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Starkstromkabel: Laudatio zum Stand der Technik Kabel ohne Risiken und Nebenwirkungen

| Autor / Redakteur: Christian Fischbacher* / Ines Stotz

In einem modernen Starkstromkabel steckt mehr als nur Kupfer und Isolationsmaterial. Inzwischen hat man erkannt, dass die EMVU (Elektromagnetische Umweltverträglichkeit) bei der Starkstromübertragung maßgebend durch die Konstruktion des Kabels beeinflusst wird.

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Starkstromverbindungen müssen so ausgelegt sein, dass die magnetischen Streufelder sowie Erdschlaufenströme weder gesetzliche noch technische Grenzwerte verletzen.
Starkstromverbindungen müssen so ausgelegt sein, dass die magnetischen Streufelder sowie Erdschlaufenströme weder gesetzliche noch technische Grenzwerte verletzen.
(Bild: ©Destina - stock.adobe.com)

Bei der Verlegung von Starkstromkabeln darf es 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 weder gesetzliche noch technische Grenzwerte verletzen.

Es gibt zwei Merkmale, die die NF-Qualität von Starkstromleitungen bestimmen: das magnetische Streufeld sowie die Induktion/Gegeninduktion.

Bild 1: Installationsarten, die EMV-mäßig verglichen werden
Bild 1: Installationsarten, die EMV-mäßig verglichen werden
(Bild: CFW EMV-Consulting)

Das magnetische Streufeld reduzieren

Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein magnetisches Feld, dessen Höhe von der Stromstärke und der Anordnung der Leiter abhängig ist. Um das resultierende magnetische Feld zu minimieren, werden bei Starkstromverbindungen Hin- und Rückleiter möglichst nahe zusammengelegt. Noch effizienter lässt sich das Streufeld reduzieren, indem man die Leiter verseilt. Dabei sollte die Schlaglänge optimal auf den Kabeldurchmesser abgestimmt sein. Je kleiner das Streufeld, umso höher der Wirkungsgrad und umso geringer werden zugleich die Übertragungsverluste.

Die vier in Bild 1 gezeigten Kabelarten werden hier bezüglich EMV verglichen. Damit die Berechnungen möglichst praxisnah sind, wurden unterschiedliche Phasenströme gewählt, damit sich auch ein Neutralleiterstrom einstellt (Bild 2). Zudem wurden in der Simulation auch die induzierten Schutzleiter-Ströme berücksichtigt, die approximativen PE-Induktionsströme sind in Bild 4 ersichtlich.

Man erkennt, dass das magnetische Feld beim verseilten Kabel äußerst steil abfällt. Somit werden mit dieser Technologie wegen des zentrisch angeordneten Schutzleiters sowie der verseilten Außenleiter auch die Übertragungsverluste am kleinsten.

In einem Abstand von ca. 35 cm wird der NISV-Anlagegrenzwert (1,0 μT) bereits unterschritten und im Abstand von ca. 1,0 m auch der empfindlichste technische Grenzwert (0,02 μT). Der Elektroplaner braucht sich also bei der Kabelführung keine Gedanken mehr über die Einhaltung von Mindestabständen zu machen, selbst bei Strömen über 1 kA.

Bild 2: Magnetische Streufelder
Bild 2: Magnetische Streufelder
(Bild: CFW EMV-Consulting)

Induktion/Gegeninduktion

Magnetische Felder erzeugen in elektrisch leitenden Materialien Induktionsspannungen. Wenn diese „Leiter“ parallel zu stromführenden Leitern angeordnet sind (z. B. Erdleiter, Kabeltrassen oder Gas- und Wasserleitungen), entstehen Erdschlaufenströme. Dies geschieht auch dann, wenn der Abstand zwischen dem PE und den Außenleitern unterschiedlich ist. So können auch bei TN-S-Installationen (Bild 3) massive Erdschlaufenströme entstehen, die nicht selten 10-15 % des größten Phasenstroms erreichen. Die Folgen sind beispielsweise Korrosionsschäden, lästige Magnetfelderhöhungen, galvanische und magnetische Einkopplungen auf Elektronikplatinen, Daten- und Signalleitungen sowie zusätzliche Übertragungsverluste.

Bild 3: Das TN-S-System gilt zwar als EMV-günstig, aber bei einem parallel zu den Außenleitern verlegten PE mit unterschiedlichen Abständen zu den Außenleitern entstehen durch das Streufeld (rot) Erdschlaufenströme.
Bild 3: Das TN-S-System gilt zwar als EMV-günstig, aber bei einem parallel zu den Außenleitern verlegten PE mit unterschiedlichen Abständen zu den Außenleitern entstehen durch das Streufeld (rot) Erdschlaufenströme.
(Bild: CFW EMV-Consulting)

Genau genommen existieren zwei Induktionsprobleme: einerseits, wenn der PE geometrisch unterschiedliche Abstände zu den Außenleitern aufweist (Induktion), und anderseits, wenn der PE parallel zu den Außenleitern angeordnet ist (Gegeninduktion). Dies erklärt, warum der PE auch in einem 5-Leiter-Standardkabel nicht induktionsfrei ist, selbst wenn alle Leiter miteinander verseilt sind.

Die weit verbreitete Einzeladerverlegung erweist sich auch in dieser Betrachtung als ungünstigste Variante, sowohl in Bezug auf das magnetische Streufeld (Bild 2) als auch in Bezug auf die induzierten PE-Ströme (Bild 4).

Bild 4: PE-Induktionsströme der Leiteranordnungen.
Bild 4: PE-Induktionsströme der Leiteranordnungen.
(Bild: CFW EMV-Consulting)

Wie schon erwähnt, lösen auch Standardkabel das PE-Induktionsproblem nicht, weil der geometrische Abstand zu den Außenleitern unterschiedlich ist (Bild 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 verhindert induktive Einkopplungen und somit unerwünschte Erdschlaufenströme. Werden die Außenleiter zusätzlich um den PE verseilt, 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 verseilten Kabeln die Ströme gleicher Phasen völlig gleichmäßig auf, d. h. Leiterüberhitzungen als Folge ungleicher Stromverteilung sind ausgeschlossen. Induktionsfreie, streufeld- und verlustarme Starkstromkabel gehören heute zum Stand der Technik, die Verordnung zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (NISV) verpflichtet uns dazu.

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* Christian Fischbacher, Geschäftsführer bei der CFW EMV-Consulting AG

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