Wallbox 11 kW an vorhandener Drehstromleitung - Installation, Messen, Leitungsdimensionierung

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Wir wollen eine 11 kW Wallbox an einer  vorhandenen 3-Phasen-Wechselstrom-Leitung  
00:19
anschließen. Die Torsteuerung aus den 70er Jahren  mit Drehstrommotor ist schon lange außer Betrieb,  
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sodass wir diese Leitung verlängern  und für unsere Zwecke prüfen können.
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Zunächst messen wir, ob alle Phasen sowie  Neutral- und Schutzleiter ankommen. Wir  
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messen korrekterweise zwischen allen Phasen  400 V und zum Neutral- und Schutzleiter 230 V.  
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Grundsätzliche Funktion ist somit gewährleistet.  Die Sicherheit prüfen wir noch am Ende.
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Ein älterer Verteilerschrank ist  schon in der Garage montiert,  
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aber leer. Diesen nutzen wir aus zwei Gründen. Zum  einen ist eine neue Zuleitung zur Garage geplant,  
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aber noch nicht umgesetzt. Es soll langfristig  an mehreren Ladepunkten mit insgesamt mindestens  
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22 kW geladen werden. Zum anderen wird  dies über ein Lastmanagement geschehen,  
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an dem bis zu sechs Wallboxen  angeschlossen werden können.
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Als Leitungsführung entscheiden wir uns  für die Montage im Installationsrohr  
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und verlängern über einen Abzweigkasten  die alte Leitung zum Verteilerschrank.
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Durchbrüche im Bereich von Leitungen  sind besonders sorgfältig auszuführen.
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Wir schalten die Leitung frei und  überprüfen die Spannungslosigkeit.
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Wir prüfen dabei die Phasen untereinander  und alles gegen Schutzleiter.
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Mit einem Kegelbohrer bohren wir ein Loch in den  vorhandenen Kabelkanal und ziehen die Leitung von  
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der Motorsteuerung in den Kanal zurück und von  dort aus in unsere neu montierte Abzweigdose.
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Die bereits verlegte Leitung NYM-J 5x6 wird  schon einmal zwecks späterer Prüfung abgemantelt,  
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abisoliert und zur Sicherung mit Klemmen versehen.
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Im vorliegenden Fall wird – wie bereits  erwähnt - die Verlängerung der Leitung  
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über einen Verteilerschrank geführt, weil aus  diesem später diverse Stellen versorgt werden  
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sollen und eine zweite Wallbox mittels  Lastmanagement eingebunden werden soll.
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Wir rasten zunächst die Installationsklemmen  jeweils zwei für jede 5-polige Leitung,  
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einmal für die Leitung NYM-J 5x2,5 und  einmal für die Leitung zur Wallbox NYM-J  
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5x6 auf die Hutschiene, schneiden  die einzelnen Leiter auf Länge und  
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isolieren diese 11-13 mm ab, um  sie in die Klemmen zu stecken.
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Für die provisorische Verbindung zur alten  Leitung, nehmen wir etwas vom 5x2,5 und  
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brücken Farbe auf Farbe. Der Schutzleiter ist  automatisch über die Hutschiene verbunden.
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Im nächsten Schritt wird innerhalb der Abzweigdose  die alte Leitung mit der neuen verbunden.
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Dabei wird die Mitte der Abzweigdose als  Rangierzone verwendet, um den Leiter dann nach  
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links oder rechts zur Position zu bringen, nach  unten kommen alle Bögen und oben alle Klemmen. Die  
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Methode hat vor allem beim Umverdrahten enorme  Vorteile, weil alle Leiter lang genug bleiben.
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Nun kommen wir zum wichtigsten Teil, dem  Überprüfen der Leitung. Wir messen im  
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spannungslosen Zustand die Durchgängigkeit  des Schutzleiters. Der gemessene Widerstand  
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sollte überschlägig mit dem berechneten Wert  übereinstimmen. Bei sehr kleinen Werten weit  
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unterhalb von einem Ohm können wir aber davon  ausgehen, dass die Verbindung korrekt ist.
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In Verbindung mit einem geprüften FI-Schalter  können wir die Abschaltzeiten nach DIN VDE 0100  
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Teil 410 (Schutz vor indirekter  Berührung) schon gewährleisten.
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Wir messen dabei idealerweise von der  Haupterdungsschiene bis zu unserem Endpunkt,  
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also zur Wallbox oder falls noch nicht  vorhanden, den Auslass der Leitung.
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Die zweite Messung ist der Isolationswiderstand.  Wenn die Leitung bereits mit der Anlage verbunden  
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ist, muss eine Messung aller Leiter gegen  Schutzleiter genügen. Denn zwischen den  
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Phasen oder zwischen Phase und Neutralleiter  können Verbraucher sein, die beispielsweise  
05:48
im Fall von Glühlampen den Stromkreis  über entsprechenden Widerstand schließen,  
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sodass man den Widerstand des Glühdrahtes  misst und nicht mehr die Isolation,  
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was die Messung unbrauchbar macht. Beim Messen  des Neutralleiters muss die Verbindung zwischen  
06:03
Schutz- und Neutralleiter irgendwo unterbrochen  werden, idealerweise durch Abschalten des  
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vorgeschalteten FI-Schalters, da ansonsten  auch kein brauchbares Ergebnis entsteht.
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Die Isolationsmessung gibt uns die Einschätzung  wie es qualitativ um unsere Leitung steht. Je  
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höher der Isolationswiderstand ist, desto besser  und umso weniger verschlissen ist die Leitung.
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Um die Leitung später mit 16 A dauerhaft belasten  zu können, untersuchen wir die Verlegeart,  
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soweit überhaupt ersichtlich. Die schlechteste  Verlegeart scheint hier mehradrige Leitung im  
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Kabelkanal zu sein, also laut Tabellenbuch B2  bzw. zu finden in Tabelle 2 in DIN VDE 0298-4.
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Wir suchen zunächst heraus:  für B2 und Querschnitt 1,5 mm²,  
06:53
mit drei belasteten Leitern,  bei Umgebungstemperatur 30 °C,  
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für einen Isolierwerkstoff bis 70 °C in  Tabelle 3 von DIN VDE 0298-4 den Wert: 15 A.
07:10
Als nächstes treffen wir weitere Annahmen, um  uns das hinzubiegen. Wir werden aber feststellen,  
07:16
dass die Leitung unterdimensioniert ist und  beleuchten daher auch die Konsequenzen daraus.
07:20
Zunächst aber der Versuch, die Leitung schön  zu reden: Die Leitung ist nur im Keller,  
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Kriechkeller und unter der Erde verlegt, wo  die Temperatur immer unter 20 °C sein wird,  
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wir finden einen Umrechnungsfaktor von 1,12 in  der Tabelle 17 von DIN VDE 0298-4. Und landen  
07:40
bei 15 A ∙ 1,12 = 16,8 A, müssen allerdings  noch eine Häufung gegenrechnen und nehmen an,  
07:48
dass das ganze Haus nur kurzzeitig die  Leitungsanlage halb so stark belastet  
07:53
wie die Wallbox und dabei jede Einzelleitung  höchstens halb belastet wird und interpolieren  
07:59
für 1,25-fache Häufung für die Verlegeanordnung  „Gebündelt im Elektroinstallationskanal“ (siehe  
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Tabelle 20 in DIN VDE 0298-4) den Wert:  0,95. Es folgt also 16,8 A ∙ 0,95 = 15,96 A.
08:19
Das Ganze ist natürlich aus mehreren Gründen  fragwürdig: Angenommen jemand dreht seinen  
08:24
Backofen auf volle Stufe, was zwar nur  selten passiert, aber zumindest möglich  
08:28
ist und im gleichen Moment wird mit 11 kW  geladen, dann ist die Häufung nicht 1,25,  
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sondern schon allein durch diese beiden Leitungen  bei 2. Andersherum aber ist die Belastung der  
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Zuleitung für den Herd nie voll ausgelastet  und die Last der anderen Verbraucher verteilen  
08:43
sich auf ganz viele Einzelleitungen. Darüber  hinaus ist die Verlustleistung proportional  
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zum Quadrat des Stroms, was die Wärmebelastung  auf jeder einzelnen Leitung stark reduziert.
08:54
Die Konsequenz aus der zu knapp  dimensionierten Leitung ist ein höherer  
08:58
Verschleiß in der Zuleitung zur Wallbox,  aber auch in den umgebenden Leitungen.
09:03
Das hat eine sehr bedeutende Herabsetzung  der Lebensdauer zur Folge. Wir recherchieren  
09:08
beim Leitungshersteller Lapp in den  technischen Tabellen folgendes Diagramm  
09:13
zur Alterung der Leitung in Bezug auf  Temperatur und gewähltem Isolator.
09:16
Das Diagramm zeigt einen Isolierwerkstoff  mit Temperatur-Index von 110 °C in Bezug  
09:23
auf eine übliche Lebensdauer von 20.000 Stunden.
09:25
Wir haben links eine logarithmische  Werteskala in Stunden und unten die  
09:30
Temperatur linear ansteigend von  rechts nach links. Die Untersuchung  
09:34
des Isolierwerkstoffes ergibt in diesem  Diagramm etwa eine Gerade, die wir ganz  
09:39
unwissenschaftlich für unsere Zwecke auf einen  Temperatur-Index von 70 °C für PVC verschieben.
09:45
In der Verteilung können wir die Temperatur  mit der Wärmebildkamera gut messen, können  
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aber davon ausgehen, dass die Werte gebündelt in  einem engen Kabelkanal schlechter sein werden.
09:55
Wir messen für den wärmsten Punkt etwa  55 °C. Im Diagramm stellen wir fest,  
10:01
dass unsere Leitung vermutlich etwa 90.000  Stunden Dauerbelastung aushalten würde,  
10:06
was grob 10 Jahre bedeuten würde, falls wir  24/7 laden würden. Das tun wir natürlich nicht.
10:11
Wir haben bei der Leitungsdimensionierung  festgestellt, dass wir voraussichtlich die 70  
10:17
°C irgendwo in der Leitung  erreichen werden. Das würde  
10:20
laut Diagramm 20.000 Stunden Lebensdauer bedeuten.
10:23
Angenommen, unsere doch recht grenzwertige  Überlegung würde nicht eintreffen,  
10:27
sondern es wird durch Häufung  regelmäßig deutlich wärmer,  
10:30
zum Beispiel 20 °C wärmer, so würde  sich die Lebensdauer zehnteln.
10:34
Nochmal 20 °C wärmer würde die  Lebensdauer erneut zehnteln.
10:38
Jetzt laden wir natürlich nicht 24/7, sondern  nach unserem Energiebedarf. Wir gehen einmal  
10:45
von 1.000 km Fahrleistung im Monat aus. Bei  üblichen 20 kWh Verbrauch pro 100 km würden  
10:52
wir 200 kWh pro Monat benötigen, was bei 11 kW  Ladeleistung etwa 18 Stunden Ladedauer ergeben  
10:59
würde, was wiederum etwas mehr als eine  halbe Stunde pro Tag im Durschnitt wäre.
11:04
Wir können dadurch die Nutzungsdauer der  Jahre entsprechend mit 40 multiplizieren.
11:09
Eine korrekt dimensionierte Leitung würde dadurch  mit 91 Jahren ungefähr lebenslang halten. In  
11:16
unserem Fall gehen wir davon aus, dass 10 Jahre  noch realistisch wären. Im Falle einer komplett  
11:21
falsch dimensionierten Leitung würde es zu einem  teuren Garantiefall in unter einem Jahr werden.
11:26
Es ist aber zu bedenken: Je höher die  Temperatur, desto mehr wird auch die  
11:31
restliche Anlage in Mitleidenschaft gezogen.  Aus Kundensicht ist folglich von Vorteil,  
11:35
auf die richtige Dimensionierung zu bestehen und  unterm Strich ist es billiger, für einen höheren  
11:41
Querschnitt mehr zu bezahlen, als später große  Teile der Anlage frühzeitig erneuern zu müssen.
11:45
Beim Thema langfristige und  dauerhafte Kosten wären wir  
11:49
dann bei Verlustleistung und Spannungsfall.
11:51
Ich möchte im Fazit Folgendes zeigen: 1. Die Verlustleistung sinkt deutlich,  
11:57
wenn der Ladestrom sinkt und 2. Laden mit 3 Phasen ist weniger  
12:02
verlustbehaftet als mit nur einer Phase zu laden.
12:05
Wir nehmen im Folgenden an, dass dank vorhandener  
12:08
Leistungsfaktorkorrekturfilter des  Onboard-Chargers der Leistungsfaktor  
12:13
bei annähernd 1 (cos ϕ = 1) liegt und behandeln  Wallbox mit Auto als reinen Wirk-Verbraucher.
12:18
Den Spannungsfall ermitteln wir aus  dem Leitungswiderstand ab Zähleranlage,  
12:23
indem wir den Netzinnenwiderstand vom  Endpunkt (z. B. für Phase 1 870 mΩ) und  
12:30
am Zählerplatz (hier 83 mΩ) messen und  das Ergebnis subtrahieren. Wir erhalten:  
12:36
870 mΩ – 83 mΩ = 787 mΩ für den Widerstand Hin-  und Rückleiter, also Phase 1 und Neutralleiter.
12:47
Mit dem Ohmschen Gesetz U = R ∙ I können wir  den Spannungsfall berechnen. R ist dabei der  
12:53
Widerstand der Leitung. Der Strom bei  voller Ladeleistung 16 A. Es ergibt  
12:59
sich für den Spannungsfall: ΔU = 0,787  Ω ∙ 16 A = 12,6 V. Das sind in Prozent:  
13:09
Δu = 12,6 V/230 V = 5,5 % und das ist  knapp mehr als in DIN VDE 0100-525 und  
13:20
zughöriger Tabelle G.52.1 gefordert ist,  hat aber auch keine Sicherheitsrelevanz.
13:27
Mit der Formel P = U ∙ I können  wir daraus die Verlustleistung im  
13:32
einphasigen Betrieb berechnen. Wenn wir in der  Leistungsformel U mit der Formel R ∙ I ersetzen,  
13:38
erkennen wir gut den quadratischen Zusammenhang  mit dem Strom. Die Formel ist ausgeschrieben  
13:44
P = R ∙ I ∙ I = R ∙ I². Daraus folgt: die  Halbierung des Stroms ergibt ein Viertel  
13:54
der Verlustleistung, sodass durch Verdoppeln  der Ladedauer unterm Strich trotzdem nur die  
14:00
Hälfte der Verlustleistung in  Form von Wärme verloren geht.
14:02
Für den Nutzer eines Elektromobils bedeutet es,  das Laden mit reduziertem Ladestrom nicht nur  
14:09
das Fahrzeug schont, sondern auch die elektrische  Anlage und auch ganz konkret die Stromrechnung.
14:14
Die Betrachtung war zunächst auf Wechselstrom  bezogen. Drehstrom bietet noch einen weiteren  
14:20
Vorteil. Dadurch, dass das elektrische Potential  am Sternpunkt bei symmetrischer Belastung gleich  
14:25
Null ist, müssen nur die Widerstände der drei  Phasen berücksichtigt werden, nicht aber der  
14:30
Neutralleiter. Das bedeutet pro Phase nur den  halben Widerstand von 787 mΩ / 2 = 393,5 mΩ.
14:39
Zum Verdeutlichen berechnen  wir folgende Verlustleistungen: 
14:43
1. Wechselstrom 16 A 2. Wechselstrom 8 A 
14:49
3. Drehstrom 16 A 4. Drehstrom 8 A
14:55
1. Wechselstrom bei 16 A ergibt:
14:59
P = R ∙ I² = 787 mΩ ∙ (16 A)² = 201,5 W
15:08
Um monatlich 200 kWh mit etwa 3,7 kW  zu laden, beträgt der Zeitaufwand 54  
15:16
Stunden und der Verlust im Portemonnaie bei  30 Cent pro kWh: 10,9 kWh ∙ 0,3 €/kWh = 3,27 €
15:28
2. Wechselstrom bei 8 A ergibt:
15:31
P = R ∙ I² = 787 mΩ ∙ (8 A)² = 50,4 W
15:40
Die Ladedauer verdoppelt sich auf 108  Stunden, das macht: 5,4 kWh bzw. 1,62 €
15:49
3. Drehstrom 16 A
15:52
Wir erhalten Gesamtverlustleistung durch  Verdreifachen der Verlustleistung pro Phase,  
15:57
dabei beachten wir die Halbierung des  Leitungswiderstandes in Bezug auf Wechselstrom:
16:01
P = 3 ∙ R ∙ I² = 3 ∙ 393,5 mΩ ∙ (16 A)² = 302,2 W
16:14
Interessant gegenüber Wechselstrom  ist: Wir dritteln die Ladedauer und  
16:20
haben nur 50 % mehr Verlustleistung, das  macht sich finanziell direkt bemerkbar:
16:25
Um 200 kWh bei etwa 11 kW zu laden,  benötigt man 18,2 Stunden. Daraus  
16:33
ergibt sich die Verlustarbeit von 0,3022  kW ∙ 18,2 h = 5,5 kWh, was 1,65 € macht.
16:44
4. Drehstrom 8 A
16:47
P = 3 ∙ R ∙ I² = 3 ∙ 393,5 mΩ ∙ (8 A)² = 75,6 W
16:57
Die Ladedauer verdoppelt sich auf 36,4  Stunden. Das macht 2,75 kWh bzw. 0,83 €.
17:05
Entscheidend für die tatsächliche  Ladeleistung an der Wallbox ist die Spannung,  
17:09
die nach Spannungsfall noch ankommt.  Auch das vorangeschaltete öffentliche  
17:14
Netz hat hierbei natürlich Einfluss  auf die Spannung und die Ladeleistung.
17:18
Nach dem Montieren der Wallbox müssen sämtliche  Messungen nach DIN VDE 0100-600 wiederholt werden,  
17:26
insbesondere muss auch die korrekte Funktion  des internen FI-Schalters überprüft werden.

 

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