Kabelberekening

Kabel berekening volgens de NEN norm
Om tot een bepaling van de juiste kabel te komen dient er voor gezorgd te worden dat aan de NEN1010 voldaan wordt. Dit houdt in dat de tabellen uit deze norm gebruikt dienen te worden, tenzij er door berekening aangetoond kan worden dat er een andere keuze mogelijk is. Als basis dient men eerst de nominale belasting van de kabel te bepalen, daarna het spanningsverlies, en de maximale lengte voor kortsluiting. Deze 3 criteria zullen achtereenvolgens beschreven worden, zodat daarmee een pakket van eisen opgesteld kan worden waaraan een geautomatiseerde kabelberekening dient te voldoen. Als eerste wordt een opsomming gegeven van de gegevens welke minimaal nodig zijn om een kabel te kunnen selecteren. De gegevens welke een benodigd zijn om een kabel te selecteren zijn:

  • het vermogen cq de nominale stroom
  • de keuze of de kabel een motor voedt, zo ja dan bovendien methode van aanlopen
  • de arbeidsfactor
  • de omgevingstemperatuur
  • de temperatuur van de aders
  • warmteweerstand van de kabel naar de omgeving
  • wijze van leggen van de kabel
  • wel of geen aardlekbeveiliging
  • snelle of trage smeltveiligheid
  • de lengte van de kabel
  • het aantal aders in de kabel

De keuze smeltveiligheid
Een belangrijk deel dat bij de geautomatiseerde kabelberekening hoort is de keuze van de smeltveiligheid. Deze wordt bepaald door het in te voeren vermogen welke ten grondslag ligt aan de optredende nominale stroom. Er wordt nu eerst vanuit gegaan dat de kabel een motor voedt. Bij een op te geven asvermogen voor een motor dient het programma een standaardmotor te selecteren die het gevraagde asvermogen kan leveren. Bij deze motor hoort een door de motor fabrikant opgegeven nominale stroom en de arbeidsfactor. In de praktijk blijkt dat de motoren van de diverse fabrikant nagenoeg dezelfde rendementen en arbeidsfactoren te zien geven. Alvorens de smeltveiligheid bepaald kan worden, moet eerst de wijze van aanlopen van de motor bepaald worden. De verhouding aanloopstroom versus nominale stroom is afhankelijk van het feit of de motor direct ingeschakeld wordt, via een ster-driehoekschakelaar, een softstarter, of een frequentie omvormer. Samen met deze keuze kan de smeltveiligheid bepaald worden. Nu de smeltveiligheid en de motorstroom bekend is kan de kabel bepaald worden. Hiervoor is nodig dat de gegevens bepaald worden waarmee de kabel op de nominale belasting geselecteerd wordt. Dit houdt onder meer in de wijze van leggen, meerdere naast elkaar liggende kabels, een afwijkende omgevingstemperatuur, of een afwijkende warmteweerstand naar de omgeving, In geval van grotere motorstromen worden deze factoren zoveel mogelijk geoptimaliseerd, dat kan worden volstaan met een kleinere kabel. Dit drukt uiteraard op de kosten. Als het een kabel naar bijvoorbeeld een schakelkast betreft, volgt de smeltveiligheid direkt uit de nominale stroom. Voor de kabelselectie moet de opgegeven nominale stroom eerst omgezet worden in de maximum toelaatbare stroom. Bij een motor was dit niet nodig omdat de motor beveiligd wordt door een thermische beveiliging.

Het spanningsverlies
Het spanningsverlies wordt berekend door de impedantie te splitsen in de ohmse weerstand en de reactantie. Het capacitieve deel is verwaarloosbaar. Wel dient de invloed van temperatuurstijging van de kern in rekening gebracht te worden. De reactantie is vooral bij grotere kabels zeker niet verwaarloosbaar. Om het toelaatbare spanningsverlies te bepalen dient men zich eerst te realiseren welk spanningsverlies er mag optreden. Van de trafo naar de laagspanningsverdeling wordt bijvoorbeeld een spanningsverlies van 1% geaccepteerd, voor de kabel van de laagspanningsverdeling naar de motor bijvoorbeeld 3%.

Kortsluitlengte
Dit deel voor de kabelselectie is het moeilijkste deel daar er hier diverse factoren in het spel zijn. De eenvoudigste weg is voor de gevonden smeltveiligheid tabel 53C van de NEN1010 toe te passen. Deze tabel schiet echter ernstig te kort. De lengte van de in deze tabel opgenomen kabel is beperkt, en de tabel kent geen kleinere smeltveiligheden dan 16A. Sommigen benaderen deze tabel door vuistregels, echter bij zorgvuldige bestudering blijken deze grote afwijkingen te vertonen. Een oplossing welke meer soelaas lijkt te geven is een tabel welke uitgegeven is door de PEN. Hierin staan kleinere smeltveiligheden vermeld, en men kan langere kabels kiezen. Een betere methode is door de stroom te berekenen welke optreedt bij de kortsluiting, en te bepalen of deze stroom binnen 5 seconden door de smeltveiligheid afgeschakeld wordt. Bij de berekening van de kortsluitstroom dient rekening gehouden te worden met de temperatuurtoename van de kabel tot maximaal 250ºC voor YmVK, en met de spanningsdaling aan de voedende zijde t.g.v. kortsluiting, waarbij gelet wordt op de terugwerking van installatiedelen bij kortsluiting (ten gevolge van het feit dat motoren als generator gaan functioneren). De afschakelstroom van de smeltveiligheid wordt gevonden in de grafieken van de norm IEC-269. In de praktijk blijken diverse smeltveiligheden beter te zijn dan de in de norm aangegeven spreiding. Wanneer men dus smeltveiligheid van dat fabrikaat toepast, kan men omdat deze smeltveiligheid de kortsluitstroom eerder afschakelt, met een kleinere kabel volstaan terwijl men toch aan de eisen ten aanzien van de kortsluitbeveiliging voldoet.

Voorbeeld
Een werktuigkundige heeft een motor nodig met een asvermogen van 20kW. De motor is 60m van de laagspanningsverdeling verwijderd, het maximale spanningsverlies is 2%, de motor wordt direct ingeschakeld.

  • Bij het opgeven van het asvermogen van 20kW blijkt een motor van 22kW nodig te zijn, Omdat er voor de beveiliging van de motor een thermische beveiliging toegepast wordt, zal tabel 53A nu niet toepast worden
  • Aangezien de kabel in een kabelgoot gelegd wordt, waarin meerdere kabels liggen wordt een vermeningvuldigfactor van 0.8 toegepast. De omgevingstemperatuur is 30ºC, zodat hiervoor geen correctie voor berekend zal worden. De minimaal benodigde kabel heeft nu een doorsnede van 10mm2 op grond van de nominale belasting
  • Nu moet het toelaatbare spanningsverlies bepaald worden over de zojuist gevonden kabel. Het spanningsverlies blijkt 2,38% te zijn uitgaande van een bedrijfstemperatuur van 70ºC, zodat een zwaardere kabel van 16mm2 gekozen moet worden. Het spanningsverlies wordt dan 1,51%
  • Tenslotte wordt de kortsluitstroom berekend. De stroom die na 5 seconden door de 16mm2 kabel loopt is: 397A. Hierbij is rekening gehouden is met opwarming van de kabel en 10% spanningsdaling aan de voedende zijde is. In de grafiek in de IEC norm voor gI patronen blijkt dat na 5 seconden een stroom van 350A afgeschakeld wordt, zodat deze 16mm2 kabel mag worden toegepast

Bron: www.kabelberekening.com