zu Unterverteilungen oder Blackboxen kann der Überlastschutz entfallen, wenn · alle Abgänge in einer Unterverteilung oder Blackbox überlastgeschützt sind und · das Kabel für die Summe der Nennströme der Schutzeinrichtungen in den Abgängen bemessen ist [4, 5]. Da die Bemessungsströme von NH-Sicherungen der Betriebsklasse gG/gL in Motorabzweigen von den Anlaufströmen bestimmt werden, verzichtet man auf den Überlastschutz durch NH-Sicherungen und setzt externe Überlastrelais ein. Bleibt der Überlastschutz unberücksichtigt, so wirkt sich das i. A. querschnittsmindernd aus. Kabelsoftware Übersicht. Der Software liegt die Netzstruktur in Bild zugrunde. Es kann jeweils ein Kabel zu einem der angegebenen Abnehmer entweder ausgehend von einer Hauptverteilung (HV) oder von einer Unterverteilung (UV) ausgewählt werden. Als Schutzeinrichtungen sind dabei die eingangs genannten Arten möglich. Sind Kabel an einer Unterverteilung angeschlossen, wird zuvor das Kabel zwischen Haupt-und Unterverteilung bestimmt. Für Kabel zwischen Transformator und Hauptverteilung genügt meist eine Bemessung nach der Strombelastbarkeit. Eine vollständige Auswahl dieser Kabel kann ebenfalls mit der Software vorgenommen werden, wenn man die Hauptverteilung an die Transformatorklemmen verlegt und das Kabel zu einer Unterverteilung auswählt. Eingabedaten. Die Daten werden in drei Hauptfenstern eingegeben: Hauptfenster 1: Netz- und Transformatordaten (Bilder und ) Hauptfenster 2: Haupt und Unterverteilung (Bilder und ) Es sind die Daten der Kabelverbindungen zwischen · Transformator und Hauptverteilung Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 1 Report Software zur Auswahl von Niederspannungskabeln Niederspannungskabel haben einen hohen Anteil an den Gesamtkosten der elektrischen Energieversorgung. Damit unnötige Kosten durch Überdimensionierungen der Querschnitte oder durch später erforderliche Parallelkabel vermieden werden, müssen neben den zu beachtenden Normen (Auswahlkriterien) die Versorgungsaufgabe (Abnehmerart), die Schutzeinrichtung (Schaltgeräte, Auslöser) und Selektivitätsanforderungen in die Kabelauswahl einbezogen werden. Vorgestellt wird eine Software, die diese Aufgaben leistet. Netzstruktur Netz- und Transformatordaten Haupt- und Unterverteilung · Hauptverteilung und Unterverteilung sowie die Vorbelastungen anzugeben. Wenn keine Unterverteilung vorhanden ist, verlangt die Software die betreffenden Daten nicht. Wird keine Vorbelastung vorgegeben, dann ist die Ausgangsspannung der Spannungsfallberechnung gleich der sich durch das eingestellte Übersetzungsverhältnis ergebenden Spannung auf der Unterspannungsseite. Hauptfenster 3 mit Last-, Schutz-und Kabeldaten (Bilder und Nach der Wahl des Abnehmers und der Schutzeinrichtung werden die dazu benötigten Eingabedaten angezeigt. Zu den aus Bild ersichtlichen Abnehmerdaten ist Folgendes zu beachten: · Bei Unterverteilungen oder Blackboxen ist der Anlaufstromfaktor a der Motoren auf die Gesamtleistung SUV zu beziehen. · Der subtransiente Anlaufstromfaktor a" wird von der Software nur angefordert, wenn ein strombegrenzender Leistungsschalter vorhanden ist, weil der Auslöser bei subtransienten Anlaufströmen nicht angeregt werden darf. · Bei Unterverteilungen ist der Strombegrenzungsfaktor kB zur Ermittlung des Lichtbogenkurzschlussstromes [9] einzugeben, da dieser in Unterverteilungen kleiner als der minimale einpolige Kurzschlussstrom werden kann. Unter Schutzeinrichtungen wird zuerst abgefragt, ob die betrachtete Schutzeinrichtung den Überlastschutz übernehmen soll. Wird die Frage mit Nein beantwortet, darf der Bemessungsstrom einer NH-Sicherung der Betriebsklasse gG/gL oder der Einstellstrom des Überlastauslösers größer als der Betriebsstrom sein. NH-Sicherungen der Betriebsklasse aM sind ohnehin nicht für den Überlastschutz geeignet. Sollen NH-Sicherungen zum Einsatz kommen, wird eine Auswahlliste angezeigt, in welcher die gewünschte NH-Sicherung zu markieren ist. Die Eingabedaten für Leistungsschalter sind aus Bild ersichtlich: · Bei Nullpunktlöschern muss zusätzlich die Gesamtausschaltzeit eingegeben werden. · Der Einstellstrom des Überlastauslösers wird nur angefordert, wenn Überlastschutz vorgesehen ist. · Der Sicherheitsfaktor für das Nichtansprechen des Kurzschlussauslösers ist erforderlich, wenn motorische Abnehmer vorhanden sind. Für Kabel müssen folgende Eingaben gemacht werden: · Markierung des zu untersuchenden Kabeltyps in der Kabeldatei · zulässiger Spannungsfall bei Dauerbetrieb und Anlauf · Gesamtreduktionsfaktor. Er ist das Produkt der Umrechnungsfaktoren für abweichende Betriebsbedingungen (z. B. abweichende Umgebungstemperatur, Häufung) · Leitertemperatur vor Kurzschlussbeginn. Die Kabeldatei enthält auch die Impedanzen von Spezialkabeln. Das sind Mehrleiterkabelsysteme aus Einleiterkabeln, die ein beliebiges Mehrfachdrehstromsystem mit einer unterschiedlichen An-Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 1 53 Report Last-, Schutz- und Kabeldaten zahl von Neutralleitern bilden [10]. Die Anzahl der Parallelkabel wird entweder durch das Programm ermittelt, oder sie kann vorgegeben werden. Berechnungsablauf und -ergebnisse Bei Leistungsschaltern und strombegrenzenden Leistungsschaltern werden die von der Software aus den Motordaten berechneten Einstellströme des Kurzschlussauslösers in einem Fenster solange eingeblendet, bis der Programmbenutzer den am Auslöser einstellbaren Strom eingegeben hat. Weiterhin wird der von strombegrenzenden Leistungsschaltern auszuschaltende maximale dreipolige Kurzschlussstrom (Netz- und Motoranteil) in einem Fenster angezeigt und es wird die Eingabe des zugehörigen Ausschaltintegrals (gemäß Herstellerangabe) verlangt. Die Ermittlung der Spannungsfälle beginnt mit der Berechnung der Ersatzspannung und den Spannungen an den Netzknotenpunkten bei Vorbelastung sowie unter Berücksichtigung der Stufung des Einspeisetransformators (eingestelltes Übersetzungsverhältnis). Nach Einfügen des auszuwählenden Kabels mit dem daran angeschlossenen Abnehmer werden die Spannungen bei Dauerbetrieb (und Anlauf, falls der Abnehmer ein Motor ist) berechnet. Die Kabellänge wird schrittweise erhöht, bis sich der vorgegebene zulässige Spannungsfall ergibt. Das Ergebnis ist die zulässige Kabellänge bei Dauerbetrieb (und zusätzlich bei Motoren die zulässige Kabellänge bei Anlauf). Wenn eine positive Stufung des Transformatorübersetzungsverhältnisses erlaubt ist, vergrößern sich die zulässigen Kabellängen, d. h., es kann meist eine Querschnittsreduzierung erfolgen. Die Kabelauswahl wird mit der Angabe der Kabelgrenzlänge beendet (Bild ). Das ist die kleinste zulässige Kabellänge der drei Kriterien Abschaltbedingung, Spannungsfall bei Dauerbetrieb, Spannungsfall bei Anlauf. In Bild (Berechnungsergebnisse 1) werden die interessierenden Ergebnisse der fünf Auswahlkriterien übersichtlich dargestellt. Anschließend kann man eine zusätzliche Berechnung für eine gewählte Kabellänge veranlassen, um beispielsweise dafür den Spannungsfall zu erhalten. Die Ergebnisse werden in einem weiteren Fenster (Berechnungsergebnisse 2, Bild ) angezeigt. Es ist ersichtlich, dass eine komplette Kurzschlussstromberechnung erfolgt. Es wird auch der thermisch wirksame Kurzschlussstrom (berechnet aus Netz- und Motoranteil) angegeben, mit dem Abgangsleistungsschalter von Haupt-oder Unterverteilungen beansprucht werden. Eingabedaten und Berechnungsergebnisse lassen sich vollständig oder auszugsweise ausdrucken. Das Programm ist so aufgebaut, dass Planer ohne spezielle Kenntnisse der Kabelauswahl in einem verständlichen Dialog in kurzer Zeit viele Varianten berechnen können, weil sich ein Wechsel der Eingabefenster und Verändern einer oder mehrerer Parameter unmittelbar vornehmen lässt. So ist es möglich, auf einfache und übersichtliche Weise die Wirkung der einzelnen Parameter schnell zu erfassen. Anwendungsbeispiel An eine 400-V-Hauptverteilung in Bild sollen Motoren mit drei Bemessungsleistungen jeweils über NH-Sicherungen und strombegrenzende Leistungsschalter angeschlossen werden. Die eingesetzten Schaltgeräte und die Einstellströme der Auslöser an den strombegrenzenden Leistungsschaltern sind in Tafel zusammengestellt. Die Eingabedaten enthalten die Bilder , und , wobei in Bild das Beispiel mit PrM = 55 kW, SB 100 und NYY 3x120/70 gezeigt ist. In Tafel sind die Kabelgrenzlängen für mehrere Kabelquerschnitte gegenübergestellt. Die Längen gelten für das Kriterium Abschaltbedingung. Für Spannungsfälle von U = 4 % (Dauerbetrieb) und U = 20 % (Anlauf) erhält man deutlich größere Kabellängen. Aus Tafel lassen sich folgende Aussagen entnehmen: · Die Kabelgrenzlängen sind für NH-Sicherungen größer als für strombegrenzende Leistungsschalter, weil die 5-s-Abschaltströme der NH-Sicherungen i. A. kleiner als die Einstellströme der Kurzschlussauslöser sind. · Bei kleinen Kabelquerschnitten (in der jeweiligen Belastungskategorie) können NH-Sicherungen keinen Überlastschutz übernehmen, da wegen der Motoranlaufströme die Bemessungsströme der NH-Sicherungen (Betriebsklasse gG) relativ groß gewählt werden müssen. NH-Sicherungen der Betriebsklasse aM gewährleisten ohnehin keinen Überlastschutz. In beiden Fällen sind wie üblich zusätzlich Überlastrelais einzusetzen. Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 1 Report Berechnungsergebnisse 1 Tafel Eingesetzte Schaltgeräte und Einstellströme der Auslöser Strombegrenzende Leistungsschalter NH-Sicherung PrM IrM Bezeichnung IEÜ IEK [kW] [A] [A] [A] 30 55 SB 63 63 800 NH 100 gG 55 99 SB 100 100 1500 NH 200 gG 110 196 SB 200 1) 200 2400 NH 315 gG/ NH 224 aM IEÜ Einstellstrom des Überlastauslösers IEK Einstellstrom des Kurzschlussauslösers 1) Strombegrenzender Leistungsschalter mit geringer Zeitverzögerung Tafel Kabelgrenzlängen für Kabel zu Motoren nach Bild Motorbemessungsleistung PrM [kW] 30 55 110 Kabeltyp NH 100 gG SB 63 NH 200 gG SB 100 NH 315 gG NH 224 aM SB 200 NYY 3x25/16 161 1) 93 - - - - - NYY 3x35/16 181 1) 103 - - - - - NYY 3x 50/25 269 154 2) 81 - - - NYY 3x70/35 373 214 171 1) 113 - - - NYY 3x95/50 500 286 228 1) 151 - - - NYY 3x120/70 671 384 306 1) 202 178 1) 219 1) 124 NYY 3x150/70 730 418 333 219 194 1) 238 1) 134 NYY 3x185/95 247 1) 305 1) 171 1) kein Überlastschutz von Motor und Kabel durch NH-Sicherung 2) keine thermische Kurzschlussfestigkeit Muss das eingesetzte Schaltgerät auch den Überlastschutz übernehmen, ergeben sich bei Einsatz von NH-Sicherungen gegenüber Leistungsschaltern meistens größere Leiterquerschnitte (wegen der besseren Anpassungsmöglichkeit der Überlastauslöser-Einstellströme an die Betriebsströme). Größere Leiterquerschnitte führen jedoch zu größeren zulässigen Kabellängen. Entscheidende Ausgangsgröße für die Projektierung ist die benötigte Kabellänge. Damit wird eine Vorauswahl des Kabeltyps und der Schaltgeräteausrüstung der Starterkombination getroffen (z. B. an Hand von Tafel ). Letztendlich entscheiden jedoch die Gesamtkosten, wobei die Kosten für Kabel, Starterkombination, Einbauplatz in der Schaltanlage, Montage und Wartung zu berücksichtigen sind. Beispiele für die Auswahl von Kabeln zwischen Haupt- und Unterverteilungen sind in [11] behandelt. Werden Abnehmer von einer Unterverteilung, die als Zwischenverteilung errichtet wird, gespeist, so können Kabelkosten gegenüber der direkten, von der Hauptverteilung ausgehenden Einspeisung gespart werden. Ein Beispiel dazu ist in [12] beschrieben. Zusammenfassung Eine kostengünstige Kabelauswahl ist nur möglich, wenn zusätzlich zu den bekannten Auswahlkriterien die Parameter der Abnehmer, der Schaltgeräte mit ihren Schutzeinrichtungen und des Selektivschutzes einbezogen werden. Wegen der bestehenden Zusammenhänge zwischen Kabelauswahl und Abnehmern, Schutzeinrichtungen, Selektivschutz sowie auch Versorgungsstruktur [13] wird empfohlen, die Grundsatzplanung und Projektvorbereitung in eine Hand zu legen. Alle diesbezüglichen Parameter und Ein-Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 1 55 Report Berechnungsergebnisse 2 Übersichtsschaltbild für Anwendungsbeispiel flussgrößen können mit der vorgestellten leistungsfähigen Software auf einfache und übersichtliche Weise berücksichtigt werden, weil im Dialog sehr schnell Variantenrechnungen möglich sind. Der Software, die bereits in mehreren Projekten erprobt worden ist, liegt eine Netzstruktur mit Haupt- und Unterverteilungen zugrunde. Es werden die Ein- und Ausgabedaten angegeben und einige Besonderheiten erläutert. Ein Anwendungsbeispiel verdeutlicht die Wirkung der Parameter auf die Kabelauswahl. Literatur [1] Heinhold, L.; Stubbe, R.: Kabel und Leitungen für Starkstrom. Publicis 5. Auflage. Erlangen: MCD Verlag 1999. [2] DIN VDE 0276-603 / VDE 0276 Teil 603:1995-11 „Starkstromkabel; Energieverteilungskabel mit Nennspannungen U0/U 0,6/1 kV“. [3] DIN VDE 0298-4 / VDE 0298 Teil 4:1998-11 „Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen; Empfohlene Werte für die Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen für feste Verlegung in Gebäuden und von flexiblen Leitungen“. [4] DIN VDE 0100-430 / VDE 0100 Teil 430:1991-11 „Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 V; Schutzmaßnahmen; Schutz von Kabeln und Leitungen bei Überstrom“. [5] Nienhaus, H.; Vogt, D.: Schutz bei Überlast und Kurzschluß in elektrischen Anlagen. Berlin, Offenbach: VDE-Verlag 1999. [6] Kiefer, G.: VDE 0100 und die Praxis. 7. Auflage. Berlin, Offenbach: VDE-Verlag 1996. [7] DIN VDE 0100-410 / VDE 0100 Teil 410:1997-01 „Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 V. Teil 4: Schutzmaßnahmen, Schutz gegen elektrischen Schlag“. [8] Hörmann, W.; Nienhaus, H.; Schröder, B.: Schnelleinstieg in die neue VDE 0100-410 „Schutz gegen elektrischen Schlag“. Berlin, Offenbach: VDE-Verlag 1997. [9] Stade, D.; Schau, H.: Spezielle Kurzschlußverhältnisse in Drehstrom-Niederspannungsanlagen. ELEKTRIE 40(1986)10, S. 392-395. [10] Pfeiffer, G.: Impedanzen von Kabelmehrleitersystemen in Niederspannungsnetzen. ELEKTRIE 55 (2001), 10 - 12, S.488-491. [11] Pfeiffer, G.; Pfeiffer, K.: Leucke, O.: Auswahl von Niederspannungskabeln. Elektrizitätswirtschaft 101(2002)9, S. 58-65. [12] Weiland, H.; Pfeiffer, G.: Einsparpotentiale beim Eigenbedarf. Aufbau, Konzept und Erfahrungen beim Übergang von der Redundanz zur Einsträngigkeit. VGB-Konferenz „Leit-, Informations- und Elektrotechnik im Kraftwerk 2001“. Tagungsband 129. [13] Pfeiffer, G.; Pfeiffer, K.: Grundlegende Zusammenhänge zwischen Selektivschutztechnik, Anlagengestaltung, Störlichtbogenfestigkeit, Versorgungsstruktur und Abnehmerleistungen. VDE-Fachtagung für Niederspannungs-Schaltanlagen- und -Gerätetechnik. Mai 1998, Mannheim. K. Pfeiffer Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 1 Report
Autor
- K. Pfeiffer
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