Spannungsabfall (VD) entsteht, wenn die Spannung am Ende einer Kabelstrecke im Vergleich zum Anfangspunkt abnimmt. Alle Drähte, unabhängig von Länge und Querschnitt, weisen einen gewissen Widerstand auf. Fließt Strom durch diesen Widerstand, entsteht ein Spannungsabfall. Mit zunehmender Kabellänge steigen Widerstand und Reaktanz proportional an. Daher spielt der Spannungsabfall bei langen Kabelinstallationen, wie sie beispielsweise in größeren Gebäuden oder auf weitläufigen Grundstücken wie Bauernhöfen vorkommen, eine wichtige Rolle. Dieses Verfahren wird häufig zur korrekten Dimensionierung von Leitern in einphasigen, zweiphasigen Stromkreisen verwendet und kann mithilfe eines Spannungsabfallrechners ermittelt werden.
Elektrische Kabel führen zwar Strom, stellen aber aufgrund ihres Widerstands einen bauartbedingten Widerstand dar. Die Spannungsdifferenz (VD) wird als der Spannungsverlust quantifiziert, der aufgrund der Kabelimpedanz in einem Teil oder dem gesamten Stromkreis auftritt und in Volt gemessen wird.
Eine zu hohe Spannung im Kabelquerschnitt kann zu flackernden oder schwach leuchtenden Lampen, suboptimaler Heizleistung und erhöhten Motortemperaturen führen, was unter Umständen einen Motorschaden zur Folge haben kann. Dieser Zustand zwingt die Last, mit reduzierter Spannung, die den Strom antreibt, unter höherer Belastung zu arbeiten.
Welche Faktoren bestimmen den Spannungsabfall?
VD wird durch die folgenden Faktoren bestimmt:
1. Leitermaterial
Verschiedene Materialien haben eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit. Kupfer ist beispielsweise ein besserer Leiter als Aluminium.
2. Leiterdurchmesser
Ein größerer Leiterdurchmesser verbessert die Leitfähigkeit, da er mehr Material für den Stromfluss bereitstellt.
3. Leiterlänge
Längere Leiter haben einen höheren Widerstand, da der Strom eine größere Entfernung von der Quelle zur Last zurücklegen muss.
4. Leitertemperatur
Die Temperatur beeinflusst die Leitfähigkeit von Materialien. Manche Materialien werden bei Temperaturänderungen mehr oder weniger leitfähig.
5. Vom Leiter geführter Strom:
Der Spannungsabfall ist direkt proportional zum durch den Leiter fließenden Strom. Verdoppelt sich der Strom bei gleichbleibendem Widerstand, verdoppelt sich auch der Spannungsabfall.
6. Schaltungsverbindungen:
Verbindungen in einem Stromkreis verursachen einen Kontaktwiderstand, und schlechte Verbindungen können zu einem erhöhten Spannungsabfall führen.
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So berechnen Sie den Spannungsabfall
Es ist wichtig zu beachten, dass die VD-Formel je nach Anzahl der Phasen im Stromkreis (einphasig oder dreiphasig) variiert. In den folgenden Gleichungen verwenden wir die folgenden Variablen:
- Z: Leiterimpedanz (Ohm pro 1,000 Fuß oder Ohm/kft)
- I: Laststrom (Ampere)
- L: Länge (Fuß)
Einphasensystem: Spannungsabfall V = 2 × Z × I × L / 1000
Dreiphasensystem: Spannungsabfall = 1.73 × Z × I × L / 1000
Wir teilen diese Formeln durch 1,000, da Standardimpedanzwerte für jeweils 1,000 Fuß angegeben werden, und rechnen sie so in Ohm pro Fuß um. Kapitel 9 des NEC (National Electrical Code) enthält Leitereigenschaften basierend auf einer Temperaturbeständigkeit von 75 °C.
Zur Veranschaulichung gehen wir von einem einphasigen 120-V-Stromkreis mit einer Stromstärke von 22 A, einer Leiterimpedanz von 1.29 Ohm pro 1,000 m und einer Stromkreislänge von 50 m aus. Der Spannungsabfall wäre dann:
Spannungsabfall = (2 × – 1.29 Ohm/kft × – 22 A × – 50 Fuß) / 1,000 = 2.84 V
Prozentualer Anteil VD = 2.84 V / 120 V = 0.0237 = 2.37 %
Wenn mehrere Leiter pro Phase vorhanden sind, dividieren Sie die obige Berechnung durch die Anzahl der Leiter pro Phase, da sich der Widerstand verringert. Wenn im obigen Beispiel beispielsweise zwei Leiter pro Phase vorhanden sind, halbiert sich der Widerstand, was zu einem Spannungsabfall von 1.42 V (1.18 %) führt.
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So kontrollieren Sie den Spannungsabfall
Eine vollständige Beseitigung von VD ist nicht möglich, da alle Materialien einen inhärenten elektrischen Widerstand besitzen. Es gibt jedoch verschiedene Strategien, um diesen effektiv zu minimieren:
- Effizienz steigern: Verbessern Sie die Geräteeffizienz, um den Stromverbrauch zu senken und somit den Spannungsabfall zu verringern.
- Fehlerbehebung: Identifizieren und beheben Sie elektrische Probleme, die zu einer unnötigen Strom- oder Widerstandserhöhung führen.
- Korrigieren der Leitergrößen: Wählen Sie die Leiter anhand von Faktoren wie Stromstärke, Temperatur und Kabelkanalkapazität sorgfältig aus.
- Zentralisierte Verteilung: Platzieren Sie die wichtigsten elektrischen Komponenten zentral, um die Verkabelungsdistanzen innerhalb von Gebäuden zu minimieren.
- Ausgeglichene Lasten: Achten Sie bei Dreiphasensystemen auf eine ausgewogene Lastverteilung, um einen ungleichmäßigen Spannungsabfall zu vermeiden.
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