Warum ist der Spannungsfall in industriellen Energieanlagen wichtig?

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Spannungsfall ist die Verringerung der Spannung, während Strom durch den Widerstand von Leitern und Verbindungen entlang des Verteilungswegs fließt. Fließt Strom über eine Strecke von der Quelle zum Verbraucher, trifft er auf Widerstand, und dieser Widerstand verbraucht einen Teil der Spannung. Je weiter der Weg und je höher der Strom, desto größer der Verlust. Ein zu hoher Spannungsfall entzieht dem Verbraucher die Spannung, die er für einen einwandfreien Betrieb braucht.

Wie der Widerstand in Leitern und Verbindungen einen Spannungsfall erzeugt

Elektrischer Widerstand ist eine Eigenschaft jedes Leiters und jeder Verbindung. Fließt Strom durch einen Kupferleiter, wird Energie als Wärme umgesetzt, was sich als Spannungsverringerung entlang des Wegs zeigt. Der Spannungsfall folgt dem Ohmschen Gesetz: Spannungsfall gleich Strom mal Widerstand (V = I × R). Eine 400-A-Einspeisung über 100 Fuß Kabel hat einen messbaren Spannungsfall. Beträgt die Quellenspannung 480 V, erhält der Verbraucher je nach Querschnitt, Länge und Strom vielleicht 470 oder 460 V. Auch jeder Verbindungspunkt, also Kabelschuhe, Steckverbinder und Leiteranschlüsse, hat einen Widerstand. Ein lockerer Steckverbinder, Korrosion oder nachlassender Kontaktdruck erhöhen diesen Widerstand. Bei kurzen Einspeisestrecken mit großen Querschnitten und geringem Strom ist der Spannungsfall vernachlässigbar, unter 1 Prozent. Bei langen temporären Verteilungen, kleinen Querschnitten oder hohen Strömen summiert sich der Spannungsfall jedoch deutlich. Ein Tourneeunternehmen, das 300 A über 500 Fuß Kabel führt, kann bis zum fernen Ende einen Gesamtspannungsfall von 3 Prozent, 5 Prozent oder mehr haben. Jeder Punkt auf diesem Weg trägt dazu bei.

Warum ein zu hoher Spannungsfall zu schlechter Leistung und thermischer Belastung führt

Elektrische Geräte sind für einen engen Spannungsbereich ausgelegt, typischerweise innerhalb von 10 Prozent des Nennwerts. Ein 480-V-Motor oder -Vorschaltgerät ist üblicherweise für etwa 432 bis 528 V bemessen. Ein 208-V-Motor erwartet 187 bis 229 V. Verbraucht der Spannungsfall bis zum Verbraucher 5 oder 10 Prozent, arbeitet das Gerät am unteren Ende seines Bemessungsbereichs oder darunter. Ein Motor, der bei Nennspannung 50 A aufnimmt, kann bei verringerter Spannung 60 A aufnehmen, um dieselbe Leistung zu erbringen, und erzeugt dabei zusätzliche Wärme, die die Isolierung mit der Zeit schädigt. Scheinwerfer am Ende einer langen Strecke mit hohem Spannungsfall leuchten sichtbar schwächer als Geräte näher an der Quelle. Wärme an Verbindungen wird zum Sicherheitsproblem. Ein Strom von 400 A durch einen Steckverbinder mit leicht erhöhtem Widerstand erzeugt konzentrierte Wärme. Die Kontaktflächen erwärmen sich, die Oxidation beschleunigt sich und der Widerstand steigt weiter: ein sich selbst verstärkender Kreislauf. Im Extremfall kann der Kontakt benachbarte Isolierungen schmelzen oder Kabelmäntel entzünden. Schon vorher senkt die erhöhte Temperatur die Zuverlässigkeit insgesamt. Bei Verleihbetrieben, die Hunderte Verbindungen über viele Veranstaltungen hinweg betreuen, führen aufsummierter Spannungsfall und thermische Belastung an Verbindungen zu erheblichen Ausfällen im Einsatz.

Praxisbeispiele, in denen der Spannungsfall über die Machbarkeit einer Einspeisung entscheidet

Eine Tourneeproduktion mit einem 300-A-Einspeisepunkt in 500 Fuß Entfernung muss berechnen, ob der Spannungsfall für die vorhandenen Verbraucher akzeptabel ist. Bühnenbeleuchtung verträgt meist einen mäßigen Spannungsfall (sie wird dunkler, statt auszufallen), Motorlasten und Frequenzumrichter erfordern jedoch engere Grenzen. Lösungen sind ein größerer Leiterquerschnitt, mehrere kleinere Einspeisungen, eine kürzere Strecke oder ein näher gelegener Anschlusspunkt. Ein Filmset in 1000 Fuß Entfernung von der Einspeisung kann mit großen Querschnitten und mäßigem Strom bei 3 Prozent Spannungsfall versorgt werden. Ein Freizeitpark oder eine Sendeanlage muss den Spannungsfall bereits in der Planung berücksichtigen und für bestimmte Bereiche eigene Einspeisungen oder Transformatoren vorsehen. Für Verleihbetriebe gehört die Berechnung des Spannungsfalls zur Planung vor der Veranstaltung. Die Elektrocrew misst die Entfernung vom Hausanschluss der Location bis zur Bühne, schätzt den Strombedarf und legt den nötigen Querschnitt der Einspeisung fest. Reicht der vorhandene Querschnitt nicht, werden größere Kabel oder mehrere Verteilsysteme eingesetzt. Mit zu hohem Spannungsfall zu arbeiten und eine schlechte Geräteleistung in Kauf zu nehmen, ist bei produktionskritischen Anlagen keine Option.

Wie die Steckverbinder von KUPO Power den Spannungsfall an jedem Verbindungspunkt gering halten

KUPO Power fertigt die einpoligen CAM-Type-Steckverbinder K-LOK 400A und K-LOK 150A sowie die codierten einpoligen PowerFit Steckverbinder mit Kontaktgrenzflächen, die gezielt darauf ausgelegt sind, den Durchgangswiderstand gering und den Spannungsfall an den Kontaktflächen niedrig zu halten. Der Kontaktmechanismus des CAM-Type-Systems übt einen gleichmäßigen mechanischen Druck auf die Kontaktflächen aus und sorgt so auch bei Temperaturwechseln und häufigem Stecken und Trennen für eine große Kontaktfläche und einen geringen Durchgangswiderstand. Die Konstruktion minimiert den Widerstandsanteil jedes Verbindungspunkts, was bei langen Einspeisestrecken mit mehreren Verbindungen entscheidend ist. Auch wenn der Spannungsfall an den Verbindungen nur einen Bruchteil des gesamten Spannungsfalls einer Verteilung ausmacht (der größte Teil entfällt auf das Kabel selbst), bleibt durch hochwertige Kontaktgrenzflächen mehr Spannung für den Verbraucher erhalten. Setzt ein Tourneeunternehmen, ein Verleihbetrieb oder eine feste Industrieanlage K-LOK oder PowerFit Steckverbinder für die Einspeisung ein, ist an jedem Verbindungspunkt ein gleichmäßiger, niederohmiger Kontakt sichergestellt. Zusammen mit richtig bemessenen Leitern und einer durchdachten Planung der Einspeisung helfen hochwertige Steckverbinder, den Gesamtspannungsfall innerhalb der Betriebsgrenzen zu halten und die thermische Belastung jeder Verbindung zu minimieren. Der KUPO Power 101 FAQ-Hub behandelt Einspeiseplanung und Systemleistung im vollen Umfang.