Berechnung von Stromschienen

[Lukas_Baum]

Hallo,
wir entwickeln momentan in einem Studienprojekt ein Akku-System und wollen dabei einzelne Segmente aus verschiedenen Gründen mit Stromschienen verbinden. Diese bestehen aus Kupfer und sollen einen Kurzschlussstrom von circa 4130 A für 0,5 Sekunden aushalten können. Über welche Formel(n) lässt sich der Mindestquerschnitt bestimmen? Stand jetzt soll der Querschnitt 7mm x 3mm betragen, allerdings lassen sich dazu nirgends geeignete Strombelastbarkeiten finden:

Vielen Dank für Antworten im Voraus

 

[patois]

circa 4130 A für 0,5 Sekunden

Welche Temperatur darf die Stromschiene bei diesem Stromstoß erreichen ?
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Nachtrag: Vielleicht sollte man sich eher über die dynamischen Kräfte, die da auftreten können, Gedanken machen !
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[Octavian1977]

und welchen Nennstrom soll die Schiene tragen?
Zusätzlich wären die mechanischen Kräfte zu bestimmen die im Anwendungsfall und im Kurzschlußfall auftreten und diese in der Halterung der Schiene zu berücksichtigen.

 

[Lukas_Baum]

und welchen Nennstrom soll die Schiene tragen?
Zusätzlich wären die mechanischen Kräfte zu bestimmen die im Anwendungsfall und im Kurzschlußfall auftreten und diese in der Halterung der Schiene zu berücksichtigen.

Der Nennstrom liegt bei 90 A. Die mechanischen Kräfte sollten eigentlich nicht das Problem darstellen. Wichtig wäre vor allem nachzuweisen, dass der genutzte Querschnitt den Strom übertragen kann.

 

[eFuchsi]

7*3mm Cu sind 21mm² Querschnitt. Das würde zu 90A ganz gut passen.
Jedoch nimmt man CU Schienen meistens wegen der Montage. einzelner Zellen. Sollen also da regelmäßig Löcher gebohrt werden, dürfte 7*3mm zu klein dimensioniert sein.

 

[Octavian1977]

"sollten" sind sie aber doch oft, denn die Halterungen müssen einiges aushalten wenn da im Kurzschluß magnetische Kräfte Wirken, dabei wäre auch der Tatsächliche entstehende Kurzschlußstrom zu berücksichtigen und nicht das was die Sicherung nach 0,5s mindestens zum Auslösen bringt.

4130A Kurzschlußstrom hält auch ein 1,5mm² aus, Frage ist wie heiß das dabei werden darf und wie gut die Wärme abgeführt werden kann
90A zu Übertragen ist keine Kunst die Frage ist auch hierbei wie viel Verlust es auf der Schiene geben darf.
Gerade bei kleineren Spannungen treibt das den Querschnitt extrem nach oben.

 

[Lukas_Baum]

Frage ist wie heiß das dabei werden darf und wie gut die Wärme abgeführt werden kann
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Also maximale Temperatur des Kupfers wären 85°C bei einer Umgebungstemperatur von 20°C. Die Wärme selber kann dabei nicht sonderlich gut an die Umgebung abgegeben werden. Der Auslösestrom ist mit 4130 A bereits so genannt, wie er maximal auftreten kann (Widerstände, Spannung...). Ein sicheres Ausschalten bei Kurzschluss nach 0,5 Sekunden ist außerdem nicht nur durch eine normale Sicherung gegeben, sondern ebenfalls durch ein Überwachungssystem, dass permanent Strom und Temperatur überwacht. In der Regel wird schon in deutlich kürzerer Zeit abgeschaltet, als 0,5 Sekunden, allerdings soll dieser Wert zur Auslegung verwendet werden.

 

[Octavian1977]

Und nun der Spannungsfall der zulässig wäre?
Länge der Schiene hab ich noch vergessen.
Und die Nennspannung?

Für die Wärmeabgabe wird es nun allerdings kompliziert dafür benötigst Du die entsprechenden Physikalischen Formeln.
"nicht sonderlich gut" ist dabei nicht sonderlich gut zu rechnen.
Da muß schon mal ein Wert dazu kommen wie viel Wärme abgeführt werden kann.
Zusätzlich ist dabei auch die Oberflächenstruktur der Schiene zu berücksichtigen, Matt schwarz lackiert wäre z.B. am Besten um Wärme ab zu geben.

 

[Lukas_Baum]

Und nun der Spannungsfall der zulässig wäre?
Länge der Schiene hab ich noch vergessen.
Und die Nennspannung?

Länge der Schiene sind lediglich 11 cm, Nennspannung beträgt 437 V und beim Spannungsfall gibt es keine speziellen Vorgaben, so circa 1% sollte aber passen.

Für die Wärmeabgabe wird es nun allerdings kompliziert dafür benötigst Du die entsprechenden Physikalischen Formeln.
"nicht sonderlich gut" ist dabei nicht sonderlich gut zu rechnen.
Da muß schon mal ein Wert dazu kommen wie viel Wärme abgeführt werden kann.

Also die Schienen befinden sich in einem Gehäuse, in dem zwar ein geringer Luftstrom vorhanden ist, allerdings sind die Kupferschienen selbst mit einer 3D-gedruckten Ummantelung versehen, da die Leiter nicht offen berührbar sein dürfen (an Temperaturbeständigkeit und Isolation ist selbstverständlich gedacht).
Könntest du mir sonst eventuell entsprechende Formeln nennen und Tabellen/Berechnungen für entsprechend zu berücksichtigende Wärme-Faktoren?

 

[Octavian1977]

Bei 437V darf da nichts mehr berührbar sein und ist mit einer zweiten oder Verstärkten Isolation aus zu führen (Schutzklasse II) Alternativ in geerdetem Gehäuse Schutzklasse I.

Mit der Ummantelung würde ich von einem 90°C Kabel ausgehen bei der Betrachtung.

Aus der VDE 0298-4 könnte man dann Anlehnungen treffen im Bezug auf die Einbausituation vor Ort.

Von der Ferne her ist es allerdings schwer zu beurteilen wie das jetzt zu bewerten ist.
Nehmen wir mal A2 an (Verlegung in Wärmedämmung) wären 35mm² bis 92A belastbar, bei einer Leitung die 70°C warm werden darf.

0815 PVC wäre allerdings auch nur bis 70° zulässig zu erwärmen.

Für eine niedrigere Umgebungstemperatur als 30°C kann man da auch noch mehr drüber schicken. z.B. bei 25°C 105A

Das sind allerdings nun die Auszüge aus den Tabellen der Norm, wenn du das wirklich berechnen willst brauchst Du da Unterstützung von entsprechenden Physikern.

 

[Lukas_Baum]

Das sind allerdings nun die Auszüge aus den Tabellen der Norm, wenn du das wirklich berechnen willst brauchst Du da Unterstützung von entsprechenden Physikern.

Aber darum geht es doch die ganze Zeit: Um einen rechnerischen Nachweis, dass eine Kupferschiene mit entsprechenden Maßen einen entsprechenden Strom führen kann. Die gesamten Normen etc. habe ich natürlich auch schon durchgesucht, aber es findet sich eben bisher nichts passendes für die Auslegung von diesen Stromschienen.

Die ganzen Sicherheitsaspekte sind ja schön und gut, haben wir ja wohl bedacht, da gibt es auch dementsprechende Vorgaben und Richtlinien. Es wurden passende Ummantelungen eingeplant, der Kunststoff hat ein entsprechendes Rating und gearbeitet wird am zusammengebauten Akku sowieso nur mit passender Schutzausrüstung.

 

[Octavian1977]

Da wird Dir nichts übrig bleiben als dich an ein entsprechendes Prüflabor zu wenden um Annahmen dann zu prüfen.
Das zu rechnen ist leider eben nicht so ganz trivial, da gibt es diverse Programe dazu um das zu rechnen und zum Schluß landest es doch in einem Prüflabor um das wirklich aus zu probieren.

 

[Stromberger]

Das sind allerdings nun die Auszüge aus den Tabellen der Norm, wenn du das wirklich berechnen willst brauchst Du da Unterstützung von entsprechenden Physikern.

Da wird Dir nichts übrig bleiben als dich an ein entsprechendes Prüflabor zu wenden um Annahmen dann zu prüfen.

Unsinn. Man braucht lediglich einen erfahrenen Projekteur (Elektroing.), der sich mit sowas auskennt und z.B. auch mit der entsprechenden "Bibel", nämlich dem ABB Schaltanlagenbuch vertraut ist. Dann sollte dieser z.B. wissen, dass man mit Schienentemperaturen von 65°C bei Umgebungstemperaturen von 35°C rechnet und industrielle Stromschienen aus Kupfer mit der Abmessung 12x5mm beginnen (alles darunter sind "Drähte" oder Spielkram) und dabei einen Gleichstrom von ca. 200A tragen (gestrichene Schienen, blanke ca. 10% weniger). Um mal ETWAS Licht hier in die Sache zu bringen.
Die Kräfte im Kurzschlussfall sind mit den (auch dort zu findenden) Formeln zu berechnen.

Dass die komplette Auslegung nicht "mal eben" im Forum geht, dürfte aber auch selbstverständlich sein, wofür dafür aber ein "Prüflabor" erforderlich sein sollte, erschließt sich wohl nur demjenigen, der damit noch nie zu tun hatte.