Die Kontrolle der Spannungsabfälle
Jede Kabel- und Leitungsanlage, dass ein Strom durchfließt, verursacht Spannungsabfälle zwischen ihrem Anfangs- und Endpunkt. In einer Elektroanlage kann die Berechnung der Spannungsabfälle zwei Zielen entsprechen:
- Entweder die reale Restspannung an einem Punkt der Anlage zu kennen, wie z. B. dem Verteiler oder dem elektrischen Verbraucher;
- Oder die Einhaltung der Normanforderungen zu überprüfen (Artikel 525 und Tabelle G.52.1 aus der Norm IEC 60364-5-52).
Tabelle G.52.1 – Spannungsabfall
Abbildung 1: Ausschnitt der Tabelle G.52.1 der Norm IEC 60364-5-52
Im zweiten Fall muss der in der Norm genannte Speisepunkt der Anlage bestimmt werden: Wenn die Anlage von einer NS-Quelle versorgt wird, ist es klar, dass die Ergebnisse beider Ziele identisch sind; wenn es sich hingegen um eine komplexere Anlage handelt, die beispielsweise mit HS/NS-Verteiltransformatoren ausgestattet ist, ist es möglich zu betrachten, dass die Sekundärklemmen des HS/NS-Transformators die Ursache des Spannungsabfalls darstellen. Die Ergebnisse beider Ziele können also je nach Präsenz eines Stufenschalters am Transformator unterschiedlich sein. Es ist zu merken, dass der prozentuale Spannungsabfall jedenfalls nach der Nennspannung des Stromnetzes ausgedrückt wird.
Berechnung des Spannungsabfalls in einer Kabel- und Leitungsanlage
1) Vereinfachte Formel der Norm (IEC 60364-5-52)
- b: von der Art des Stromkreises abhängiger Koeffizient (dreiphasig, zweiphasig oder einphasig)
- ρ1: Resistivität der Leiter
- λ: Reaktanz der Leiter
- cos φ: Leistungsfaktor in der Kabel- und Leitungsanlage
- L: Länge der Kabel- und Leitungsanlage
- S: Querschnitt der Leiter
- IB: vorgesehener Betriebsstrom
Diese vereinfachte Formel kann auf Einphasen-, Zweiphasen- oder ausgeglichene Dreiphasenstromkreise angewandt werden, deren cos ϕ im stationären Zustand mehr als 0,8 beträgt.
2) Vektormethode
Die Dokumentationsbroschüre AFNOR FD C 15-500 weist eine genauere Berechnung auf Basis der Vektordarstellung der Spannung und des Stroms in der Kabel- und Leitungsanlage auf.
U₁ Spannung Außenleiter-Neutralleiter oder Außenleiterspannung am Anfangspunkt des Stromkreises;
U₂ Spannung Außenleiter-Neutralleiter oder Außenleiterspannung am Endpunkt des Stromkreises;
ϕ Phasenverschiebung am Endpunkt des Stromkreises wegen der Ladung;
Z Impedanz des Stromkreises.
Vektordarstellung des Spannungsabfalls
Dazu sind allerdings die möglichen Ungleichgewichte in Dreiphasenstromkreisen nicht berücksichtigt.
3) Genaue Berechnung des Spannungsabfalls
Ungeachtet des Ungleichgewichts muss die genaue Berechnung des Spannungsabfalls Folgendes berücksichtigen:
- Den vorgesehenen Betriebsstrom, der die Phase durchfließt;
- Den elektrischen Widerstand und die Reaktanz des Außenleiters;
- Den vorgesehenen Betriebsstrom, der den Neutralleiter durchfließt;
- Den elektrischen Widerstand und die Reaktanz des Neutralleiters;
- Den Leistungsfaktor in der Kabel- und Leitungsanlage.
Die Berechnung muss bei jeder Phase durchgeführt werden. Im Übrigen muss die Summe der Spannungsabfälle in mehreren aufeinanderfolgenden Kabel- und Leitungsanlagen vektoriell sein, damit die möglichen Leistungsfaktorschwankungen in diesen Kabel- und Leitungsanlagen berücksichtigt werden können.
Letzten Endes, wenn die Anlage mit Motoren ausgestattet ist, muss die Kontrolle des Spannungsabfalls beim Anlauf zur Ergänzung des stationären Zustands durchgeführt werden. In diesem Fall sind der Anlaufstrom sowie der assoziierte Leistungsfaktor, der generell etwa 0,35 beträgt, zu berücksichtigen.
Diese Methode ist eben in elec calc™ verwendet.
Kontrollen mit elec calc™
elec calc™ ermöglicht die Berechnung der verschiedenen Spannungsabfälle in der Elektroanlage:
- des individuellen Spannungsabfalls eines Bauelements;
- des globalen Spannungsabfalls, von der Quelle bis hin zum elektrischen Verbraucher;
- des Spannungsabfalls im stationären Zustand;
- des Spannungsabfalls beim Anlauf.
Die Berechnung des Spannungsabfalls wird auf Basis der verbrauchten Ströme, die die Phasen und den Neutralleiter durchfließen, durchgeführt, indem die Phasenverschiebungen berücksichtigt werden, die von den Impedanzen der verschiedenen Bauelemente verursacht sind.
Für eine bestimmte Betriebsart wird der Spannungsabfall nominal und beim Anlauf berechnet. Jeder Anlauf wird im schlimmsten Fall betrachtet, also im Fall einer gesamten versorgten Anlage.
Spezifische Begrenzungen des Spannungsabfalls für die elektrischen Verbraucher, die Transformatoren, die Wechselrichter und die Frequenzumrichter können beim stationären Zustand und gegebenenfalls beim Anlauf vom Benutzer eingestellt werden. elec calc™ warnt den Benutzer, falls die definierten Schwellen überschreitet sind. Ebenfalls taucht eine Warnmeldung auf, falls die vom Benutzer definierten Schwellen die durch normative Texte vorgeschriebenen Schwellen überschreiten, wenn diese Texte existieren.
Abbildung 2: Kontrolle der Spannungsabfälle in elec calc™
Die Transformatoren – Berücksichtigung der Stufenschalter in elec calc™
Ein Stufenschalter ist ein Gerät, das in Leistungstransformatoren integriert werden kann, um zu ermöglichen, die tatsächliche Übersetzung nach der stromaufwärts tatsächlichen Spannungsstufe oder der stromabwärts Ladung anzupassen.
elec calc™ kann die 3 folgenden Fälle simulieren:
Diese Einstellung hat einen Einfluss nur auf die Berechnung des stromabwärts Spannungsabfalls.
- Fall 1 – ohne Stufenschalter: Indem der Spannungsabfall des stromaufwärts Stromnetzes, der innere Spannungsabfall des Transformators und der Spannungsabfall des stromabwärts Stromnetzes zusammengerechnet werden, kann die genaue Restspannung jedes elektrischen Verbrauchers ermittelt werden.
- Fall 2 – Stufenschalter außer Spannung: Damit besteht die Möglichkeit, die Abweichung zwischen der tatsächlichen Spannung des stromaufwärts Stromnetzes und der primären Bemessungsspannung des Transformators zu ignorieren. Generell erfolgt diese Einstellung bei der Inbetriebnahme des Transformators, um die der Sekundärseite des Transformators beigemessene Leerlaufspannung zu ermitteln. Somit berücksichtigt elec calc™ nur den inneren Spannungsabfall des Transformators und den Spannungsabfall des stromabwärts Stromnetzes, da die ursprüngliche Spannung die der Sekundärseite des Transformators beigemessene Leerlaufspannung ist.
- Fall 3 – Stufenschalter unter Last: Das Angeben eines Stufenschalters unter Last bricht den inneren Spannungsabfall des Transformators ab, ungeachtet der stromabwärts Ladung. Somit berücksichtigt elec calc™ nur den Spannungsabfall des stromabwärts Stromnetzes, da die ursprüngliche Spannung die Nennspannung des Stromnetzes ist. Diese Option muss ausgewählt werden, wenn lediglich die normative Überprüfung der Spannungsabfälle in Betracht gezogen wird.
Geschrieben von Jérôme Mullie, elec calc™-Produktmanager.
