Höhere Strombelastbarkeit durch Lackdrahtkabel
Wider die Dünnhäutigkeit
Der Skin-Effekt in einem mit Wechselstrom durchflossenen Leitern bewirkt, dass frequenzabhängig nur eine dünne äußere Schicht zum Ladungstransport beitragen kann. Abhilfe sollen speziell verarbeitete Kabelkonstruktionen bringen.
Bei der Stromübertragung mit Wechselstrom wandert der fließende Strom mit steigender Frequenz
immer mehr zur Oberfläche des Leiters (Stromverdrängungseffekt = Skin-Effekt, siehe Kasten). Dies
hat zur Folge, dass der Strom mit steigender Frequenz in einer immer dünneren Schicht fließen muss.
Dadurch sinkt die Strombelastbarkeit des Leiters, da nur die durchflossene Schicht zur Last
beitragen kann. Als vergleichendes Bild kann ein dünnwandiges Rohr dienen, dessen Querschnitt zum
Stromtransport dient.
Die Leitschichtdicke d bei Kupfer errechnet sich aus folgender Formel:
d = a f -0,5
Dabei ist a eine vom Material abhängige Konstante, bei Kupfer hat sie den Betrag 67. f ist die
in Hertz gemessene Frequenz.
Zahlenbeispiele zur Leitschichtdicke gibt Tabelle 1. Der wirksame elektrische Querschnitt
reduziert sich mit steigender Frequenz ebenfalls. Wie dies im Detail aussehen kann, zeigt Tabelle 2
für einen Leiter mit einem Durchmesser von zehn Millimetern, was einem Gesamtquerschnitt von etwa
78,5 Quadratmillimeter entspricht.
Die Strombelastbarkeit sinkt entsprechend dem wirksamen Querschnitt. Abhilfe ist möglich, wenn
der Leiterquerschnitt auf möglichst viele voneinander isolierte Einzelleiter aufgeteilt ist.
Entsprechend der höheren Oberfläche wächst der elektrisch wirksame Querschnitt und damit die
Belastbarkeit. Sinnvoll ist an dieser Stelle der Einsatz von Lackdrähten. Tabelle 3 gibt
Zahlenwerte für einen Beispielleiter mit wiederum zehn Millimeter Durchmesser an, der in Lackdrähte
mit 0,4 Millimeter Stärke aufgeteilt ist. Dies entspricht einer Lackdrahtlitze von 625 mal 0,4
Millimeter.
Es ist ersichtlich, dass sich der elektrisch wirksame Querschnitt durch die Verwendung von
Lackdrähten erheblich vergrößert und entsprechend die Strombelastbarkeit erhöht. Eine Reduzierung
des elektrisch wirksamen Querschnitts und damit der Belastbarkeit ist in diesem Beispiel erst ab
einer Frequenz von 1 MHz spürbar. Dieser Effekt lässt sich durch Änderung der
Einzeldrahtdurchmesser in einem weiten Bereich beeinflussen.
Für die Kabelkonstruktion selbst existieren verschiedene Optionen. Realisiert wurden auch schon
Spezialkabel in koaxialer Bauweise mit VPE-Isolierung, auch für bewegten Einsatz und Rechteckseile
für kompakte Spulenwicklungen in Dicken-Breitenverhältnis bis 1 zu 25.
Info: Helukabel Tel.: 07150/9209-39 Web: www.helukabel.de
Ursache für das "Herausdrängen" des Stroms eines mit Wechselstrom durchflossenen Leiters ist das Magnetfeld, das auch im Innern Wirbelströme hervorruft, die dem Erregerstrom entgegensetzt sind. Für die Dicke d der Skin-Schicht gilt:
d2 = -1 f-1 µ0-1 µM-1 s-1
Dabei ist µ0 die Permeabilitätskonstante des Vakuums, µM die Permeabilitätskonstante des Stoffes und s der Leitwert des Stoffes. f ist die Frequenz des Wechselstroms. Für Kupfer gilt ungefähr d = 67 f -0,5
Abhilfe bieten unter anderem dünne und voneinander isolierte Einzeldrähte, die zu einer Hochfrequenzlitze verflochten sind.
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