Proximityeffekt
Englisch: proximity effect
Ein Zustand, bei dem der Stromfluss in einem Stromkabel aufgrund benachbarter Stromleitungen oder Leiter ungleichmäßig verteilt ist. Dieses Phänomen erhöht den scheinbaren Widerstand des Stromkabels.
Proximityeffekt: Stromverdichtung, die die Kabeleffizienz beeinträchtigt
Der Proximityeffekt tritt auf, wenn Wechselstrom in einem Kabel sich ungleichmäßig über den Querschnitt verteilt, weil benachbarte stromführende Leiter ihre eigenen Magnetfelder erzeugen. Statt sich gleichmäßig zu verteilen, konzentriert sich der Strom auf der Seite des Kabels, die am weitesten von den Nachbarleitern entfernt ist. Diese Umverteilung erhöht den Widerstand des Kabels, wodurch es stärker erhitzt wird, als die Berechnung des Nennwiderstands vorhersagt. Der Effekt wird bei höheren Frequenzen und größeren Leiterquerschnitten deutlich ausgeprägter.
Der Mechanismus ist elektromagnetisch. Jeder stromführende Leiter erzeugt ein Magnetfeld, das den Strom in benachbarten Leitern von der gemeinsamen Grenzfläche weg und zur äußeren Kante treibt. In einem dreiphasigen Stromkabel mit drei gebündelten Leitern wird der Strom in jedem Phasenleiter nach außen gedrängt, sodass die inneren Flächen untergenutzt werden. Der Effekt verstärkt sich, wenn Leiter näher beieinander liegen oder wenn mehrere Kabel parallel in Kabelrinnen verlegt werden.
Praktische Auswirkungen auf die Stromverteilung
Der Proximityeffekt erhöht die Kabelerwärmung und reduziert die Stromtragfähigkeit, also den höchstzulässigen Dauerstrom, den das Kabel sicher führen kann. Ein Kabel mit einer Nennstromstärke von 200 A im isolierten Zustand kann bei Bündelung mit zwei weiteren ähnlichen Kabeln auf 160 A herabgestuft werden. Normen wie IEC 60364 und NEC Article 310 enthalten Korrekturfaktoren, die den Proximityeffekt berücksichtigen, wenn Leiter zusammengefasst sind. Verlegungsabstand, Kabelrinnenausführung und Routingentscheidungen beeinflussen direkt, wie stark eine Herabstufung bei einer bestimmten Strecke erforderlich ist.
Abstand ist die Hauptmaßnahme zur Kontrolle. Kabel in separaten Rohren zu verlegen, sie in einer Rinne vertikal zu stapeln statt nebeneinander zu legen, oder Phasen über verschiedene Kabelrinnen zu führen, reduziert die Koppelung durch Proximityeffekt. Einaderkabel sind anfälliger als Mehraderkabel, da die Leiter in Mehraderkabeln verdrillt oder geometrisch ausgewogen sind, um den Effekt zu minimieren. Abgeschirmte Kabel können die Koppelung ebenfalls etwas verringern, dienen aber in erster Linie der Störungsunterdrückung.
Der Proximityeffekt unterscheidet sich vom Skin-Effekt, bei dem sich der Strom bei hohen Frequenzen auf der Oberfläche eines einzelnen Leiters konzentriert. Beide nehmen mit der Frequenz zu; der Proximityeffekt nimmt zusätzlich mit der Anzahl und Nähe der Nachbarleiter zu. In Gleichstromkreisen tritt der Proximityeffekt nicht auf, weil es kein veränderliches Magnetfeld gibt. Bei 50 oder 60 Hz Stromverteilung ist der Effekt real, aber normalerweise gering; er wird kritisch bei Hochfrequenz-Industrieöfen oder Umrichterschaltungen, die mit Kilohertz-Frequenzen arbeiten.