Strombelastbarkeit von elektrischen Leitungen

Elektrischer Strom in den Leitern erzeugt dauerhaft Wärme, die üblicherweise an die Umgebung abgegeben wird. Die Wärmeabgabe verhindert eine Überhitzung der Leitung und funktioniert umso besser, je größer der Temperaturunterschied zwischen Leiter und Umgebung ist. Im Dauerbetrieb stellt sich dabei ein thermisches Gleichgewicht ein: Die Leitung gibt, abhängig von ihrer Verlegeart, genauso viel Wärme ab, wie im Leiter entsteht. Verschiedene weitere Faktoren beeinflussen die Wärmeentwicklung und müssen für die zulässige Strombelastbarkeit einer Leitung berücksichtigt werden. Denn wenn Leitungen dauerhaft überbelastet werden, können sie überhitzen, Schaden nehmen oder im schlimmsten Fall Brände verursachen. Das lässt sich schon in der Planung durch die Beachtung der Praxisbedingungen verhindern. Wie das geht, erklären wir hier.

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Wann entsteht eine Überhitzung der Leitung? 

Die Strombelastbarkeit einer Leitung gibt an, wie viel elektrischen Strom sie dauerhaft führen kann, ohne sich unzulässig zu erwärmen. Sie hängt von verschiedenen Randbedingungen ab: Bei hohen Umgebungstemperaturen wird die Leitung schlechter gekühlt und kann daher weniger Strom führen, beispielsweise in Saunen oder Technikräumen. Entscheidend ist deshalb die Art der Leitungsverlegung, da sie die Wärmeabfuhr maßgeblich beeinflusst. Außerdem spielt die Anzahl der stromführenden Adern eine Rolle: Je mehr Adern gleichzeitig Strom führen, desto mehr Wärme entsteht innerhalb der Leitung, wodurch sich die zulässige Strombelastbarkeit verringern kann. Bei Einphasenwechselstrom sind meist zwei Adern belastet, bei Drehstrom in der Regel drei. Die Wärmeabfuhr einer Leitung und der Schutz vor Überhitzung hängen somit wesentlich von der Umgebungstemperatur und der Verlegeart ab.

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Welche Verlegearten für Elektroleitungen gibt es? 

Für die Gebäudeinstallation werden die Verlegearten von Elektroleitungen vor allem hinsichtlich ihrer Wärmeabfuhr unterschieden:

• A1 / A2: schlechte Kühlung, da die Leitung in Wärmedämmstoffen liegt
• B1 / B2: mäßige Kühlung durch Verlegung in Rohren oder Kanälen im oder auf dem Mauerwerk
• C: gute Kühlung, da die Leitung ohne Rohr direkt im Mauerwerk, im Putz oder auf dem Mauerwerk verlegt wird
• D: Verlegung im Erdboden
• E: Verlegung frei an der Luft

Die Norm DIN VDE 0298-4: Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen enthält für diese Verlegearten Referenzwerte zur Strombelastbarkeit I_r , bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 30 °C (Luft), auf Leiter-Betriebstemperaturen von 70 °C bis 90 °C sowie für zwei oder drei stromführende Leiter. Unterschiede ergeben sich außerdem durch das Leitermaterial – Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) – sowie durch das verwendete Isolationsmaterial. So sind Kupferleitungen bei gleicher Querschnittsgröße in der Regel strombelastbarer als Aluminiumleitungen, weil Kupfer elektrischen Strom besser leitet und sich dadurch weniger erwärmt. Auch die unterschiedlichen Isolierstoffe einer Leitung vertragen dauerhaft nur begrenzt hohe Temperaturen: PVC-Isolierungen sind meist bis etwa 70 °C zugelassen, während vernetzte Kunststoffe wie XLPE höhere Betriebstemperaturen von etwa 90 °C erlauben. Die Wahl der Verlegeart ist also eine wesentliche Grundlage für die Dimensionierung und Materialwahl von Leitungen im Gebäude.

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Tatsächliche Strombelastbarkeit berechnen

Die in den Tabellen der DIN VDE 0298-4 angegebenen Werte gelten jedoch nur für ideale Bedingungen. Tatsächlich wird die maximal zulässige Strombelastbarkeit zusätzlich von weiteren Einflüssen bestimmt:

• Abweichende Umgebungstemperaturen: Höhere Temperaturen als 30 °C senken die Strombelastbarkeit.
• Leiter- und Leitungshäufungen: Erwärmen sich die Leitungen gegenseitig, senkt das die Strombelastbarkeit.
• Verlegeanordnungen: Ob Leitungen an Wänden, Decken, Fußböden befestigt oder mittels Kabelwannen/Kabelpritschen verlegt sind, beeinflusst die Strombelastbarkeit.
• Anzahl belasteter Adern in mehradrigen Leitungen: Auch hier wirken sich die durch den Strom entstehenden Leitertemperaturen auf die Strombelastbarkeit der Leiter der Leitung aus.
• Oberschwingungen (Erklärung siehe weiter unten im Text)

Für diese verschiedenen Einflüsse benennt die DIN VDE 0298-4 in mehreren Tabellen detaillierte Umrechnungsfaktoren k (auch f genannt). Werden diese mit dem tabellarischen Referenzwert zur Strombelastbarkeit I_r multipliziert, lässt sich die tatsächlich zulässige Strombelastbarkeit I_Z ermitteln. Wirken mehrere der genannten Einflüsse gleichzeitig, dann müssen diese ebenfalls miteinander multipliziert werden. In der Praxis reduzieren diese Einfluss- bzw. Umrechnungsfaktoren die Strombelastbarkeit meist deutlich.

Es gilt: I_Z = I_r × k, ebenso wie k = k1 × k2 × k3 × …

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Oberschwingungen und elektrische Verbraucher

Erwärmungen können auch durch Oberschwingungen entstehen, die beispielsweise von Wechselrichtern (z. B. PV-Anlagen), elektronischen Vorschaltgeräten oder nichtlinearen Verbrauchern wie PCs, LED-Beleuchtungen oder Flachbildschirmen verursacht werden. Oberschwingungen sind zusätzliche elektrische Frequenzanteile, die die normale 50-Hz-Wechselspannung überlagern. Besonders relevant ist die dritte Oberschwingung, die in einem 50-Hz-Netz mit einer Frequenz von 150 Hz auftritt. Je stärker diese Oberschwingung ausgeprägt ist, desto höher können die Ströme und die Erwärmung insbesondere im Neutralleiter werden. Je nach Anteil dieser Oberschwingungen muss dieser Einfluss mit Reduktionsfaktoren für die Strombelastbarkeit der Außenleiter und des Neutralleiters berücksichtigt werden. Bei langen Leitungswegen muss zusätzlich der Spannungsfall berücksichtigt werden, da sonst elektrische Verbraucher nicht mehr ausreichend versorgt werden.

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Damit Leitungen zu den Geräten passen: Bemessungsstromregel

Bei der Planung und Ausführung einer Elektroinstallation ist zudem die Bemessungsstromregel einzuhalten: Sie sorgt dafür, dass Verbraucher, Schutzorgan und Leitung so aufeinander abgestimmt sind, dass Leitungen nicht überlastet werden. Der Bemessungsstrom des Leitungsschutzschalters I_N ist der Stromwert, bis zu dem der Schutzschalter den Stromkreis normalerweise eingeschaltet lässt. I_N  darf dabei nicht größer sein als die zulässige Strombelastbarkeit I_Z  der Leitung. So wird verhindert, dass sich die Leitung bei zu hohem Strom überhitzt. Der Betriebsstrom der Verbrauchergeräte I_B muss zudem geringer sein als der Bemessungsstrom der Leitungsschutzgeräte. Daher lautet die Bemessungsstromregel: I_B ≤ I_N ≤ I_Z 

Die Strombelastbarkeit einer Leitung ist zudem von brandschutztechnischen Anforderungen zu unterscheiden, die sich beispielsweise aus Fluchtwegen oder Brandabschnitten ergeben können.

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