Dimensionierung von Mittelspannungskabeln: Strombelastbarkeit, Spannungsabfall und Kurzschlussprüfungen

Angenommen, Sie verfügen über eine 13,8-kV-Transformatoreinspeisung mit einem berechneten Primärstrom von 84 A. Eine kurze Strombelastbarkeitstabelle könnte einen Kupferleiter Nr. 3 AWG vorschlagen. Dennoch endet eine typische Installation vor Ort häufig mit einem 2/0-AWG-Kabel. Der Grund dafür ist, dass die Dimensionierung von Mittelspannungskabeln nicht bei der Strombelastbarkeit enden kann.

Die richtige Größe muss außerdem Spannungsabfallgrenzwerte einhalten, den verfügbaren Kurzschlussstrom überstehen, praktische Mindestleitergrößen einhalten und reale Installationsbedingungen wie Bodentemperatur, Kanalbänke und Parallelschaltungen berücksichtigen. Behandeln Sie es als eine Verifizierungsschleife und nicht als einen einzelnen Suchschritt.

Was „Dimensionierung“ für Mittelspannungskabel bedeutet

Mittelspannungskabel sind im Allgemeinen Kabel mit Nennspannungen über 1 kV und bis zu 35 kV. Zu den gängigen Spannungsklassen gehören 3,6/6 kV, 6/10 kV, 8,7/15 kV, 12/20 kV und 18/30 kV. Die Dimensionierung eines Mittelspannungskabels bedeutet die Auswahl des Leiterquerschnitts, des Isolationsgrads und der Schirmkonstruktion, die einen sicheren Betrieb des Kabels über seine gesamte Lebensdauer sowohl unter Dauerlast- als auch unter Fehlerbedingungen ermöglichen.

Die wichtigsten Prüfungen sind zusammenhängend: Dauerstrombelastbarkeit, Spannungsabfall, thermische Kurzschlussfestigkeit und Leistungsminderung durch Installationsbedingungen. In vielen Industrieprojekten wird die endgültige Größe eher durch die Kurzschluss- oder Spannungsabfallprüfung als durch die Strombelastbarkeitsprüfung bestimmt, insbesondere wenn die Einspeisung lang ist oder die Fehlerstufe hoch ist.

Schritt 1 – Definieren Sie die System- und Kabeleingänge

Erfassen Sie vor Beginn einer Berechnung die Systemdaten. Sie benötigen die Nennspannung von Phase zu Phase, den maximalen Dauerlaststrom, den maximalen Kurzschlussstrom am Kabelort und die Schutzausschaltzeit. Auch Installationsdetails sind wichtig: Streckenlänge, Umgebungstemperatur, Wärmewiderstand des Bodens, Verlegungstiefe und ob das Kabel in einem Kabelkanal, einer Kabelrinne oder direkt in der Erdverlegung verläuft.

Kleine Eingabefehler führen zu großen Größenfehlern. Wenn Sie eine Bodentemperatur von 20 °C annehmen, die tatsächliche Temperatur am Standort jedoch 30 °C beträgt, wird ein Grenzkabel oberhalb seiner Auslegungstemperatur betrieben. Wenn Sie vergessen, eine parallele Zuleitungsheizung einzubauen, wird das gleiche Kabel in einer realen Installation herabgesetzt. Der zusätzliche Zeitaufwand für die Überprüfung der Eingabedaten lohnt sich immer.

Für die meisten Verteilungsanwendungen ist ein XLPE-isoliertes Kabel mit Kupferleitern die Standardwahl. Die Isolierung bietet eine hohe Spannungsfestigkeit, geringe dielektrische Verluste und eine gute thermische Leistung. Eine praktische Referenz für die Mittelspannungsverteilung ist die XLPE-isolierte Stromkabelserie mit Nennspannungen von 3,6/6 kV bis 26/35 kV .

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Schritt 2 – Berechnen Sie die Stromtragfähigkeit unter realen Bedingungen

Die Strombelastbarkeit ist der maximale Dauerstrom, den das Kabel führen kann, ohne die Temperaturbeständigkeit seiner Isolierung zu überschreiten. Bei XLPE-Isolierung beträgt die maximale Dauerleitertemperatur typischerweise 90 °C, während die Kurzschluss-Notfalltemperatur bei Kupferleitern 250 °C betragen kann. Der Kabelquerschnitt muss eine Ableitung der intern erzeugten Wärme nach außen ermöglichen, ohne die Isolierung zu überhitzen.

Beginnen Sie mit einer Grundstrombelastbarkeitstabelle und multiplizieren Sie sie dann mit Korrekturfaktoren für Umgebungstemperatur, thermischen Widerstand des Bodens, Tiefe, Kabelabstand und Gruppierung. Eine Leitergröße, die in einer Desktop-Berechnung funktioniert, kann heißlaufen, wenn sie parallel zu anderen belasteten Kabeln installiert wird. Die folgende Tabelle enthält repräsentative Derating-Faktoren für gängige Mittelspannungsinstallationen:

Vergleichen Sie nach Anwendung aller Korrekturfaktoren die korrigierte Strombelastbarkeit mit dem Volllaststrom. Wenn der Wert zwischen zwei Standardleitergrößen liegt, wählen Sie die nächstgrößere Größe, es sei denn, eine spätere Überprüfung erzwingt einen noch größeren Leiter.

Schritt 3 – Spannungsabfall an langen Zuleitungen prüfen

Der Spannungsabfall wird zum entscheidenden Kriterium, wenn die Mittelspannungszuleitung mehrere Kilometer lang ist oder wenn die Last im Verhältnis zur Kabelimpedanz hoch ist. Der dreiphasige Spannungsabfall kann als Vdrop = sqrt(3) * I * (R * cos(phi) X * sin(phi)) * L angenähert werden, wobei R und X der effektive Wechselstromwiderstand und die Reaktanz pro Längeneinheit sind und L die Streckenlänge ist.

Bei Mittelspannungskreisen sollte der Gesamtspannungsabfall von der Quelle bis zur Last im Allgemeinen unter 5 % bleiben. Viele Anlagen wenden einen strengeren Grenzwert von 3 % allein für die Einspeisung an, um Spielraum für Transformatoren und Sekundärleiter zu lassen. Bei einer 33-kV-Einspeisung über 10 km mit 250 A kann ein 95-mm²-Kupferkabel einen Spannungsabfall von etwa 3,5 % aufweisen, während er bei einem 120-mm²-Kabel unter 3 % liegt. In solchen Fällen wird das größere Kabel nicht nach der Strombelastbarkeit, sondern nach der Spannungsabfallgrenze ausgewählt.

Bei einer 33-kV-Einspeisung überwiegt häufig die Induktivität gegenüber dem Widerstand, sodass das Hinzufügen eines Leiterquerschnitts nur begrenzte Verbesserungen bringt. In diesem Fall kann eine höhere Spannungsebene oder ein anders verlegtes Kabel effektiver sein.

Schritt 4 – Bestätigen Sie die Kurzschlussfestigkeit

Ein Kabel in einem Mittelspannungsnetz muss den schlimmsten Kurzschlussstrom so lange überstehen, dass die Schutzeinrichtung den Fehler beheben kann. Während des Fehlers steigt die Leitertemperatur stark an, da die Wärme nicht schnell entweichen kann. Bei VPE-isolierten Kabeln beträgt die zulässige Kurzschlussleitertemperatur häufig 250 °C für Kupfer und 200 °C für Aluminium, es sollten jedoch Werte aus den Prüfdaten des Herstellers verwendet werden.

Der minimale Leiterquerschnitt für die thermische Beständigkeit kann als s = I * sqrt(t) / k geschätzt werden, wobei I der Effektivfehlerstrom, t die Abschaltzeit in Sekunden und k eine Konstante ist, die vom Leitermaterial und den angenommenen Anfangs- und Endtemperaturen abhängt. Ein 13,8-kV-System mit einem 20-kA-Fehler, der in 0,2 s behoben wird, kann leicht einen größeren Leiter erfordern als die Strombelastbarkeitsprüfung. Aus diesem Grund ist die Kurzschlussprüfung nicht optional.

Auch die Koordinierung des Upstream-Relays muss überprüft werden. Wenn die Relais-Ausschaltzeit länger ist als die thermische Grenze des Kabels, wird das Kabel beschädigt, bevor der Leistungsschalter öffnet.

Schritt 5 – Leistungsreduzierung und Mindestgrößenanforderungen beachten

Zusätzlich zu den technischen Berechnungen erfordern Vorschriften und mechanische Anforderungen häufig eine Mindestleitergröße. Viele Mittelspannungseinspeiser verwenden als praktisches Minimum einen Kupferleiter der Stärke 2 AWG, auch wenn die Strombelastbarkeitsberechnung eine kleinere Größe zulassen würde. Große Kabelschuhe, Anschlusssätze und Einzugskräfte werden bei sehr dünnen Mittelspannungskabeln unpraktisch.

Reduzierungsfaktoren für gruppierte Kabel und Erdinstallationen können die Basisstrombelastbarkeit um 20 % oder mehr senken. Die wahre Strombelastbarkeit ist der Basiswert multipliziert mit allen anwendbaren Faktoren. Liegt der Endwert noch über dem Laststrom, ist das Kabel für Dauerbelastung geeignet. Der Techniker sollte jedoch auch sicherstellen, dass das Kabel ordnungsgemäß an die Klemmen der Schaltanlage, des Busses oder des Transformators angeschlossen werden kann.

Schritt 6 – Kosten, Verfügbarkeit und zukünftiges Wachstum in Einklang bringen

Nachdem alle technischen Prüfungen erfüllt sind, bleibt die wirtschaftliche Frage bestehen. Ein größerer Leiter reduziert I^2*R-Verluste und lässt Raum für künftige Lastzuwächse, erhöht jedoch die Anschaffungskosten und kann die Installation in engen Kanälen erschweren. Bei einer langen Einspeisung kann der Nettobarwert der Energieeinsparungen die Mehrkosten rechtfertigen. Bei einer kurzen Zuleitung kann das größere Kabel unnötig sein.

Die Wahl eines breit hergestellten Querschnitts verkürzt die Vorlaufzeit und vermeidet nicht standardmäßige Anschlüsse. Zu den gängigen MV-Größen in metrischen Systemen gehören 70, 95, 120, 150, 185 und 240 mm². Bei der Überprüfung der Produktoptionen wird die 6-35 kV XLPE-Stromkabelbereich gibt einen guten Überblick über Nennspannungen und Konstruktionsdetails für typische Verteilerstromkreise.

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Den Dimensionierungsprozess zusammenführen

Die Dimensionierung von Mittelspannungskabeln ist ein systematischer Prozess: Definieren Sie die Systemparameter, überprüfen Sie die Strombelastbarkeit, überprüfen Sie den Spannungsabfall, bestätigen Sie die Kurzschlussfestigkeit und wenden Sie Reduzierungs- und Mindestgrößenregeln an. Erst nachdem diese Prüfungen bestanden sind, ist es an der Zeit, Kosten und Verfügbarkeit abzuwägen.

Wenn Sie eine lange Zuleitung oder ein Industrieverteilungssystem mit hohem Fehlerpegel dimensionieren, achten Sie besonders auf die Reduzierungsfaktoren und die Fehlerstromberechnung. Ein auf den ersten Blick funktionierendes Kabel kann bei einer Störung oder am Ende eines heißen Sommertages ausfallen. Weitere Informationen zu Isolationstemperaturwerten und deren Auswirkungen auf die Strombelastbarkeit finden Sie im Vergleich der Kabelstrombelastbarkeit und der Isolationskosten zwischen MV90 und MV105 ist ein nützlicher Ausgangspunkt.