I. Een meest gestelde vraag

Bij de keuze en het gebruik van kabels wordt herhaaldelijk één vraag gesteld:

"Wat is de maximale stroomsterkte die deze kabel kan weerstaan?"

Deze vraag zelf is onjuist.

De juiste vraag is:

"Hoe lang kan de kabel veilig werken bij een gegeven overbelastingsstroom?"

De overbelastingscapaciteit van een kabel op korte termijn wordt bepaald door zowel de tijd als de stroom, en niet alleen door de stroom. Het bespreken van overbelastingscapaciteit terwijl je de tijdsdimensie negeert, is zinloos in de techniek.

II. Het thermische proces van kabels onder overbelasting

Kabels genereren Joule-warmte wanneer ze stroom voeren. De hoeveelheid gegenereerde warmte wordt bepaald door de volgende formule:

Q = I² × R × t
Waar Q de gegenereerde warmte is, I de stroom, R de weerstand van de geleider en t de tijd.

De stroom beïnvloedt de gegenereerde warmte met een kwadratische relatie. Een verdubbeling van de stroom verviervoudigt de gegenereerde warmte.

Het belangrijkste punt is echter: als de tijd kort genoeg is, zelfs bij een grote stroom, kan de totale gegenereerde warmte erg klein zijn.

Een kabel is geen zekering. Zekeringen zijn ontworpen om binnen milliseconden te smelten. Kabels zijn systemen met een aanzienlijke thermische traagheid: zowel geleiders als isolatiematerialen hebben tijd nodig om gevaarlijke temperaturen te bereiken.

Een kortstondige sterke stroomstoot kan slechts een temperatuurstijging van enkele graden Celsius veroorzaken. Langdurige kleine overbelastingen kunnen echter leiden tot thermische veroudering of zelfs thermische afbraak van de isolatie.

III. Foutvolgorde: Isolatie vóór geleider

Een veel voorkomende misvatting is dat overbelasting van kabels 'door de koperdraden heen zal branden'.

Dit is onjuist.

In daadwerkelijke overbelastingsscenario's faalt eerst de isolatielaag, en niet de geleider.

Het smeltpunt van koperen geleiders is ongeveer 1085°C. De toegestane bedrijfstemperatuur van XLPE-isolatie op lange termijn bedraagt ​​slechts 90°C, en zelfs als rekening wordt gehouden met overbelasting op korte termijn, overschrijdt de temperatuur niet de 250°C. De toegestane bedrijfstemperatuur van PVC-isolatie op lange termijn is 70°C, en de kortetermijntemperatuur bedraagt ​​ongeveer 160°C.

Uit het vergelijken van deze cijfers blijkt duidelijk dat voordat de koperen geleider zijn smeltpunt bereikt, het isolatiemateriaal al thermische verzachting, carbonisatie of zelfs volledig verlies van isolatievermogen heeft ondergaan.

Zodra de isolatie faalt, ontstaat er kortsluiting tussen de geleiders, waardoor een elektrische boog ontstaat en plaatselijk hoge temperaturen optreden. Alleen dan kan de koperen geleider smelten. Dit is echter een secundaire storing en geen direct gevolg van overbelasting.

Daarom betekent het bespreken van de overbelastingscapaciteit van kabels in de techniek in wezen het bespreken van: gedurende welke periode zal het verwarmen van geleiders er niet voor zorgen dat de isolatietemperatuur de korte-duurgrens overschrijdt?

IV. Kortetermijnoverbelastingscapaciteit vanXLPE geïsoleerde kabels

Gebaseerd op IEC 60364-5-54 en thermische dynamische berekeningen in de technische praktijk, is voor XLPE geïsoleerde koperen geleiderkabels, uitgaande van een begintemperatuur van 90°C (normale toestand bij volledige belasting), de kortetermijnoverbelastingscapaciteit ongeveer als volgt:

Wanneer het overbelastingsveelvoud 150% bedraagt, is de kabel doorgaans bestand tegen enkele minuten tot tientallen minuten. Dit tijdsbereik hangt voornamelijk af van de snelheid van warmteaccumulatie in het isolatiemateriaal.

Wanneer het overbelastingsveelvoud 200% bedraagt, kan de kabel tientallen seconden tot enkele minuten weerstaan. De beperkende factor hierbij is vooral de snelheid waarmee de temperatuur op het isolatieoppervlak stijgt.

Wanneer het overbelastingsveelvoud 300% bedraagt, kan de kabel enkele seconden tot meer dan tien seconden weerstaan. Op dit punt stijgt de temperatuur op het grensvlak tussen geleider en isolatie snel, waardoor dit de belangrijkste beperkende factor wordt.

Wanneer de overbelasting 500% of hoger bereikt, kan de kabel dit slechts 1 tot 5 seconden weerstaan. Onder deze omstandigheden zal het isolatiemateriaal snel verkolen, waardoor er vrijwel geen veiligheidsmarge overblijft.

Opgemerkt moet worden dat de bovenstaande waarden slechts technische schattingen zijn. Precieze waarden zijn afhankelijk van de kabeldoorsnede, de legmethode, de begintemperatuur en de specifieke formulering van het isolatiemateriaal. Hoe lager de begintemperatuur, hoe langer de standtijd: koude starts zijn veel veiliger dan warme starts. Een betere warmteafvoer verlengt ook de weerstandstijd; luchtgelegde installatie is superieur aan leidinginstallatie.

V. Controle van kabeloverbelasting voor direct opstarten van de motor

Als voorbeeld nemen we een motor van 132 kW. De nominale stroom bedraagt ​​ongeveer 240 A (in een 400 V-systeem). Tijdens directe start is de startstroom ongeveer 6 maal de nominale stroom, dwz 1440A. De startduur bedraagt ​​doorgaans 6 seconden.

De bijpassende kabel is een XLPE-koperkabel van 95 mm². De nominale stroomcapaciteit van deze kabel in een omgeving van 40°C onder installatieomstandigheden van leidingen bedraagt ​​ongeveer 300A.

Het verificatieproces is als volgt:

Bepaal eerst de begintemperatuur. Stel dat de kabel al enige tijd onder nominale belasting heeft gewerkt, met een begintemperatuur van ongeveer 90°C.

Bereken vervolgens de warmte die wordt gegenereerd tijdens het opstarten. De gegenereerde warmte is gelijk aan het kwadraat van de stroom vermenigvuldigd met de weerstand vermenigvuldigd met de tijd, dat wil zeggen 1440² × R × 6.

Vergelijk deze waarde met de warmte die wordt gegenereerd onder nominale bedrijfsomstandigheden. Onder nominale omstandigheden, met een stroomsterkte van 300 A gedurende 1 uur (3600 seconden), bedraagt ​​de gegenereerde warmte 300² × R × 3600.

Uit de daadwerkelijke berekeningsresultaten blijkt dat de warmte die wordt gegenereerd tijdens een opstartproces van 6 seconden gelijk is aan slechts ongeveer 15 tot 20 seconden warmte die wordt gegenereerd onder nominale omstandigheden. Dit komt overeen met een temperatuurstijging van ongeveer 15 tot 20°C.

Deze temperatuurstijging ligt ver onder de kortstondige temperatuurgrens van XLPE-isolatie (ongeveer 250°C). Daarom zal het opstartproces geen isolatieschade veroorzaken.

Dit is de reden waarom bij veel directstartmotortoepassingen de kabelspecificatie niet hoeft te worden verhoogd vanwege de startstroom, op voorwaarde dat de opstarttijd kort genoeg is, doorgaans binnen 5 tot 8 seconden.

VI. Drie beoordelingscriteria in de ingenieurspraktijk

Maak eerst onderscheid tussen steady-state overbelasting en tijdelijke overbelasting.

Een stabiele overbelasting verwijst naar een situatie waarin de stroom de nominale waarde overschrijdt en enkele minuten of langer aanhoudt. Het grootste risico van dit soort overbelasting is thermische veroudering van de isolatie, wat kan leiden tot cumulatieve schade op de lange termijn.

Een voorbijgaande overbelasting verwijst naar een situatie waarin de stroom meerdere malen de nominale waarde bedraagt, maar slechts enkele seconden duurt. Dit type overbelasting kan doorgaans door de kabel worden weerstaan, tenzij dit herhaaldelijk voorkomt.

Ten tweede: gebruik de isolatietemperatuur als faalcriterium.

De basis voor het beoordelen of een kabel overbelast is, is niet 'of het koper is doorgebrand', maar 'of de isolatietemperatuur de korte houdtijdgrens overschrijdt'. Voor XLPE-isolatie wordt de korte-duurbestendigheidstemperatuur gewoonlijk genomen op 250°C, gebaseerd op de geleidertemperatuur.

Ten derde, overweeg het cumulatieve effect.

Als de apparatuur regelmatig wordt gestart en gestopt, zoals een kraan of een zuigercompressor, zal de temperatuurstijging na elke start zich ophopen. In dit geval is het niet voldoende om alleen naar de temperatuurstijging van een enkele start te kijken; het cumulatieve temperatuurstijgingseffect onder thermische cycli moet worden berekend.

VII. Selectieaanbevelingen
Voor apparatuur met een hoge startstroom, zoals motoren, transformatoren en lasmachines, zijn er vier algemene coping-strategieën.

De eerste methode is het verhogen van de kabelspecificatie. Deze methode is geschikt voor scenario's met lange opstarttijden (meer dan 10 seconden) of frequente starts. Het is echter duurder, vooral bij leggen over lange afstanden.

De tweede methode is het installeren van een softstarter. Deze methode is geschikt voor scenario's met gemiddelde opstarttijden (3 tot 10 seconden) en waar stroomstootreductie nodig is. De kosten zijn gematigd.

De derde methode is het installeren van een frequentieomvormer. Deze methode is geschikt voor scenario's met zeer frequente starts of waar nauwkeurige snelheidsregeling vereist is. Het biedt de meest uitgebreide functionaliteit, maar is ook het duurst.

De vierde methode is om het te laten zoals het is en de originele specificatie te gebruiken. Deze methode is geschikt voor scenario's met zeer korte opstarttijden (niet meer dan 5 seconden) en onregelmatige starts. De kosten zijn nul, maar dit is afhankelijk van de verificatie van de veiligheid.

Een veel voorkomende technische fout is het blindelings verhogen van de kabelspecificaties om overbelasting bij het opstarten aan te kunnen. Vaak is dit niet de optimale oplossing. De juiste aanpak is om eerst de daadwerkelijke warmte te berekenen die tijdens het opstarten wordt gegenereerd. Uit berekeningen blijkt in veel gevallen dat de bestaande kabel voldoende is.

Als verificatie vereist is, moeten de volgende parameters worden voorbereid: kabeldoorsnede, materiaal en isolatietype; de door de fabrikant van de apparatuur verstrekte opstartstroom-tijdcurve; en de legmethode en begintemperatuur.

VIII. Belangrijkste conclusies

Ten eerste wordt de overbelastingscapaciteit van een kabel op korte termijn bepaald door zowel tijd als stroom. Vragen: "Hoeveel stroom kan het weerstaan?" is zinloos; men moet zich ook afvragen: "Hoe lang kan het standhouden?".

Ten tweede faalt bij overbelasting eerst de isolatie, en niet de geleider. De temperatuurlimiet van isolatie ligt ver onder het smeltpunt van koper.

Ten derde zijn XLPE-geïsoleerde kabels doorgaans bestand tegen tientallen seconden tot enkele minuten onder een overbelasting van 200%, afhankelijk van de initiële temperatuur en de omstandigheden van de warmteafvoer.

Ten vierde is het voor kortetermijneffecten als gevolg van direct starten van de motor in de meeste gevallen niet nodig om de kabelspecificaties te verhogen, op voorwaarde dat de starttijd niet langer duurt dan 5 tot 8 seconden en niet frequent is.

Ten vijfde moeten technische beslissingen gebaseerd zijn op berekeningen, niet op intuïtie. Het blindelings verhogen van de kabelspecificaties leidt tot kostenverspilling, terwijl het negeren van de verificatie verborgen gevaren kan opleveren.