Erwärmungsnachweis nach IEC 61439, Weg für Weg

Der Erwärmungsnachweis ist die Stelle, an der die Fertigungsqualität an der Stromschiene zu einem Prüfbefund wird. Alles Übrige im Bauartnachweis einer Kombination lässt sich auf dem Papier von jemandem klären, der das Kupfer nie angefasst hat. Dieser Punkt nicht, denn die Zahl, die nachgewiesen wird, entsteht an Verbindungen, die ein Monteur an der Sammelschiene mit einem Drehmomentschlüssel hergestellt hat.

Die meisten veröffentlichten Anleitungen hören beim Benennen der drei Wege auf. Was über den Erfolg eines Projekts entscheidet, sind die Randbedingungen des jeweiligen Weges, was der Belastungsfaktor tatsächlich multipliziert und welche Fertigungsgrößen das Ergebnis verschieben. Die Abschnittsangaben unten beziehen sich auf IEC 61439-1

Die drei Nachweiswege

Abschnitt 10.10.1 führt sie klar auf. Der Nachweis ist nach einem oder mehreren der folgenden Verfahren zu führen:

a) Prüfung, Abschnitt 10.10.2. Eine reale Kombination, belastet, in einem akkreditierten Laboratorium.

b) Ableitung der Bemessungswerte für ähnliche Varianten aus einer geprüften Konstruktion, Abschnitt 10.10.3. Der Vergleichsweg: Sie haben bereits eine geprüfte Anordnung und weisen deren Varianten nach festgelegten Regeln Bemessungswerte zu.

c) Berechnung, nach zwei getrennten Verfahren mit zwei verschiedenen Stromobergrenzen. Abschnitt 10.10.4.2 erfasst eine Kombination mit einem Raum bis 630 A; Abschnitt 10.10.4.3 erfasst eine Kombination bis 1600 A nach dem Verfahren von IEC TR 60890.

Über allen dreien stehen zwei Einschränkungen. Die Rechenverfahren sind auf Bemessungsfrequenzen bis einschließlich 60 Hz begrenzt, und für Kombinationen mit einer Bemessungsfrequenz über 60 Hz verlangt Abschnitt 10.10.1 den Nachweis durch Prüfung oder durch Ableitung aus einer bei derselben Frequenz geprüften Konstruktion. Das Kombinieren der Wege ist zulässig und üblich: Bei einer mehrfeldrigen Anlage können verschiedene Felder auf verschiedenen Wegen nachgewiesen werden.

Weg c) im Einzelnen, denn dort steht das Kleingedruckte

Der Rechenweg ist der, nach dem die meisten Hersteller zuerst greifen, weil er kein Laboratorium erfordert. Er trägt zugleich die Bedingungen, an denen ein Projekt am häufigsten scheitert, nachdem die Konstruktion eingefroren ist.

Das Verfahren bis 630 A (10.10.4.2)

Eine Verlustleistungsbilanz. Die gesamte Verlustleistung aus Bauteilen und Leitern im Gehäuse wird der Fähigkeit des Gehäuses gegenübergestellt, sie abzuführen, ohne dass die Innenluft die höchste Betriebstemperatur irgendeines Geräts überschreitet. Schnell, auf der sicheren Seite und eng begrenzt.

Bedingungen, die sämtlich erfüllt sein müssen:

• Für alle eingebauten Bauteile liegen Verlustleistungsdaten des Bauteilherstellers vor.
• Die Verlustleistungen sind im Gehäuse annähernd gleichmäßig verteilt.
• Der Bemessungsstrom jedes Stromkreises überschreitet nicht 80 % des konventionellen thermischen Bemessungsstroms in freier Luft (Ith) oder des Bemessungsstroms (In) der Schaltgeräte und Bauteile in diesem Stromkreis.
• Mechanische Teile und eingebaute Betriebsmittel behindern die Luftzirkulation nicht wesentlich.
• Leiter, die mehr als 200 A führen, und benachbarte Konstruktionsteile sind so angeordnet, dass Wirbelstrom- und Hystereseverluste gering bleiben.
• Alle Leiter haben einen Mindestquerschnitt auf der Grundlage von 125 % der zulässigen Strombelastbarkeit des zugehörigen Stromkreises.
• Die Erwärmung des Gehäuses in Abhängigkeit von der eingebauten Verlustleistung ist bekannt, sei es vom Gehäusehersteller, aus einer Prüfung nach 10.10.4.2.2 oder vom Hersteller der Kühleinrichtung, wenn eine aktive Kühlung eingebaut ist.

Das Verfahren bis 1600 A (10.10.4.3)

Dieselbe Abminderung auf 80 % und dieselbe 125-%-Regel für Leiter, wobei die Erwärmung selbst nach dem Verfahren von IEC TR 60890 bestimmt wird und nicht über eine einfache Verlustleistungsbilanz. Es kommen zwei geometrische Bedingungen hinzu, die Konstruktionen mit mehreren Räumen treffen:

• In der Kombination oder in dem betrachteten Feld befinden sich nicht mehr als drei waagerechte Trennwände.
• Bei Gehäusen mit Räumen und natürlicher Belüftung beträgt der Querschnitt der Lüftungsöffnungen in jeder waagerechten Trennwand mindestens 50 % des waagerechten Querschnitts des Raums.

Oberhalb von 1600 A schließen beide Rechenwege. Es bleiben die Prüfung oder die Ableitung aus einer geprüften Konstruktion, und das ist eine Entscheidung, die vor dem Bau zu treffen ist und nicht danach.

Die Norm sagt offen, warum es die Sicherheitsabstände gibt: Abschnitt 10.10.4.1 hält fest, dass die tatsächlichen örtlichen Temperaturen stromführender Teile mit diesen Verfahren nicht berechnet werden können und deshalb bestimmte Grenzen und Sicherheitsabstände nötig sind und enthalten sind. Die Abminderung auf 80 % und die Leiterauslegung auf 125 % sind diese Sicherheitsabstände. Sie sind keine Vorsicht, die sich mit einer besseren Analyse wegdiskutieren lässt.

Die Abminderung auf 80 % in der Praxis

Die Abminderung ist keine Anmerkung in der Akte. Sie ändert die Stückliste.

Ein Stromkreis mit 200 A kann kein Gerät mit 200 A verwenden. Er braucht eines, dessen Bemessungsstrom in freier Luft mindestens 250 A beträgt, eingestellt oder festgelegt auf 200 A, oder eine größere Baugröße mit niedrigerer Einstellung. Die in der Rechnung verwendete Verlustleistung ist die Verlustleistung bei 200 A, das Gerät selbst muss aber eine Baugröße von 250 A oder darüber haben. Die Leiterregel verstärkt das: Ein Hauptschienenkreis mit 200 A wird auf 1,25 × 200 = 250 A ausgelegt, und das gilt für jeden inneren Leiter der Kombination.

Dann die Iteration. Die Leiterquerschnitte werden zunächst für eine angenommene Innenlufttemperatur gewählt. Sobald die Rechnung tatsächliche Lufttemperaturen liefert, müssen Bauteile und Leiter möglicherweise geändert und die Rechnung wiederholt werden. Zwei oder drei Durchläufe sind üblich, und jeder davon kann den Schienenquerschnitt verschieben, was das Lochbild verschiebt, was die Werkzeuge verschiebt. Klären Sie den Nachweisweg, bevor das Kupfer im Detail konstruiert wird, nicht danach.

Der Belastungsfaktor, und was er tatsächlich bewirkt

Kaum ein Begriff der Norm wird so häufig missverstanden wie der RDF, und das Missverständnis besteht meist in der Annahme, er sei ein Abschlag, der innerhalb der Rechnung angewendet wird. Das ist er nicht.

Abschnitt 5.4 definiert ihn: der auf den Bemessungsstrom bezogene Wert, den der Hersteller der Kombination zuweist und mit dem Abgangsstromkreise dauernd und gleichzeitig belastet werden können, unter Berücksichtigung der gegenseitigen thermischen Beeinflussung. Er kann für Gruppen von Stromkreisen oder für die gesamte Kombination angegeben werden. Zwei Festlegungen der Definition leisten die Arbeit. Der RDF multipliziert mit dem Bemessungsstrom der Stromkreise muss gleich oder größer sein als die angenommene Belastung der Abgangsstromkreise, und der RDF gilt bei einer Kombination, die mit ihrem Bemessungsstrom InA betrieben wird.

Der RDF ist also ein erklärter Bemessungswert und keine Eingangsgröße der Rechnung. Abschnitt 10.10.1 formuliert es genau: Die Strombelastbarkeit der nachzuweisenden Stromkreise wird durch den Bemessungsstrom und den RDF bestimmt. Er legt fest, was Sie nachweisen.

Wo der RDF in den Prüfweg eingeht

In den Prüfverfahren ist der RDF ausdrücklich und physisch vorhanden.

• Abschnitt 10.10.2.3.5, Nachweis der vollständigen Kombination: Eingangs- und Abgangsstromkreise werden mit ihren Bemessungsströmen belastet, was nach Angabe der Norm einem Belastungsfaktor von 1 entspricht. Schnell, auf der sicheren Seite, und über die Gleichzeitigkeit beweist es nichts, weil keine angenommen wurde.
• Abschnitte 10.10.2.3.6 und 10.10.2.3.7 d): Die Kombination wird nachgewiesen, indem der Eingangsstromkreis mit seinem Bemessungsstrom und die abgehenden Funktionseinheiten mit ihrem Bemessungsstrom multipliziert mit dem Belastungsfaktor belastet werden. Hier wird ein erklärter RDF unter 1 tatsächlich verdient.

Anhang O legt die Abwägung dar: Verfahren a) verlangt die wenigsten Prüfungen, die Prüfanordnung ist aber strenger als nötig, und das Ergebnis gilt nur für diese Anordnung.

Wo der RDF nicht eingeht: der Rechenweg

Beide Rechenabschnitte sagen dasselbe: Die wirksamen Verlustleistungen aller Stromkreise einschließlich der Verbindungsleiter sind auf der Grundlage des Bemessungsstroms der Stromkreise zu berechnen. Es gibt keinen RDF-Faktor. Die Gleichzeitigkeit kommt durch eine andere Tür herein. Die gesamte Verlustleistung wird unter Berücksichtigung dessen berechnet, dass der gesamte Laststrom auf den Bemessungsstrom der Kombination begrenzt ist.

Die durchgerechnete Anmerkung der Norm macht es greifbar. Eine Kombination mit einem Raum und 100 A Bemessungsstrom, begrenzt durch die Verteilungsschienen, ist mit 20 Abgangsstromkreisen zu je angenommenen 8 A bestückt. Die gesamte wirksame Verlustleistung wird für 12 Abgangsstromkreise mit je 8 A berechnet, weil 12 × 8 = 96 A das ist, was der Eingangsbemessungswert von 100 A tatsächlich verteilen wird. Zwölf Stromkreise unter Vollast, nicht zwanzig Stromkreise mit einem Belastungsfaktor.

Das ist die Unterscheidung, auf die es in der Praxis ankommt. Eine von BEAMA veröffentlichte Anleitung zum Nachweis ohne Prüfung sagt es sehr deutlich: Der Belastungsfaktor wird beim Erwärmungsnachweis durch Berechnung nicht berücksichtigt, und zur Verteilung des Bemessungsstroms der Kombination wird die ungünstigste Verlustleistungskombination von Stromkreisen herangezogen, die mit ihrem Bemessungsstrom betrieben werden. Wer in einer Tabellenkalkulation nach TR 60890 einen RDF-Abschlag angewendet hat, hat eine niedrigere Erwärmung berechnet, als die Norm ihm zu erklären erlaubt.

Die tabellierten Werte

Wo Hersteller und Betreiber keine tatsächlichen Lastströme vereinbart haben, geben die Produktteile Rückfallwerte der angenommenen Belastung an, gestaffelt nach der Anzahl der Haupt- oder Abgangsstromkreise. In den Teilen 1 und 2 beginnt der Wert bei 1,0 für einen Eingangsstromkreis und sinkt mit steigender Zahl der Abgänge stufenweise bis auf 0,6 bei zehn oder mehr Stromkreisen. In Teil 3, für Installationsverteiler zur Bedienung durch Laien, liegt die Staffel durchgehend eine Stufe niedriger und endet bei 0,5.

Im Netz kursiert verbreitet ein Wert von 0,4 als untere Grenze dieses Bereichs. In den tabellierten Werten der angenommenen Belastung der Teile 1, 2 oder 3 kommt er nicht vor. Ein Hersteller darf selbstverständlich einen RDF unterhalb des tabellierten Rückfallwerts erklären, denn der RDF wird vom Hersteller zugewiesen, und die Tabelle gilt nur, wenn keine Vereinbarung besteht. Wenn eine Spezifikation 0,4 aber als Wert aus der Norm angibt, fragen Sie nach der Fundstelle.

Anhang E von Teil 1 rechnet Beispiele mit RDF-Werten wie 0,68 durch. Die Zahl ist kein runder Tabellenwert; sie ergibt sich aus der Belastungsrechnung.

Die Grenzwerte, gegen die Sie nachweisen

Tabelle 6 der IEC 61439-1 sagt mehr aus als die beiden Zahlen, die üblicherweise daraus zitiert werden.

Anschlussstellen für äußere isolierte Leiter sind auf 70 K begrenzt. Die Fußnote schränkt das zweifach ein. Die 70 K sind ein Wert auf der Grundlage der konventionellen Prüfung nach Abschnitt 10.10, und eine unter tatsächlichen Errichtungsbedingungen eingesetzte Kombination kann Anschlüsse haben, deren Art und Anordnung von der Prüfung abweichen, woraus sich eine andere Erwärmung der Anschlussstelle ergibt, die gefordert oder anerkannt werden kann. Und wo die Anschlussstellen eines eingebauten Bauteils zugleich die Anschlussstellen für äußere isolierte Leiter sind, gilt der niedrigere der beiden anwendbaren Grenzwerte: der Grenzwert des Bauteilherstellers und 70 K, davon der kleinere.

Für Sammelschienen und Leiter nennt die Tabelle keinen einzelnen Zahlenwert. Die Zeile hält fest, dass der Grenzwert bestimmt wird durch die mechanische Festigkeit des Leiterwerkstoffs, mögliche Auswirkungen auf benachbarte Betriebsmittel, die zulässige Temperaturgrenze der mit dem Leiter in Berührung stehenden Isolierstoffe, die Wirkung der Leitertemperatur auf das daran angeschlossene Gerät und, bei Steckkontakten, die Art und Oberflächenbehandlung des Kontaktwerkstoffs.

105 K steht in Anmerkung g als Obergrenze über diesen Kriterien: Unter der Voraussetzung, dass alle aufgeführten Kriterien erfüllt sind, darf eine Erwärmung von 105 K für blanke Sammelschienen und Leiter aus Kupfer nicht überschritten werden. Anmerkung 1 nennt den Grund: 105 K bezieht sich auf die Temperatur, oberhalb derer mit einer Entfestigung des Kupfers zu rechnen ist. Es ist eine metallurgische Grenze. Wird sie erreicht, entfestigt die Schiene, und das ist ein mechanischer und kein elektrischer Versagensfall.

Unter alledem liegen die Annahmen zur Umgebung. Die Grenzwerte der Tabelle 6 gelten für eine mittlere Umgebungslufttemperatur bis 35 °C im Betrieb. Anhang O ergänzt den Spitzenwert: Tagesmittel und Spitzenwert der Umgebungstemperatur dürfen 35 °C beziehungsweise 40 °C nicht überschreiten. Während der Prüfung selbst muss die Umgebungstemperatur zwischen 10 °C und 40 °C liegen, gemessen mit mindestens zwei Fühlern rings um die Kombination auf etwa halber Höhe und in etwa 1 m Abstand, gegen Luftströmungen und Strahlung abgeschirmt.

Zwei praktische Folgerungen. Erstens ist die Obergrenze von 105 K selten die bindende Beschränkung. Meist greift zuerst der Isolierstoff, der die Schiene berührt, oder das Gerät, auf dem die Schiene landet. Zweitens braucht eine Kombination, die für eine Umgebung mit mehr als 35 °C Mittelwert bestimmt ist, angepasste Grenzwerte, und Abschnitt 9.2 merkt an, dass mit geänderten Grenzwerten für eine andere Umgebung auch die Bemessungsströme von Sammelschienen und Funktionseinheiten geändert werden müssen.

Was die einzelnen Wege kosten und wie lange sie dauern

Veröffentlichte Preislisten für akkreditierte Erwärmungsprüfungen gibt es nicht, weil die Kosten von der Zahl der Prüfanordnungen und davon bestimmt werden, was Sie bauen müssen. Für die Entscheidung brauchen Sie ohnehin die Kostenstruktur.

• Prüfung: Sie bauen eine oder mehrere repräsentative Kombinationen in der ungünstigsten Anordnung, versenden sie und bezahlen Laborzeit. Die Prüfung läuft, bis die Erwärmung einen Beharrungswert erreicht, den Abschnitt 10.10.2.3.1 praktisch dadurch definiert, dass die Änderung an allen Messstellen einschließlich der Umgebung 1 K/h nicht überschreitet. Das ist üblicherweise der größte Teil eines Arbeitstages je Anordnung, vor Instrumentierung und Aufbau. Der Strom wird über Prüfleiter zugeführt, die die Norm im Einzelnen festlegt. Oberhalb von 800 A bedeutet das Kupferschienen der angegebenen Abmessungen mit Mindestanschlusslängen von 3 m, die nur unter einer angegebenen Temperaturbedingung auf 2 m verkürzt werden dürfen. Oberhalb von 4000 A legt der ursprüngliche Hersteller die Anordnung fest, und sie wird Bestandteil des Berichts. Die Kosten werden vom Bau des Musters und von der Zahl der Anordnungen bestimmt. Die Wartezeit wird von der Auslastung des Laboratoriums bestimmt, bei Arbeiten mit hohen Strömen eher Monate als Wochen. Buchen Sie den Termin nicht, bevor Ihre Verbindungen so hergestellt werden, wie sie in der Serie hergestellt werden.

• Ableitung aus einer geprüften Konstruktion: günstiger und schneller als die übrigen Wege, wenn Sie die geprüfte Konstruktion bereits besitzen; deshalb verkaufen Anbieter von Anlagensystemen sie als Teil des Pakets. Bleiben Sie innerhalb ihrer Regeln, ist die Arbeit weitgehend getan. Treten Sie heraus, sind Sie wieder bei der Prüfung.

• Berechnung: kein Laboratorium, die Kosten sind also Ingenieurzeit plus Bauteildaten. Die unsichtbaren Kosten stecken in der Datenbeschaffung: Bedingung a) verlangt Verlustleistungsdaten für alle eingebauten Bauteile, und diese bei einer gemischten Stückliste von jedem Gerätelieferanten einzuholen dauert länger als die Rechnung selbst. Planen Sie für eine erste Kombination eher Tage als Stunden ein, danach weniger, wenn sich die Bauteildaten ansammeln. Das eigentliche Risiko ist, am Ende der Iteration festzustellen, dass Sie eine größere Baugröße oder einen größeren Schienenquerschnitt gebraucht hätten; führen Sie deshalb früh einen groben Durchlauf durch.

Warum die Fertigungsqualität über das Ergebnis entscheidet

Jeder Weg misst am Ende dieselbe physikalische Größe, und Abschnitt 10.10.2.3.3 benennt sie unmittelbar: Verbindungen in Leitern und Anschlussstellen innerhalb der Hauptstromkreise ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Verbindungen sind benannte Messstellen.

Der Übergangswiderstand einer Verbindung hat zwei Anteile. Der Ausbreitungswiderstand, der daher rührt, dass der Strom durch die Überlappung umgeleitet wird, hängt vom Verhältnis von Überlappung zu Dicke und vom Lochbild ab: Schraubenlöcher über die Breite der Schiene wirken sich stärker aus als Löcher hintereinander in Längsrichtung. Der Kontaktwiderstand hängt vom Oberflächenzustand und von der Pressung ab.

Die Kontaktfläche ist nicht die Überlappungsfläche. Nur etwa 1 % der scheinbaren Überlappung leitet, über einzelne Rauheitsspitzen. Der Kontaktwiderstand fällt mit der Pressung bis etwa 10 N/mm² steil ab und flacht bei rund 30 N/mm² ab; unterhalb von etwa 7 N/mm² ist ein Betrieb nicht ratsam. Da sich die Pressung im Feld nicht messen lässt, wird sie über den Reibungsbeiwert aus dem Drehmoment erschlossen; dieser liegt trocken bei etwa 0,20–0,22 und mit einem Grenzschichtschmierstoff bei 0,15–0,16. Dieselbe Schlüsseleinstellung ergibt an gefetteten Gewinden rund 30 % mehr Vorspannung als an trockenen. Drehmomentwerte und Schmieranweisung müssen aus derselben Quelle stammen, sonst ist die Zahl in Ihrer Arbeitsanweisung erfunden.

Die Oberflächenvorbereitung kostet am wenigsten und wird am häufigsten übergangen. Die Flächen sollten eben und unmittelbar vor dem Zusammenbau frisch aufgeraut sein, damit die Klemmkraft die Oxidschicht aufbricht und an möglichst vielen Stellen Metall-auf-Metall-Kontakt entsteht. Ein auf der Verbindungsfläche verbliebener Grat bewirkt das Gegenteil: Er hält die Schienen auseinander, und die Kontaktfläche, mit der Sie gerechnet haben, ist nicht die Kontaktfläche, die Sie bekommen. Deshalb gehört das Entgraten in den Arbeitsablauf und nicht in die Hand des Monteurs, und deshalb gibt es überhaupt eine Linie wie die BND800-2, die Schienen von 0,5 bis 50 mm Dicke mit 5 bis 30 m/min bearbeitet.

Das Prägen ist die andere Stellgröße, und die wenig genutzte. Eine gezielt erhabene Kontaktfläche konzentriert die verfügbare Schraubenvorspannung auf eine festgelegte, ebene Fläche, statt sie sich über eine Überlappung verteilen zu lassen, die in Kontakt sein kann oder auch nicht. Wo eine Verbindung thermisch knapp ausfällt, ist eine konstruierte Kontaktfläche oft die bessere Antwort als eine weitere Schraube.

Die Genauigkeit des Lochbilds geht unmittelbar in alles Vorstehende ein. Ein Teilungsfehler über eine Verbindung mit mehreren Schrauben bedeutet, dass die Schrauben in übergroßen Löchern gegeneinander arbeiten und die Vorspannung ungleichmäßig verteilt ist. Ein Stanzen, das die Position eng hält, kostet je Loch nichts zusätzlich und nimmt eine Größe aus einer Prüfung heraus, für die Sie ein Laboratorium bezahlen. Ein Bearbeitungszentrum wie das IMAC-CENTER 80 arbeitet auf ±0,05 mm. Die Seite zum Stanzen behandelt die Werkzeugseite, und der Beitrag zu Lochbildern behandelt Randabstand und Teilung.

Bevor Sie sich auf einen Weg festlegen

Legen Sie den Schienenquerschnitt gegen eine Belastbarkeitsquelle mit unversehrten Korrekturfaktoren aus und nicht gegen eine Tabelle mit Bezugsbedingungen. DIN 43671 gibt die Belastbarkeit von Kupferschienen bei 35 °C Umgebungstemperatur und 65 °C Schienentemperatur an, mit Korrekturen für Umgebungstemperaturen von 0 bis 60 °C, Betriebstemperaturen bis 125 °C und Faktoren für die Schienenanordnung und die Anzahl der Schienen je Phase. In einem Gehäuse mit 55 °C Innenluft sind diese Korrekturen der Unterschied zwischen einer Schiene, die den Nachweis besteht, und einer, die es nicht tut.

Unser Rechner für die Strombelastbarkeit wendet die Korrekturen an, statt Bezugsbedingungen anzunehmen. Geht die Kombination auf einen nordamerikanischen Markt, ändern sich die Grenzwerte vollständig und mit ihnen die Schiene. Diesen Vergleich finden Sie in UL 891 gegenüber IEC 61439.