Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Energieeffizienz von Kabel- und Leitungsanlagen – Teil 3: Helfer
Bislang lasen sich Anweisungen, Normen, TAB sowie andere Bestimmungen und Anleitungen so, als stünde dort als Auswahl-Kriterium: „Wie heiß muss meine Leitung mindestens werden?“ Fortan jedoch sollte eine Leitung nicht mehr als „am besten ausgenutzt“ gelten, wenn sie ihre höchstzulässige Temperatur auch wirklich erreicht.
Weitere Beobachtungen
Ein Grund für obige Beobachtungen sind die im zweiten und dritten Fall größeren Kabellängen. Dies liegt an den bei kleineren Querschnitten größeren zulässigen Stromdichten. Die (zur Kühlung relevante) Außenfläche nimmt linear mit dem Umfang zu, also nur linear zum Durchmesser, während die Querschnittsfläche mit dem Quadrat des Durchmessers wächst.
Eine weitere verblüffende Beobachtung besteht im Einfluss der beiden hier diskutierten Verlustreduktions-Maßnahmen auf den Spannungsfall ΔU in der Leitung. Diese Werte wurden informativ in der Tabelle 13 mit aufgenommen. Sie wurden jedoch nach einem vollständigen Verfahren gerechnet [7], nicht nach der vereinfachten und missverständlichen Formel in DIN VDE 0100-520 [13]. Im Prinzip führen die hier zur Debatte stehenden Methoden der Verlust-Minimierung – die Kompensation und die Querschnitts-Vergrößerung – beide zu einer Verminderung des Spannungsfalls im jeweiligen Leiter. Etwas überraschend ist jedoch:
- An dem kleinen Motor führt die Kompensation nur zu einer marginalen Reduktion des Spannungsfalls. Der Vorteil ist unterproportional. Dagegen wirkt sich die Aufwertung des Querschnitts überproportional stark aus.
- An dem großen Motor lässt sich die umgekehrte Beobachtung machen: Die Querschnittsvergrößerung ist für den Spannungsfall nahezu wirkungslos, doch die Kompensation ist in dieser Hinsicht eine Offenbarung!
- Der mittlere Motor liegt irgendwo dazwischen.
Wie lässt sich dies erklären? Es handelt sich um eine Frage des Phasenwinkels zwischen den Spannungsfällen UK des Kabels und UM des Motors. Zu dem hier zur Veranschaulichung verwendeten Zeigerdiagramm (Bild 10) ist anzumerken, dass dieses etwas unorthodox dargestellt wurde:
Als Referenz für die Phasenlage wurde nicht, wie sonst üblich, die Netzspannung UN herangezogen, sondern der ohmsche Anteil URM der Lastspannung (am Motor). Es wird dadurch unmittelbar ersichtlich, wenn der Pfeil der Gesamtspannung UN nicht senkrecht steht, dass die gesamte Last – einschließlich Zuleitung – nicht rein ohmscher Natur, also nicht oder unvollständig kompensiert ist. Eine Neigung nach rechts bedeutet eine induktive Phasenlage.
Kabel und Leitungen kleinen Querschnitts sind praktisch ohmscher Natur. Der induktive Anteil UXK der am Kabel abfallenden Spannung fällt weit hinter den ohmschen Anteil URK zurück. Je größer jedoch der Querschnitt, desto kleiner wird URK, während sich UXK in der gleichen Größenordnung hält. Er müsste theoretisch sogar größer werden, da sich der Mittenabstand zwischen Hin- und Rückweg vergrößert, doch findet sich dies in den entsprechenden Katalogdaten nicht wieder [14].
Als Last betrachtet (etwa unter Kurzschussbedingungen) stellt ein Kabel eine Impedanz mit den Daten aus Tabelle 14 dar (Beispielwerte).
Sind nun die Phasenwinkel und damit die Leistungsfaktoren von Kabel und Last gleich, so trägt die Kabel-Impedanz mit ihrem vollen Betrag zum Spannungsfall bei (Bild 10). Je mehr sie sich jedoch unterscheiden, desto weniger „zieht die Last die Spannung herunter“. Im Extremfall – sprich, wenn ein (überwiegend) induktives Kabel eine kapazitive Last (etwa eine Kompensationsanlage) speist – dann wird der Spannungsfall sogar negativ, d. h. er wird zum Spannungsanstieg; die Spannung ist am Ende der Leitung höher als am Anfang!
Für eine nur leicht induktive Last an einem praktisch ohmschen Kabel bedeutet dies kaum eine Verbesserung der Spannungsstabilität durch Kompensation:
Während die Kompensation zwar den Strom in der Leitung vermindert, also sowohl Energieverluste einspart als auch den ohmschen Anteil URK des Spannungsfalls UK vermindert, nähert sich der Phasenwinkel der Last durch die Kompensation dem Phasenwinkel des Kabels an: UK wird zwar kleiner, wirkt sich aber stärker auf die Vektorsumme von UK und UM aus.
Am kompensierten Motor entfällt der induktive Spannungsfall UXM, und die Gesamt-Spannungsfälle UK und UM stehen annähernd senkrecht zueinander (Bild 10 mitte). Eine skalare Vergrößerung von UK (also von URK und UXK im gleichen Verhältnis) vergrößert die Differenz zwischen UM und der (fixen) Netzspannung UN = 400 V kaum – wohl aber die Verlustleistung im Kabel!
Von der Verlustleistung abgesehen kann dieser Zusammenhang in Hochstrom-Anlagen, bei denen sich die Verluste durch eine beliebige Vergrößerung der Leiterquerschnitte beliebig reduzieren lassen, nicht aber der induktive Spannungsfall der dicken Leiter, einen zusätzlichen Grund zur Kompensation darstellen. Hierbei gilt natürlich die Annahme, die Kompensationsanlage sei am Ende der Leitung angeordnet, nahe der Last. Anderenfalls, würde sie am Anfang des Leitungsweges – am Einspeisepunkt – aufgestellt, würde sie die Leitung nicht entlasten und so ihren eigentlichen Sinn und Zweck verfehlen.
