Kurzschlussströme und Spannungsfälle berechnen

Ein alternatives Verfahren

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Bei der Vorplanung, Planung, Projektierung, Errichtung, Instandhaltung, Erweiterung und Überprüfung von Starkstromanlagen werden häufig zur vorschriftsmäßigen Auswahl und Dimensionierung der einzusetzenden Betriebsmittel die wichtigsten einpoligen und dreipoligen Kurzschlussströme sowie die Spannungsfälle benötigt. Eine Leseranfrage (S. 440) zum sogenannten Ruck-Zuck-Verfahren nehmen wir zum Anlass, noch einmal [1], [2] auf dieses Verfahren einzugehen.

Sehr oft werden die wichtigsten einpoligen und dreipoligen Kurzschlussströme sowie die Spannungsfälle auch als Eingangsinformationen für die Planung, Projektierung und Errichtung einer zu erweiternden Starkstromanlage erforderlich.

In nicht wenigen Fällen will man, bevor Anlagen-Erweiterungen vorgenommen werden, ohne großen Aufwand wissen, ob die vorhandenen Anlagenteile überhaupt noch kurzschlussfest, die Abschaltbedingungen im Fehlerfall erfüllt sind oder die zulässigen Spannungsfälle und Leistungsverluste eingehalten werden. Nicht selten werden diese Daten von Projektierungseinrichtungen und all denen, die sich damit beschäftigen, mit hohem Zeitaufwand manuell oder mit aufwendigen Rechenprogrammen berechnet. Dabei kommt es nicht auf die zweite Stelle hinter dem Komma an und dass die interessierenden Daten so genau wie möglich mit wertvoller Arbeitszeit ermittelt werden. Sondern es geht darum, dass diese Werte so genau wie nötig ermittelt werden, um nachzuweisen, ob man sich auf der sicheren Seite befindet.

Das ursprüngliche 
Ruck-Zuck-Verfahren

Das ursprüngliche Ruck-Zuck-Verfahren wurde entwickelt, um Kurzschlussströme und Spannungsfälle ohne PC rationell zu ermitteln. Der Grundgedanke dabei ist, dass einmal ermittelte Berechnungsergebnisse so rationell aufbereitet werden, dass sie bei Einhaltung der Randbedingungen immer wieder Verwendung finden können. Die Parameter sind dabei die Leiterquerschnitte. Die Idee ist, Kurzschlussströme und Spannungsfälle in Diagrammen über den Kabel-/Leitungslängen als speziell geformte Querschnitts-Kennlinien aufzutragen (Bilder 1 bis 3).

Als das Ruck-Zuck-Verfahren entwickelt und veröffentlicht wurde, waren PCs noch nicht überall selbstverständlich. Das Interesse der Fachleute an diesem Verfahren war deshalb sehr groß. Wurde doch durch die o. g. Idee eine Analogie zum Stromverlauf eines Strahlennetzes hergestellt. So wie der Strom vom(n) speisenden Transformator(en) zum Verbraucher fließt, braucht man mit diesem Verfahren lediglich auf den entsprechenden Querschnittskennlinien in den Ruck-Zuck-Diagrammen mit den Kabel-/Leitungslängen entlangzugehen (Bilder 1 bis 3). Bei Änderung des Querschnittes in der Anlage wird dann ebenfalls im Diagramm die gerade benutzte Querschnittskennlinie verlassen, um auf den folgenden Querschnitt zu wechseln. Damit kann man an jeder Stelle der Anlage oder des Netzes die interessierenden Daten ablesen.

Stehen mit moderner Technik gemessene Werte an der Erweiterungsstelle zur Verfügung (z. B. einpolige Kurzschlussströme, Schleifenimpedanzen), kann man mit diesen Werten in die Diagramme gehen und wie beschrieben weiter verfahren. Unter Beachtung der oft anzutreffenden Randbedingungen (Netzspannung, TN-Netz, generatorfern, Öltransformatoren, Kunststoffkabel, Temperatur) wird der schnelle Zugriff auf sieben wichtige Anlagen- und Netzdaten ermöglicht. Hierfür gibt es drei Teilverfahren:

  1. Teilverfahren

    • für die Kurzschlussstromfestigkeit der dreipolige Stoßkurzschlussstrom îp (3) in kA und der Anfangskurzschlusswechselstrom Ik“(3) in kA mit Aussagen über den Stoßfaktor K (Kappa) (Bild 1),

  1. Teilverfahren

    • für den Nachweis der automatischen Abschaltung im TN-Netz („Nullung“) der einpolige minimale Kurzschlusswechselstrom Ik“(1)min in kA und die Schleifenimpedanz Zs in mΩ (Bild 2),

  1. Teilverfahren

    • Spannungsfall und Leistungsverlust ∆U und ∆P prozentual in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor

    • cos φ und der Auslastung der Kabel und Leitungen (Bild 3).

Das Verfahren und die
Digitalisierung

Durch Digitalisierung werden computergestützte Berechnungen erwartet, die mit einem Minimum an Aufwand schnell und genau zum Ergebnis führen. Damit die Vorteile von Ruck-Zuck-Diagrammen erhalten bleiben, wurde vor einigen Jahren ein Rechenprogramm entwickelt, das neben den übersichtlich gestalteten Eingaben und numerischen Ergebnissen auch die bewährten Ruck-Zuck-Diagramme zur Verfügung stellt. Hauptvorteile dieser Diagramme sind optimale Abschätzungen, Variantenvergleiche, Plausibilitätsbetrachtungen und Erhöhung des Vorstellungsvermögens über die Entwicklungstendenzen der ein- und dreipoligen Kurzschlussströme und der Spannungsfälle.

Um „das Fahrrad nicht noch einmal neu zu erfinden“, wurde die Tabellenkalkulation Excel für Windows eingesetzt und eine entsprechende Programmierung und Testphase des Programmes durchgeführt.

Dieses Ruck-Zuck-Verfahren mit PC-Unterstützung ist nunmehr nicht wie beim ursprünglichen Verfahren (Bilder 1 bis 3) an bestimmte Randbedingungen wie Netzspannung, Öltransformatoren, Plastekabel und -leitungen und Kupfer-Leiter gebunden. Alle Parameter wie vorgeordnetes Netz, Netzspannungen, Trafo-Leistungen, Kabel-/Leitungsquerschnitte, Leitermaterial (Cu oder Al), Auslastungsgrad, Leitertemperaturen u. a. können nun beliebig geändert werden.

Die auf dieser Grundlage erzielten Berechnungsergebnisse lassen sich nunmehr in einer Exceldatei und darüber hinaus auch Diagrammen dokumentieren. Es sind die Diagramme für Kupfer- und Alu-Leiter für den 3-poligen Stoßkurzschlussstrom îp(3), 3-poligen Anfangskurzschlusswechselstrom Ik“(3), 1-poligen min. Anfangskurzschlusswechselstrom Ik“(1), Schleifenimpedanzen und Spannungsfälle. Das Programm rechnet mit den Formeln nach aktueller DIN EN 60909-0 (VDE 0102) Stand 12/2016[3].

Fazit

Das ursprüngliche Ruck-Zuck-Verfahren wurde entwickelt, um Kurzschlussströme und Spannungsfälle ohne PC rationell zu ermitteln.

Die heutigen Komponenten des Ruck-Zuck-Verfahrens bestehen je nach Anforderung, Bedarf oder vorhandenen Bedingungen aus sechs Planungs-/Projektierungshilfen bzw. Planungssoftware auf Basis DIN EN 60909-0 (VDE 0102) Stand 12/2016[3]). Die Komponenten dienen als Werkzeug für den mit der Planung, Projektierung, Errichtung, Erweiterung, Instandhaltung und Überwachung von Starkstromanlagen beauftragten Praktiker. Die jeweils vorliegende Arbeitsaufgabe bestimmt dabei die einzusetzende Planungs-/Projektierungshilfe bzw. Planungssoftware. Je nach Arbeitsplatzausstattung, vorhandenen Bedingungen und Ansprüchen können mit Hilfe der Komponenten dieses Verfahrens schnell und genau für die meisten praktischen Aufgaben in Niederspannungsanlagen und -netzen der Netzbetreiber, der EVU´s, der Industrie und des Gesellschafts- und Wohnungsbaues die folgenden Nachweise erbracht werden:

  • Kurzschlussstromfestigkeit;

  • Selektivität (Einstellwerte Überstromschutzeinrichtungen);

  • Abschaltung der Stromversorgung im Fehlerfall im TN-Netz („Nullung“);

  • Spannungsfälle und Leistungsverluste;

  • Grenzlängen und Schleifenimpedanzen.

Literatur


Bilder:


(1) Ruck-Zuck-Diagramm zum Nachweis der Kurzschlussstromfestigkeit (ohne PC) (Quelle: Beese; ep)

(2) Ruck-Zuck-Diagramm zum Nachweis der automatischen Abschaltung im TN-Netz (ohne PC) (Quelle: Beese; ep)

(3) Ruck-Zuck-Diagramm zum Nachweis von Spannungsfall und Leistungsverlust von erd- und luftverlegten Kabeln/Leitungen bei cos phi = 0,7 bis 1 und Auslastung jeweils 50 %, 75 %, 100 % (ohne PC) (Quelle: Beese; ep)

Literatur:

[1] Beese, H.-G.: Verfahren zum Ermitteln wichtiger Anlagendaten, Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 8, S. 694–696.
[2] Beese, H.-G.: Wirksamkeitsnachweis der automatischen Abschaltung – Relevante Größen mit Diagrammen und Software ermitteln, Elektropraktiker, Berlin 61 (2008) 7, S. 630–633.
[3] DIN EN 60909-0 (VDE 0102):2016-12 Kurzschlussströme in Drehstromnetzen – Teil 0: Berechnung der Ströme. n

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