So berechnen Sie die Kabelgröße: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für sichere, reale Projekte

Die Wahl der richtigen Leitergröße ist eine dieser Entscheidungen, die im Stillen darüber entscheidet, ob eine Anlage dreißig Jahre lang problemlos läuft oder im ersten heißen Sommer überhitzt. Ein zu kleines Kabel verschwendet Energie, verkürzt die Lebensdauer der Isolierung und stellt eine echte Brandgefahr dar; Ein zwei Nummern zu großes Kabel bindet Geld in Kupfer, das der Stromkreis nie benötigt. Beim Erlernen der Berechnung der Kabelgröße geht es in Wirklichkeit darum, vier verschiedene Prüfungen gegeneinander abzuwägen.

Dieser Leitfaden folgt der gleichen Reihenfolge, die unsere Ingenieure anwenden, wenn ein Kunde einen Lastplan einsendet: Ermitteln Sie den Auslegungsstrom, korrigieren Sie ihn entsprechend der Art und Weise, wie das Kabel tatsächlich installiert ist, bestätigen Sie den Spannungsabfall über die gesamte Leitungslänge und stellen Sie sicher, dass der Leiter einen Kurzschluss übersteht.

Was eine richtige Kabelgröße wirklich bedeutet

Ein Leiter ist nur dann richtig dimensioniert, wenn alle vier unten aufgeführten Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind. Wenn einer von ihnen fehlschlägt, gehen Sie zum nächsten Standardquerschnitt über und wiederholen Sie die Berechnung. Das Überspringen einer Überprüfung ist der häufigste Grund dafür, dass ein Kabel auf dem Papier perfekt dimensioniert ist und dann vor Ort versagt.

Schritt 1: Legen Sie den Designstrom fest

Alles beginnt mit dem Dauerstrom, den das Kabel führen muss, meist geschrieben als Ib. Für eine dreiphasige Last gilt folgende Beziehung:

Ib = P / (1,732 × U × PF)

Für einen Einphasen- oder Gleichstromkreis lassen Sie einfach 1.732 weg:

Ib = P / (U × PF)

Nehmen Sie einen 55-kW-Drehstrommotor an einer 400-V-Versorgung mit einem Leistungsfaktor von 0,86. Dann ist Ib = 55.000 / (1,732 × 400 × 0,86), was etwa 92 A ergibt. Verwenden Sie den tatsächlichen Leistungsfaktor, anstatt von Eins auszugehen, da die Differenz zwischen 0,86 und 1,0 etwa 16 Prozent des Stroms beträgt und oft genau die Spanne ist, die über eine Spannungsabfallprüfung entscheidet. Wenn es sich bei der Last um einen Motor handelt, achten Sie auch auf den Anlaufstrom, da die Schutzvorrichtung den Anlaufvorgang überstehen muss, ohne auszulösen.

Der Auslegungsstrom ist nicht die Nennleistung des Leistungsschalters

Sobald Ib bekannt ist, wählen Sie ein Schutzgerät aus, dessen Nennleistung mindestens Ib beträgt, und stellen Sie dann sicher, dass die herabgesetzte Kabelkapazität mindestens der Nennleistung des Geräts entspricht. Wenn Sie in dieser Reihenfolge vorgehen, bleibt der Leiter sowohl geschützt als auch thermisch angenehm.

Schritt 2: Herabstufungsfaktoren für reale Bedingungen anwenden

Die Stromnennwerte im Katalog gehen von Referenzbedingungen aus, normalerweise einem Stromkreis in freier Luft bei 30 °C oder einem im Erdreich vergrabenen Stromkreis bei 20 °C. Reale Installationen stimmen selten mit diesen Annahmen überein, daher wird jede Abweichung mit einem Korrekturfaktor behandelt und die Faktoren multiplizieren sich:

Iz = It × k1 × k2 × k3 ...

Dabei handelt es sich um die tabellarische Nennleistung und Iz um die tatsächlich verfügbare Kapazität. Eine Gruppe von drei belasteten Stromkreisen in einem Kanal kann an einem Tag mit 40 °C ein Drittel der Nennleistung verlieren, ohne dass der Spannungsabfall überhaupt berücksichtigt wird.

Beispielsweise ergibt ein Faktor von 0,87 für eine Umgebungstemperatur von 40 °C multipliziert mit 0,75 für die Gruppierung 0,65, sodass ein für 130 A angegebenes Kabel in dieser Anordnung nur für etwa 85 A geeignet ist. Addieren Sie niemals Korrekturfaktoren; Multipliziere sie immer.

Schritt 3: Überprüfen Sie den Spannungsabfall entlang der Strecke

Der Spannungsabfall ist die Prüfung, die bei langen Abzweigen am häufigsten einen größeren Leiter erfordert, und kann nicht allein anhand einer Stromtabelle beurteilt werden. Für den Widerstandsteil der Schaltung:

Vd = k × I × L × R / 1000

Dabei ist k 2 für einphasige und Gleichstromkreise und 1,732 für dreiphasige, I ist der Laststrom in Ampere, L ist die einseitige Streckenlänge in Metern und R ist der Leiterwiderstand in Ohm pro Kilometer. Der prozentuale Abfall ist dann Vd dividiert durch die Nennspannung, multipliziert mit 100. Die meisten Niederspannungsinstallationen arbeiten mit 3 Prozent am Endstromkreis und 5 Prozent insgesamt.

In unserem Beispiel ergibt eine 80 m lange Strecke bei 92 A auf einem 50 mm² großen Kupferleiter mit einem Widerstand von etwa 0,387 Ohm pro Kilometer Vd = 1,732 × 92 × 80 × 0,387 / 1000, was etwa 4,9 V oder 1,2 Prozent von 400 V entspricht. Das geht problemlos. Bei einem 300-m-Lauf würde die gleiche Berechnung scheitern und den Querschnitt um mehrere Stufen nach oben verschieben, weshalb genau die Streckenlänge von Anfang an in die Berechnung einbezogen wird.

Schritt 4: Überprüfen Sie die Kurzschlussfestigkeit

Außerdem muss ein Kabel den Fehlerstrom so lange überstehen, bis die Schutzeinrichtung ihn beseitigt. Die adiabatische Gleichung behandelt dies in einer Zeile:

S = Quadratwurzel von (I² × t) / k

Dabei ist S der Mindestquerschnitt in mm², I der voraussichtliche Fehlerstrom in Ampere, t die Abschaltzeit in Sekunden und k eine Konstante für die Kombination aus Leiter und Isolierung. Typische Werte liegen bei etwa 143 für Kupfer mit XLPE-Isolierung, 115 für Kupfer mit PVC und 94 für Aluminium mit XLPE.

Ein in 0,1 s behobener 6-kA-Fehler in einem Kupfer-XLPE-Kabel erfordert die Quadratwurzel von (6000² × 0,1) dividiert durch 143, was etwa 13 mm² entspricht. Unser 50 mm² Leiter ist komfortabel. Beachten Sie, wie wichtig t ist: Derselbe Fehler, der in einer Sekunde behoben wird, würde etwa 42 mm² erfordern, weshalb Schutzeinstellungen und Kabeldimensionierung in dasselbe Gespräch gehören.

Alles zusammenfügen

Hier ist die vollständige Sequenz für den 55-kW-Motor auf einer 80-m-Laufstrecke, wobei die Zahlen der Übersichtlichkeit halber gerundet sind.

1. Auslegungsstrom: 92 A bei 400 V mit einem Leistungsfaktor von 0,86. Schutzgerät mit Nennleistung 100 A.
2. Einbaubedingungen: XLPE-Kupferkabel auf einem Tablett mit zwei anderen belasteten Kreisläufen, 40 °C Umgebungstemperatur. Kombinierter Derating-Faktor 0,65.
3. Erster Versuch bei 35 mm²: tabellarische Kapazität ca. 130 A, reduziert auf ca. 85 A. Schlägt fehl, da 85 A unter der Gerätenennleistung von 100 A liegen.
4. Zweiter Versuch bei 50 mm²: reduzierte Kapazität ca. 100 A. Entspricht der Gerätebewertung.
5. Spannungsabfall bei 50 mm² über 80 m: 4,9 V oder 1,2 Prozent. Pässe.
6. Kurzschlussanforderung: mindestens 13 mm² für einen 6-kA-Fehler, der in 0,1 s behoben wird. Pässe.
7. Ergebnis: 0,6/1 kV XLPE-isoliertes Kupferkabel, vier Adern mit 50 mm², mit Schutzeinstellung, die einen Fehler innerhalb von 0,1 s beseitigt.

Von der Kalkulation bis zum Kabel, das Sie tatsächlich bestellen

Ein Querschnitt ist nur ein Teil der Spezifikation. Der Isolationstyp verändert die Stromstärke, die ein Leiter tragen kann, da XLPE-isolierte Kabel bei höheren Leitertemperaturen betrieben werden als PVC-Äquivalente und daher bei gleicher Belastung einen kleineren Querschnitt benötigen. Wir vergleichen die beiden Konstruktionen in diesem Artikel ausführlicher Leistung von XLPE- und PVC-isolierten Stromkabeln . Auch das Leitermaterial spielt eine Rolle: Leiter aus Aluminium und Aluminiumlegierungen sind leichter und wirtschaftlicher, benötigen aber bei gleichem Strom einen größeren Querschnitt.

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Dimensionierung für Solar-, VFD- und andere Sonderlasten

Einige Schaltkreise erfordern eine modifizierte Version desselben Verfahrens. Solar-Gleichstromstränge führen bei hohen Umgebungstemperaturen auf einem Dach kontinuierlich Strom, sodass der Leistungsreduzierungsfaktor auf ein bereits warmes Kabel angewendet wird und der Spannungsabfall häufig auf 1 oder 2 Prozent gehalten wird, da die Effizienz des Wechselrichters an beiden Enden seines Eingangsfensters leidet. Antriebskreise mit variabler Frequenz fügen Oberschwingungsanteile und gepulste Spannung hinzu, sodass abgeschirmte Kabel und eine Überprüfung der Nennspannung gegen Erde beide Teil der Dimensionierung sind.

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Feuerbeständige, termitenbeständige Kabel und Schienentransitkabel folgen der gleichen Arithmetik, aber die geltende Norm fügt Einschränkungen wie die Schaltkreisintegrität unter Feuer hinzu, die durch keine Berechnung ersetzt werden können.

Häufige Fehler bei der Größenbestimmung, die wir in Ausschreibungsunterlagen sehen

• Wenn man einen Reduzierungsfaktor anwendet und den Rest vergisst, wirken bei der Gruppierung Umgebungstemperatur und Bodenbedingungen alle gleichzeitig.
• Verwendung von 20 °C-Widerstandswerten für einen Leiter, der bei 70 °C oder 90 °C betrieben wird.
• Dimensionierung auf einen bereits spezifizierten Leistungsschalter und nicht auf die tatsächliche Last.
• Ignorieren des Neutralleiters bei Stromkreisen mit oberschwingungsreichen Lasten wie Büro-IT-Geräten oder LED-Beleuchtung.
• Angenommen, ein größeres Kabel behebt das Spannungsabfallproblem, wenn das eigentliche Problem in der Leitungslänge oder einem schlechten Leistungsfaktor liegt.
• Dabei wird der Mindestquerschnitt vergessen, der für die mechanische Festigkeit und die Kontinuität des Schutzleiters erforderlich ist.

Führen Sie die Zahlen mit einem Hersteller durch, der dies täglich tut

Wuxi Guanghuan Cable produziert seit 1998 Drähte und Kabel in Guanlin, Yixing, der Gegend, die als Chinas Kabelstadt bekannt ist. Unser Sortiment umfasst Nieder- und Mittelspannungsstromkabel, Freileitungen, Elektrogerätekabel und Spezialkabel für Photovoltaik, Schienenverkehr und feuerfeste Anwendungen. Mehr als 100 Serien und 30.000 Spezifikationen werden in über 70 Produktions- und Testlinien hergestellt. Die Einzelheiten unserer Zulassungen, einschließlich der TÜV Rheinland-Zertifizierung und der Systemzertifikate ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001 und ISO 50001, finden Sie auf unserer Seite Produktzertifizierungsseite .

Senden Sie uns den Belastungsplan, die Streckenlänge, die Installationsmethode und die Umgebungsbedingungen, und unsere Ingenieure führen die gleichen vier oben beschriebenen Prüfungen durch und erhalten als Ergebnis einen Querschnitt, einen Isolierungstyp und eine Kabelkonstruktion, die die Prüfung beim ersten Mal bestehen.