Stieleiter und Verbindungen in Hoch- und Ultrahochspannungsanlagen

Leiterplatten und Verbindungen in Innen- und Außenanwendungen

Was ist eine elektrische Leiterplatte?

Eine elektrische Leiterplatte wird definiert als ein einzelner Leiter oder eine Gruppe von Leitern, die der Sammlung von elektrischer Energie aus eingehenden Speisern und deren Verteilung an ausgehende Speiser dienen. Im Wesentlichen fungiert sie als ein entscheidender Knotenpunkt, an dem die Ströme von eingehenden und ausgehenden Speisern zusammenfließen, was zu einer effektiven Aggregation der elektrischen Energie an einem Punkt innerhalb eines elektrischen Systems führt. Diese Funktion macht Leiterplatten zu wesentlichen Komponenten für die effiziente Stromfluss- und -verteilung in verschiedenen strombezogenen Anlagen.

Leiterplatten für Außenanwendungen

In Hochspannungs- (HS), extra-hochspannungsbetriebenen (EHS) Anlagen sowie in außengelegten Mittelspannungs- (MS) Anlagen werden häufig unisolierte Leiterplatten und Verbindungen eingesetzt. Die in diesen Szenarien verwendeten Leiter können zwei Haupttypen haben: Rohrleiter oder geflochtene Drähte.

Rohrleiterplatten werden in der Regel von Stützisolatoren unterstützt, die meist aus Keramik bestehen. Diese Isolatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der elektrischen Isolation zwischen den Leiterplatten und der Tragstruktur, um den sicheren und ordnungsgemäßen Betrieb des elektrischen Systems sicherzustellen. Andererseits werden geflochtene Drahtleiterplatten mit Endklammern befestigt, die die Drähte festhalten und jegliche Bewegung oder Lockerung verhindern, die die elektrische Verbindung stören könnten.

Abbildung 1 und 2 geben visuelle Beispiele, die die oben beschriebenen Konzepte illustrieren und das typische Aussehen und die Installation von Außenneitleiterplatten und deren zugehörigen Komponenten zeigen.

Leiterplatten für Schaltanlagen

Für Leiterplatten in Schaltanlagen werden in der Regel Kupfer, Aluminium oder Aluminiumlegierungen wie Al-Mg-Si (Aluminium-Magnesium-Silicium)-Legierungen verwendet. Diese Materialien werden aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit, mechanischen Eigenschaften und Kosteneffizienz ausgewählt, was sie für die effiziente Verteilung von elektrischer Energie in Schaltanlagensystemen geeignet macht.

Hauptmerkmale unisolierten Leiterplatten

• Physische Abmessungen: Bei Rohrleitern ist der Durchmesser ein kritischer Parameter, während bei geflochtenen Drahtleitern die Querschnittsfläche von primärer Bedeutung ist. Diese Abmessungen beeinflussen direkt die Stromtragfähigkeit und den elektrischen Widerstand der Leiterplatte. Ein größerer Durchmesser oder Querschnitt ermöglicht die Übertragung höherer Ströme mit geringeren Verlusten.

• Mechanische Eigenschaften: Unisolierte Leiterplatten müssen über ausreichende mechanische Festigkeit verfügen, um verschiedene während des Betriebs auftretende Kräfte zu widerstehen. Wichtige mechanische Parameter sind Dehngüte (Fähigkeit, sich nicht zu dehnen), Druckfestigkeit (Widerstand gegen Zusammendrücken), Biegefestigkeit (Fähigkeit, Biegekräften standzuhalten) und Knickfestigkeit (Widerstand gegen Verformung unter Druckbelastungen). Darüber hinaus sind Widerstandsmomente und Trägheitsmomente entscheidend, um zu verstehen, wie die Leiterplatte auf mechanische Belastungen reagiert und ihre strukturelle Integrität im Laufe der Zeit gewährleistet wird.

• Nennstrom: Der Nennstrom einer Leiterplatte gibt den maximalen kontinuierlichen Strom an, den sie ohne übermäßiges Erhitzen oder Verschlechterung ihrer Leistungssicherheit tragen kann. Dieser Wert wird auf der Grundlage von Faktoren wie den Materialeigenschaften, dem Querschnitt und den Umgebungsbedingungen bestimmt. Die Auswahl einer Leiterplatte mit angemessenem Nennstrom ist entscheidend, um Überhitzungen und potenzielle Ausfälle im elektrischen System zu vermeiden.

Es ist wichtig zu beachten, dass da unisolierte Leiterplatten nicht isoliert sind, das Konzept des Nennspannung nicht in derselben Weise gilt wie bei isolierten Leitern. Bei der Verbindung von Leiterplatten mit Geräteanschlüssen müssen spezielle Verbindungen verwendet werden. Diese Verbindungen, wie in Abbildung 3 gezeigt, stellen eine sichere, niedrigwiderständige elektrische Verbindung her und erleichtern die zuverlässige Übertragung von elektrischer Energie zwischen den Leiterplatten und anderen Komponenten des Schaltanlagensystems.

Leiterplattenverbindungen und isolierte Leiterplattensysteme

Leiterplattenverbindungen

Bei der Herstellung von Verbindungen zwischen Leiterplatten ist die Wahl der Verbindungen entscheidend und hängt von den Materialien der zu verbindenden Leiterplatten ab. Für Kupfer-zu-Kupfer-Verbindungen werden in der Regel Bronzeverbindungen eingesetzt. Diese Verbindungen bieten exzellente elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit und stellen eine zuverlässige Verbindung sicher. Für Aluminium-zu-Aluminium-Verbindungen sind Aluminiumlegierungsverbindungen die ideale Wahl. Sie sind speziell entwickelt, um den Eigenschaften von Aluminiumleiterplatten gerecht zu werden und bieten eine sichere und stabile Verbindung, wobei das Risiko der Korrosion minimiert wird.

Im Falle von Kupfer-zu-Aluminium-Verbindungen sind bimetallische Verbindungen essentiell. Die Verwendung dieser Verbindungen ist notwendig, um die Korrosion zu verhindern, die aufgrund des elektrolytischen Effekts entstehen kann, wenn zwei verschiedene Metalle in Kontakt mit einem Elektrolyt (wie Feuchtigkeit in der Luft) kommen. Die elektrolytische Reaktion zwischen Kupfer und Aluminium kann im Laufe der Zeit zur Degradation der Verbindung führen und potenziell zu elektrischen Ausfällen. Bimetallische Verbindungen sind so konstruiert, um dieses Problem zu mildern und eine langfristig zuverlässige Verbindung zwischen Kupfer- und Aluminiumleiterplatten zu gewährleisten.

Isolierte Leiterplatten & Buskabelsysteme

In Innenmittelspannungs- (MS) und Niederspannungs- (NS) Anlagen, bei denen hohe Ströme beteiligt sind und Platz knapp ist, werden oft isolierte Leiterplatten und Buskabelsysteme eingesetzt. In diesen Anlagen werden Leiterplatten in metallische Gehäuse eingeschlossen, die sowohl mechanischen Schutz als auch elektrische Isolation bieten. Die Gehäuse schützen die Leiterplatten vor physischen Schäden, wie zufälligen Beschädigungen oder Kontakten mit Fremdkörpern, und verhindern elektrische Schocks, indem sie die lebenden Leiter von der Umgebung isolieren.

Dieses Gehäuse hat jedoch einen Nachteil. Das Vorhandensein des Gehäuses reduziert die Wärmeabgabe der Leiterplatten. Es beschränkt den Fluss der Kühlungsluft um die Leiterplatten und verringert die Strahlungsverluste, die wichtig für die Abgabe der während des Stromflusses erzeugten Wärme sind. Als Ergebnis sind die Strombeiwerte von Leiterplatten innerhalb von Gehäusen oft signifikant niedriger im Vergleich zu freiliegenden Leiterplatten.

Um dieses Problem anzugehen und die Reduzierung der Stromtragfähigkeit zu minimieren, können belüftete Gehäuse verwendet werden. Diese Gehäuse sind mit Öffnungen oder Lüftungsschlitzen ausgestattet, die eine bessere Luftzirkulation ermöglichen und somit eine effizientere Wärmeabgabe fördern. Dies hilft, höhere Strombeiwerte aufrechtzuerhalten, während gleichzeitig der notwendige mechanische Schutz und die Isolation gewährleistet werden.

Abbildung 4 bietet ein illustratives Beispiel einer eingeschlossenen Leiterplatte, die die typische Struktur und das Aussehen eines solchen Systems zeigt und darlegt, wie das Gehäuse mit den Leiterplatten integriert ist, um den Anforderungen der Innenstromversorgungsanlagen gerecht zu werden.

Isolierte Leiterplatten und Buskabelsysteme

Isolierte Leiterplatten

Isolierte Leiterplatten werden in der Regel aus flachen Kupfer- oder Aluminiumstäben hergestellt. Die Anzahl der Stäbe pro Phase kann je nach der Größe des zu tragenden Stroms variieren. In diesem Aufbau ist jede einzelne Phase oder Pol in einem separat geerdeten Gehäuse eingeschlossen. Die Enden dieses Gehäuses werden durch einen Stab verbunden, der für den vollen Kurzschlussstrom ausgelegt ist.

Die Hauptfunktion des Gehäuses besteht darin, die Entstehung von Zwischenphassenkurzschlüssen zu verhindern. Darüber hinaus bietet es einen wichtigen Vorteil bezüglich magnetischer Felder. Wenn Strom durch die Leiter fließt, erzeugen sie starke magnetische Felder. Allerdings induziert sich in dem Gehäuse oder dem Gehäuse eine gleichwertige und entgegengesetzte Stromrichtung, die diese magnetischen Felder fast vollständig kompensiert. Diese Kompensation der magnetischen Felder hilft, elektromagnetische Störungen zu reduzieren und das Potential für unerwünschte Auswirkungen auf nahegelegene elektrische und elektronische Geräte zu minimieren.

Gängige Isoliermaterialien für isolierte Leiterplatten sind Luft und Schwefelhexafluorid (SF6). Luft ist ein leicht verfügbarer und kostengünstiger Option, während SF6 über herausragende Isoliereigenschaften verfügt, was es für Anwendungen geeignet macht, bei denen höhere Isolations- und elektrische Leistungsanforderungen bestehen.

Buskabelsysteme

In Niederspannungs- (NS) Anlagen stellt ein kosteneffektiver Ansatz zur Stromverteilung sowie zur Versorgung mehrerer Geräte und zur Vernetzung von Schaltgeräten oder zwischen einem Schaltgerät und einem Transformator das Einsatz eines Buskabelsystems dar. Wie in Abbildung 5 dargestellt, bieten Buskabelsysteme eine strukturierte und effiziente Möglichkeit, elektrische Leiter zu verlegen, sie vor physischen Schäden zu schützen und die Installation und Wartung elektrischer Systeme zu vereinfachen.

Buskabelsysteme: Merkmale und Vorteile

Ein Buskabelsystem besteht aus vorgefertigten flachen Leiterstäben (einschließlich Phasen- und Neutralleiter) in einem einzigen metallischen Gehäuse. Diese Konstruktion bietet einen strukturierten und organisierten Ansatz für die elektrische Stromverteilung.

In Futterbuskabelsystemen erfolgt die Stromentnahme aus dem Buskabelsystem durch sogenannte Abzweigstellen. Diese Einheiten werden an spezifischen, vordefinierten Positionen entlang des Buskabels angebracht. Sie ermöglichen die sichere und kontrollierte Entnahme von Strom aus dem System, in der Regel über geeignete Schutzeinrichtungen wie Schalter oder Sicherungen. Diese Konfiguration stellt sicher, dass elektrischer Strom präzise an verschiedene Lasten verteilt werden kann, wie erforderlich.

Buskabelsysteme bieten gegenüber traditionellen Kabelsystemen mehrere bedeutende Vorteile:

• Kosteneffizienz und einfache Installation: Buskabelsysteme sind kostengünstiger zu implementieren und einfacher zu installieren, insbesondere bei Hochstromanwendungen. In solchen Szenarien ist es oft notwendig, mehrere Kabel zu verwenden, um die erforderlichen Spannungsabfall- und Spannungseinbruchvorschriften zu erfüllen. Dies erhöht nicht nur die Komplexität und Kosten der Kabelinstallation, sondern steigert auch das Risiko von Überhitzungen zwischen den Kabeln, die potenziell zu Kurzschlüssen führen können. Im Gegensatz dazu bieten Buskabelsysteme eine effizientere und zuverlässigere Lösung für die Hochstromverteilung.

• Mechanische Festigkeit und Installations-Effizienz: Sie weisen über lange Distanzen eine hervorragende mechanische Festigkeit auf und benötigen minimalen Fixierungsaufwand. Diese Eigenschaft reduziert erheblich die Installationszeiten, da weniger Stützen und Befestigungsmittel erforderlich sind im Vergleich zu Kabelverläufen. Die Robustheit von Buskabelsystemen gewährleistet auch eine größere Haltbarkeit und Zuverlässigkeit während des Betriebs.

• Raumsparende und vereinfachte Konstruktion: Buskabelsysteme eliminieren die Notwendigkeit für mehrere Kabelverläufe und die damit verbundene Stützmetallware, was die gesamte elektrische Infrastruktur vereinfacht. Diese Reduzierung der Komplexität spart Raum und erleichtert die Verwaltung und Wartung des Systems.

• Reduzierte Anschlussanforderungen: Sie erfordern weniger Anschlussraum innerhalb von Schaltgeräten. Dies ist ein entscheidender Vorteil, insbesondere in Schaltgerätekonstruktionen, bei denen Platz knapp ist, und ermöglicht kompaktere und effizientere elektrische Verteilerleistenlayouts.

• Beseitigung der Notwendigkeit für Kabelverleger: Da Buskabelsysteme vorgefertigt sind und keine ortsfeste Kabelverbindung erfordern, fällt die Notwendigkeit für spezialisierte Kabelverleger weg. Dies reduziert nicht nur die Arbeitskosten, sondern minimiert auch das Potenzial für Fehler, die mit der Kabelverbindung verbunden sind, und verbessert die Gesamtqualität und Zuverlässigkeit der elektrischen Installation.

• Flexibilität in der Stromverteilung: Mehrere Abzweigstellen bieten Flexibilität, um Änderungen in den Stromanforderungen nach der ursprünglichen Installation anzupassen, gemäß der Bewertung des Buskabels. Diese Funktion ermöglicht eine einfache Neukonfiguration des elektrischen Systems, um neue Lasten oder Änderungen in den Lastanforderungen zu berücksichtigen und macht Buskabelsysteme sehr anpassungsfähig für sich ändernde elektrische Bedürfnisse.

• Einfache Neupositionierung und Erweiterung: Die Neupositionierung von Verteilstellen ist mit Buskabelsystemen ein einfacher Prozess. Darüber hinaus kann das System leicht erweitert werden, wenn die elektrischen Anforderungen eines Standorts zunehmen, und bietet eine skalierbare Lösung für die Stromverteilung.

• Ästhetischer Reiz: In Bereichen, in denen das elektrische System sichtbar ist, bieten Buskabelsysteme im Vergleich zu Bündeln von Kabeln ein ansprechendes Aussehen. Ihr schlanker und einheitlicher Design kann das visuelle Erscheinungsbild des Inneren eines Gebäudes verbessern und ist daher in kommerziellen und öffentlichen Räumen bevorzugt.

• Wiederverwendbarkeit: Buskabelsysteme können abgebaut und in anderen Bereichen wiederverwendet werden, was eine kostengünstige Lösung für Einrichtungen bietet, die renoviert oder erweitert werden. Dieser Wiederverwendbarkeitsfaktor reduziert nicht nur Abfälle, sondern bietet auch erhebliche Einsparungen in Bezug auf Material- und Installationskosten.

• Verbesserte Brandresistenz: Sie bieten bessere Widerstandsfähigkeit gegen die Ausbreitung von Bränden im Vergleich zu traditionellen Kabelsystemen. Das metallische Gehäuse des Buskabels hilft, Brände einzudämmen und deren Ausbreitung durch das elektrische System zu verhindern, was zur Verbesserung der Brandsicherheit in Gebäuden beiträgt.