Laudatio zum Stand der Technik

Kürzlich wurde in einer auflagenstarken Fachzeitschrift über ein Starkstromverkabelungsproblem berichtet: Es ging dabei um die Verlegung von Einleiterkabel in je 4-facher Ausführung pro Außen leiter. Der Experte gab dem Fragesteller die folgenden zwei Empfehlungen ab:

Gemäß VDE0100-540, bzw. IEC60364-5-54 existiert die EMV-Anforderung, dass keine AC-Ströme auf Schutzleiter, Erdleiter und Potenzialausgleichsleiter fliessen dürfen. Diese Forderung wird in der Praxis leider immer noch massiv verletzt, die induzierten Erdleiterströme betragen bei der Verlegung nach Abb. 1 ca. 50A, nach Abb. 2 ca. 40A. Es ist absolut unverständlich, dass Experten immer noch obige Empfehlungen abgeben, weil Erdschlaufenströme so oder so zu den ärgerlichsten EMV-Problemen in der Elektrotechnik gehören. Im Weiteren darf es bei der Verlegung von Starkstromkabeln im Normalfall keine Rolle spielen, wie die Kabel verlegt werden, ob in Trassen, unterhalb von Decken, im Doppelboden oder in Kabelkavernen. Starkstromverbindungen müssen so ausgelegt sein, dass die magnetischen Streufelder sowie Erdschlaufenströme keine Grenzwerte verletzen, weder gesetzliche noch technische. Folgende zwei EMV-Merkmale bestimmen die NF-Qualität von Starkstromleitungen:

1. Das magnetische Streufeld

Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein magnetisches Streufeld. Die Höhe dieses Streufeldes ist abhängig von der Stromstärke sowie der Anordnung der stromführenden Leiter. Die nachstehenden Abbildungen zeigen schematisch den Streufeldverlauf eines stromführenden Leiters.

Um das resultierende, magnetische Streufeld zu minimieren werden bei Starkstromverbindungen Hin- und Rückleiter möglichst nahe zusammengelegt. Noch viel effizienter lässt sich das Streufeld reduzieren indem man die stromführenden Leiter zusätzlich verseilt. Dabei sollte die Schlaglänge aber optimal auf den Kabeldurchmesser abgestimmt sein. Je kleiner das Streufeld umso höher der Wirkungsgrad und umso geringer werden ganz nebenbei auch die Übertragungsverluste. Folgende Installationsarten werden nun EMV-mäßig miteinander verglichen:

Damit die durchgeführten Berechnungen möglichst der Praxis entsprechen, wurden die Phasenströme unterschiedlich gewählt, damit sich auch ein Neutralleiterstrom einstellt. Die genauen Berechnungsparameter sind im Diagramm eingetragen. Zudem wurden in der Simulation auch die induzierten PE- Ströme berücksichtigt, die approximativen PE-Induktionsströme sind in Abb. 5 ersichtlich. Deutlich erkennt man, dass das magnetische Streufeld mit der CFW PowerCable-Technologie unvergleichlich steil abfällt (Abb. 6). Somit werden mit dieser Technologie auch die Übertragungsverluste am kleinsten. Dies ist die Folge des zentrisch angeordneten Schutzleiters sowie der verseilten Außleiter. Mit der CFW PowerCable-Technologie wird der CH-Anlagegrenzwert (1.0T) bereits im Abstand von ca. 35cm eingehalten und im Abstand von ca. 1m auch der empfindlichste technische Grenzwert (0.02T). Der Elektroplaner braucht sich also bei der Kabelführung keine Gedanken mehr über die Einhaltung von Mindestabständen zu machen, selbst bei Strömen über 1000A.

2. Induktion/Gegeninduktion

Magnetische Streufelder erzeugen in elektrisch leitenden Materialien Induktionsspannungen, die wenn diese parallel zu den stromführenden Leiter angeordnet sind (beispielsweise Erdleiter, Kabeltrassen, Gas- und Wasserleitungen, etc.) in sogenannte Erdschlaufenströme umgewandelt werden. Bei Nichtbeachtung dieser Problematik können so auch bei TN-S-Installationen massive Erdschlaufenströme entstehen, die nicht selten 10 bis 15 Prozent des größten Phasenstroms erreichen (Abb. 7). Die unangenehmen Folgen sind beispielsweise Korrosionsschäden, lästige Magnetfelderhöhungen, galvanische und magnetische Einkopplungen auf Elektronikplatinen, Daten- und Signalleitungen sowie zusätzliche Übertragungsverluste.

Genau genommen existieren zwei Induktionsprobleme, einerseits wenn der PE geometrisch unter-schiedliche Abstände zu den Aussenleitern aufweist (Induktion), anderseits wenn der PE parallel zu den Aussenleitern angeordnet ist (Gegeninduktion). Diese, physikalisch äußerst wichtige Erkenntnis erklärt, warum der PE auch in einem 5-Leiter Standardkabel nicht induktionsfrei ist, selbst wenn alle Leiter miteinander verseilt sind. Das nachfolgende Diagramm zeigt die Induktionsproblematik an den abgebildeten Leiteranordnungen. Die immer noch weitverbreitete Einzeladerverlegung erweist sich auch in dieser Betrachtung als ungünstigste Variante, sowohl in Bezug auf das magnetische Streufeld als auch in Bezug auf die induzierten PE-Ströme Untermauert wird diese Aussage durch folgendes Zitat von Karl-Heinz Otto (öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Elektrotechnik): „Auch ich kann nur dringend von einer Einzeladerverlegung abraten. Ich habe kürzlich einen grossen Gebäudekomplex in Düsseldorf nach Korrosionsschäden und Störungen im Netzwerk untersuchen müssen. Über 44A! wurden trotz Netzsystem TN-S auf den Erdleiter eingekoppelt.“ Wie schon erwähnt lösen auch Standardkabel das PE-Induktionsproblem nicht, weil der geometrische Abstand zu den Aussenleitern unterschiedlich ist (Fig. 3). Ab einem Leiterquerschnitt von 35mm² liegen die PE-Induktionsströme doch schon im Bereich von 5A! Alle Berechnungen wurden mit dem Simulationsprogramm EFC 400EP von der Forschungsgesellschaft für Umwelttechnik (FGEU) Berlin erstellt und bestätigen die praktischen Erfahrungswerte in jeder Beziehung.

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Fazit

Nur die zentrische Anordnung des PE (Fig. 4) verhindert induktive Einkopplungen und somit die gefürchteten Erdschlaufenströme. Werden die Außenleiter zusätzlich mit der optimalen Schlaglänge um den PE verseilt (CFW PowerCable-Technologie), reduziert sich das magnetische Streufeld exponentiell. Müssen große Ströme übertragen werden, so dürfen mehrere Kabel parallel geschaltet werden. Im Gegensatz zu Einleiterkabel teilen sich bei Parallelschaltung von CFW PowerCable die Ströme gleicher Phasen völlig gleichmäßig auf, d.h. Leiterüberhitzungen als Folge ungleicher Stromverteilung sind ausgeschlossen.