Strombelastbarkeit nach IEC 60287 erklärt: Warum die Belastbarkeit eines Kabels vom Einsatzort abhängt, nicht vom Katalog

Kunden fragen: „Wie viel Ampere kann dieses Kabel führen?“ Die ehrliche Antwort lautet: Das hängt davon ab, wo Sie es verlegen. Dasselbe Kabel kann sehr unterschiedliche Ströme führen — in trockenem Sand eingegraben, in ein Rohr eingezogen, frei in der Luft unter Sonneneinstrahlung verlegt oder mit anderen Stromkreisen gehäuft.

Das internationale Verfahren zur Beantwortung dieser Frage ist IEC 60287, Kabel — Berechnung der Strombelastbarkeit. Dieser Artikel erklärt die zugrunde liegende Idee und, wichtiger noch, welche Eingaben das Ergebnis tatsächlich verändern.

Die Idee in einem Absatz

Ein Kabel erwärmt sich, weil Strom durch den Widerstand des Leiters fließt und weil Isolierung, Schirme und Bewehrung eigene Verluste haben. Diese Wärme muss durch die Schichten des Kabels in die Umgebung abgeführt werden. Die Strombelastbarkeit ist der Dauerstrom, bei dem der Leiter gerade seine höchstzulässige Temperatur erreicht. IEC 60287 bildet dies als Kette thermischer Widerstände ab — Isolierung, Polsterung, Mantel und dann die Umgebung — ähnlich einem elektrischen Stromkreis, in dem die Wärme die Rolle des Stroms und die Temperatur die Rolle der Spannung übernimmt.

Erkenntnis 1: Die Umgebung zählt meist mehr als das Kabel

Ingenieure konzentrieren sich naturgemäß auf den Kabelaufbau, doch bei erdverlegten Kabeln ist der größte einzelne thermische Widerstand oft der Boden selbst. Die Faktoren, die die Belastbarkeit am stärksten verändern, liegen häufig außerhalb des Kabels:

• Spezifischer Wärmewiderstand des Bodens. Feuchter Ton und trockener Sand verhalten sich sehr unterschiedlich. Boden, der um ein heißes Kabel austrocknet, kann die Lage mit der Zeit verschlechtern.
• Verlegetiefe und Rohre. Rohre schützen das Kabel, fügen aber über den Luftspalt und die Rohrwand thermischen Widerstand hinzu.
• Benachbarte Stromkreise. Gehäufte Kabel erwärmen sich gegenseitig; das heißeste Kabel einer Gruppe bestimmt die Grenze.
• Umgebungs- und Bodentemperatur. Ein Projekt am Persischen Golf ist kein Projekt in Skandinavien.
• Kabel in Luft. Sonneneinstrahlung, Einhausung und Anordnung auf Kabelpritschen oder in Schellen verändern das Bild vollständig.

Die praktische Lehre: Eine Belastbarkeit ist nur so gut wie die Standortdaten, auf denen sie beruht. Wenn eine Ausschreibung keine Verlegebedingungen nennt, ist es richtig, nachzufragen — oder klar anzugeben, auf welchen Annahmen das Angebot basiert.

Erkenntnis 2: Die Schirmerdung kann so viel ausmachen wie der Leiterquerschnitt

Bei Einleiterkabeln hat die Art der Erdung der metallischen Schirme großen Einfluss:

• Beidseitige Erdung ist einfach, lässt aber Kreisströme in den Schirmen fließen. Bei großen Leitern kann dies einen erheblichen Teil der Belastbarkeit kosten.
• Einseitige Erdung und Auskreuzung (Cross-Bonding) beseitigen diese Ströme weitgehend, um den Preis zusätzlicher Komponenten wie Mantelspannungsableiter und Auskreuzungskästen.
• Dreieck- oder Flachverlegung und der Phasenabstand verändern ebenfalls die Schirmverluste.

Manchmal ist der günstigste Weg zu mehr Ampere nicht ein größerer Leiter, sondern eine andere Schirmerdung — ein Gespräch, das sich mit dem Kunden lohnt.

Erkenntnis 3: Bei Hochspannung wird die Isolierung selbst zur Wärmequelle

Bei Niederspannung sind die Isolierungsverluste vernachlässigbar. Bei Hoch- und Höchstspannung wachsen die dielektrischen Verluste mit der Spannung und beanspruchen einen echten Teil des thermischen Budgets, sodass weniger für den Leiter bleibt. Das ist ein Grund, warum HS- und HöS-Konstruktionen sorgfältige, vollständige Berechnungen benötigen statt hochskalierter NS-Faustregeln.

Erkenntnis 4: Große Leiter sind weniger effizient, als sie scheinen

Wechselstrom drängt sich an die Oberfläche großer Leiter (Skineffekt) und wird durch benachbarte Leiter gestört (Proximityeffekt). Eine Verdopplung des Leiterquerschnitts verdoppelt nicht die Belastbarkeit. Für sehr große HS-Leiter werden Segmentleiter eingesetzt, um den Effekt zu begrenzen — siehe IEC 60228 erklärt für die Leiterseite dieser Geschichte.

Was IEC 60287 nicht abdeckt

IEC 60287 berechnet die Belastbarkeit im stationären Zustand bei konstanter Volllast. Reale Netze benötigen außerdem:

• zyklische und Notbelastbarkeiten nach IEC 60853, die für tageszeitlich schwankende Lasten höhere Ströme zulassen können;
• Kurzschlussfestigkeit des Leiters und des metallischen Schirms, die separat geprüft wird;
• Spannungsfall, der bei langen NS-Abgängen unabhängig von der Temperatur den Leiterquerschnitt bestimmen kann.

Eine vollständige Prüfung betrachtet in der Regel all diese Punkte. Und da IEC 60287 eine Berechnung ist, bleiben Typprüfungen die Referenz für den Nachweis einer Konstruktion; die Berechnung ist die technische Grundlage für Auslegung, Auswahl und Angebote.

Warum Katalogwerte Probleme verursachen

Katalogwerte gehen von genormten Referenzbedingungen aus, die selten einem realen Projekt entsprechen. Direkt in einem Angebot verwendet, führen sie zu einem von zwei Ergebnissen:

• Überdimensionierung — das Angebot ist technisch sicher, verliert aber beim Preis gegen einen Wettbewerber, der korrekt gerechnet hat.
• Unterdimensionierung — das Angebot gewinnt, und das Problem zeigt sich später, bei der eigenen Konstruktionsprüfung des Kunden oder im Betrieb.

Die Berechnung der Belastbarkeit für jede Konstruktion unter den eigenen Bedingungen des Kunden beseitigt beide Risiken.

Strombelastbarkeit in CablePLM

In CablePLM wird die Strombelastbarkeit nach IEC 60287 mit jeder Konstruktion berechnet — unter Berücksichtigung Ihrer Verlegeart, des Bodens, der Verlegetiefe, der Umgebungstemperatur und der Schirmerdung. Ändern Sie den Leiter oder den Schirm, und die Belastbarkeit wird zusammen mit Aufbau, Stückliste und Datenblatt aktualisiert. Auch die Kurzschlussfestigkeit wird mit der Konstruktion berechnet, und das Add-on Cable Selection & Optimization vergleicht Alternativen, um die günstigste Konstruktion zu finden, die den geforderten Strom erfüllt.

Weiterlesen: Aufbau eines Starkstromkabels, Schicht für Schicht und IEC 60502-2 für Mittelspannungskabel.

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