Kupfer-Strombelastbarkeitsdiagramm: Anwendungen, Auswahlkriterien und praktische Anleitungen

Ein Kupferleiter mit 4/0 AWG erscheint dreimal in einem Standard-Kupferstrombelastbarkeitsdiagramm: 195 A bei 60 °C, 230 A bei 75 °C und 260 A bei 90 °C. Jede Zahl ist korrekt und keine davon entspricht automatisch der Zahl, die ein Projekt benötigt. Der Wert, der in einen Kabelplan gehört, ist der niedrigste von drei Grenzwerten, nämlich die reduzierte Strombelastbarkeit des Leiters, die Temperaturbewertung des Abschlusses, an dem er landet, und der Einfluss der Umgebungstemperatur und Gruppierung.

Das ist die kurze Antwort, und es lohnt sich, sie vor jeder Tabelle anzugeben: Lesen Sie das Diagramm von der schwächsten Komponente im Schaltkreis aus rückwärts, wenden Sie die Korrekturen an und ermitteln Sie die Größe anhand des Ergebnisses. Die Größenbestimmung direkt anhand der 90-°C-Spalte führt dazu, dass ein Design 20–30 % optimistisch ist, bevor irgendjemand die auf dem Kabelschuh eingestanzte Bewertung überprüft.

Was ein Kupfer-Strombelastbarkeitsdiagramm tatsächlich misst

Die Strombelastbarkeit ist der maximale Dauerstrom, den ein Leiter führen kann, während seine Isolierung innerhalb der Nenntemperatur bleibt und mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit altert. Es handelt sich eher um eine thermische als um eine elektrische Grenze. Ein Kupferleiter hat bei 10 A und bei 200 A den gleichen Widerstand, aber die von ihm erzeugte Wärme steigt mit dem Quadrat des Stroms, während die von ihm abgegebene Wärme von der Oberfläche, der Installationsart und der Umgebungstemperatur abhängt.

Sechs Eingaben verschieben die Zahl auf der Seite: Querschnitt in AWG, kcmil oder mm²; Leitermaterial und Leitfähigkeitsgrad; Temperaturbewertung der Isolierung und des Mantels; Installationsmethode wie Freiluft, Kanal, Wanne oder erdverlegter Kanal; Umgebungstemperatur; und die Anzahl der stromführenden Leiter, die sich dasselbe Gehäuse teilen. Wenn Sie eine davon ändern, kann dasselbe Kupfer im Abstand von zwanzig oder dreißig Ampere aufgelistet werden.

Bevor eine Zahl zitiert wird, müssen zwei Konventionen überprüft werden. AWG- und kcmil-Tabellen gehen normalerweise von 30 °C Umgebungstemperatur und einer definierten Leitungsfüllung aus, während IEC-Tabellen mit unterschiedlichen Gruppierungsfaktoren von 30 °C in der Luft, aber 20 °C im Boden ausgehen können. Ein 25-mm²-Wert aus einer IEC-Tabelle passt nicht genau zu einer AWG-Liste, da 25 mm² zwischen 4 AWG bei etwa 21,2 mm² und 3 AWG bei etwa 26,7 mm² liegen. Die Kombination der beiden Systeme in einem Zeitplan führt häufig zu Verwirrung in der Ausschreibungsphase.

Warum das gleiche Kupfer drei unterschiedliche Stromstärken aufweist

Die drei Spalten existieren, weil die Isolierung auf einer Temperaturkurve versagt. PVC-Verbindungen sind typischerweise für 70 °C oder 75 °C ausgelegt, XLPE und EPR erreichen 90 °C und die 60 °C-Kategorie bleibt hauptsächlich für ältere Gummiisolierungen und für Geräte bestehen, die für 60 °C-Anschlüsse gekennzeichnet sind. Ein 90 °C-Leiter ist kein „besseres Kupfer“; es ist das gleiche Kupfer mit Isolierung, das mehr Hitze verträgt, bevor es spröde wird oder sich verformt.

Die zweite Begrenzung sitzt an den Enden des Kabels. Klemmenblöcke, Kabelschuhe und Unterbrecherpads werden separat bewertet, und die allgemeine Regel lautet, dass bei Stromkreisen über 100 A davon ausgegangen wird, dass 75 °C-Anschlüsse verwendet werden, sofern das Gerät nicht anders gekennzeichnet ist. Ein 90 °C warmes XLPE-Kabel, das an einem 75 °C-Kabelschuh angeschlossen ist, ist daher auf den 75 °C-Wert begrenzt, und der zusätzliche thermische Spielraum wird nur dann nützlich, wenn er durch Leistungsreduzierung verbraucht wird.

Das ist die praktische Schlussfolgerung für die Spezifikationsarbeit: Wählen Sie das 90-°C-Produkt wegen der Spielhöhe, die es Ihnen in heißen Anlagenräumen und überfüllten Tabletts bietet, aber geben Sie niemals die 90-°C-Säule als Schaltkreisnennwert an, ohne den Abschluss zu bestätigen. Wenn die beiden nicht übereinstimmen, ist die niedrigere Zahl maßgebend, und der Unterschied erklärt oft, warum zwei Lieferanten dasselbe Kabel mit verdächtig unterschiedlichen Stromangaben angeben.

Kupferstrombelastbarkeit nach Größe: Wo die Kurve verläuft

Die Strombelastbarkeit skaliert nicht mit dem Querschnitt. Beim Übergang von 6 AWG auf 500 kcmil vervielfacht sich die Leiterfläche um etwa das Neunzehnfache, aber die Strombelastbarkeit bei 90 °C steigt nur von 75 A auf 430 A, was einem Faktor von etwa 5,7 entspricht. Wärme verlässt den Leiter durch seine Oberfläche, und die Oberfläche wächst mit dem Durchmesser und nicht mit der Fläche, sodass jeder zusätzliche Quadratmillimeter Kupfer etwas weniger Strom verbraucht als der davor.

Die Stäbe sind auf 430 A skaliert. Der visuelle Abstand zwischen den beiden Nennwerten verringert sich in absoluten Zahlen mit zunehmender Größe, weshalb Reduzierungsstrafen kleine Leiter proportional stärker beeinträchtigen als große.

Diese Biegung hat zwei praktische Konsequenzen. Erstens können mehrere kleinere parallele Leiter die Wärme besser ableiten als ein großer Leiter mit der gleichen Gesamtfläche, aber jeder parallele Strang zieht dann Gruppierungsfaktoren an und jeder Strang benötigt seinen eigenen Anschlussraum. Zweitens verhält sich der Spannungsabfall in der entgegengesetzten Richtung zur Wärme, sodass lange Strecken normalerweise durch den Spannungsabfall und nicht durch die Stromsäule bestimmt werden und ein Leiter, der die Strombelastbarkeitsprüfung besteht, die Spannungsabfallprüfung trotzdem mit großem Abstand nicht bestehen kann.

Derating: Die Korrekturen, die die endgültige Zahl verändern

Bei Korrekturfaktoren werden Diagrammwerte zu Entwurfswerten. Es lohnt sich, die folgende Reihenfolge einzuhalten, wobei als bearbeiteter Fall ein 1/0 AWG XLPE-Kupferleiter verwendet wird.

1. Beginnen Sie mit dem Tabellenwert bei der Isolationsleistung: 170 A bei 90 °C.
2. Wenden Sie die Umgebungskorrektur an. Bei 45 °C Luft beträgt der Faktor für einen 90 °C-Leiter etwa 0,87, was etwa 148 A ergibt.
3. Wenden Sie den Gruppierungsfaktor für die Anzahl der belasteten Leiter an, die sich die Laufbahn teilen. Sechs Leiter verbrauchen typischerweise 0,80 A, was etwa 118 A ergibt.
4. Vergleichen Sie mit der Abschlussgrenze von 150 A bei 75 °C. Die Kündigung ist hier nicht die bindende Einschränkung.
5. Wenden Sie die Dauerlastregel an, die erfordert, dass der Leiter für mindestens 125 % der Dauerlast ausgelegt sein muss. Die nutzbare Dauerlast sinkt auf etwa 94 A.

Wenn Sie denselben Leiter an 60-°C-Kabelschuhen verlegen, ändert sich das Bild erneut: Die Obergrenze sinkt auf 125 A, und nach den gleichen Korrekturen ist der Stromkreis auf etwa 87 A begrenzt. Ein Designer, der nur die 90-°C-Spalte gelesen hätte, hätte die Kapazität vor der Anwendung der Korrekturen um fast 100 % und danach um etwa 35 % überbewertet. Diese Lücke stellt die tatsächlichen Kosten einer ungeprüften Kartenreferenz dar und ist auf dem Papier deutlich günstiger zu erfassen als bei der Inbetriebnahme.

Bei Erdungsleitern ist die Strombelastbarkeit nicht alles

Erdungsleiter sind unterschiedlich dimensioniert. Der Geräteerdungsleiter wird im Allgemeinen aus einer Tabelle ausgewählt, die sich an der Nennleistung des vorgeschalteten Überstromgeräts und nicht am Laststrom orientiert: Ein 200-A-Gerät erfordert Kupfer mit 6 AWG, 400 A für 3 AWG, 600 A für 1 AWG, und die Leiter geht mit der Gerätenennleistung weiter nach oben. Die Strombelastbarkeitstabelle sagt Ihnen sehr wenig über diese Auswahl.

Stattdessen kommt es auf die Kurzzeitfestigkeit an. Die adiabatische Prüfung ist S = √(I²t) / k, wobei S die Leiterfläche in mm², I der Fehlerstrom in Ampere, t die Löschzeit in Sekunden und k eine Material- und Isolationskonstante ist: etwa 143 für Kupfer mit PVC-Isolierung und 176 für Kupfer mit XLPE, entnommen aus IEC 60364-5-54. Ein 35 mm² großer Kupfer-PVC-Erdungsleiter nimmt also für eine Sekunde etwa 5 kA auf. Längere Löschzeiten oder höhere Fehlerpegel vergrößern den Bereich schnell, weshalb Schutzeinstellungen und Leitergröße immer gemeinsam überprüft werden.

Die gleiche Logik erklärt, warum Erdungshardware anhand des Verbindungswiderstands und der Kurzschlussfestigkeit und nicht anhand der Dauerstrombelastbarkeit spezifiziert wird und warum die zugrunde liegende Frage der Spannungsfestigkeit eine eigene Prüfung verdient. Die Mechanismen hinter dieser Prüfung werden in diesem Hinweis erläutert Wie viel Strom halten Erdungsleiter im Fehlerfall aus? , was gut zu den obigen Diagrammwerten passt.

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Bei diesen Berechnungen verhalten sich blanke Kupferschienen und verseilte Kupferleiter anders als isolierte Kabel. Eine Sammelschiene hat keinen Mantel, der ihre Temperatur begrenzt, aber die veröffentlichten Schienenwerte variieren je nach Quelle um 30–50 %, da Ausrichtung, Abstand, Plenumbedingungen und zulässiger Temperaturanstieg unterschiedlich sind. Wenn Sie einen 25 × 3 mm-Stab mit einem Nennstrom von 250 A mit einem mit einem Nennstrom von 350 A vergleichen, überprüfen Sie die Temperaturanstiegsbasis, bevor Sie annehmen, dass einer von beiden falsch ist.

Was ist auf der Bestellung anzugeben?

Da ein großer Teil des Diagramms vom Kontext abhängt, sollte das Bestelldokument die Zahlen enthalten, die das Problem beheben. Geben Sie die Leiternorm (IEC 60228 Klasse 2 für Kupferlitzen oder ASTM B8, wenn imperiale Abmessungen gelten), den Nennquerschnitt und den maximalen Gleichstromwiderstand bei 20 °C an: 25 mm² Kupfer sollten etwa 0,727 Ω/km und 95 mm² etwa 0,193 Ω/km nicht überschreiten. Geben Sie den Isolationstyp und die Temperaturbewertung, die Verseilungsklasse und die Norm an, der das Prüfzertifikat folgen soll.

Wenn als Ersatz kupferkaschierter Stahl oder kupferkaschiertes Aluminium vorgeschlagen wird, kommt es mehr auf die Güte als auf den Durchmesser an. Kupferplattierter Stahl wird normalerweise mit einer IACS-Leitfähigkeit von 21 %, 30 % oder 40 % angeboten, sodass ein 40 %-Stahl etwa 40 % des Stroms eines massiven Kupferleiters gleicher Größe überträgt. Ein Lieferant, der nur „kupferkaschiert“ ohne Angabe der Leitfähigkeitsklasse angibt, hat die Frage nicht beantwortet.

Toleranzen sind das stille wirtschaftliche Risiko. Ein Leiter, der 2 % unter dem Nenndurchmesser geliefert wird, verliert etwa 4 % seines Querschnitts, was sich im Laufe der Betriebsjahre als ein paar Prozent zusätzlicher Widerstand und ein paar Grad mehr Betriebstemperatur bemerkbar macht. Messschieber an einem Litzenleiter sind unzuverlässig; Durch das Wiegen einer gemessenen Länge oder das Messen des Widerstands auf einer Brücke lässt sich der Streit in wenigen Minuten klären.

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Flexible Steckverbinder, Litzen und Brücken verdienen die gleiche Disziplin, da ihre Strombelastbarkeit eher durch die Verbindung und den Kabelschuh als durch den Leiter selbst begrenzt wird. Käufer, die eine Stückliste durcharbeiten, verknüpfen diese Elemente häufig mit dem Erdungsleiterbereich, sodass eine Spezifikation den gesamten Erdungspfad abdeckt; Der Kupfererdungsdrahtbereich ist ein nützlicher Bezugspunkt bei der Konsolidierung dieser Einzelposten.

Überprüfen Sie, ob es sich lohnt, vor Ihrer Verpflichtung durchzuführen

1. Bestätigen Sie die Temperaturbewertung aller Anschlüsse im Stromkreis, nicht nur des Kabels.
2. Notieren Sie die Umgebungstemperatur und die Anzahl der belasteten Leiter pro Kabelkanal. beide sind erforderlich, um den herabgesetzten Wert zu rechtfertigen.
3. Überprüfen Sie, ob das Diagramm, das Sie lesen, auf AWG- oder metrischen Annahmen basiert, und interpolieren Sie niemals zwischen den beiden Systemen.
4. Überprüfen Sie den Fehlerpegel und die Beseitigungszeit für Erdungs- und Potentialausgleichsleiter, da die Strombelastbarkeit allein keinen Einfluss auf die Größe dieser Leiter hat.
5. Fragen Sie nach Widerstandsdaten und Leitfähigkeitsgrad für jede kupferkaschierte Alternative.

Ein Kupfer-Strombelastbarkeitsdiagramm ist ein Ausgangspunkt, keine Antwort. Die Zahl, die die Überprüfung übersteht, ist diejenige, die auf Umgebungs-, Gruppierungs- und Abschlussgrenzwerte getrimmt und dann auf Fehlerfestigkeit geprüft wurde, bei der der Leiter zum Schutz von Personen und nicht zum Tragen von Lasten dient.