Inhaltsübersicht
Übersicht
In diesem Bericht wird erläutert, wie genaue Strombelastbarkeitsberechnungen für gängige industrielle Niederspannungskabel und Mittelspannungskabel von Southwire durchgeführt werden. Der Begriff "Strombelastbarkeit" hat die gleiche Bedeutung wie "Nennstrom".
Southwire Company, LLC, gemeinhin bekannt als Southwire, ist einer der führenden nordamerikanischen Hersteller von Draht- und Kabellösungen. Das Unternehmen bietet eine breite Palette von Produkten an, darunter Freileitungen, Stromversorgungskabel, metallummantelte Stromkabel, elektrische Leitungen für Gebäude, industrielle Stromkabel und vieles mehr.
Die Kabeldatenblätter enthielten Standard-Strombelastbarkeitswerte für allgemeine Kabel für feste Bedingungen, die aus einfachen Nachschlagetabellen von Southwire direkt aus ICEA P-117-734-2016 [ref. 1] übernommen wurden.
Strombelastbarkeitswerte, die direkt aus Normen entnommen werden, sind nicht genau. Diese Werte berücksichtigen nicht die tatsächliche Konstruktion Ihrer Kabel oder die tatsächlichen Installationsbedingungen.
Wir modellierten Hunderte dieser Kabel unter Verwendung der tatsächlichen Kabelkonstruktion aus den Datenblättern des Herstellers (Southwire). Wir verwendeten die ELEK Cable HV Software, die auf IEC 60287 [ref. 2] und CIGRE TB 880 [ref. 3] basiert, um die genauen Strombelastbarkeitsberechnungen durchzuführen.
Die Strombelastbarkeitswerte der Software stimmten mit den Werten überein, die in den Datenblättern für die standardmäßigen (festen) Installationsbedingungen aufgeführt sind. Im Folgenden sind drei (3) Fallstudien aufgeführt.
Bei der Berechnung der Strombelastbarkeit berücksichtigte Normen
Die folgenden Normen wurden für die Berechnung der Strombelastbarkeit und den Vergleich der Ergebnisse herangezogen. Die darin enthaltenen Berechnungsmethoden werden aufgrund ihrer detaillierten thermischen Modellierung, empirischen Validierung, Standardisierungsprozesse, Korrelation mit Felddaten und kontinuierlichen Verbesserungen als genau angesehen. Ihre Methoden gewährleisten eine sichere und effiziente Auslegung und den Betrieb von elektrischen Kabelsystemen unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
IEC-Norm 60287
IEC 60287 ist eine Reihe internationaler Normen, die von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) für die Berechnung der Strombelastbarkeit (Amperezahl) von elektrischen Kabeln entwickelt wurden. Die Norm verwendet ein thermisches Ersatzschaltbild des Kabels und der Installationsumgebung, um eine Strombelastbarkeit zu bestimmen, die die Temperaturgrenzen des Kabels nicht überschreitet. Diese Norm bietet eine weithin akzeptierte Methode, zu der viele Ingenieure und Wissenschaftler in der Vergangenheit beigetragen haben und auch in Zukunft beitragen werden. Beachten Sie, dass es Situationen gibt, in denen die von der IEC empfohlenen Berechnungen nicht vollständig korrekt sind. Daher sollten die Hinweise in der Technischen Broschüre 880 der CIGRE [ref. 3] auf die IEC-basierten Berechnungen angewendet werden.
Neher-McGrath-Verfahren
ANSI/ICEA-Normen
ANSI/ICEA-Normen beziehen sich auf die gemeinsam vom American National Standards Institute (ANSI) und der Insulated Cable Engineers Association (ICEA) entwickelten Normen. Diese Norm enthält spezifische Richtlinien für die Konstruktion von Kabeln, Materialien und Leistungsanforderungen. Die Norm enthält auch Verfahren für die Prüfung von Kabeln, um die Einhaltung der festgelegten Anforderungen zu überprüfen, und Empfehlungen für die ordnungsgemäße Installation, Handhabung und Wartung von Kabeln, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb während ihrer gesamten Lebensdauer zu gewährleisten.
Modellierung der Kabel
Die Kabel von Southwire wurden anhand von Informationen aus Kabeldatenblättern und ICEA-Normen modelliert. Informationen über das Material, die Konstruktion und den Durchmesser/die Dicke der Kabelschichten wurden den Datenblättern entnommen, während die ICEA-Normen Informationen über die Installationsbedingungen lieferten (da auf den Datenblättern vermerkt war, dass die angegebenen Stromstärken auf den ICEA-Nennwerten basierten).
Obwohl das Datenblatt die meisten wichtigen Parameter für die Modellierung der Kabel enthielt, wie z. B. Durchmesser über dem Leiter, Durchmesser über der Isolierung, Außendurchmesser des Kabels usw., waren nicht alle Parameter angegeben. In diesen Fällen haben wir logische Annahmen getroffen.
Die Spezifikationen und allgemeinen Annahmen zu den einzelnen Schichttypen sind im Folgenden aufgeführt:
Allgemeine Einstellungen: Alle Kabeltypen sind extrudiert und dreiphasig. Die Netzfrequenz wurde auf 60 Hz eingestellt. Spannung und Anzahl der Adern werden entsprechend den Angaben im Datenblatt geändert.
Leiter: Leitergröße, Durchmesser und Material wurden direkt aus dem Datenblatt entnommen. Für die Modellierung aller Leiter wurden Litzen der Klasse 2 verwendet. Die Größen reichten von 1/0 AWG bis 2000 Kcmil.
Leiterschirm: Der Durchmesser und die Dicke des Leitungsschirms waren im Datenblatt nicht verfügbar. Wenn man den Durchmesser der Isolierung nimmt und die Dicke der Isolierung von ihrem Durchmesser subtrahiert, erhält man den Durchmesser des Leitungsschirms.
Isolierung: Der Durchmesser, die Dicke und die maximale Betriebstemperatur der Isolierung waren verfügbar. Der Isolierungstyp wurde je nach Herstellerangaben entweder auf XLPE oder EPR eingestellt. Isolationseigenschaften wie die relative Dielektrizitätskonstante, der spezifische Wärmewiderstand, die spezifische Wärmekapazität und die maximale Kurzschlusstemperatur werden je nach Isolationstyp automatisch in der Software eingestellt.
Isolierschirm: Der Durchmesser des Isolierschirms war verfügbar. Durch die Einstellung des Durchmessers des Isolierschirms in der Software wird automatisch die Dicke festgelegt. Das Material ist immer auf den Typ "extrudierter Halbleiter" eingestellt.
Schirm/Band-Abschirmung: Aus dem Datenblatt des Herstellers wissen wir, dass für die Abschirmung ein Kupferband mit 25 % Überlappung und einer Dicke von 0,005 Zoll verwendet wird. Für einadrige Kabel waren die Anzahl der Adern und die Dicke der Abschirmung verfügbar.
Erdungsleiter: Der Erdungsleiter wurde in der Software aus dem Modell ausgeschlossen.
Füllstoff: Es wurde immer ein benutzerdefinierter Materialtyp verwendet. Die Dicke wurde auf 0 gesetzt, und um dem Datenblatt zu entsprechen, wurde die maximale Kurzschlusstemperatur auf 250oC festgelegt.
Bindemittel: Der Durchmesser und die Dicke des Bindemittels wurden aus dem Durchmesser und der Dicke des Mantels berechnet, ähnlich wie beim Leiterschirm. Aus dem Datenblatt geht hervor, dass die maximale Kurzschlusstemperatur 250oC beträgt.
Mantel: Mantelstärke und -durchmesser wurden im Datenblatt angegeben. Je nach Angabe wurde PVC oder Polyethylen als Mantelmaterial verwendet.
Berechnungen der Strombelastbarkeit
Die Kabel wurden in der Software anhand des von Southwire bereitgestellten Datenblatts für das Kabelmodell modelliert und anhand der auf dem Datenblatt des Herstellers angegebenen Strombelastbarkeit überprüft. Die Strombelastbarkeitswerte auf dem Datenblatt wurden direkt aus der Norm ANSI/ICEA P-117-734 [ref. 1] übernommen.
Die Strombelastbarkeitsberechnungen in dieser Norm wurden mit dem Softwareprogramm CYMCAP Version 5.3 Rev 2 durchgeführt. Die für die Berechnungen in CYMCAP verwendete Methodik basiert auf Neher-McGrath und IEC 60287.
Die Version 2016 der ANSI/ICEA P-117-734 ist älter als die Veröffentlichung des CIGRE TB 880 (2023). Daher sind die Strombelastbarkeitswerte in der Norm (die von der CYMCAP-Software bereitgestellt werden) nicht genau, da sie nicht nach bewährten Verfahren berechnet wurden.
Die von ELEK Cable HV Software bereitgestellten Strombelastbarkeitsberechnungen basieren ebenfalls auf Neher-McGrath und IEC 60287. Darüber hinaus ist die Software auf dem neuesten Stand und entspricht der technischen Broschüre 880 der CIGRE [ref. 3].
Wir haben die Kabel in der Software so genau wie möglich mit den zur Verfügung gestellten Informationen modelliert. Wir haben das Modell grob validiert, indem wir unsere berechnete Strombelastbarkeit mit derjenigen auf dem Datenblatt verglichen haben, das den ICEAP-Normen entnommen wurde.
Standardbedingungen
Die Installationsbedingungen und Strombelastbarkeitsberechnungen für Southwire-Kabel basieren auf der Norm ICEA P-117-734-2016 [ref. 1]. Die Normen für die Installationen sind unten angegeben:
Wärmewiderstand = 0,9 K.m/W. [ICEA, Abschnitt: 3.1.4]
Maximale Leitertemperatur = 90oC und 105oC für 15 und 35 kV Kabel. [ICEA, Abschnitt: 3.1.5]
Erdumgebungstemperatur für direkt erdverlegte Kabel = 25oC [ICEA, Abschnitt: 3.1.5]
Vergrabungstiefe = 36 Zoll (3 Fuß). [ICEA, Abschnitt: 3.1.12]
Kanalkonfiguration: [NFPA70, Abschnitt: 315.60, 350.60]
Umgebungstemperatur der Erde = 20oC
Wärmewiderstand = 0,9 K.m/W.
Werkstoff = PVC
Grabtiefe = 36 Zoll (3 Fuß)
Verlegebedingungen für direkt erdverlegte Einzelstromkreise = flach/berührend [ICEA, Abbildung 3, Abschnitt 7]
Einbaubedingung für einen im Kanal verlegten Stromkreis = Trefoil/Touching [ICEA, Abbildung 7, Abschnitt 7]
Ergebnisse
Versorgungs- und Industriekabel werden aus der Southwire-Kabelbibliothek modelliert. Die Konstruktion hängt von der Art der Nutzung ab. Einige der bemerkenswerten Kabel und Berechnungsergebnisse werden im Folgenden erläutert.
Kabeltyp 1 - 25 kV AL 100% TRXLPE Full Neutral LLDPE
Beschreibung: Einzelner Leiter, 260 Mils baumbeständiges, vernetztes Polyethylen, 100 % Isolationsniveau, voll konzentrischer Neutralleiter, Mantel aus linearem Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE). Silikonfrei
Datenblatt: SPEC 81141
| Spannung (kV) | Anzahl von Leitern | Anzahl der Phasen | Frequenz (Hz) |  |
|---|---|---|---|---|
| 25 | 1 | 3 | 60 |
Installationsbedingungen:
Annahmen:
-
Leiterschirm und -durchmesser berechnet aus Isolationsdicke und -durchmesser.
-
Der Durchmesser des Leiterschirms wird aus dem Durchmesser und der Dicke der Isolierung berechnet.
-
Die Dicke des Isolierschirms wird aus dem Durchmesser des Isolierschirms berechnet.
-
Die Dicke und der Durchmesser des Siebes werden aus der Dicke und dem Durchmesser des Mantels berechnet.
-
Der Faktor für die Schlaglänge des Siebes wird mit 1,05 angenommen.
Ergebnisse:
Die Stromstärken in der ELEK Cable HV Software stimmen weitgehend mit denen von ICEAP überein. Der größte Unterschied beträgt 2,74 % für 1 (Massiv-)AWG-Leiter und die größte Übereinstimmung besteht für 4/0 AWG-Leiter mit einem Unterschied von 0,76 %. In allen Fällen hat ELEK Cable HV Software eine etwas höhere Bewertung als ICEAP.
| Größe des Leiters (AWG/Kcmil) | Strombelastbarkeit in ICEAP (A) | Strombelastbarkeit in der ELEK Cable HV Software (A) | Abweichung ( % ) |
|---|---|---|---|
| 1 (fest) | 170 | 174.79 | 2.74 |
| 1 | 170 | 175.04 | 2.88 |
| 1/0 (fest) | 195 | 198.22 | 1.62 |
| 1/0 | 195 | 197.85 | 1.44 |
| 2/0 | 220 | 224.79 | 2.13 |
| 3/0 | 250 | 253.73 | 1.47 |
| 4/0 | 285 | 287.18 | 0.76 |
| 250 | 307 | 313.42 | 2.05 |
| 350 | 365 | 370.13 | 1.39 |
Kabeltyp 2 - CU Compressed 8 kV NLEPR Isolierung 133% IL SIM-PVC Mantel. MV 105 - Tray Rated - Sonnenlichtbeständig
Beschreibung: Typ MV-105 Einzelleiter Kupfer, 140 Mils bleifreier Ethylen-Propylen-Kautschuk (NL-EPR) 133% Isolationsgrad, Bandabschirmung, SIMpull Polyvinylchlorid (PVC)-Mantel, zweifach bewertet UL/CSA
Datenblatt: SPEC 46271
| Spannung (kV) | Anzahl von Leitern | Anzahl der Phasen | Frequenz (Hz) |  |
|---|---|---|---|---|
| 8 | 1 | 3 | 60 |
Installationsbedingungen:
Für industrielle Produkte folgt Southwire den NFPA70-2023 [4] Standards für die Installation in Kanälen. Der einzige nennenswerte Unterschied besteht darin, dass die Temperatur der Umgebungsluft in Kanälen auf 20oC festgelegt ist.
Annahmen:
Der Kanaldurchmesser wurde nicht angegeben. Es wurde angenommen, dass der Durchmesser mit den aktuellen Nennwerten übereinstimmt.
Der Durchmesser des Leiterschirms wird aus dem Durchmesser und der Dicke der Isolierung berechnet.
Die Dicke des Isolierschirms wird aus dem Durchmesser des Isolierschirms berechnet.
Der Faktor für die Verlegelänge des Bildschirms wird mit 1,01 angegeben.
Die Bandbreite des Bildschirms wird mit 2 Zoll angenommen.
Die Anzahl der Bänder wird mit 2 angenommen.
Der Faktor für die Schlaglänge des Siebes wird mit 1,05 angenommen.
Ergebnisse:
Die Strombelastbarkeit in ICEAP ist etwas höher als in ELEK Cable HV Software. Eine Ausnahme bilden die 750 Kcmil- und 1000 Kcmil-Leiter, bei denen die Strombelastbarkeit in ELEK Cable HV Software höher ist als in ICEAP. Die Antworten stimmen mit einer durchschnittlichen Differenz von 1,4 % gut überein.
| Größe des Leiters (AWG/Kcmil) | Strombelastbarkeit in ICEAP (A) | Strombelastbarkeit in der ELEK Cable HV Software (A) | Abweichung ( % ) |
|---|---|---|---|
| 2 | 165 | 162.50 | 1.52 |
| 1 | 185 | 184.46 | 0.29 |
| 1/0 | 215 | 209.91 | 2.37 |
| 2/0 | 245 | 238.59 | 2.61 |
| 3/0 | 275 | 271.42 | 1.30 |
| 4/0 | 315 | 312.13 | 0.91 |
| 250 | 345 | 341.72 | 0.95 |
| 350 | 415 | 410.26 | 1.14 |
| 500 | 500 | 498.01 | 0.40 |
| 750 | 610 | 612.71 | -0.44 |
| 1000 | 690 | 696.24 | -0.90 |
Kabeltyp 3 - CU Compressed 15 kV NLEPR Isolierung 100% IL Schwarzer PVC Mantel. MV 105 - Tray Rated - Sonnenlichtbeständig
Beschreibung: Typ MV-105 Drei Leiter aus Kupfer, 175 Mils bleifreier Ethylen-Propylen-Kautschuk (NL-EPR), 100%ige Isolierung, Bandabschirmung, Mantel aus Polyvinylchlorid (PVC), zweifach eingestuft UL/CSA. Silikonfrei
Datenblatt: SPEC 46401
| Spannung (kV) | Anzahl von Leitern | Anzahl der Phasen | Frequenz (Hz) |  |
|---|---|---|---|---|
| 15 | 3 | 3 | 60 |
Annahmen:
Der Kanaldurchmesser wurde nicht angegeben. Es wurde angenommen, dass der Durchmesser mit den aktuellen Nennwerten übereinstimmt.
Der Faktor für die Schlaglänge wird mit 1,01 angegeben.
Der Durchmesser des Leiterschirms wird aus dem Durchmesser und der Dicke der Isolierung berechnet.
Die Dicke des Isolierschirms wird aus dem Durchmesser des Isolierschirms berechnet.
Die Bandbreite des Bildschirms wird mit 2 Zoll angenommen.
Der Faktor für die Schlaglänge wird mit 1,01 angenommen.
Für den Füllstoff wurde der Wärmewiderstand bei 5 K.m/W gehalten, da der durchschnittliche Wärmewiderstand von Papierfüllstoffen 5 K.m/W beträgt.
Benutzerdefinierte Schicht für Binder mit benutzerdefiniertem Material verwendet. Der Wärmewiderstand von Polyglasband beträgt 2,5 K.m/W.
Durchmesser des Bindemittels, berechnet aus Durchmesser und Dicke des Mantels.
Der Faktor für die Mantelschlaglänge wurde auf 1,01 festgelegt.
Ergebnisse:
Die Modellierung dieses Kabels ist sehr genau, da der durchschnittliche Unterschied in der Strombelastbarkeit 0,8 % beträgt, wobei das am nächsten liegende Kabel einen Unterschied von 0,05 % und der höchste Unterschied 1,65 % aufweist. In allen Fällen ist die Leistung des ICEAP etwas höher.
| Größe des Leiters (AWG/Kcmil) | Strombelastbarkeit in ICEAP (A) | Strombelastbarkeit in der ELEK Cable HV Software (A) | Abweichung ( % ) |
|---|---|---|---|
| 2 | 160 | 159.92 | 0.05 |
| 1 | 185 | 183.78 | 0.66 |
| 1/0 | 210 | 208.91 | 0.52 |
| 2/0 | 235 | 231.12 | 1.65 |
| 3/0 | 270 | 265.70 | 1.59 |
| 4/0 | 305 | 302.06 | 0.97 |
| 250 | 335 | 330.53 | 1.33 |
| 350 | 400 | 397.99 | 0.50 |
| 500 | 485 | 479.71 | 1.09 |
| 750 | 585 | 582.58 | 0.41 |
Schlussfolgerungen
Die Strombelastbarkeit der von Southwire hergestellten Kabel wurde mit der ELEK Cable HV Software berechnet. Zunächst wurden die Kabel auf der Grundlage der in den Datenblättern angegebenen Eigenschaften modelliert. Die Datenblätter der Hersteller enthielten auch eine Reihe von Strombelastbarkeitswerten für Standardverlegungsbedingungen. Diese wurden den ICEAP-Normen entnommen, die auf einer Reihe von (festen) Standardinstallationsbedingungen unter Verwendung von IEC 60287 und den Neher-McGrath-Berechnungsmethoden basieren.
Die Strombelastbarkeitswerte auf den Kabeldatenblättern wurden verwendet, um zu überprüfen, ob die Kabel korrekt modelliert worden waren. Die mit der ELEK Cable HV Software berechneten Strombelastbarkeitswerte lagen nahe bei denen auf den Datenblättern, was in der Tat bestätigt, dass die Modellierung korrekt durchgeführt worden war.
Bei allen Kabeltypen wurde eine Differenz von weniger als 3 % zwischen der von den Softwaremodellen und den Datenblättern angegebenen Strombelastbarkeit erreicht.
Die von der ELEK Cable HV Software angegebenen Strombelastbarkeitswerte sollten jedoch als genauer angesehen werden als die auf dem Datenblatt angegebenen Werte. Der Hauptvorteil der Modellierung besteht darin, dass die Software genaue Strombelastbarkeitsergebnisse für nicht standardmäßige Installationsbedingungen liefern kann.
Referenzen:
[1] ANSI/ICEA P-117-734-2016, "Ampacities For Single-Conductor Solid Dielectric Power Cable 15 kV Through 35 kV,".
[2] IEC 60287:2023 SER-Reihe. Elektrische Leitungen - Berechnung der Strombelastbarkeit.
[3] CIGRE B1 Insulated Cables Technical Brochure. "Power cable rating examples for calculation tool verification". Referenz 880. September 2022
[4] NFPA70-2023, "National Electrical Code" (Nationaler Elektrocode).
[5] POLYPRES S.A., "POLYGLASS: Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW-PE)", Alfarrasí, Valencia, Spanien.
[6] Neher, J. H.; McGrath, M. H. (Oktober 1957). "Die Berechnung des Temperaturanstiegs und der Belastbarkeit von Kabelsystemen".
[7] ELEK Cable HV Software, V6.5.
