Erklärte Sammelschienen-Kurzschlussfestigkeit: Icw-, Ipk- und IEC-Standards

Wenn eine Sammelschiene vor Ort ankommt, trägt das Typenschild eine Reihe von Werten, die einfach aussehen, aber leicht falsch verstanden werden können: Icw = 50 kA / 1 s, Ipk = 105 kA. Wenn Sie der für die Umspannstation verantwortliche Ingenieur oder der Systemintegrator sind, der die Sammelschiene kauft, sagt Ihnen diese Kurzschlussfestigkeit, ob der Leiter einen Fehler übersteht oder in der ersten Halbwelle ausfällt. Kurz gesagt, die Nennleistung definiert die maximale Kurzschlussbelastung, der die Sammelschiene ohne bleibende Verformung, Isolationsdurchschlag oder Beschädigung der Verbindungen standhalten kann. Sobald Sie die beiden Werte Icw und Ipk verstanden haben, wird die gesamte Bewertung zu einem technischen Hilfsmittel und nicht mehr zu einer Datenblattnummer.

Was die Kurzschlussfestigkeit tatsächlich misst

Bei einem Kurzschluss fließt ein Strom durch die Sammelschiene, der um das Zehnfache höher sein kann als der Nennstrom. Die Stromschiene muss gleichzeitig zwei verschiedenen Einwirkungen standhalten: der Erwärmung durch den Strom und der mechanischen Kraft zwischen den Leitern. Jede vollständige Bewertung enthält daher zwei Werte.

Kurzzeitstromfestigkeit (Icw)

Icw ist der Effektivwert des Stroms, den die Sammelschiene für eine angegebene Dauer, normalerweise 1 s, 3 s oder 4 s, führen kann, ohne die maximal zulässige Temperatur zu überschreiten. Der thermische Effekt folgt I²t, was bedeutet, dass der gleiche Temperaturanstieg aus einem kleinen Strom über einen langen Zeitraum oder einem großen Strom über einen kurzen Zeitraum resultieren kann. Für die Beschaffung ist die Dauer ebenso wichtig wie der Strom selbst.

Spitzenstrom (Ipk)

Ipk ist der höchste Momentanwert des Stroms in der ersten Halbperiode des Fehlers. Dieser Spitzenwert erzeugt die elektrodynamische Kraft zwischen den Sammelschienenphasen, und die Kraft ist proportional zum Quadrat des Stroms. Ein 50-kA-RMS-Fehler beim ersten Spitzenwert verhält sich wie ein Hammerschlag, nicht wie eine konstante Last. Normen definieren den Zusammenhang zwischen Ipk und Icw mit einem Faktor n.

Faktor n aus IEC 61439-1 verbindet Ipk mit Icw bei 50 Hz.
Bewerteter Kurzzeitstrom Icw	Spitzenfaktor n (Ipk / Icw)
10 kA < Icw ≤ 20 kA	2.0
20 kA < Icw ≤ 50 kA	2.1
50 kA < Icw ≤ 100 kA	2.2

Für eine 50-kA-/1-s-Sammelschiene beträgt die Spitzenstromfestigkeit daher typischerweise 105 kA. Wenn die Installation einen hohen Asymmetriefaktor aufweist, kann der tatsächliche erste Spitzenwert höher sein, weshalb der Spitzenwert anhand der Netzwerkberechnung überprüft und nicht angenommen werden muss.

Warum die Bewertung über den Unterschied zwischen einem Fehler und einer Katastrophe entscheidet

Die Auswahl einer Sammelschiene mit zu geringer Kurzschlussfestigkeit ist einer der gefährlichsten Fehler bei der Elektrokonstruktion, da der Fehler nur unter Fehlerbedingungen auftritt, wenn es zu spät für eine Korrektur ist.

Der thermische Effekt tritt sofort ein. Bei einem Kurzschluss entsteht schneller Wärme als sie abgeführt werden kann, der Leiter erwärmt sich also nahezu adiabatisch. In einer Sekunde kann ein Leiter, der bei 65 °C beginnt, je nach Stromdichte 200 °C oder mehr erreichen. Schraubverbindungen sind das schwächste Glied: Bei hohen Temperaturen lässt der Schraubendruck nach, der Kontaktwiderstand steigt und die Verbindung kann versagen, selbst wenn der sichtbare Leiter intakt zu sein scheint.

Der mechanische Effekt ist noch dramatischer. Zwei parallele Sammelschienenleiter im Abstand von 100 mm, die einen Spitzenstrom von 100 kA führen, erfahren eine Kraft von etwa 20.000 N pro Meter, was dem Aufhängen eines Gewichts von zwei Tonnen an jedem Meter der Sammelschiene entspricht. Verbiegen, Isolatorrisse und Lichtbögen von Phase zu Phase sind typische Folgen, wenn die Nennleistung überschritten wird. Das Ergebnis ist keine geringfügige Reparatur; Es handelt sich um einen kompletten Abschnittsaustausch und einen längeren Ausfall.

Typische Projektanforderungen für den Kurzzeitstrom nach Spannungsklasse; Die Dauer variiert zwischen 1 und 4 Sekunden.

So wird die Bewertung überprüft: Standards, Typprüfungen und ehrliche Daten

Eine Kurzschlussbewertung hat nur dann einen Wert, wenn sie durch Beweise gestützt wird. Die internationale Referenz für Niederspannungsbaugruppen ist IEC 61439-1, die definiert, wie Icw und Ipk überprüft werden müssen. Für Mittel- und Hochspannungs-Sammelschienensysteme werden Prüfungen nach den relevanten Schaltanlagen- und Sammelschienennormen durchgeführt.

Gemeinsame Standards zur Kurzschlussprüfung von Sammelschienensystemen.
Standard	Umfang	Relevanz für die Sammelschiene
IEC 61439-1	Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen	Definiert Icw, Ipk und den Designverifizierungsprozess
IEC/TR 61641	Geschlossene Niederspannungsbaugruppen	Interner Störlichtbogentest für geschlossene Stromschiene
GB/T 7251.1	Niederspannungsmontagen in China	Nationale Implementierung abgestimmt auf IEC 61439
IEEE C37.23	Bus mit Metallgehäuse	Kurzschluss- und Temperaturanstiegsanforderungen für den Stationsbus

IEC 61439 erlaubt drei Verifizierungswege: Typprüfung in einem Hochleistungslabor, Designverifizierung durch Berechnung oder Vergleich mit einem Referenzdesign. Bei einer Typprüfung führt die Sammelschiene für die angegebene Dauer den vollen Bemessungskurzzeitstrom und nach der Prüfung wird der Temperaturanstieg erneut gemessen. Die geprüfte Anordnung, einschließlich Leiterabstand, Stützabstand und Gehäuse, muss mit dem Produkt im Lieferzustand übereinstimmen.

Fordern Sie beim Vergleich von Wettbewerbsangeboten den Typprüfbericht an und prüfen Sie drei Dinge: den aktuellen Wert, die Dauer und den Prüfaufbau. Eine Meldung für einen anderen Leiterabstand oder eine andere Stützweite sagt nichts über Ihre Konfiguration aus.

Was bestimmt, wie viel Kurzschlussstrom eine Sammelschiene überstehen kann?

Die auf dem Etikett aufgedruckte Bewertung ist das Ergebnis spezifischer Designentscheidungen. Vier Faktoren sind am wichtigsten.

Leitermaterial und -querschnitt. Kupfer hat einen geringeren spezifischen Widerstand und eine höhere Wärmekapazität, sodass es bei gleichem Temperaturanstieg mehr Wärme absorbiert. Aluminiumlegierungen benötigen für den gleichen Icw einen größeren Querschnitt, weshalb Hochspannungs-Rohrsammelschienen Rohre mit großem Durchmesser verwenden.
Leiterform und Stützabstand. Die elektrodynamische Stärke hängt vom Widerstandsmoment des Leiters und dem Abstand zwischen den Stützen ab. Ein rohrförmiger Leiter hat ein hohes Trägheitsmoment und widersteht einer Biegung besser als ein flacher Stab mit der gleichen Fläche.
Gelenkqualität. Schraubverbindungen sind normalerweise der begrenzende Punkt. Kontaktfläche, Beschichtung und Schraubendrehmoment bestimmen, ob der Verbindungswiderstand nach einem Hochstromfehler niedrig bleibt.
Isoliersystem. Bei vollisolierten und gießharzverzinkten Stromschienen bestimmt das Isoliermaterial die maximal zulässige Temperatur im Fehlerfall. Epoxidguss bietet eine definierte thermische Grenze, während sich Isolierungen auf Gummibasis bei gleicher Temperatur anders verhalten.

Illustrativer Anstieg der Leitertemperatur bei konstanter Stromdichte; Die steilere Aluminiumkurve erklärt, warum für hohe ICW-Anforderungen ein größerer Querschnitt erforderlich ist.

Dies ist die praktische Technik hinter der Bewertung: Ein Hersteller kann die Kurzschlussfestigkeit nicht einfach durch eine Änderung des Etiketts erhöhen. Es erfordert entweder mehr Leitermaterial, ein stärkeres Stützsystem, ein besseres Verbindungsdesign oder eine Kombination aus allen dreien.

So legen Sie die richtige Kurzschlussfestigkeit fest

Die korrekte Bewertung ist nicht die höchste Zahl auf dem Markt; Dabei handelt es sich um den Wert, der an den voraussichtlichen Kurzschlussstrom am Installationsort, die Schutzeinstellungen und die Systemspannung angepasst ist. Der folgende Prozess funktioniert in den meisten Projekten:

Erkundigen Sie sich beim Energieversorger oder beim Netzwerkdesigner am Anschlusspunkt über den voraussichtlichen Fehlergrad.
Wählen Sie Icw so, dass es nicht niedriger ist als der berechnete Fehlerstrom, mit einem zusätzlichen Spielraum für zukünftige Erweiterungen.
Bestätigen Sie die Dauer: Niederspannungs-Sammelschienen sind im Allgemeinen für 1 s ausgelegt, da Leistungsschalter schnell abgeschaltet werden, während Mittelspannungssysteme oft 31,5 kA/4 s verwenden, um die Schutzkoordination zu gewährleisten.
Überprüfen Sie Ipk anhand des Stützabstands: Die mechanische Festigkeit hängt vom Abstand zwischen den Stützen ab, nicht nur vom Leiter selbst.
Vergleichen Sie Typtestberichte statt Datenblattnummern und bestätigen Sie, dass die getestete Konfiguration mit Ihrer Installation übereinstimmt.

Für die Niederspannungsverteilung gewährleisten kompakte Stromschienenkonstruktionen mit hoher Dichte einen hohen Icw bei kleinem Querschnitt, was in Rechenzentren und Industriegebäuden mit geringem Platzangebot von Bedeutung ist. Die folgende Tabelle zeigt eine typische Mischung von Icw-Klassen, die in Niederspannungs-Sammelschienenprojekten zu finden sind.

50 kA / 1 s – 45 %
100 kA / 1 s – 20 %
30 kA / 1 s – 15 %
65 kA / 1 s – 12 %
80 kA / 1 s – 8 %

Veranschaulichender Anteil der Projektspezifikationen für Niederspannungs-Sammelschienen nach Icw-Klasse, basierend auf allgemeinen Industrie- und Rechenzentrumsanfragen.

Wenn für das Projekt eine getestete kompakte Stromschiene mit hoher Fehlerbewertung erforderlich ist, lohnt es sich, ein kompaktes Stromschienensystem mit geprüften Verbindungen mit herkömmlichen Konstruktionen zu vergleichen.

Compact Cast-Resin Busway for Low-Voltage Distribution

Kompakter Gießharzverteiler für die Niederspannungsverteilung Diese Niederspannungs-Sammelschiene aus Gießharz nutzt eine dichte Anordnung und eine Epoxidisolierung, um Platz zu sparen und gleichzeitig Ströme von 400 A bis 5000 A zu bewältigen. Ihre geprüften Verbindungen machen sie zu einer praktischen Option beim Vergleich von fehlerbewerteten Sammelschienendesigns. Produkt anzeigen →

Bei Mittelspannung verringert eine vollständig isolierte rohrförmige Sammelschiene mit Epoxidharzverguss den Phasenabstand und sorgt für eine definierte Isolationsgrenze bei einem Kurzschluss, wodurch die Spannungsfestigkeitsberechnung vorhersehbarer wird.

Epoxy-Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

Rohrförmige Sammelschiene aus Epoxidguss mit integrierter Isolierung Diese vollständig isolierte rohrförmige Sammelschiene wird durch automatisiertes Vakuumgießen geformt und ergibt eine nahtlose Leiter- und Abschirmungsstruktur. Sein definiertes Isolationsverhalten hilft Ingenieuren, die Kurzschlussfestigkeit bei Mittelspannung vorherzusagen. Produkt anzeigen →

In Höchstspannungs-Umspannwerken werden Leiterdurchmesser, Wandstärke und Stützweite von rohrförmigen Sammelschienen aus hochfester Aluminiumlegierung auf der Grundlage des Nennstroms und der Kurzschlusskraft ausgewählt. Wenn Sie sich in der Auswahlphase befinden, deckt die Auswahl der richtigen Sammelschiene für Mittel- und Niederspannungssysteme die praktischen Kompromisse ab.

High-Strength Aluminum-Alloy Tubular Busbar for EHV

Hochfeste röhrenförmige Sammelschiene aus Aluminiumlegierung für EHV Diese Sammelschiene aus Magnesium-Aluminium-Legierung wurde für 220-kV- bis 1000-kV-Systeme entwickelt und kombiniert hohe mechanische Festigkeit mit zuverlässiger Leitfähigkeit. Die Überprüfung der Fehlerstufenbewertungen und Typprüfberichte unterstützt die sichere Auswahl von Höchstspannungs-Umspannwerken. Produkt anzeigen →

Teilen Sie die Fehlerstudie mit dem Engineering-Team und fordern Sie vor Produktionsbeginn den entsprechenden Typprüfbericht an.

Häufig gestellte Fragen zur Kurzschlussfestigkeit

Was ist der Unterschied zwischen Icw und Ipk?

Icw ist der Effektivstrom, den die Sammelschiene für eine angegebene Dauer ohne Überhitzung führen kann. Ipk ist der Spitzenwert des ersten Fehlerzyklus, der die mechanische Kraft erzeugt. Eine 50 kA/1 s-Sammelschiene hat typischerweise einen Ipk von 105 kA bei 50 Hz.

Warum sagen einige Nennwerte 50 kA / 1 s und andere 31,5 kA / 4 s aus?

Der Unterschied liegt in der Dauer. Eine Sekunde eignet sich für Niederspannungssysteme mit Schnellschaltern. Vier Sekunden sind in Mittelspannungssystemen üblich, wo die Schutzkoordination die Auslösung verzögern kann. Durch eine Verdoppelung der Dauer verdoppelt sich die I²t-Erwärmung, daher muss der Leiterquerschnitt größer sein.

Kann eine Sammelschiene nach einem echten Kurzschluss wiederverwendet werden?

Eine defekte Sammelschiene sollte inspiziert werden, auch wenn sie intakt aussieht. Überprüfen Sie zunächst die Schraubverbindungen, Isolatoroberflächen und Stützen. Sollte es zu einem Lichtbogen kommen, tauschen Sie die betroffenen Isolationsabschnitte aus, da sich die Materialeigenschaften dauerhaft verändert haben können.

Kostet eine höhere Kurzschlussfestigkeit immer mehr?

Nicht proportional. Durch Erhöhen des Leiterquerschnitts erhöht sich die Nennleistung, aber eine bessere Verbindungskonstruktion oder eine dichtere Stützanordnung kann die Widerstandsfähigkeit bei geringerem Materialaufwand erhöhen. Vergleichen Sie die getestete Konfiguration, nicht nur das Etikett.

Die Kurzschlussfestigkeit ist die einzige Kennzahl, die eine Sammelschiene, die nach einem Fehler in Betrieb bleibt, von einer Sammelschiene unterscheidet, die in einem einzigen Zyklus aus dem Projekt verschwindet. Lesen Sie den kompletten Wert inklusive Dauer und Spitzenstrom ab und fordern Sie das dahinterliegende Typprüfprotokoll an. Wenn das Fehlerniveau vor Ort höher ist als die Einstufung, sind die Folgen nicht theoretisch. Lassen Sie sich daher vor Produktionsbeginn die Spezifikation vom Hersteller bestätigen.