Erwärmungsnachweis nach IEC 61439, Weg für Weg

Die Temperaturerhöhungsberechnung ist der Punkt, an dem die Fertigungsqualität der Stromschiene zu einem Auditpunkt wird. Alle anderen Punkte der Designverifikation einer Schaltanlage können auf Papier von jemandem geklärt werden, der das Kupfer nie angefasst hat. Dieser nicht, denn der zu verifizierende Wert wird durch Verbindungen erzeugt, die ein Monteur mit einem Drehmomentschlüssel hergestellt hat.

Die meisten veröffentlichten Leitfaden benennen nur die drei Wege. Entscheidend für den Erfolg eines Projekts sind die Randbedingungen jeder Route, was der rating diversity factor tatsächlich multipliziert und welche Fertigungsvariablen das Ergebnis beeinflussen. Die unten angegebenen Klauselbeziehungen beziehen sich auf IEC 61439-1

Die drei Wege

Klausel 10.10.1 nennt sie eindeutig. Die Verifikation erfolgt durch einen oder mehrere der folgenden:

a) Prüfung, Klausel 10.10.2. Eine physische Anlage, belastet, in einem akkreditierten Labor.

b) Ableitung von Nennwerten für ähnliche Varianten aus einem geprüften Design, Klausel 10.10.3. Der Vergleichsweg: Eine vorhandene geprüfte Anordnung, bei der Nennwerte für Varianten nach festgelegten Regeln zugewiesen werden.

c) Berechnung, durch zwei getrennte Methoden mit zwei unterschiedlichen Stromobergrenzen. Klausel 10.10.4.2 behandelt einen Einraum-Aufbau bis maximal 630 A; Klausel 10.10.4.3 behandelt einen Aufbau bis maximal 1600 A unter Verwendung der Methode von IEC TR 60890.

Zwei Einschränkungen gelten über alle drei Wege. Jeder Weg ist auf Nennfrequenzen bis einschließlich 60 Hz für die Berechnungsmethoden beschränkt, und für Anlagen mit einer Nennfrequenz über 60 Hz erfordert Klausel 10.10.1 eine Verifikation durch Prüfung oder durch Ableitung aus einem Design, das bei gleicher Frequenz geprüft wurde. Eine Kombination ist erlaubt und üblich: Ein mehrlufiger Aufbau kann verschiedene Abschnitte haben, die durch verschiedene Wege verifiziert sind.

Weg c) im Detail, da er die Feinheiten enthält

Der Berechnungsweg ist derjenige, nach dem die meisten Hersteller greifen, da er kein Labor benötigt. Er bringt jedoch auch die Bedingungen mit sich, die ein Projekt am häufigsten disqualifizieren, nachdem das Design eingefroren wurde.

Die 630-A-Methode (10.10.4.2)

Eine Verlustleistungsbilanz. Der gesamte Verlust aus Bauteilen und Leitern innerhalb des Gehäuses wird mit der Fähigkeit des Gehäuses verglichen, diese Wärme abzuführen, ohne dass die Innenluft die maximale Betriebstemperatur eines beliebigen Geräts überschreitet. Schnell, konservativ und eng begrenzt.

Voraussetzungen, die alle erfüllt sein müssen:

• Die Verlustleistungsdaten aller eingebauten Komponenten liegen vom Komponentenhersteller vor.
• Die Verlustleistungen sind im Schaltschrank annähernd gleichmäßig verteilt.
• Der Nennstrom jedes Stromkreises überschreitet nicht 80 % des Nenn-Verlustfaktor-Kurzschlussstroms (Ith) bzw. den Nennstrom (In) der Schaltgeräte und Bauteile in diesem Stromkreis.
• Mechanische Teile und installierte Ausrüstung behindern die Luftzirkulation nicht wesentlich.
• Leiter, die mehr als 200 A führen, und benachbaute strukturelle Teile sind so angeordnet, dass Wirbelstrom- und Hystereseverluste minimiert werden.
• Alle Leiter besitzen einen Mindestquerschnitt, der auf 125 % des zulässigen Stromwertes des zugehörigen Stromkreises basiert.
• Der Temperaturanstieg des Schaltschranks in Abhängigkeit von der installierten Verlustleistung ist bekannt, entweder vom Schaltschrankhersteller, durch Prüfung gemäß 10.10.4.2.2 oder vom Hersteller der Kühlungseinrichtung, sofern eine aktive Kühlung eingebaut ist.

Die 1600-A-Methode (10.10.4.3)

Gleiche 80%-Reduzierung und 125%-Leiterregel, wobei der Temperaturanstieg selbst durch die Methode nach IEC TR 60890 bestimmt wird und nicht durch eine einfache Verlustleistungsbilanz. Zwei geometrische Bedingungen werden für Mehrräumigkeits-Designs hinzugefügt:

• In der Gesamtanlage oder dem bewerteten Abschnitt befinden sich höchstens drei horizontale Trennwände.
• Für Schaltschränke mit Räumen und natürlicher Belüftung ist der Querschnitt der Belüftungsöffnungen in jedem horizontalen Trennwall mindestens 50 % des horizontalen Querschnitts des Raumes.

Oberhalb von 1600 A schließen sich beide Berechnungswege. Es bleibt nur die Prüfung oder die Herleitung von einem geprüften Design, und dieser Weg muss in der Entwurfsphase festgelegt werden, nicht erst nach Fertigstellung der Anlage.

Das Standardwerk gibt offen zu, warum diese Spielräume existieren: Abschnitt 10.10.4.1 besagt, dass die tatsächlichen lokalen Temperaturen stromführender Teile mit diesen Methoden nicht berechnet werden können, weshalb bestimmte Grenzen und Sicherheitszuschläge notwendig sind und enthalten sind. Die 80%-Reduzierung und die 125%-Leiterspezifizierung sind diese Spielräume. Eine bessere Analyse beseitigt sie nicht.

Die 80%-Reduzierung in der Praxis

Die Reduzierung ist nicht nur ein Vermerk in der Dokumentation. Sie ändert die Stückliste.

Ein 200-A-Stromkreis kann kein 200-A-Gerät verwenden. Es benötigt ein Gerät mit einem Freiluft-Nennstrom von mindestens 250 A, das auf 200 A eingestellt oder fixiert ist, oder einen größeren Gehäuserahmen, der auf einen niedrigeren Wert eingestellt ist. Die für die Berechnung verwendete Verlustistung ist die Verlustistung bei 200 A, aber das Gerät selbst muss mindestens einen 250-A-Rahmen oder größer aufweisen. Die Leiterregel verstärkt diesen Effekt: Ein 200-A-Hauptstromschienen-Kreis wird mit 1,25 × 200 = 250 A dimensioniert, und das gilt für jeden internen Leiter in der Anlage.

Dann folgt die Iteration. Die Leiterquerschnitte werden zunächst für eine angenommene interne Lufttemperatur gewählt. Sobald die Berechnung tatsächliche Lufttemperaturen ergibt, können Komponenten und Leiter ausgetauscht werden müssen und die Berechnung erneut durchlaufen. Zwei bis drei Durchläufe sind normal, und jeder kann die Schienenmaße verschieben, was die Lochbohrung verschiebt, was die Werkzeugausstattung verschiebt. Der Prüfweg muss festgelegt werden, bevor das Kupfer im Detail ausgeführt wird, nicht danach.

Der Nenn-Vielfaktor und was er tatsächlich bewirkt

RDF ist der am häufigsten missverstandene Begriff in der Norm, und die meisten Missverständnisse entstehen durch die Annahme, es handle sich um einen Abschlag, der innerhalb der Berechnung angesetzt wird. Das ist nicht der Fall.

Absatz 5.4 definiert ihn: der pro-Einheit-Wert des Bemessungsstroms, der vom Schaltanlagenbauer zugewiesen wird, bis zu dem die Ausgangskreise dauernd und gleichzeitig belastet werden können, unter Berücksichtigung gegenseitiger thermischer Beeinflussungen. Er kann für Kreisgruppen oder für die gesamte Anlage angegeben werden. Zwei Sätze in der Definition sind entscheidend. RDF multipliziert mit dem Bemessungsstrom der Kreise muss gleich oder höher als die angenommene Belastung der Ausgangskreise sein, und RDF gilt für die Anlage bei Betrieb mit ihrem Bemessungsstrom InA.

RDF ist also eine erklärte Bemessung, kein Berechnungseingang. Absatz 10.10.1 formuliert es genau: die Stromtragfähigkeit der zu prüfenden Kreise wird durch den Bemessungsstrom und das RDF bestimmt. Er legt fest, was geprüft wird.

Wo RDF in den Prüfweg eintritt

In den Prüfverfahren ist RDF explizit und physisch vorhanden.

• Absatz 10.10.2.3.5, Prüfung der gesamten Anlage: Ein- und Ausgangskreise werden mit ihren Bemessungsströmen belastet, was der Norm zufolge einem Bemessungsdifferenzfaktor von 1 entspricht. Schnell, konservativ und beweist nichts über Diversität, da keine angenommen wurde.
• Absätze 10.10.2.3.6 und 10.10.2.3.7 d): Die Anlage wird geprüft, indem der Eingangskreis mit seinem Bemessungsstrom und die Ausgangs-Betriebseinheiten mit ihrem Bemessungsstrom multipliziert mit dem Differenzfaktor belastet werden. Hier wird ein erklärtes RDF unter 1 tatsächlich verifiziert.

Anhang O stellt den Kompromiss dar: Verfahren a) erfordert die wenigsten Prüfungen, aber die Prüfanordnung ist unnötig strenger und das Ergebnis gilt nur für diese Anordnung.

Wo RDF nicht eintritt: der Berechnungsweg

Beide Berechnungsabsätze sagen dasselbe: die effektiven Verluste aller Kreise einschließlich der Verbindungsleitungen werden auf der Grundlage des Bemessungsstroms der Kreise berechnet. Es gibt keinen RDF-Multiplikator. Diversität kommt über einen anderen Weg hinein. Der Gesamtleistungsverlust wird unter Berücksichtigung der Tatsache berechnet, dass der Gesamtlaststrom auf den Bemessungsstrom der Anlage begrenzt ist.

Die eigene worked note der Norm macht es konkret. Eine einteilige Anlage mit 100 A Bemessung, begrenzt durch die Verteilerschienen, ist mit 20 Ausgangskreisen à je 8 A angenommener Belastung bestückt. Der effektive Gesamtleistungsverlust wird für 12 Ausgangskreise à 8 A berechnet, denn 12 × 8 = 96 A ist der Wert, den die 100-A-Eingangsbemessung tatsächlich verteilt. Zwölf Kreise unter Volllast, nicht zwanzig Kreise mit einem Differenzfaktor.

Diese Unterscheidung ist die praktische. Eine von BEAMA veröffentlichte Leitlinie zur Prüfung durch Berechnung drückt es so klar aus wie jeder andere: Der Bemessungsdifferenzfaktor wird bei der Prüfung der Temperaturerhöhung durch Berechnung nicht berücksichtigt, und die ungünstigste Leistungsverlust-Kombination von Kreisen, die mit ihrem Bemessungsstrom betrieben werden, wird zur Verteilung des Bemessungsstroms der Anlage herangezogen. Jemand, der einen RDF-Abschlag innerhalb einer TR-60890-Tabellenkalkulation angesetzt hat, hat eine niedrigere Temperaturerhöhung berechnet als die Norm zulässt.

Die tabellierten Werte

Wenn Hersteller und Anwender keine tatsächlichen Lastströme vereinbart haben, liefern die Produktteile Rückfallwerte der angenommenen Belastung, die auf die Anzahl der Haupt- oder Ausgangskreise indexiert sind. In Teil 1 und Teil 2 beginnt der Wert mit 1,0 für einen Eingangskreis und sinkt mit steigender Zahl der Ausgangswege auf 0,6 bei zehn oder mehr Kreisen. In Teil 3 für Schaltanlagen, die von Laien bedient werden, liegt die Skala durchgehend einen Schritt tiefer und endet bei 0,5.

Der Wert 0,4 kursiert im Internet weit verbreitet als untere Grenze dieses Bereichs. Er erscheint nicht in den tabellierten angenommenen Belastungswerten von Teil 1, Teil 2 oder Teil 3. Ein Hersteller kann natürlich einen RDF unterhalb des tabellierten Rückfallwerts angeben, da der RDF vom Hersteller vergeben wird und die Tabelle nur bei Fehlen einer Vereinbarung gilt. Wenn jedoch in einer Spezifikation 0,4 als stammend aus der Norm angegeben wird, sollte man nachfragen.

Anhang E von Teil 1 enthält Rechenbeispiele bei RDF-Werten wie 0,68. Die Zahl ist kein gerundeter Wert aus einer Tabelle; sie ergibt sich aus der Belastungsrechnung.

Geltende Grenzwerte

Tabelle 6 von IEC 61439-1 enthält mehr als die beiden Zahlen, die üblicherweise daraus zitiert werden.

Klemmen für äußere isolierte Leitungen sind auf 70 K begrenzt. Die Fußnote schränkt dies zweifach ein: Der Wert von 70 K basiert auf dem konventionellen Prüfverfahren von Klausel 10.10. Eine Anlage, die unter realen Installationsbedingungen betrieben wird, kann Anschlüsse haben, deren Art und Anordnung von der Prüfung abweichen, was zu einer unterschiedlichen Temperaturerhöhung an den Klemmen führen kann, die erforderlich oder akzeptiert wird. Und wenn die Klemmen einer eingebauten Komponente zugleich die Klemmen für äußere isolierte Leitungen sind, gilt die niedrigere der beiden anwendbaren Grenzwerte: die Grenze des Komponentenherstellers und 70 K, wobei der kleinere Wert maßgeblich ist.

Für Stromschienen und Leiter gibt es in der Tabelle keinen einzelnen Zahlenwert. Die Zeile besagt, dass die Grenze durch die mechanische Festigkeit des Leitwerkstoffs, mögliche Auswirkungen auf benachbarte Betriebsmittel, die zulässige Temperaturgrenze von Isolierstoffen in Berührung mit dem Leiter, die Auswirkung der Leitertemperatur auf das angeschlossene Betriebsmittel sowie für Steckkontakte durch die Art und Oberflächenbehandlung des Kontaktwerkstoffs bestimmt wird.

105 K erscheint in Anmerkung g als Obergrenze über diesen Kriterien: Sofern alle genannten Kriterien erfüllt sind, darf ein maximaler Temperaturanstieg von 105 K für unbeschichtete Kupferstromschienen und Leiter nicht überschritten werden. Anmerkung 1 nennt den Grund: 105 K bezieht sich auf die Temperatur, oberhalb derer eine Anlaickupfer wahrscheinlich wird. Es handelt sich um eine metallurgische Grenze. Wird sie erreicht, wird die Schiene weich – ein mechanischer Versagensmodus, kein elektrischer.

Die Umgebungsbedingungen bilden die Grundlage. Die Grenzwerte von Tabelle 6 gelten für eine mittlere Umgebungstemperatur von bis zu 35 °C im Betrieb. Anhang O ergänzt den Spitzenwert: Tagesmittel- und Spitzen-Umgebungstemperaturen überschreiten nicht 35 °C bzw. 40 °C. Während der Prüfung selbst muss die Umgebungstemperatur zwischen 10 °C und 40 °C liegen, gemessen durch mindestens zwei Sensoren rund um die Anlage in etwa halber Höhe und etwa 1 m Entfernung, abgeschirmt von Luftstrahlung und Wärmestrahlung.

Zwei praktische Schlussfolgerungen: Erstens ist die 105-K-Obergrenze selten die bindende Restriktion. Das Isoliermaterial in Kontakt mit der Schiene oder das Betriebsmittel, auf das die Schiene trifft, begrenzt in der Regel zuerst. Zweitens muss eine Anlage für ein Umfeld, das wärmer als ein 35-°C-Mittel ist, angepasste Grenzwerte erhalten, und Klausel 9.2 weist darauf hin, dass bei einer Grenzwertanpassung für ein anderes Umfeld die Nennströme von Stromschienen und Funktionsparen ebenfalls angepasst werden müssen.

Kosten und Dauer der einzelnen Wege

Es gibt keine veröffentlichten Preislisten für akkreditierte Temperaturanstiegsprüfungen, da die Kosten von der Anzahl der Prüfanordnungen und dem, was gebaut werden muss, dominiert werden. Die Kostenstruktur ist es, die die Entscheidung informiert.

• Prüfung: Ein oder mehrere repräsentative Anlagen werden für das ungünstigste Arrangement aufgebaut, verschickt und im Labor zu Stundensatz verrechnet. Der Test läuft, bis der Temperaturanstieg einen konstanten Wert erreicht, was clause 10.10.2.3.1 in der Praxis als Schwankung von maximal 1 K/h an allen Messpunkten einschließlich der Umgebungstemperatur definiert. Das dauert typischerweise den Großteil eines Arbeitstages pro Arrangement, noch vor Messtechnik und Einrichtung. Der Strom wird über Prüfleiterungen zugeführt, die die Norm im Detail spezifiziert. Über 800 A sind das Kupferstangen vorgegebener Abmessungen mit einer Mindestanschlusslänge von 3 m, die nur unter einer bestimmten Temperaturbedingung auf 2 m reduziert werden darf. Über 4000 A legt der ursprüngliche Hersteller das Arrangement fest, und dieses wird Teil des Berichts. Die Kosten werden durch den Musterbau und die Anzahl der Arrangements bestimmt. Verzögerungen entstehen hauptsächlich durch Labor-Wartezeiten, die bei Hochstromarbeiten Monate, nicht Wochen betragen. Der Termin sollte nicht gebucht werden, bevor die Verbindungen so hergestellt sind, wie sie in der Fertigung ausgeführt werden.

• Ableitung von einem geprüften Design: Dies ist der kostengünstigste und schnellste Weg, wenn das geprüfte Design bereits vorliegt – daher verkaufen Anbieter von Montagesystemen es als Teil des Pakets. Innerhalb seiner Regeln ist ein Großteil der Arbeit bereits erledigt. Außerhalb dessen ist eine erneute Prüfung erforderlich.

• Berechnung: Da kein Labor erforderlich ist, bestehen die Kosten aus Ingenieurszeit und Bauteildaten. Die versteckten Kosten liegen in der Datenerfassung: Bedingung a) erfordert Verlustleistungsdaten für alle eingebauten Komponenten, und die Beschaffung dieser Daten von jedem Gerätehersteller für einen gemischten Stücklistentyp dauert länger als die Berechnung selbst. Für eine erste Anlage sind eher Tage als Stunden einzuplanen, danach weniger, da sich die Bauteildaten anreichern. Das reale Risiko liegt darin, am Ende des Iterationsprozesses festzustellen, dass ein größeres Gehäuse oder eine größere Stange erforderlich war, was eine grobe Vorababschätzung frühzeitig aufdecken sollte.

Warum die Fertigungsqualität den Ausgang bestimmt

Jeder Weg misst am Ende dasselbe physikalische Ding, und clause 10.10.2.3.3 benennt es direkt: Besondere Aufmerksamkeit ist den Verbindungen in Leitern und Anschlüssen innerhalb der Hauptstromkreise zu widmen. Verbindungen werden als Messpunkte bezeichnet.

Der Verbindungswiderstand setzt sich aus zwei Teilen zusammen. Der Streuwiderstand, der entsteht, wenn der Strom sich durch die Überlappung teilt, ist eine Funktion des Verhältnis von Überlappung zu Dicke und der Lochanordnung: Bolzenlöcher quer über die Breite der Stange wirken sich schlechter aus als Löcher in einer Linie entlang ihrer Länge. Der Kontaktwiderstand ist eine Funktion des Oberflächenzustands und des Drucks.

Die Kontakfläche ist nicht die Überlappungsfläche. Nur etwa 1 % der scheinbaren Überlappung leitet Strom, und zwar über diskrete Berührungsstellen (Asperitäten). Der Kontaktwiderstand sinkt steigend mit dem Druck bis etwa 10 N/mm² und flacht bei etwa 30 N/mm² ab. Unter etwa 7 N/mm² sollte der Betrieb nicht stattfinden. Da der Druck vor Ort nicht gemessen werden kann, wird er über das Drehmoment unter Verwendung des Mutternfaktors ermittelt, der je nach Zustand variiert: von etwa 0,20–0,22 trocken bis hinunter zu 0,15–0,16 mit einem Grenzschmierstoff. Die gleiche Schraubeneinstellung auf gefetteten Gewinden ergibt etwa 30 % mehr Vorspannung als auf trockenen. Drehmomentangaben und Schmierungsanweisungen müssen aus derselben Quelle stammen, sonst ist die Zahl in der Verfahrensanweisung ein Scheinwert.

Die Oberflächenvorbereitung ist die kostengünstigste Einflussgröße und wird am häufigsten unterschlagen. Die Flächen sollten eben und direkt vor der Montage frisch geschliffen sein, damit die Klemmkraft den Oxidfilm durchbricht und an möglichst vielen Punkten Metall-zu-Metall-Kontakt entsteht. Ein Grat an der Verbindungsfläche bewirkt das Gegenteil: Er hält die Stangen auseinander, sodass die berechnete Kontaktfläche und die tatsächliche Kontaktfläche auseinanderdriften. Deshalb gehört Entgraten in den Fertigungsweg und nicht in die Hand des Monteurs, und deshalb existiert eine Linie wie das BND800-2, das Stangen von 0,5 bis 50 mm Dicke mit 5 bis 30 m/min verarbeitet.

Prägen ist der andere Hebel, und der weniger genutzte. Das Anheben einer kontrollierten Kontaktfläche konzentriert die verfügbare Bolzenvorspannung auf eine definierte, ebene Fläche anstatt sie über eine Überlappung zu verteilen, die mehr oder weniger in Kontakt sein könnte. Wo eine Verbindung thermisch grenzwertig ist, ist eine ausgelegte Kontaktfläche oft eine bessere Lösung als ein zusätzlicher Bolzen.

Die Genauigkeit der Lochanordnung wirkt sich direkt auf all die vorherigen Punkte aus. Eine Steigungsfehler bei einem multi-bolzen-Verbindung bedeutet, dass die Bolzen in überdimensionierten Löchern gegeneinander arbeiten und die Vorspannung ungleichmäßig verteilt ist. Ein Stanzen, das die Position genau hält, kostet nichts extra pro Loch und eliminiert eine Variable bei einem Labortest, für den bezahlt wird. Eine Bearbeitungszentrale wie die IMAC-CENTER 80 arbeitet mit ±0,05 mm. Die Seite zum Stanzen behandelt die Werkzeugseite, und der Artikel zu Lochanordnungen behandelt den Randabstand und die Steigung.

Wahl des Weges

Die Stangengröße ist anhand einer Bemessungsquelle mit ihren korrekten Korrekturfaktoren zu bestimmen, nicht anhand einer Tabelle für Referenzbedingungen. DIN 43671 bemisst Kupferstangen bei 35 °C Umgebungstemperatur und 65 °C Stangentemperatur, mit Korrekturen für Umgebungstemperaturen von 0 bis 60 °C, Betriebstemperatur bis zu 125 °C und Faktoren für Stanganordnung und die Anzahl der Stangen pro Phase. Innerhalb eines Gehäuses mit 55 °C Inneren Lufttemperatur machen diese Korrekturen den Unterschied zwischen einer Stange, die die Prüfung besteht, und einer, die sie nicht besteht.

Der Stromschienen-Berechnungsrechner wendet die Korrekturen an, anstatt Referenzbedingungen vorauszusetzen. Bei einer Auslieferung in den nordamerikanischen Markt ändern sich die Grenzwerte vollständig und damit auch die Sammelschiene. Dieser Vergleich ist in UL 891 versus IEC 61439 dargestellt.