gesponsertKurzschlussfest nach IEC 61914:2015 Kurzschluss-resiliente Verkabelung mit Kabelschellen

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PANDUIT

Im Kurzschlussfall wirken hohe dynamische Kräfte auf das Kabel, bevor der Schutzschalter auslöst. Diese Kräfte werden durch Kabelschellen aufgefangen. So installieren Sie eine einfache und sichere Lösung.

Der elektrische Kurzschluss führt in nur wenigen Millisekunden zu einem massiv erhöhten Stromfluss durch Nieder- und Mittelspannungskabel. Die Stromstärke kann bei solchen Ereignissen bis zu 200.000 A betragen. Der deutliche Stromfluss und das daraus resultierende gestiegene magnetische Feld um das Kabel bilden dynamische Kräfte durch die Wechselwirkung von 50 Hz.

Infolgedessen werden die Kabel in Schwingungen gebracht. Im schlimmsten Fall, einem dreiphasigen Kurzschluss, können die magnetfeldinduzierten Stoßkräfte zwischen den Kabeln bis zu 45.000 N betragen und sich innerhalb von 1/100 s entwickeln. Das hat erhebliche Schäden zu Folge, die auftreten, bevor die Schutzschalter auf den Kurzschluss auslösen. Daraus resultierend ist die Rückhaltung von Kabeln entscheidend für den Schutz von Personal und Infrastruktur sowie für eine Reduktion von Ausfallzeiten.

Die Kurzschlusskraft von Kabelschellen berechnet sich gemäß Gleichung 1.

F_t = (0,17 x I_p²) / s (Gl. 1)

Dabei sind F_t die maximale Kraft auf den Kabelleiter in [Nm], I_p der Kurzschlussspitzenstrom in [kA] und s der Abstand zwischen den Mittellinien der Leiter in [m].

Solche dynamischen Kräfte werden von den Kabelschellen und dem dazugehörigen Kabeltragsystem absorbiert. Die Kabelschellen, die auf dem Tragsystem befestigt sind, verhindern, dass sich einzelne Kabel durch die Schwingungen losreißen und Anlagenteile sowie die Elektroinstallation Schaden nehmen können. Dennoch wird in neuen oder bestehenden Anlagen nach dem scheinbar schnellen, aber schlechten Weg gesucht, Kabel zu befestigen. Die Szenarien im Worst-Case wollen sich viele Anwender nicht ausmalen. Dabei ist es relativ einfach, die fachgerechte und sichere Installationslösung anzuwenden.

Stromführende Kabel lassen sich in Anlagen, Produktion, Gebäuden oder Rechenzentren auf unterschiedliche Arten verlegen und sichern. Mechanisch schützen z.B. die neuartigen Kabelschellen von Panduit bei Kurzschlüssen und erhöhen so die Anlagensicherheit maßgeblich.

Das Thema gewinnt seit der internationalen Norm IEC 61914:2015 (deutsche Fassung DIN EN 61914:2016) für Kabelhalter für elektrische Installationen an Bedeutung. Die Norm dokumentiert sehr genau den Prüfaufbau, der den Widerstand gegenüber elektromechanischen Kräften simuliert und wie man darauf basierend die Kräfte an Leitungen und Kabelhalter berechnen kann.

Welche Kräfte wirken beim Kurzschluss auf das Kabel?

Um zu erkennen, wie sich die elektromagnetischen Kräfte bei einem Kurzschluss entwickeln und welche Werkstoffe für die Kabelschellen geeignet sind, bieten sich Simulationen an. Die virtuelle Betrachtung bereitet ideal auf die die Prüfung gemäß IEC 61914:2015 vor. Mit moderner Simulationssoftware modellieren die Forschungs- und Entwicklungstechniker bei Panduit so den dynamischen Dreiphasen-Wechselstrom-Kurzschlusstest. Erst nach der Simulation am Computer werden die Komponenten schließlich in einem zertifizierten Labor realen Kurzschlusstests unterzogen, um zu bestätigen, dass sie diesem Standard entsprechen.

Der virtuelle Test findet über einen Zeitraum von einer Zehntelsekunde statt (siehe IEC 61914:2015). Die Simulation verdeutlicht, dass Bauteile Geschwindigkeiten von mehr als 50 m/s entwickeln, Materialien sich stark verformen und insgesamt katastrophale Ausfälle und Schäden folgen können.

Mithilfe von Simulationstools (Multiphysik, Elektromagnetik, Strukturmechanik) lassen sich die Steifigkeit, Streckgrenze und Masse von soliden Kupferleitern für den Einsatz unter den möglichen Temperaturbedingungen der Leitungen anpassen. Unter Einbeziehung der elektromagnetischen Simulation lassen sich Materialmodelle mit hoher Dehnung für jede Komponente entwickeln.

Physisches Versagen simulieren

Die Ingenieure haben ein mathematisches Modell mit 30 Variablen erstellt, mit dem der Algorithmus für die verschiedenen Koeffizienten ermittelt wird. Kriterien für den Verschleiß von Elementen wurden definiert, um das physische Versagen zu simulieren. Alle Ergebnisse konnten in frühen Test erfolgreich verifiziert werden.

Die neue Produktlinie an Kabelschellen wird in Testzentren des Prüfinstituts KEMA Labs zertifiziert (Tabelle 1). Dabei liegen die Spitzenwerte des Kurzschlussstroms sehr nahe an denen der Simulation. Darüber hinaus werden folgende Bereiche in den realen Test einbezogen:

• Temperaturbereich von –60 bis 120 ̊C,

• Beständigkeit gegen Flammenausbreitung analog der UL 94,

• Prüfung der seitlichen Belastung bei Höchsttemperatur,

• Prüfung der axialen Belastung bei Höchsttemperatur,

• Schlagfestigkeit bei Mindesttemperatur,

• Korrosions- und UV-Beständigkeit,

• Beständigkeit gegen elektromechanische Kräfte.

Insgesamt bestimmte die Forschungs- und Entwicklungsabteilung mit dieser Vorgehensweise schneller und besser die Variablen, die am dreiphasigen Kurzschluss beteiligt sind. In wiederholten Simulationen wurden Konstruktionsänderungen überprüft und das Spitzenstrom-Zertifizierungsniveau ermittelt. Letztendlich ließen sich der Prototyp- und Testzyklus erheblich reduzieren.

Die Simulation und die realen Tests unterstreichen, wie fundamental die kurzschlusssichere Befestigung stromführender Niederspannungs- und Mittelspannungsleitungen ist. Die IEC definiert die Kabelschelle als eine Komponente, die Kabel sichert, wenn sie in festgelegten Abständen entlang der Kabellänge angebracht sind. Anders formuliert: Das Ziel ist, statisch ruhende und dynamische Kräfte aufzunehmen und die Stromleitungen fest an Ort und Stelle zu halten. Zudem sollen die Leitungen bei Kurzschluss unbeschädigt bleiben, damit sich die gesamte Anlage wiedereinschalten und weiternutzen lässt.

Bei der Entwicklung der Kabelschellen spielt die IEC-Norm 61914:2015 eine besondere Rolle. Der Standard mit dem Zusatz „2015“ bildet die aktuelle, umfassendste und weltweit anerkannte Anforderung zum Testen von Kabelschellen. Das 1955 gegründete amerikanische Familienunternehmen erfüllte als erstes diese hohen Vorgaben so, dass die Kabelschellen im Kurzschlussfall auch enormen mechanischen Kräften sicher standhalten.

Die größte Belastung beim Kurzschluss absorbieren

Im Detail: Die größte Belastung bei Kurzschlüssen tritt bis zu 0,005 s vor dem Auslösen von Leistungsschaltern und anderen Schutzvorrichtungen auf. Die neuen Kabelschellen fixieren Kabelbündel und sorgen dafür, dass Kabel bei einem Kurzschluss weiterhin sicher befestigt und an Ort und Stelle bleiben. Dadurch wird das Arbeitsumfeld inklusive der Ausrüstung und der Mitarbeiter bestmöglich geschützt sowie Ausfallzeiten verhindert.

Die Kabelschellen (Bild 4) variieren in Größe, Design und Materialien und eignen sich für unterschiedliche Applikationen in prozesstechnischen Anlagen, in der Informationstechnik und der industriellen Fertigung. Für die unterschiedlichen Anwendungen stehen Aluminium, Kunststoff sowie der sehr korrosionsbeständige, zur V4A-Gruppe gehörende austenitische Edelstahl AISI 316/316L (Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl) zur Auswahl. L steht für geringen Kohlenstoffgehalt.

Dabei besitzen die Edelstahl-Kabelschellen gefalzte und abgerundete Kanten, damit sie die Kabel nicht beschädigen. Die Schnalle verfügt über eine eigene Kabelaufnahme und kann Kabel in Vierer- und Kleeblattformation sowie mehradrige Kabel aufnehmen. Wenn die Kabel verlegt sind, kann der Installateur die Kabelschelle über eine in der Branche einzigartige Montagehalterung befestigen.

Die Halterung lässt sich mit einer Ratsche oder einem Werkzeug zum Festziehen einer Spannschraube spannen und ablängen. Die Bänder werden häufig zusammen mit einer zwischen Band und Kabel eingesetzten Dämpfungsmanschette verwendet, die zusätzlichen Schutz bietet. Zudem ist für die Edelstahl-Kabelbinder eine Kunststoffschnalle erhältlich neben verschiedenen Befestigungshaltern.

Als Beispiel erhält man die Edelstahl-Kabelschellen für Kabeldurchmesser von 12 bis 86 mm in Breiten von 12,7 bis 19,1 mm für Kurzschlussströme von 45 bis 188 kA. Selbstverständlich sind professionelle Werkzeuge für die fachgerechte und schnelle Installation ebenso erhältlich. (kr)

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