Wie berechnet man die Fehlerstromfestigkeit einer Sammelschiene?

Beim Umgang mit elektrischen Systemen ist die Fehlerstromfestigkeit einer Sammelschiene einer der kritischen Aspekte, der oft größte Aufmerksamkeit erfordert. Als Lieferant von Sammelschienen verstehe ich die Bedeutung dieses Parameters für die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit elektrischer Anlagen. In diesem Blogbeitrag werde ich mich mit dem Prozess der Berechnung der Fehlerstromfestigkeit einer Sammelschiene befassen und Ihnen einen umfassenden Leitfaden zu diesem wichtigen Thema geben.

Fehlerstrom verstehen

Bevor wir mit den Berechnungen beginnen, ist es wichtig zu verstehen, was ein Fehlerstrom ist. Fehlerstrom ist der abnormale Strom, der durch ein elektrisches System fließt, wenn ein Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss, auftritt. Dieser Strom kann erheblich höher sein als der normale Betriebsstrom und kann bei unsachgemäßer Handhabung schwere Schäden an elektrischen Geräten verursachen.

Es gibt zwei Haupttypen von Fehlern: symmetrische und asymmetrische. Symmetrische Fehler betreffen alle drei Phasen eines Dreiphasensystems und führen zu ausgeglichenen Fehlerströmen. Asymmetrische Fehler hingegen können eine oder zwei Phasen betreffen und zu unsymmetrischen Strömen führen.

Faktoren, die die Fehlerstromfestigkeit beeinflussen

Mehrere Faktoren beeinflussen die Fehlerstromfestigkeit einer Sammelschiene. Dazu gehören:

1. Materialeigenschaften: Das Material der Stromschiene spielt eine entscheidende Rolle. Kupfer und Aluminium sind die am häufigsten verwendeten Materialien. Kupfer hat im Vergleich zu Aluminium eine höhere elektrische Leitfähigkeit und bessere Wärmeableitungseigenschaften, wodurch es höheren Fehlerströmen standhalten kann.
2. Querschnittsbereich: Eine größere Querschnittsfläche der Sammelschiene ermöglicht eine bessere Stromtragfähigkeit. Im Fehlerfall kann eine Sammelschiene mit größerem Querschnitt mehr Strom verarbeiten, ohne dass es zu einer Überhitzung kommt.
3. Länge der Sammelschiene: Die Länge der Sammelschiene beeinflusst deren Impedanz. Längere Sammelschienen haben eine höhere Impedanz, was den Fehlerstrom begrenzen kann. Allerdings kann es bei längeren Sammelschienen im Normalbetrieb auch zu stärkeren Spannungsabfällen kommen.
4. Umgebungstemperatur: Höhere Umgebungstemperaturen können die Stromtragfähigkeit der Sammelschiene verringern. Während eines Fehlers kann die durch den Hochstromfluss erzeugte Wärme dazu führen, dass die Sammelschienentemperatur weiter ansteigt. Wenn die Umgebungstemperatur bereits hoch ist, erreicht die Sammelschiene möglicherweise schneller ihre maximale Nenntemperatur.

Berechnung der Fehlerstromfestigkeit

Die Berechnung der Fehlerstromfestigkeit einer Sammelschiene umfasst mehrere Schritte.

1. Bestimmen Sie den Fehlerstrompegel

   

   • Zunächst müssen Sie den voraussichtlichen Fehlerstrom berechnen. Dies kann mithilfe von Analysetools für elektrische Netzwerke oder mithilfe vereinfachter Formeln erfolgen. Für ein einfaches radiales elektrisches System kann der voraussichtliche Fehlerstrom (I_f) mithilfe der Formel (I_f=\frac{V}{\sqrt{3}Z}) geschätzt werden, wobei (V) die Leiter-zu-Leiter-Spannung und (Z) die Gesamtimpedanz des Systems bis zum Fehlerpunkt ist.
   • Die Impedanz (Z) umfasst die Impedanz der Stromquelle, der Transformatoren, der Kabel und der Sammelschiene selbst. Die Impedanz der Stromquelle lässt sich in der Regel aus den Angaben des Herstellers ermitteln, während die Impedanz von Transformatoren und Kabeln anhand deren Spezifikationen berechnet werden kann.

2. Wählen Sie das entsprechende Material und die entsprechende Querschnittsfläche aus

   • Basierend auf dem berechneten Fehlerstrom müssen Sie ein Sammelschienenmaterial und eine Querschnittsfläche auswählen, die dem Fehlerstrom standhalten können. Wenn Sie beispielsweise eine Kupferschiene verwenden, können Sie auf Standardtabellen zurückgreifen, die die Strombelastbarkeit von Kupferschienen bei verschiedenen Temperaturen angeben.
   • Die Formel zur Berechnung der Mindestquerschnittsfläche (A) der Sammelschiene, um einem Fehlerstrom (I_f) für eine Zeit (t) standzuhalten, basiert auf der während des Fehlers verlorenen Energie. Die in der Sammelschiene abgegebene Energie (Q) ergibt sich aus (Q = I_f^2Rt), wobei (R) der Widerstand der Sammelschiene ist. Der Widerstand (R) kann mit der Formel (R=\rho\frac{l}{A}) berechnet werden, wobei (\rho) der spezifische Widerstand des Sammelschienenmaterials, (l) die Länge der Sammelschiene und (A) die Querschnittsfläche ist.
   • Wenn wir die Gleichungen umstellen und den zulässigen Temperaturanstieg des Sammelschienenmaterials verwenden, können wir eine Gleichung für die minimale Querschnittsfläche erhalten. Für eine Sammelschiene aus Kupfer lautet eine häufig verwendete empirische Formel (A=\frac{I_f\sqrt{t}}{k}), wobei (k) eine Konstante ist, die von den Materialeigenschaften und dem zulässigen Temperaturanstieg abhängt. Für Kupfer liegt (k) normalerweise zwischen 100 und 140.

3. Überprüfen Sie die thermische und mechanische Belastung

   • Thermischer Stress: Im Fehlerfall führt der hohe Strom zu einem Anstieg der Sammelschienentemperatur. Sie müssen sicherstellen, dass der Temperaturanstieg die maximal zulässige Temperatur des Sammelschienenmaterials nicht überschreitet. Der Temperaturanstieg (\Updelta T) kann mit der Formel (\Updelta T=\frac{I_f^2Rt}{mc}) berechnet werden, wobei (m) die Masse der Sammelschiene und (c) die spezifische Wärmekapazität des Sammelschienenmaterials ist.
   • Mechanischer Stress: Der hohe Fehlerstrom kann auch elektromagnetische Kräfte zwischen den Sammelschienenleitern erzeugen. Diese Kräfte können zu mechanischen Verformungen oder sogar zu Schäden an der Stromschiene führen. Die elektromagnetische Kraft (F) pro Längeneinheit zwischen zwei parallelen Leitern, die die Ströme (I_1) und (I_2) führen, ist gegeben durch (F = 2\times10^{-7}\frac{I_1I_2}{d}), wobei (d) der Abstand zwischen den Leitern ist. Sie müssen sicherstellen, dass die Sammelschienenträger und die Sammelschiene selbst diesen Kräften standhalten können.

Bedeutung einer genauen Berechnung

Die genaue Berechnung der Fehlerstromfestigkeit einer Sammelschiene ist von größter Bedeutung. Eine unterdimensionierte Sammelschiene kann im Fehlerfall zu Überhitzung, Schmelzen und sogar einem Brand führen, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko für Personal und Ausrüstung darstellen kann. Andererseits kann eine überdimensionierte Sammelschiene die Kosten für die Elektroinstallation erhöhen, ohne dass sich dadurch zusätzliche Vorteile ergeben.

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Abschluss

Die Berechnung der Fehlerstromfestigkeit einer Sammelschiene ist ein komplexer, aber wesentlicher Prozess in der Elektrotechnik. Indem Sie die Faktoren verstehen, die sich auf die Fehlerstromfestigkeit auswirken, den Fehlerstrom genau berechnen und das geeignete Sammelschienenmaterial und die entsprechende Querschnittsfläche auswählen, können Sie die Sicherheit und Zuverlässigkeit Ihrer Elektroinstallationen gewährleisten.

Wenn Sie auf der Suche nach hochwertigen Sammelschienen sind oder Fragen zur Berechnung der Fehlerstromfestigkeit haben, helfen wir Ihnen gerne weiter. Kontaktieren Sie uns gerne für weitere Informationen und um Ihre spezifischen Anforderungen zu besprechen. Wir freuen uns auf die Gelegenheit, Sie zu betreuen und zum Erfolg Ihrer Elektroprojekte beizutragen.

Referenzen

• Electric Power Distribution Handbook, von Thomas A. Short
• Electrical Engineering Handbook, herausgegeben von Richard C. Dorf