EMV Starkstromkabel und elektromagnetische Umweltverträglichkeit

Redakteur: Silvano Böni

In einem modernen Starkstromkabel steckt mehr als nur Kupfer mit etwas Iso­lation. Die EMVU ist wichtiger Teil davon, be­ein­flusst massgebend die Konstruktion des Starkstromkabels und schafft einen eklatant höheren Mehrwert.

(Bild: CFW)

Kürzlich wurde in einer auf­lagenstarken Fachzeitschrift über ein Starkstrom-Verkabelungsproblem berichtet. Es ging dabei um die Verlegung von Einleiterkabeln in je 4-facher Ausführung pro Aussenleiter. Der Experte gab dem Fragesteller folgende zwei Empfehlungen ab:

Gemäss VDE 0100-540 bzw. IEC 60364-5-54 existiert die EMV-Anforderung, dass keine AC-Ströme auf Schutzleiter, Erdleiter und Potenzialausgleichsleiter fliessen dürfen. Diese Forderung wird in der Praxis aber leider immer noch massiv verletzt. Die induzierten Erdleiterströme betragen bei der Verlegung nach Abbildung 1 etwa 50 A, nach Abbildung 2 etwa 40 A!

Es ist 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 Strom führenden Leiter. Die nachstehenden Abbildungen zeigen schematisch den Streufeldverlauf eines Strom führenden Leiters.

Um das resultierende magnetische Streufeld zu minimieren, werden bei Stark­stromverbindungen Hin- und Rückleiter möglichst nahe zusammengelegt. Noch effizienter lässt sich das Streufeld redu­zieren, indem man die Strom führenden Leiter zusätzlich verseilt. Dabei sollte die Schlaglänge aber optimal auf den Kabeldurchmesser abgestimmt sein. Je kleiner das Streufeld, desto höher der Wirkungsgrad und desto 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 im Diagramm 2 dargestellt.

Deutlich erkennt man, dass das magne­tische Streufeld dank der CFW-Power­Cable-­Technologie unvergleichlich steil abfällt, somit werden mit dieser Techno­logie auch die Übertragungsverluste am kleinsten. Dies ist die Folge des zentrisch angeordneten Schutzleiters sowie der verseilten Aussenleiter.

Mit der CFW-PowerCable-Technologie wird der NISV-Anlagegrenzwert (1.0 µT) bereits im Abstand von etwa 35 cm ein­ge­halten und im Abstand von etwa 1,0 m auch der empfindlichste technische Grenz­wert (0,02 µT).

Der Elektroplaner braucht sich aus diesem Grund bei der Kabelführung keine Gedanken mehr über die Einhaltung von Mindestabständen zu machen, und dies selbst bei Strömen über 1000 A.

2. Induktion/Gegeninduktion

Magnetische Streufelder erzeugen in elektrisch leitenden Materialien Induktionsspannungen, die in sogenannte Erdschlaufenströme umgewandelt werden, wenn diese parallel zu den Strom führenden Leitern angeordnet sind (beispielsweise Erdleiter, Kabeltrassen, Gas- und Wasserleitungen usw.). Bei Nichtbeachtung dieser Proble­matik können so auch bei TN-S-Installationen massive Erdschlaufenströme entstehen, die nicht selten 10 — 15 % des grössten Phasenstroms erreichen.

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 unterschiedliche 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. Diagramm 2 zeigt die Induktionsproblematik an den abgebildeten Leiteranordnungen.

Die immer noch weit verbreitete Einzel­aderverlegung erweist sich auch in dieser Betrachtung als ungünstigste Variante, sowohl in Bezug auf das magnetische Streu­feld (Diagramm 1) als auch in Bezug auf die induzierten PE-Ströme (Diagramm 2).

Untermauert wird diese Aussage durch folgendes Zitat von Dipl.-Ing. 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 44 A(!) 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 35 mm2 liegen die PE-Induktionsströme doch schon im Bereich von 5 A.»

Fazit

Nur die zentrische Anordnung des PE (Fig. 4) verhindert induktive Einkopplungen und somit die gefürchteten Erdschlaufenströme. Werden die Aussenleiter zusätzlich 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 Einleiterkabeln teilen sich bei Parallelschaltung von CFW PowerCable die Ströme gleicher Phasen völlig gleichmässig auf, das heisst, Leiterüberhitzungen als Folge ungleicher Stromverteilung sind ausgeschlossen. Diese elementaren Aussagen werden in Tabelle 1 nochmals in Erinnerung gerufen bzw. verdeutlicht.

Zum Stand der Technik

Induktionsfreie, streufeld- und verlustarme Starkstromkabel gehören heute definitiv zum Stand der Technik, denn die Verordnung zum Schutz vor nicht ionisierender Strahlung (NISV) hat uns dazu verpflichtet. Schade ist nur, dass gewisse Experten sowie Institutionen den Stand der Technik immer noch nicht begreifen wollen.

Anders lässt es sich nicht erklären, dass regelmässig Empfehlungen zirku­lieren bzw. Normen zitiert werden, die schon seit Jahren überholt sind. Repe­ti­tion und weitere Aufklärungsarbeit sind dringend nötig!

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