Technische InfosDie korrekte Dimensionierung elektrischer Kabel ist ein zentraler Aspekt bei der Planung elektrischer Anlagen. Sie trägt maßgeblich zur Betriebssicherheit und Energieeffizienz bei. Eine fehlerhafte Kabelauswahl Auslegung kann schwerwiegende Folgen haben – von übermäßiger Erwärmung und Energieverlusten bis hin zu vorzeitigen Schäden an der elektrischen Infrastruktur.
Für die Bestimmung des Querschnitts von aktiven Leitern sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:
- Überprüfung des Stromspannungsstroms im stationären Zustand
- Zulässiger Spannungsabfall
- Nachweis der thermischen Belastbarkeit
Der Bemessungsstrom (Design-Strom)
In den häufigsten Fällen wird die Leitung durch eine Überstromschutzeinrichtung abgesichert. Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
- Die Strombelastbarkeit der Leitung (Iz) muss größer oder gleich dem Nennstrom (In) bzw. dem Einstellstrom (Ir) des Schutzgeräts sein:
Iz ≥ In - Der konventionelle Auslösestrom (I₂) des Schutzgeräts darf maximal dem 1,45-fachen der Strombelastbarkeit entsprechen
Dies führt zum Schutz von Leistungsschaltern durch: Iz ≥ In
und für den gG/gM-Sicherungsschutz durch:
- Bei In ≤ 4 A: Iz ≥ 1,45 × In
- Bei 4 A < In < 16 A: Iz ≥ 1,31 × In
- Bei In ≥ 16 A: Iz ≥ 1,10 × In
Bestimmung der stationären Strombelastbarkeit
Zu den wesentlichen Eigenschaften eines elektrischen Leiters zählt die maximal zulässige Kerntemperatur im stationären Betrieb. Diese Temperaturgrenze dient als Grundlage zur Berechnung der zulässigen Dauerstrombelastbarkeit eines Kabels.
Beim Durchfluss von elektrischem Strom entsteht durch den Joule-Effekt Wärme im Leiterkern. Diese Wärme wird infolge des elektrischen Widerstands des Leiters erzeugt und muss über die verschiedenen isolierenden Schichten des Kabels nach außen abgeführt werden – durch Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung, abhängig von der jeweiligen Installationsumgebung.
Ein thermisches Gleichgewicht stellt sich ein, wenn die erzeugte Wärmeleistung der abgeführten Wärme entspricht. In diesem Fall bleibt die Temperatur des Leiterkerns stabil. Dieser Zustand wird als stationärer Zustand bezeichnet. Die dabei erreichte Kerntemperatur darf die maximal zulässige Temperaturgrenze des Isoliermaterials nicht überschreiten, um eine optimale Lebensdauer und einen sicheren Betrieb des Kabels zu gewährleisten.
Der maximal zulässige stationäre Strom ist der Stromwert, bei dem sich der Leiter in einer definierten Umgebung exakt auf seine zulässige Maximaltemperatur erwärmt.
Die Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Dauerstrombelastbarkeit elektrischer Leitungen sind in der Normenreihe IEC 60287 festgelegt. Da die Anwendung dieser Normen im Planungsalltag, insbesondere bei Niederspannungsanlagen, oft sehr aufwändig ist, wurden in der IEC 60364-5-52 praxisorientierte Standard-Installationsmethoden definiert. Diese erleichtern die Auswahl des passenden Kabelquerschnitts durch vereinfachte Tabellen und Richtwerte.
Zur Bestimmung der zulässigen Strombelastbarkeit müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:
- Die Art des Kabels oder Leiters
- Die Verlegeart
- Die Referenz-Installationsmethode
- Korrekturfaktoren in Bezug auf die Art der Installation
- Die Geschwindigkeit der Oberschwingungen, die im Neutralleiter zirkulieren
Arten von Kabeln und Leitern
Materialien und Isolierungen im Überblick
Der spezifische elektrische Widerstand (ρ) eines Leiters hängt vom Material und der Beschaffenheit des Leiterkerns ab. In der Praxis werden nach Norm vor allem folgende Materialien eingesetzt:
- Geglühter, blanker oder verzinnter Kupferleiter
- Aluminium oder Aluminiumlegierungen
Die Kerne können entweder massiv oder mehrdrähtig sein. Die Norm IEC 60228 legt dabei die zulässigen Konstruktions- und Widerstandswerte für verschiedene Leiterklassen fest.
Typische Werte des spezifischen Widerstands bei 20 °C (ρ₀) sind:
| Kupfer | Aluminium | |
| ρ0 bis mΩ.mm2/m | 18,51 | 29,41 |
Die Widerstände bei höheren Temperaturen lassen sich anhand temperaturabhängiger Formeln berechnen (nach IEC 60287): 
Isolationsmaterialien und zulässige Temperaturen
Die Art der Leiterisolierung bestimmt maßgeblich die maximal zulässige Kerntemperatur im stationären Zustand, also die Temperatur, bei der der Leiter im Dauerbetrieb betrieben werden darf, ohne dass die Isolierung beschädigt wird.
In der Praxis dominieren zwei Hauptgruppen von Isolierwerkstoffen:
- Thermoplaste (PVC) mit einer maximalen stationären Kerntemperatur von 70 °C.
- Duroplaste (Gummi, XLPE oder EPR) mit einer maximalen stationären Kerntemperatur von 90 °C.
Einadrige, mehradrige und isolierte Leiter
Da die zulässige Strombelastbarkeit maßgeblich vom thermischen Gleichgewicht zwischen dem Leiterkern und seiner Umgebung abhängt, spielt die Kabelkonstruktion eine entscheidende Rolle bei der Dimensionierung. Die Bauart beeinflusst, wie effizient Wärme abgeführt wird und damit, wie viel Strom ein Leiter dauerhaft führen kann.
Für eine normgerechte Berechnung muss die Art des eingesetzten Leiters oder Kabels eindeutig definiert sein:
Isolierter Leiter: Besteht aus einem einzelnen Leiterkern, einer isolierenden Hülle und eventuellen Sieben. Es kann nicht als aktiver Leiter ohne zusätzlichen mechanischen Schutz (Kanal, Rutsche, Formteil usw.) verwendet werden.
Kabel: Esh handelt sich um eine Baugruppe, die aus einem oder mehreren isolierten Leitern, einer einzelnen Beschichtung, einem beliebigen Montageschutz und einer oder mehreren Schutzbeschichtungen oder Ummantelungen besteht. Es kann ohne zusätzlichen mechanischen Schutz verwendet werden. Es kann unterschieden werden zwischen:
- Mehradrige Leitungen: Enthalten mehrere isolierte Adern in einer gemeinsamen Ummantelung
- Einadrige Kabel: Besteht aus einem einzigen isolierten Leiter. In diesem Fall muss die Verlegeform berücksichtigt werden (z. B. Dreiecksanordnung oder Flachbandanordnung), da sie die Wärmeableitung beeinflusst
Anzahl der geladenen Leiter
Die Anzahl der stromführenden Leiter hat direkten Einfluss auf die entstehende Verlustwärme und somit auf die zulässige Strombelastbarkeit: Die Anzahl der Leiter, die in einer Schaltung berücksichtigt werden sollen, ist die Anzahl der Leiter, die tatsächlich vom Strom durchquert werden.
Wenn in einer mehrphasigen Schaltung davon ausgegangen werden kann, dass die Ströme symmetrisch sind, muss der entsprechende Neutralleiter nicht berücksichtigt werden. Unter diesen Bedingungen ist die Strombelastbarkeit bei einem vieradrigen Kabel also die gleiche wie bei einem dreiadrigen Kabel mit gleichem Querschnitt.
Installationsmethoden und Referenzmethoden
In diesem Absatz wird auf IEC 60364-5-52 verwiesen. Diese bildet die Grundlage und definiert eine Vielzahl typischer Installationsmethoden. Auch wenn nationale Ausgaben (z. B. DIN VDE 0100-520, NF C 15-100 usw.) geringfügig variieren können, bleibt das grundlegende Prinzip der Ermittlung zulässiger Stromstärken identisch.
Im Anhang A der IEC 60364-5-52 (Tabelle A.52.3) sind rund 50 typische Verlegearten aufgeführt – nummeriert von 1 bis 73. Diese realitätsnahen Szenarien decken gängige Installationssituationen wie Verlegung auf Kabeltrassen, in Rohren, im Erdreich oder in Wänden ab.
Jede dieser Verlegearten ist einer sogenannten Referenz-Installationsmethode (kurz: Referenzmethode) zugeordnet, für die die Strombelastbarkeit entweder durch Messung oder nach normierten Berechnungsverfahren festgelegt wurde.
Auszug aus der Tabelle der Installationsmethoden und der Referenzinstallationsmethode (A.52.3 der IEC 60364-5-52):
Basierend auf den Referenzmethoden stellt die Norm IEC 60364-5-52 Strombelastbarkeitstabellen entsprechend dem Querschnitt der Leiter dar. Andere Parameter werden berücksichtigt, wie z. B. die Art der Isolierung, die Art der Leiter, die Anzahl der geladenen Leiter.
Als Beispiel gibt die folgende Tabelle (B.52.4 der IEC 60364-5-52) die zulässigen Amperestromstärken für PVC-isolierte Kabel, drei geladene Leiter, Kupfer oder Aluminium an – Kerntemperatur: 70 °C, Umgebungstemperatur: 30 °C in Luft, 20 °C im Boden:
Korrekturfaktoren
Die Strombelastbarkeitswerte in der obigen Tabelle gelten für eine einzelne Rohrleitung unter gegebenen Luft- oder Bodentemperaturbedingungen. Was das thermische Gleichgewicht betrifft, so liegt es auf der Hand, dass der reale Wert des zulässigen Stroms beeinflusst wird, wenn sich mehrere Rohre in unmittelbarer Nähe zueinander befinden und die Temperaturbedingungen unterschiedlich sind.
Es ist daher notwendig, Korrekturkoeffizienten auf die Werte in den Tabellen der Norm anzuwenden, um diese Faktoren zu berücksichtigen.
Lufttemperatur
Für alle Verlegemethoden außer D1 und D2 (also nicht erdverlegt) ist bei Umgebungstemperaturen ≠ 30 °C ein Korrekturfaktor aus Tabelle B.52.14 (IEC 60364-5-52) anzuwenden. Höhere Temperaturen → geringere zulässige Strombelastung.
Bodentemperatur und spezifischer Widerstand
Für erdverlegte Kabel (Referenzmethoden D1 und D2) ist der Korrekturfaktor auf die zulässigen Stromwerte für Erdtemperaturen außer 20 °C wie folgt anzuwenden (B.52.15 der IEC 60364-5-5-52):
Bei erdverlegten Kabeln hängt die Wärmeableitung auch vom Wärmewiderstand des Bodens ab. Der Korrekturfaktor für den spezifischen Wärmewiderstand des Bodens
(Normwert: 2,5 K·m/W) ist wie folgt (B.52.16 von IEC 60364-5-52):
Kabelgruppierung
Die in den Tabellen der Norm angegebene Strombelastbarkeit gilt für einfache Schaltungen.
Werden mehrere Kabel oder Leiter gemeinsam verlegt (z. B. auf Kabeltrassen, in Kanälen oder im Erdreich), beeinflusst dies die Wärmeabfuhr signifikant. Die Norm stellt hierfür Gruppierungsfaktoren zur Verfügung (z. B. Tabelle B.52.21 der IEC 60364-5-5 für einadrige Kabel auf gelochten Kabelpritschen – Referenzmethode F). Ob Kabel in Flachbandanordnung oder in Kleeblattanordnung verlegt werden, beeinflusst den Korrekturfaktor deutlich:
Wenn ein Leiter oder Kabel dauerhaft weniger als 30 % seiner normierten Strombelastbarkeit führt, kann er bei der Anwendung des Gruppierungsfaktors unberücksichtigt bleiben. Dies erleichtert die Berechnung in realen Anlagen.
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Schlussfolgerung
Die korrekte Dimensionierung elektrischer Kabel ist eine zentrale Herausforderung bei der Planung sicherer und effizienter elektrischer Anlagen. Um realistische und normgerechte Ergebnisse zu erzielen, ist die Anwendung von Korrekturfaktoren unverzichtbar.
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Dieser Artikel wurde verfasst von :
Jérôme MULLIE
Technischer Direktor - Trace Software
Über die Bereitstellung einer umfassenden Berechnungslösung hinaus möchten wir auch unser Fachwissen über Elektrotechnik mit den Akteuren der Branche teilen, um sie bei der Planung und dem Betrieb ihrer Anlagen zu unterstützen.
