Berücksichtigung von Oberschwingungsströmen bei der Querschnittsermittlung

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 288 Berücksichtigung von Oberschwingungs- strömen bei der Querschnittsermittlung Bernd Siedelhofer Seit geraumer Zeit werden zunehmend Verbrauchsmittel an elektri-sche  Niederspanungsanlagen  angeschlossen,  die  elektronische  Ein-gangsbeschaltungen 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 beinhal-ten. Dieses Phänomen hat Rückwirkungen auf die zulässige Strombe-lastbarkeit 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  0100-430  [2]  wird  die  Schutzmaßnahme  „Schutz  bei Überstrom“ beschrieben. Dabei wird insbesondere darauf eingegan-gen, 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 or- ganisiert werden, ist diese Schutzeinrichtung mit den zu schützenden Leitern zu koordinieren. Dabei gilt: jb2015_et.indb   288 18.08.2014   12:54:08 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 289 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 Schutz- einrichtung 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 Neutral-leiter 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  Ab- schaltung kommt. In diesem Fall ist zu prüfen, in welchem Maße der Leiterquerschnitt zu erhöhen bzw. der Bemessungsstrom der Schutz-einrichtung zu reduzieren ist. Schutzeinrichtungen mit einem niedri-gen 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 erforder-lich, wenn jb2015_et.indb   289 18.08.2014   12:54:08 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 290    der Querschnitt des Neutralleiters gleichwertig ist zu den Außen- leiterquerschnitten,     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 Lei-terquerschnitts die entsprechenden Angaben aus den Strom-belastbarkeitstabellen in DIN VDE 0298-4 [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 ober-schwingungsanteile  enthält,  deren  ordnung  und  Größe  erwarten lassen, dass der Strom im Neutralleiter so groß wird, dass eine Über-lastung nicht ausgeschlossen werden kann, sind Maßnahmen zu er-greifen, 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. jb2015_et.indb   290 18.08.2014   12:54:08 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 291 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 ein-zelnen  Leiters  in  Abhängigkeit  vom  Leiterquerschnitt,  der  Art  der Leiterisolierung und der Verlegeart unter Berücksichtigung von even-tuell 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 Ver-teilungsstromkreises 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 aus-gelegt,  basierend  auf  den  Strombelastbarkeitswerten  aus  DIN  VDE 0298-4, 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 niedri-ge 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 Verteilungsstrom- kreisen bei Lastströmen mit Oberschwingungsanteilen 3-phasige Verteilungsstromkreise, aus denen 1-phasige Endstromkrei-se  abgeleitet  werden,  müssen  in  den  Außenleitern  die  Lastströme aller angeschlossenen Verbrauchsgeräte führen. Wenn diese Lastströ-me oberschwingungsfrei sind, ist bei symmetrischer Lastverteilung  jb2015_et.indb   291 18.08.2014   12:54:09 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 292 der Neutralleiterstrom dieses Verteilungsstromkreises als Null anzu-nehmen (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-Grundschwin- gung  auch  oberschwingungen,  so  werden  sich  diese  oberschwin-gungsströme der einzelnen Außenleiter im Neutralleiter aufsummie- Bild 1: 3-phasiger Stromkreis bei symmetrischer, oberschwingungsfreier   Belastung der Außenleiter Bild 2: 3-phasiger Stromkreis bei unsymmetrischer, oberschwingungsfreier  Belastung der Außenleiter L1 R L2 L3 N L1 L2 L3 N L1 L2 L3 N R R ½ R R R Z Z Z L1 R L2 L3 N L1 L2 L3 N L1 L2 L3 N R R ½ R R R Z Z Z jb2015_et.indb   292 18.08.2014   12:54:09 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 293 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 0298-4 abgedeckt. Für eine Situation wie in Bild 3 darge-stellt, gibt DIN VDE 0298-4 im Anhang B Hinweise, wie hier zu ver-fahren 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 Strombe-lastbarkeit  in  Betracht  gezogen  werden  muss.  Dieser  Einfluss  wird von der Höhe dieses zusätzlichen Neutralleiterstroms abhängen. In Tabelle 1 sind die anzuwendenden Reduktionsfaktoren angegeben. Bild 3: 3-phasiger Stromkreis bei symmetrischer Belastung der Außenleiter   mit oberschwingungsanteilen in den Außenleiterströmen L1 R L2 L3 N L1 L2 L3 N L1 L2 L3 N R R ½ R R R Z Z Z Anteil der 3. Oberschwingung  am Außenleiterstrom in % Auslegung des Leiterquerschnitts erfolgt nach dem Außenleiterstrom in A Neutralleiterstrom in A bis 15 1  15 bis 33 0,86  33 bis 45 0,86  45 1 Tabelle 1: Reduktionsfaktoren für die Strombelastbarkeit von mehradrigen  Kabeln/Leitungen bei oberschwingungen im Laststrom jb2015_et.indb   293 18.08.2014   12:54:09 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 294 Dies bedeutet für die Auslegung von 4- oder 5-adrigen Kabeln/ Leitungen bei einem oberschwingungsanteil (z. B. 150 Hz) am Last-strom 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 symme- trischer Belastung ein zusätzlicher Neutralleiterstrom von  45 % bis 100 %, bezogen auf die Außenleiterströme – diese Be-lastung 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 symme- trischer 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 ma-ximalen 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 die-sem Neutralleiterstrom ausgelegt, sind die Außenleiter entspre-chend überdimensioniert, so dass keine weitere Reduzierung erforderlich ist. In  Tabelle  2  ist  beispielhaft  dargestellt,  wie  sich  die  Strombelast-barkeit bei jeweils gleichen Leiterquerschnitten und Verlegearten in Abhängigkeit von dem Anteil der relevanten oberschwingungen am Laststrom reduziert. Im Beiblatt 3 zu DIN VDE 0100-520 [4] sind zwei Tabellen enthal- ten, 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, jb2015_et.indb   294 18.08.2014   12:54:09 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 295    Leiterquerschnitte 4 mm 2  … 300 mm 2  (Cu) bzw.   25 mm 2  … 300 mm 2  (Al),    Verlegarten A … G. Ermittlung von Oberschwingungsanteilen   im Laststrom von Verbrauchsmitteln Das zuvor beschriebenen Verfahren, die Strombelastbarkeit von Ka-beln/Leitungen zu reduzieren, wenn mit oberschwingungsströmen im Neutralleiter gerechnet werden muss, führt zwangsläufig zu der Frage, mit welchen oberschwingungsströmen in elektrischen Anla-gen überhaupt zu rechnen ist. Auch dieser Frage hat sich das Beiblatt 3 zu DIN VDE 0100-520  [4] gestellt. Es wurden an verschiedenen elektronischen Verbrauchs-mitteln, die üblicherweise in einer Büroumgebung zum Einsatz kom-men,  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 Quer- schnitt Referenzverlegeart A1 A2 C Oberschwingungsanteil in % bis   15 15   bis  33 33   bis  45 45 1) bis   15 15   bis  33 33   bis  45 45 1) bis   15 15   bis  33 33   bis  45  45 1) Strombelastbarkeit in A 10 mm 2  Cu 41 35 26 23 49 42 31 27 60 52 38 33 95 mm 2  Cu 159 137 101 88 190 163 121 106 236 203 150 131 1) es wurde mit einem angenommenen Anteil von 60 % gerechnet Tabelle 2: Strombelastbarkeit von mehradrigen Kabeln/Leitungen in Abhängig- keit vom Leiterquerschnitt bei drei belasteten Adern, zulässige Betriebstempe- ratur 70 °C, Umgebungstemperatur 25 °C jb2015_et.indb   295 18.08.2014   12:54:09 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 296    LED-Leuchtröhre (als Ersatz einer 58 W Kompaktleuchtstoff- lampe): Gesamtstrom 120 mA oberschwingungsstrom 20 mA/16 mA (ohne/mit Vorschaltgerät)    Laptop (bis 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 Auswirkun-gen  umfassend  beleuchtet.  Für  ausgewählte  elektronische  Verbrau-cher 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 oberschwingungs-strömen  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 Strom-belastbarkeit  –  die  ohne  Berücksichtigung  von  oberschwingungen ermittelt wurde – herangezogen wird. Fazit Der  zunehmende  Einsatz  von  elektronischen  Geräten  in  den  End-stromkreisen von elektrischen Anlagen macht es notwendig, sich mit den Auswirkungen von oberschwingungsanteilen im Laststrom aus-einander 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  jb2015_et.indb   296 18.08.2014   12:54:09 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 297 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 0100-100 (VDE 0100-100)   Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 1: Allgemeine Grundsätze, Bestimmungen allgemeiner Merkmale, Begriffe [2] DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430)   Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-43: Schutz-maßnahmen; Schutz bei Überstrom [3] DIN VDE 0298-4 (VDE 0298-4)   Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstrom-anlagen – Teil 4: Empfohlene Werte für die Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen für feste Verlegung in und an Gebäu-den und von flexiblen Leitungen Anteil der Lasten mit Oberschwingungs- strömen an der Gesamtleistung aller  versorgten Verbrauchsmittel in %  Reduktionsfaktor für die Stromelastbarkeit  von Kabeln/Leitungen bis 15  1  15 bis 25  0,95  25 bis 35  0,9  35 bis 45  0,85  45 bis 55  0,8  55 bis 65  0,75  65 bis 75  0,7  75  0,65 Tabelle 3: Reduktionsfaktoren für die Strombelastbakeit von Kabeln/Leitungen  in Abhängigkeit von der Anschlussleistung oberschwingungsströme verursa- chender Verbrauchsmittel jb2015_et.indb   297 18.08.2014   12:54:09 Uhr

SCHUTZ VoN KABELN UND LEITUNGEN 11 298 [4] DIN VDE 0100-520 Beiblatt 3 (VDE 0100-520 Beiblatt 3)   Errichten von Niederspannungsanlagen – Auswahl und Errich-tung elektrischer Betriebsmittel – Teil 520: Kabel- und Leitungs-anlagen – Beiblatt 3: Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitun-gen 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 jb2015_et.indb   298 18.08.2014   12:54:09 Uhr