Kurzschlusssichere Kabelinstallation im Grey Space (Quelle: Panduit)
Der elektrische Kurzschluss führt in nur wenigen Millisekunden zum massiv erhöhten Stromfluss durch Nieder- und Mittelspannungskabel. Die Stromstärke kann bei solchen Ereignissen bis zu 200000 A betragen. Der deutliche Stromfluss und das daraus resultierende, gestiegene magnetische Feld um das Kabel, bilden dynamische Kräfte durch die Wechselwirkung von 50 Hz. Infolgedessen werden die Kabel in Schwingungen gebracht. Im schlimmsten Fall eines dreiphasigen Kurzschlusses können die magnetfeldinduzierten Stoßkräfte zwischen den Kabeln bis zu 45000 N betragen und sich innerhalb von 0,01 s entwickeln. Erhebliche Schäden können entstehen, bevor die Schutzschalter auf den Kurzschluss auslösen können. Daraus resultierend ist die Rückhaltung von Kabeln entscheidend für den Schutz von Personal und Infrastruktur sowie für die Reduzierung von Ausfallzeiten.
Solche dynamischen Kräfte werden von den Kabelschellen und dem dazugehörigen Kabeltragsystem absorbiert. Die Kabelschellen, die auf dem Tragsystem befestigt sind, verhindern, dass sich einzelne Kabel durch die Schwingungen losreißen und die Elektroinstallation im gesamten Rechenzentrum Schaden nehmen können. Dennoch wird leider in neuen oder bestehenden Rechenzentren nach dem scheinbar schnellen, aber schlechten Weg gesucht, Kabel zu befestigen. Die Szenarien im Worst-Case will man sich nicht ausmalen. Dabei ist es relativ einfach, die fachgerechte und sichere Installationslösung anzuwenden.
Prüfaufbau für elektromechanische Kräfte
Stromführende Kabel lassen sich in Rechenzentren auf unterschiedliche Arten verlegen und sichern. Als strukturmechanische Lösung schützen zum Beispiel die neuartigen Kabelschellen von Panduit bei Kurzschlüssen und erhöhen so die gesamte RZ-Sicherheit maßgeblich. Das Thema gewinnt seit der IEC 61914:2021 Edition 3 für Kabelhalter für elektrische Installationen [1] an Bedeutung. Die Norm dokumentiert sehr genau den Prüfaufbau, der den Widerstand gegenüber elektromechanischen Kräften simuliert und wie man darauf basierend die Kräfte an Leitungen und Kabelhalter berechnen kann. Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Panduit nutzt ein modernes Simulationsprogramm um zu erkennen, wie sich die elektromagnetischen Kräfte bei einem Kurzschluss entwickeln und welche Materialzusammensetzung der Kabelschellen geeignet ist. Die virtuelle Betrachtung bereitet ideal auf die Prüfung gemäß IEC 61914:2021 Ed. 3 vor. Erst nach der Simulation am Computer werden die Komponenten in einem zertifizierten Labor realen Kurzschlusstests unterzogen, um zu bestätigen, dass sie diesem Standard entsprechen. Mit moderner Simulationssoftware modellieren die Forschungs- und Entwicklungstechniker von Panduit so den dynamischen Drei-Phasen-Wechselstrom-Kurzschlusstest. Der virtuelle Versuch findet über einen Zeitraum von einer Zehntelsekunde statt (siehe IEC 61914:2021 Ed. 3). Die Simulation verdeutlicht, dass Bauteile Geschwindigkeiten von mehr als 50 m/s entwickeln, Materialien sich stark verformen und insgesamt katastrophale Ausfälle und Schäden folgen können. Die Ergebnisse der Simulationsentwicklung sind:
- Anpassung der Steifigkeit, Streckgrenze und Masse von soliden Kupferleitern für den Einsatz unter den möglichen Temperaturbedingungen der Leitungen,
- Entwicklung von Materialmodellen mit hoher Dehnungsrate für jede Komponente,
- Einbeziehung der elektromagnetischen Simulation,
- Entwicklung eines mathematischen Modells mit 30 Variablen, mit dem der Algorithmus für die verschiedenen Koeffizienten ermittelt wird,
- Entwicklung von Kriterien für den Verschleiß von Elementen, um die Simulation von physischem Versagen zu ermöglichen sowie
- erfolgreiche Verifizierung in frühen Tests
Die neu entwickelten Produktlinien der Panduit-Kabelschellen werden vom Prüfinstitut Damstra Lab in den Niederlanden real auf ihre Kurzschlussfestigkeit getestet. Dabei liegen die Spitzenwerte des Kurzschlussstroms sehr nahe an denen der Simulation. Bei den Tests im Prüfinstitut Kema-Cesi in Pennsylvania, USA, wurden folgende Bereiche einbezogen:
- Temperaturbereich von –60 °C bis 120 °C,
- Beständigkeit gegen Flammenausbreitung analog der UL 94,
- Prüfung der seitlichen Belastung bei Höchsttemperatur,
- Prüfung der axialen Belastung bei Höchsttemperatur,
- Schlagfestigkeit bei Mindesttemperatur,
- Korrosions- und UV-Beständigkeit sowie
- Beständigkeit gegen elektromechanische Kräfte.
Insgesamt bestimmte die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Panduit schneller und besser die Variablen, die am dreiphasigen Kurzschluss beteiligt sind. In wiederholten Simulationen wurden Konstruktionsänderungen überprüft und Spitzenstrom-Zertifizierungsniveau ermittelt. Zusammenfassend ließen sich der Prototyp- und Testzyklus erheblich reduzieren.