Berücksichtigung von Oberschwingungsströmen bei der Querschnittsermittlung

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1 Berücksichtigung von Oberschwingungsströmen bei der Querschnittsermittlung Bernd Siedelhofer Seit geraumer Zeit werden zunehmend Verbrauchsmittel an elektrische Niederspanungsanlagen angeschlossen, die elektronische Eingangsbeschaltungen beinhalten und somit nicht mehr als ohm sche Lasten anzusehen sind. Dies sind beispielsweise Energiesparlampen (Kompaktleuchtstofflampen oder LED-Lampen), Netzteile von PCs, Bildschirmen usw. oder Audio-/Video-Geräte. Derartige Verbraucher weisen Lastströme auf, die neben der 50-Hz- Grundschwingung auch Frequenzanteile höherer Ordnung beinhalten. Dieses Phänomen hat Rückwirkungen auf die zulässige Strombelastbarkeit von Kabeln/Leitungen und macht besondere Maßnahmen erforderlich, die eine mögliche Überlastung verhindern können. Ausgangssituation Nach den einschlägigen Vorgaben der DIN VDE 0100 Errichten von Niederspannungsanlagen [1] sind Personen (und Nutztiere) gegen Verletzungen und Sachwerte gegen Schäden zu schützen, die infolge zu hoher Temperatur oder elektromechanischer Beanspruchungen durch Überströme in Kabeln/Leitungen entstehen können. Dieser Schutz kann üblicherweise erreicht werden durch Begrenzung des Überstroms auf einen sicheren Wert oder Begrenzung der Dauer des Überstroms. In DIN VDE [2] wird die Schutzmaßnahme Schutz bei Überstrom beschrieben. Dabei wird insbesondere darauf eingegangen, wie aktive Leiter (Außenleiter, Neutralleiter) im Fall von Überlast und im Fall von Kurzschluss durch eine oder mehrere Einrichtungen für die automatische Abschaltung der Stromversorgung zu schützen sind. Im Folgenden soll der Schutz bei Überlast (Überlastschutz) näher betrachtet werden. Soll der Überlastschutz mit einer geeigneten Schutzeinrichtung organisiert werden, ist diese Schutzeinrichtung mit den zu schützenden Leitern zu koordinieren. Dabei gilt: 288

2 11 I B I n I Z (1) I 2 1,45 I Z (2) I B Betriebsstrom für diesen Stromkreis I Z zulässige Dauerstrombelastbarkeit des Kabels/der Leitung I n Bemessungsstrom der Schutzeinrichtung I 2 Strom, der eine wirksame Abschaltung in der für die Schutzeinrichtung festgelegten Zeit sicherstellt (der Strom I 2, der in der fest gelegten Zeit das wirksame Ansprechen der Schutzeinrichtung sicherstellt, kann entsprechend der jeweiligen Produktnorm auch als I t trip current oder I f fuse current bezeichnet werden) Für I B ist entweder der Betriebsstrom durch die Außenleiter oder im Falle von Oberschwingungen der Strom durch den Neutralleiter einzusetzen, wenn dieser größer ist als der Außenleiterstrom. Typische Schutzeinrichtungen für den Überlastschutz sind Leitungsschutzschalter Typ B oder Typ C mit I 2 = 1,45 I n, Leitungsschutzschalter Typ K oder Typ Z mit I 2 = 1,2 I n, Selektive Hauptleitungsschutzschalter Typ E oder Typ K mit I 2 = 1,2 I n, Leistungsschalter mit I 2 = 1,3 I n (bei stromabhängig ver zögerten Auslösern), Sicherungen der Betriebsklasse gg mit I 2 = 1,6 I n. Eine Auslegung des Überlastschutzes nach den zuvor beschriebenen Regeln kann den notwendigen Schutz ggf. nicht sicherstellen, wenn betriebsbedingte Ströme auftreten, die wiederkehrend oder über längere Zeit den Wert I Z überschreiten, ohne dass es zu einer Abschaltung kommt. In diesem Fall ist zu prüfen, in welchem Maße der Leiterquerschnitt zu erhöhen bzw. der Bemessungsstrom der Schutzeinrichtung zu reduzieren ist. Schutzeinrichtungen mit einem niedrigen festgelegten Auslösestrom I 2 (wie z. B. Leitungsschutzschalter mit E, K- oder Z-Charakteristik) ermöglichen den besten Überlastschutz. Schutz des Neutralleiters bei Überlast im ober schwingungsfreien Betrieb Für den Überlastschutz des Neutralleiters eines Stromkreises ist weder eine Erfassung des Stromes noch eine Abschaltung erforderlich, wenn 289

3 der Querschnitt des Neutralleiters gleichwertig ist zu den Außenleiterquerschnitten, der Strom im Neutralleiter auch unter Überlastbedingungen nicht größer wird als in den Außenleitern und die Außenleiter ausreichend gegen Überlast geschützt sind. In diesem Fall wird der Überlastschutz des Neutralleiters durch den Schutz der Außenleiter sichergestellt, was sich wie folgt begründen lässt: a) Bei einem 1-phasigen Stromkreis ist im fehlerfreien Betrieb der Strom im Neutralleiter gleich groß wie der Strom im Außenleiter hier sind zur Ermittlung des notwendigen Leiterquerschnitts die entsprechenden Angaben aus den Strombelastbarkeitstabellen in DIN VDE [3] für den Fall von zwei belasteten Adern heranzuziehen. b) In einem Drehstromkreis können zwei Fälle auftreten: symmetrische Belastung: Die drei Außenleiter führen jeweils den gleichen Strom, und der Neutralleiterstrom ergibt sich zu Null. unsymmetrische Belastung: Es fließt ein Strom im Neutralleiter, entsprechend ist mindestens einer der Außenleiter geringer belastet als der/die andere(n) Außenleiter. Dabei erfolgt in beiden Fällen die Ermittlung des notwendigen Leiterquerschnitts aufgrund der entsprechenden Angaben für den Fall von drei belasteten Adern in [3]. Schutz des Neutralleiters bei Lastströmen mit Oberschwingungen Wenn der Strom in den Außenleitern eines Drehstromkreises Oberschwingungsanteile enthält, deren Ordnung und Größe erwarten lassen, dass der Strom im Neutralleiter so groß wird, dass eine Überlastung nicht ausgeschlossen werden kann, sind Maßnahmen zu ergreifen, um eine Überlastung zu verhindern. Hierzu bieten sich zwei Alternativen an: a) Überwachung des Neutralleiters mit Abschaltung der Lasten im Falle einer Überlastung der Leitung/des Kabels, b) Berücksichtigung des zusätzlichen Neutralleiterstroms bei der Ermittlung der Strombelastbarkeit bzw. der Festlegung der Leiterquerschnitte. 290

4 11 Die Maßnahme a) macht eigentlich nur im Fall von 1-adrigen Kabeln und Leitungen Sinn, denn nur hier ist eine eindeutige Festlegung möglich, welcher Strom in dem Neutralleiter nicht überschritten werden darf. Dieser ergibt sich aus der Strombelastbarkeit dieses einzelnen Leiters in Abhängigkeit vom Leiterquerschnitt, der Art der Leiterisolierung und der Verlegeart unter Berücksichtigung von eventuell notwendigen Reduktionsfaktoren. Bei mehradrigen Kabeln/Leitungen, in denen der Neutralleiter mitgeführt wird, ist der Fall einer möglichen Überlastung nicht so eindeutig zu ermitteln. Beispiel: Bei symmetrischer Lastverteilung in den drei Außenleitern eines Verteilungsstromkreises kann bereits ein vergleichsweise kleiner Strom, der sich durch eine Überlagerung von Oberschwingungsströmen einstellt, zu einer Überlastung des Kabels bzw. der Leitung führen. Wurde nämlich das Kabel/die Leitung nach den üblichen Regeln ausgelegt, basierend auf den Strombelastbarkeitswerten aus DIN VDE , ist zwar der Fall von drei belasteten Adern abgedeckt, nicht jedoch der zusätzliche Strom im Neutralleiter. In diesem Fall wäre die Überwachungseinrichtung im Neutralleiter auf entsprechend niedrige Stromwerte auszulegen. Tritt nun im selben Verteilungsstromkeis eine andere Betriebsart auf, nämlich die ungleiche Belastung der drei Außenleiter, so kann im Extremfall (bei nur 1-phasiger Belastung) der Neutralleiterstrom gleich groß werden wie der Außenleiterstrom ohne dass es dabei zu einer Überlastung kommt. In diesem Fall wäre eine Überwachung des Neutralleiters nicht erforderlich. Eine Überwachungseinrichtung, die gemäß dem Fall einer symmetrischen Belastung eingestellt wäre, würde diesen unsymmetrischen Betrieb unter Umständen gar nicht zulassen und unnötigerweise zu einer Abschaltung führen. Strombelastbarkeit in 3-phasigen Verteilungsstromkreisen bei Lastströmen mit Oberschwingungsanteilen 3-phasige Verteilungsstromkreise, aus denen 1-phasige Endstromkreise abgeleitet werden, müssen in den Außenleitern die Lastströme aller angeschlossenen Verbrauchsgeräte führen. Wenn diese Lastströme oberschwingungsfrei sind, ist bei symmetrischer Lastverteilung 291

5 der Neutralleiterstrom dieses Verteilungsstromkreises als Null anzunehmen (Bild 1). Sind allerdings die Außenleiter ungleich belastet, wird sich ein resultierender Neutralleiterstrom einstellen (Bild 2), aber mindestens einer der Außenleiter ist ja geringer belastet. Beinhalten die Lastströme jedoch neben der 50-Hz-Grundschwingung auch Oberschwingungen, so werden sich diese Oberschwingungsströme der einzelnen Außenleiter im Neutralleiter aufsummie- L1 R N R L2 R L3 Bild 1: 3-phasiger Stromkreis bei symmetrischer, oberschwingungsfreier Belastung der Außenleiter L1 R N R L2 L3 ½ R Bild 2: 3-phasiger Stromkreis bei unsymmetrischer, oberschwingungsfreier Belastung der Außenleiter 292

6 11 ren, wenn sie eine Ordnungszahl aufweisen, die durch 3 teilbar ist (hier sei inbesondere die 3. Oberschwingung genannt). Auf diese Weise tritt jetzt auch im Fall der symmetrischen Lastverteilung ein Strom im Neutralleiter auf (Bild 3). Wie bereits erläutert, sind die Fälle gemäß den Bildern 1 und 2 mit den üblicherweise verwendeten Strombelastbarkeitstabellen in DIN VDE abgedeckt. Für eine Situation wie in Bild 3 dargestellt, gibt DIN VDE im Anhang B Hinweise, wie hier zu verfahren ist. Der zusätzliche Neutralleiterstrom (mit Frequenzanteilen von 150 Hz, 300 Hz, 450 Hz, ) wird zur Erwärmung der Leitung/ des Kabels beitragen, so dass eine weitere Reduzierung der Strombelastbarkeit in Betracht gezogen werden muss. Dieser Einfluss wird von der Höhe dieses zusätzlichen Neutralleiterstroms abhängen. In Tabelle 1 sind die anzuwendenden Reduktionsfaktoren angegeben. L1 Z N Z L2 Z L3 Bild 3: 3-phasiger Stromkreis bei symmetrischer Belastung der Außenleiter mit Oberschwingungsanteilen in den Außenleiterströmen Anteil der 3. Oberschwingung am Außenleiterstrom in % Auslegung des Leiterquerschnitts erfolgt nach dem Außenleiterstrom in A 15 1 > ,86 Neutralleiterstrom in A > ,86 > 45 1 Tabelle 1: Reduktionsfaktoren für die Strombelastbarkeit von mehradrigen Kabeln/Leitungen bei Oberschwingungen im Laststrom 293

7 Dies bedeutet für die Auslegung von 4- oder 5-adrigen Kabeln/ Leitungen bei einem Oberschwingungsanteil (z. B. 150 Hz) am Laststrom eines Außenleiters: a) beträgt der Anteil max. 15 % des gesamten Laststroms eines Außenleiters, ist keine Reduzierung der Strombelastbarkeit notwendig, da die zusätzliche Leitererwärmung durch diesen Neutralleiterstrom vergleichsweise gering ist; b) bei einem Anteil zwischen 15 % und 33 % ergibt sich bei symmetrischer Belastung ein zusätzlicher Neutralleiterstrom von 45 % 100 %, bezogen auf die Außenleiterströme diese Belastung macht eine Reduzierung der Strombelastbarkeit auf 86 % des ursprünglich (ohne Oberschwingungsströme) ermittelten Wertes erforderlich; c) bei einem Anteil zwischen 33 % und 45 % ergibt sich bei symmetrischer Belastung ein zusätzlicher Neutralleiterstrom, der jetzt höher wird als der jeweiligen Außenleiterstrom die Auslegung der Leiterquerschnitte erfolgt demnach jetzt nicht mehr nach den Außenleiterströmen, sondern nach dem zu erwartenden maximalen Neutralleiterstrom, wobei der so aus den üblichen Tabellen ermittelte Wert der Strombelastbarkeit ebenfalls mit dem Reduktionsfaktor 0,86 zu multiplizieren ist; d) liegt der Anteil bei < 45 %, ist der zusätzliche Neutralleiterstrom bei symmetrischer Belastung mit > 135 % deutlich größer als jeder der Außenleiterströme wird jetzt jeder Leiter nach diesem Neutralleiterstrom ausgelegt, sind die Außenleiter entsprechend überdimensioniert, so dass keine weitere Reduzierung erforderlich ist. In Tabelle 2 ist beispielhaft dargestellt, wie sich die Strombelastbarkeit bei jeweils gleichen Leiterquerschnitten und Verlegearten in Abhängigkeit von dem Anteil der relevanten Oberschwingungen am Laststrom reduziert. Im Beiblatt 3 zu DIN VDE [4] sind zwei Tabellen enthalten, die die Strombelastbarkeit je nach Anteil der Oberschwingungen für die folgenden Bedingungen darstellen: max. Leitertemperatur 70 C bzw. 90 C, Umgebungstemperatur 25 C in Luft bzw. 20 C in Erde, Leitermaterial Cu bzw. Al, 294

8 11 Leiterquerschnitte 4 mm mm 2 (Cu) bzw. 25 mm mm 2 (Al), Verlegarten A G. Querschnitt 10 mm 2 Cu 95 mm 2 Cu 15 > Referenzverlegeart A1 A2 C > Oberschwingungsanteil in % > 45 1) 15 > > Strombelastbarkeit in A > 45 1) 15 > > > 45 1) ) es wurde mit einem angenommenen Anteil von 60 % gerechnet Tabelle 2: Strombelastbarkeit von mehradrigen Kabeln/Leitungen in Abhängigkeit vom Leiterquerschnitt bei drei belasteten Adern, zulässige Betriebstemperatur 70 C, Umgebungstemperatur 25 C Ermittlung von Oberschwingungsanteilen im Laststrom von Verbrauchsmitteln Das zuvor beschriebenen Verfahren, die Strombelastbarkeit von Kabeln/Leitungen zu reduzieren, wenn mit Oberschwingungsströmen im Neutralleiter gerechnet werden muss, führt zwangsläufig zu der Frage, mit welchen Oberschwingungsströmen in elektrischen Anlagen überhaupt zu rechnen ist. Auch dieser Frage hat sich das Beiblatt 3 zu DIN VDE [4] gestellt. Es wurden an verschiedenen elektronischen Verbrauchsmitteln, die üblicherweise in einer Büroumgebung zum Einsatz kommen, und bei verschiedenen Betriebsbedingungen die Lastströme gemessen. Dabei wurde der Gesamtstrom als Effektivwert sowie der Oberschwingungsstrom ermittelt. Dies führte beispielhaft zu folgendem Ergebnis: Kompakt-Leuchtstofflampe: Gesamtstrom 150 ma Oberschwingungsstrom 80 ma 295

9 LED-Leuchtröhre (als Ersatz einer 58 W Kompaktleuchtstofflampe): Gesamtstrom 120 ma Oberschwingungsstrom 20 ma/16 ma (ohne/mit Vorschaltgerät) Laptop ( 75 W), stark beabsprucht: Gesamtstrom 200 ma Oberschwingungsstrom 115 ma In einer weiteren Untersuchung [5] wurde das Thema Netzqualität und die Entstehung von Oberschwingungen sowie deren Auswirkungen umfassend beleuchtet. Für ausgewählte elektronische Verbraucher wurden hier jeweils der Kurvenverlauf von Strom und Spannung sowie deren spektrale Verteilung dargestellt. Vereinfachte Methode zur Berücksichtigung von Oberschwingungsströmen in Neutralleitern Wenn keinerlei Informationen über die Höhe von Oberschwingungsströmen von elektrischen Verbrauchern vorliegen, bietet sich eine Methode an, mit der überschlagsweise der Einfluss einer zusätzlichen Kabel-/Leitungsbelastung berücksichtigt werden kann. Dabei ist zunächst die Anschlussleistung aller Geräte zu ermitteln, die erwartungsgemäß Oberschwingungsströme verursachen. Dann ist die so ermittelte Leistung durch die Gesamt-Anschlussleistung aller über den betrachteten Verteilungsstromkreis versorgten Lasten zu teilen. Mit dem errechneten %-Wert kann anhand der Tabelle 3 ein Korrekturfaktor ermittelt werden, der zur Reduzierung der Strombelastbarkeit die ohne Berücksichtigung von Oberschwingungen ermittelt wurde herangezogen wird. Fazit Der zunehmende Einsatz von elektronischen Geräten in den Endstromkreisen von elektrischen Anlagen macht es notwendig, sich mit den Auswirkungen von Oberschwingungsanteilen im Laststrom auseinander zu setzen, da sie zu einer möglichen Neutralleiterbelastung führen können, die in den üblichen Dimensionierungsregeln nicht berücksichtigt ist. Die Oberschwingungsströme einzelner derartiger Lasten sind im allgemeinen vergleichsweise gering, aber die Summe aller an einem 296

10 11 Anteil der Lasten mit Oberschwingungsströmen an der Gesamtleistung aller versorgten Verbrauchsmittel in % Reduktionsfaktor für die Stromelastbarkeit von Kabeln/Leitungen 15 1 > ,95 > ,9 > ,85 > ,8 > ,75 > ,7 > 75 0,65 Tabelle 3: Reduktionsfaktoren für die Strombelastbakeit von Kabeln/Leitungen in Abhängigkeit von der Anschlussleistung Oberschwingungsströme verursachender Verbrauchsmittel Verteilungsstromkreis angeschlossenen elektrischen Geräte (verteilt auf die Außenleiter einer 3-phasigen Stromversorgung) führt je nach Komplexität der Anlage zu einer erhöhten Belastung von Kabeln und Leitungen in den vorgelagerten Verteilungsstromkreisen. Dies gilt insbesondere, wenn mit einer hohen Gleichzeitigkeit beim Betrieb dieser Geräte zu rechnen ist. Die Anwendung der hier beschriebenen Verfahren trägt zu einem sicheren Anlagenbetrieb und einer entsprechenden Lebensdauer von Kabel- und Leitungsanlagen bei. Literatur [1] DIN VDE (VDE ) Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 1: Allgemeine Grundsätze, Bestimmungen allgemeiner Merkmale, Begriffe [2] DIN VDE (VDE ) Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 4-43: Schutzmaßnahmen; Schutz bei Überstrom [3] DIN VDE (VDE ) Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen Teil 4: Empfohlene Werte für die Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen für feste Verlegung in und an Gebäuden und von flexiblen Leitungen 297

11 [4] DIN VDE Beiblatt 3 (VDE Beiblatt 3) Errichten von Niederspannungsanlagen Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel Teil 520: Kabel- und Leitungsanlagen Beiblatt 3: Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen in 3-phasigen Verteilungsstromkreisen bei Lastströmen mit Oberschwingungsanteilen [5] Dirty Power Oberschwingungen durch nichtlineare Verbraucher, Dipl.-Ing. (FH) Günter Höck, GMC-I Gossen- Metrawatt GmbH, Nürnberg 298