I. Häufigste Frage

Bei der Auswahl und Verwendung von Kabeln stellt sich immer wieder eine Frage:

"Was ist der maximale Strom, dem dieses Kabel standhält?"

Diese Frage selbst ist falsch.

Die richtige Frage ist:

"Wie lange kann das Kabel bei einem bestimmten Überlaststrom sicher funktionieren?"

Die kurzfristige Überlastkapazität eines Kabels wird sowohl durch Zeit als auch durch Strom bestimmt, nicht nur durch Strom.

II. Der thermische Prozess von Kabeln unter Überlastung

Kabel erzeugen bei Stromübertragung Joule-Wärme. Die erzeugte Wärmemenge wird durch folgende Formel bestimmt:

Q = I2 × R × t
Wo Q die erzeugte Wärme ist, I der Strom, R der Leiterwiderstand und t die Zeit.

Der Strom beeinflusst die erzeugte Wärme mit einer quadratischen Beziehung.

Der entscheidende Punkt ist jedoch: Wenn die Zeit kurz genug ist, kann die gesamte erzeugte Wärme sogar bei einem großen Strom sehr gering sein.

Ein Kabel ist keine Sicherung. Sicherungen sind so konzipiert, dass sie in Millisekunden schmelzen.Kabel sind Systeme mit erheblicher thermischer Trägheit, bei denen sowohl Leiter als auch Isolationsmaterialien Zeit brauchen, um gefährliche Temperaturen zu erreichen..

Eine kurzfristige Hochstromspitze kann jedoch nur einen Temperaturanstieg von wenigen Grad Celsius verursachen, aber eine längere kleine Überlastung kann zu thermischer Alterung oder sogar thermischem Abbau der Isolierung führen.

III. Ausfallfolge: Isolierung vor Leitung

Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass Kabelüberlastungen "die Kupferdrähte durchbrennen".

Das ist falsch.

In tatsächlichen Überlastszenarien versagt zuerst die Isolationsschicht, nicht der Leiter.

Der Schmelzpunkt von Kupferleitern beträgt etwa 1085°C. Die langfristige zulässige Betriebstemperatur der XLPE-Isolation beträgt nur 90°C.mit einem Durchmesser von mehr als 20 mm,Die langfristige zulässige Betriebstemperatur der PVC-Dämmung beträgt 70°C, und die kurzfristige Widerstandstemperatur beträgt etwa 160°C.

Ein Vergleich dieser Zahlen zeigt deutlich, daß das Isoliermaterial vor Erreichen des Schmelzpunkts des Kupferleiters thermische Erweichung, Verbrennung,oder sogar vollständiger Verlust der Isolationsleistung.

Wenn die Isolierung versagt, tritt ein Kurzschluss zwischen den Leitern auf, der einen elektrischen Bogen erzeugt und lokale hohe Temperaturen verursacht.Das ist ein sekundärer Fehler., nicht eine direkte Folge einer Überlastung.

Daher bedeutet die Diskussion über die Kabelüberlastungskapazität im Ingenieurwesen im Wesentlichen die Diskussion: für welchen ZeitraumDurch die Heizung des Leiters wird die Isoliertemperatur nicht über die kurzfristige Widerstandsgrenze hinausgehen.?

IV. Kurzzeitüberlastungskapazität vonXLPE-isolierte Kabel

Auf der Grundlage der Norm IEC 60364-5-54 und der thermodynamischen Berechnungen in der technischen Praxis für XLPE-isolierte Kupferleitkabelunter der Annahme einer Anfangstemperatur von 90°C (normaler Zustand bei voller Last), beträgt die Kurzzeitüberlastungskapazität ungefähr:

Wenn das Überlastmultiple 150% beträgt, kann das Kabel typischerweise mehrere Minuten bis zu zehn Minuten halten.

Wenn das Überlastmultiple 200% beträgt, kann das Kabel von zehn Sekunden bis zu mehreren Minuten standhalten.

Wenn das Überlastmultiple 300% beträgt, kann das Kabel mehrere bis mehr als zehn Sekunden halten.wird der primäre begrenzende Faktor.

Wenn die Überlastung 500% oder mehr erreicht, kann das Kabel nur 1 bis 5 Sekunden standhalten.

Es ist zu beachten, daß die obigen Werte nur technische Schätzungen sind.und die spezifische Zusammensetzung des Dämmstoffs. Je niedriger die Anfangstemperatur, desto länger die Widerstandszeit.Eine bessere Wärmeableitung verlängert auch die Widerstandszeit..

V. Überlastprüfung der Kabel für den direkten Motorstart

Ein Beispiel dafür ist ein 132 kW-Motor, dessen Nennstrom ungefähr 240 A (in einem 400 V-System) beträgt.Die Startdauer beträgt typischerweise 6 Sekunden.

Das passende Kabel besteht aus 95 mm2 XLPE-Kupferkabeln. Die Nennströmung dieses Kabels bei 40 °C unter Leitungsinstallationsbedingungen beträgt etwa 300 A.

Der Überprüfungsprozess ist wie folgt:

Zunächst wird die Anfangstemperatur ermittelt, wobei angenommen wird, daß das Kabel seit einiger Zeit mit einer Anfangstemperatur von etwa 90°C unter der Nennlast läuft.

Die erzeugte Wärme entspricht dem Quadrat des Stroms multipliziert mit dem Widerstand multipliziert mit der Zeit, d. h. 14402 × R × 6.

Vergleichen Sie diesen Wert mit der Wärme, die unter Nennbetriebsbedingungen erzeugt wird. Unter Nennbetriebsbedingungen beträgt die erzeugte Wärme bei einem Strom von 300 A für 1 Stunde (3600 Sekunden) 3002 × R × 3600.

Die tatsächlichen Berechnungsergebnisse zeigen, dass die während eines 6-Sekunden-Startprozesses erzeugte Wärme nur etwa 15 bis 20 Sekunden Wärme entspricht, die unter Nennbedingungen erzeugt wird.Dies entspricht einem Temperaturanstieg von etwa 15 bis 20 °C..

Diese Temperaturerhöhung liegt weit unter der kurzfristigen Widerstandstemperaturgrenze der XLPE-Dämmung (ca. 250°C).

Deshalb ist bei vielen Anwendungen mit Direktstartmotoren die Kabelspezifikation aufgrund des Startstroms nicht zu erhöhen, sofern die Startzeit kurz genug ist.in der Regel innerhalb von 5 bis 8 Sekunden.

VI. Drei Beurteilungsgrundsätze in der Ingenieurpraxis

Zuerst unterscheiden wir zwischen Steady-State-Überlastung und transienter Überlastung.

Bei einer Steady-State-Überlastung handelt es sich um eine Situation, in der der Strom den Nennwert übersteigt und mehrere Minuten oder länger andauert.die zu langfristigen kumulativen Schäden führen können.

Bei einer vorübergehenden Überlastung handelt es sich um eine Situation, in der der Strom mehrfach höher als der Nennwert ist, aber nur einige Sekunden anhält.Diese Art von Überlastung kann das Kabel in der Regel aushalten, es sei denn, es kommt wiederholt.

Zweitens: Verwenden Sie die Isoliertemperatur als Ausfallkriterium.

Die Grundlage für die Beurteilung, ob ein Kabel überlastet ist, ist nicht "ob das Kupfer ausgebrannt ist", sondern "ob die Isoliertemperatur die kurzzeitliche Widerstandsgrenze überschreitet".Die kurzzeitige Widerstandstemperatur wird normalerweise als 250°C betrachtet., basierend auf der Leitertemperatur.

Drittens, betrachten wir den kumulativen Effekt.

Wenn die Ausrüstung häufig gestartet und gestoppt wird, wie z. B. ein Kran oder ein Wechselkompressor, wird sich der Temperaturanstieg bei jedem Start ansammeln.Es reicht nicht aus, nur den Temperaturanstieg eines einzigen Starts zu betrachten.Der kumulative Temperaturanstiegseffekt bei thermischem Zyklus muss berechnet werden.

VII. Auswahlempfehlungen
Bei Geräten mit hohem Startstrom, wie Motoren, Transformatoren und Schweißmaschinen, gibt es vier allgemeine Bewältigungsstrategien.

Die erste Methode besteht darin, die Kabelspezifikation zu erhöhen. Diese Methode eignet sich für Szenarien mit langen Startzeiten (mehr als 10 Sekunden) oder häufigen Starts.besonders für die Langstreckenlegung.

Die zweite Methode besteht darin, einen weichen Starter zu installieren. Diese Methode eignet sich für Szenarien mit mittlerer Anlaufzeit (3 bis 10 Sekunden) und bei denen eine Stromüberspannungsreduktion erforderlich ist.

Die dritte Methode besteht in der Installation eines Frequenzwandlers, der für Szenarien mit sehr häufigem Starten oder bei der erforderlichen präzisen Geschwindigkeitsregelung geeignet ist.Es bietet die umfassendste Funktionalität, ist aber auch die teuerste.

Die vierte Methode besteht darin, es so zu lassen wie es ist und die ursprüngliche Spezifikation zu verwenden.Die Kosten sind Null., aber dies hängt davon ab, ob die Sicherheit überprüft wird.

Ein weit verbreiteter technische Fehler ist die blinde Erhöhung der Kabelspezifikation, um mit der Überlast beim Start umzugehen.Der richtige Ansatz besteht darin, zunächst die tatsächliche Wärme während des Anschlags zu berechnen.In vielen Fällen zeigen die Berechnungen, daß das vorhandene Kabel ausreicht.

Wenn eine Überprüfung erforderlich ist, sollten folgende Parameter vorbereitet werden: Kabelquerschnitt, Material und Isolationsart; die vom Ausrüstungshersteller bereitgestellte Startstrom-Zeitkurve;und die Legemethode und die Anfangstemperatur.

VIII. Schlüsselergebnisse

Zunächst wird die kurzfristige Überlastkapazität eines Kabels sowohl durch Zeit als auch durch Strom bestimmt.

Zweitens versagt bei Überlastung erst die Isolierung, nicht der Leiter.

Drittens können XLPE-isolierte Kabel in der Regel unter 200% Überlastung je nach Anfangstemperatur und Wärmeabbaubedingungen zehn Sekunden bis mehrere Minuten bestehen.

Viertens ist für kurzfristige Auswirkungen durch direkten Motorstart in den meisten Fällen keine Erhöhung der Kabelspezifikation erforderlich.vorausgesetzt, dass die Anlaufzeit 5 bis 8 Sekunden nicht überschreitet und selten ist.

Es ist wichtig, daß die Kommission und die Mitgliedstaaten die erforderlichen Maßnahmen ergreifen, um die Verringerung der Schadensbelastung zu verhindern.