Elektrische Kabel: Schutz, Verlegung & Störungsbehebung

Schutz vor Überstrom und Überspannung

Das Ziel des Schutzes von Kabeln und des Überspannungsschutzes ist die Strombegrenzung, um zu verhindern, dass Kabel ihre maximal zulässigen Temperaturen überschreiten und um mögliche Brände vorzubeugen.

Überlastungen

Eine Überlastung liegt vor, wenn eine Einrichtung oder ein Teil davon für einige Zeit von einem Strom durchflossen wird, der höher ist als der Nennstrom oder der zugewiesene Strom, ohne dass es zu Störungen oder Ausfällen der Anlage kommt. Kurz gesagt, führt der Stromanstieg zu einer Verringerung der Lebensdauer der Leiter. Es ist zu beachten, dass bei unterirdischen Kabeln der Querschnitt nicht geändert werden kann; stattdessen müssen neue Leitungen verlegt werden.

Kurzschlüsse

Kurzschlüsse sind direkte Verbindungen zwischen Teilen einer Anlage mit unterschiedlichem Potenzial, wobei die Fehlerimpedanz null oder vernachlässigbar ist. Bei einer Fehlerimpedanz von null führen Kurzschlüsse zu großen Stromspitzen, die einen Temperaturanstieg in den Leitern verursachen (thermische Wirkung). Die Leiter dürfen die maximale Temperatur, die sogenannte Kurzschlussbeanspruchungstemperatur (CBT), nicht überschreiten.

Gängige Kurzschlusstemperaturen für Leiterisolierungen sind:

• Vernetztes Polyethylen (VPE): 250 °C
• Ethylen-Propylen (EPR): 250 °C
• Ölgetränktes Papier: 220 °C

Die häufigsten Ursachen von Kurzschlüssen sind:

• Mängel in den angeschlossenen Lasten
• Isolationsfehler

Für den Schutz des Netzes müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: Die Ausschaltleistung der Schutzelemente muss größer oder gleich der maximalen Kurzschlussstromstärke sein. Die Leiter müssen den maximalen Kurzschlussstrom für die Dauer des Kurzschlusses tragen können. Die Wahl des Leiterquerschnitts und der Isolationsqualität ist sehr wichtig, um eine sichere und qualitativ hochwertige Versorgung zu gewährleisten. Energieversorgungsunternehmen (EVU) wählen Kabel mit großen Querschnitten wie 150 mm², 240 mm² und 400 mm², um alle Anwendungsfälle abzudecken.

Hohe Überspannungen, verursacht durch Blitzschlag oder Schalthandlungen in Hochspannungsnetzen, können die Isolierung von Leitern, Maschinenwicklungen usw. durchschlagen. Der Schutz von Anlagen und Geräten vor transienten Überspannungen erfolgt durch Überspannungsbegrenzer, auch Blitzschutz- oder Überspannungsableiter genannt, die zwischen den aktiven Teilen des zu schützenden Elements und der Erde angeschlossen werden.

Kabelverlegung und Genehmigungen

Die Rohrverlegung für Kabel erfolgt in der Regel im öffentlichen Grund auf Gehwegen. Eine Verlegung unter der Fahrbahn wird im Allgemeinen nicht akzeptiert, außer bei notwendigen Straßenquerungen (z. B. an Zebrastreifen) oder auf spezielle Anforderung der kommunalen Behörde. Querungen von Fahrbahnen müssen senkrecht zum Bordstein erfolgen.

Der Schutz von Kabeln im Gehwegbereich wird durch ein Sandbett von etwa 20 cm Tiefe gewährleistet. Darüber werden harte Kunststoffplatten (Kabelabdeckplatten) von 20 cm Breite verlegt, die miteinander verbunden sind. Diese Platten dienen als Warnhinweis auf unterirdische Stromkabel bei späteren Grabungsarbeiten für andere Versorgungsleitungen. Oberhalb der Platten wird der Graben mit steinfreiem Material (z. B. Sand oder Feinkies) in Schichten von 20 cm verfüllt und verdichtet. Vor der endgültigen Wiederherstellung der Oberfläche wird zusätzlich ein Kunststoff-Warnband verlegt, das auf die unterirdischen Stromkabel in der normgerechten Tiefe hinweist. Die Wiederherstellung des Gehwegs erfolgt mit den ursprünglichen Materialien.

In Fahrbahnbereichen werden Kabel durch Zement- oder thermoplastische Rohre geschützt. Diese Rohre werden auf einem Betonbett verlegt und mit einer Betonabdeckung von bis zu 30 cm Stärke versehen. Die Wiederherstellung der Fahrbahnoberfläche erfolgt mit dem ursprünglichen Material, meist Asphalt.

Radiale und nicht-radiale Felder in Kabeln

Bei unipolaren Kabeln weist das elektrostatische Feld eine radiale Form auf. Die Isolierung des Kabels ist dafür ausgelegt, die elektrischen Feldbeanspruchungen zwischen dem Leiter und der äußeren Begrenzung des Kabels aufzunehmen.

Bei mehradrigen Kabeln (z. B. tripolaren Kabeln) und Freileitungen verlaufen die Feldlinien hingegen nicht rein radial. Dies liegt daran, dass die Potenziale im Raum zwischen den Leitern und nach außen nicht gleichmäßig verteilt sind. Das elektrische Feld lässt sich in zwei Komponenten zerlegen: eine senkrechte (radiale) und eine tangentiale Komponente zur betrachteten Isolierschicht.

Die senkrechte Komponente beansprucht die Isolierschicht auf Durchschlag, eine Belastung, für die sie üblicherweise ausgelegt ist. Die tangentiale Komponente hingegen beansprucht das Füllmaterial zwischen den Adern. Dieses Füllmaterial besitzt oft eine deutlich geringere Durchschlagsfestigkeit (etwa zehnmal niedriger) als die Hauptisolation der Adern. Aus diesem Grund sind Kabel mit nicht-radialem Feldaufbau bei papierisolierten Kabeln nur für Spannungen bis 15 kV geeignet. Bei trockenisolierten Kabeln (z. B. mit Kunststoffisolierung wie VPE) liegen die Spannungsgrenzen für nicht-radiale Feldsteuerungen je nach spezifischer Isolation bei 6 kV und 10 kV. Oberhalb dieser Spannungsgrenzen müssen Kabel mit gezielter radialer Feldsteuerung eingesetzt werden, um tangentiale Feldkomponenten zu minimieren und die Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Signale und Störungsbehebung bei Kabeln

Für die Fehlersuche in Kabelnetzen stehen spezielle Geräte zur Verfügung, die den Ort eines Schadens möglichst genau lokalisieren können. Diese Geräte sind sowohl für den Einsatz im Feld als auch für detailliertere Analysen im Labor geeignet.

Zu den Methoden der Fehlerortung gehört das Einspeisen von Stromimpulsen in das fehlerhafte Kabel. Entlang der Kabeltrasse werden diese Impulse mit speziellen Sensoren (z. B. Schallpegelmesser oder elektromagnetische Sensoren) erfasst. An der Schadensstelle kommt es zu charakteristischen Signalen oder Reflexionen der Impulse. Messgeräte können anhand der Laufzeiten oder anderer Parameter die Entfernung zum Fehlerort vom Einspeisepunkt bestimmen. Für eine effiziente Fehlerortung ist es unerlässlich, dass genaue Trassenpläne der Erdkabel beim Netzbetreiber oder der zuständigen Bauleitung vorhanden und aktuell sind.

Man unterscheidet hauptsächlich zwei Arten von Kabelfehlern:

• Leiterunterbrechung: Die Kontinuität eines oder mehrerer Leiter ist unterbrochen.
• Isolationsschaden: Die Isolation zwischen Leitern oder zwischen Leiter und Schirm/Erde ist beschädigt, was zu Kurzschlüssen oder Erdschlüssen führen kann.