Kurzschlusstest in einer KEMA-Testumgebung für elektrische Anlagen.

Kurzschlusstest in einer KEMA-Testumgebung für elektrische Anlagen. (alle Bilder: Panduit)

Auf die Schnelle

Immun gegen Kurzschlussschäden in 20 Sek.

● Erhebliche Schäden können durch Kurzschlüsse entstehen, bevor die Schutzschalter auf den Kurzschluss auslösen können.

● Lösung: Die Rückhaltung von Kabeln ist entscheidend für den Schutz von Personal und Infrastruktur sowie für die Reduzierung von Ausfallzeiten.

● Risikominimierung im Kurzschlussfall durch Aufnahme statisch mechanischer und dynamischer Kräfte.

● In Simulationen werden Konstruktionsänderungen überprüft und Spitzenstrom-Zertifizierungsniveau ermittelt.

Der elektrische Kurzschluss führt in nur wenigen Millisekunden zum 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 eines dreiphasigen Kurzschlusses können die magnetfeldinduzierten Stoßkräfte zwischen den Kabeln bis zu 45.000 Newton betragen und sich innerhalb von 1/100 Sekunde entwickeln. Erhebliche Schäden können entstehen, bevor die Schutzschalter den Kurzschluss auslösen können. Daraus resultierend ist die Rückhaltung von Kabeln entscheidend für den Schutz von Personal und Infrastruktur sowie für die Reduzierung von Ausfallzeiten.

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 leider in neuen oder bestehenden Anlagen nach dem scheinbar schnellen, aber schlechten Weg gesucht, Kabel zu befestigen. Die Szenarien im Worst-Case will man sich nicht ausmalen. Dabei ist es relativ einfach, die fachgerechte und sichere Installationslösung anzuwenden.

Die Simulation verdeutlicht die Kräfteentwicklung bei einem Kurzschluss.
Die Simulation verdeutlicht die Kräfteentwicklung bei einem Kurzschluss.

Simulationsprogramm unterstützt die Entwicklung

Stromführende Kabel lassen sich in Anlagen, Produktion, Gebäuden oder Rechenzentren auf unterschiedliche Arten verlegen und sichern. Als strukturmechanische Lösung schützen neuartige Kabelschellen bei Kurzschlüssen und erhöhen so die Anlagensicherheit. 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 genau den Prüfaufbau, der den Widerstand gegenüber elektromechanischen Kräften simuliert und wie man darauf basierend die Kräfte an Leitungen und Kabelhalter berechnen kann. Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Panduit nutzt ein Simulationsprogramm, um zu erkennen, wie sich die elektromagnetischen Kräfte bei einem Kurzschluss entwickeln und welche Materialzusammensetzung der Kabelschellen geeignet ist.

Die virtuelle Betrachtung bereitet auf die Prüfung gemäß IEC 61914:2015 vor. Erst nach der Simulation am Computer werden die Komponenten in einem zertifizierten Labor realen Kurzschlusstests unterzogen, um zu bestätigen, dass sie diesem Standard entsprechen. Mit Simulationssoftware wurden dann der dynamische 3-Phasen-Wechselstrom-Kurzschlusstest modelliert. Der virtuelle Versuch 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. Anpassung der Steifigkeit, Streckgrenze und Masse von soliden Kupferleitern für den Einsatz unter den möglichen Temperaturbedingungen der Leitungen gehören zu den Ergebnissen der Simulationsentwicklung. Aber auch die Entwicklung von Materialmodellen mit hoher Dehnungsrate für jede Komponente, das Einbeziehen der elektromagnetischen Simulation, die Entwicklung eines mathematischen Modells mit 30 Variablen, mit dem der Algorithmus für die verschiedenen Koeffizienten ermittelt wird und die Entwicklung von Kriterien für den Verschleiß von Elementen, um die Simulation von physischem Versagen zu ermöglichen. Natürlich muss man auch das erfolgreiche Verifizierung in frühen Tests nennen.

Kabelschellen, hergestellt nach der IEC 61914:2015 (deutsche Fassung DIN EN 61914:2016), bieten Schutz und Sicherheit für Mensch und Anlage.
Kabelschellen, hergestellt nach der IEC 61914:2015 (deutsche Fassung DIN EN 61914:2016), bieten Schutz und Sicherheit für Mensch und Anlage.

Nahe an der Simulation

Die neuen Produktlinien an Kabelschellen werden in Testzentren vom Prüfinstitut KEMA Labs zertifiziert. Dabei liegen die Spitzenwerte des Kurzschlussstroms nahe an denen der Simulation. Zudem wurden Bereiche wie der Temperaturbereich von -60 ̊C bis +120 ̊C, die Beständigkeit gegen Flammenausbreitung analog der UL 94, die Prüfung der seitlichen Belastung und der axialen Belastung bei Höchsttemperatur, Schlagfestigkeit bei Mindesttemperatur, Korrosions- und UV-Beständigkeit und die Beständigkeit gegen elektromechanische Kräfte in den realen Test einbezogen.

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

Die Simulation und die realen Tests verstärken, 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 wieder einschalten und weiternutzen lässt.

Bestmöglicher Schutz und Ausfallzeiten verhindern

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 erfüllt als erstes diese hohen Vorgaben, sodass die Kabelschellen im Kurzschlussfall auch enorme mechanische Kräfte sicher standhalten. Im Detail: Die größte Belastung bei Kurzschlüssen tritt bis zu 0,005 Sekunden 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 neuen Kabelschellen variieren in Größe, Design und Materialien und eignen sich für unterschiedlichste Applikationen in prozesstechnischen Anlagen, in der Informationstechnologie und der industriellen Fertigung. Für die unterschiedlichen Anwendungen stehen an Werkstoffen zur Auswahl: Aluminium, Kunststoff sowie der korrosionsbeständige, dual zertifizierte Edelstahl 316/316L. Dabei verfügen 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.

Autor

Martin Kandziora,

Senior Manager Marketing EMEA bei Panduit

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