DE VEILIGHEID VAN EEN INSTALLATIE BIJ VERVORMDE STROMEN

Transcriptie

1 DE VEILIGHEID VAN EEN INSTALLATIE BIJ VERVORMDE STROMEN FOCUS Om een elektrisch net veilig uit te baten, is het van belang dat de installatie goed beveiligd is. Elektriciteit kan de oorzaak zijn van brand en kan zelfs dodelijk zijn. Daarom moeten heel wat veiligheidsmaatregelen genomen worden, zoals isolatie van geleiders. Omdat er zich dan nog steeds fouten kunnen voordoen, moet er gepast schakelmateriaal geplaatst worden die bij een fout gaat afschakelen. Twee beveiligingstoestellen die van vitaal belang zijn in een huishoudelijke installatie zijn de automaat en de differentieelschakelaar. Een automaat dient als beveiliging van het elektrisch materiaal en schakelt uit bij een te hoge stroom. De differentieelschakelaar dient zowel als bescherming van personen, als tegen brand. Deze toestellen worden verondersteld steeds correct te werken. Dit is normaal ook het geval bij een onvervormde netspanning en belastingsstroom. Bij vervormde elektrische grootheden kan het echter voorkomen dat het gedrag van de beveiligingstoestellen niet meer dezelfde is en buiten de vooropgestelde limieten ligt. AUTOMATEN Een automaat wordt gekenmerkt door een kaliber en een uitschakelcurve. Het kaliber bepaalt de toegelaten stroom, die als normaal aanzien wordt. Enkele courante waarden voor deze nominale stroom I n zijn 10A, 16A, 20A, 25A. Als de stroom (al dan niet ten gevolge van een fout) groter wordt dan deze nominale stroom, zal de beveiliging uitschakelen. Automaten kunnen op twee manieren uitschakelen, namelijk thermisch en magnetisch. Respectievelijk zorgen ze voor de uitschakeling van een overbelasting en een kortsluiting. De thermische uitschakeling gebeurt door een bimetaal dat opwarmt. De tijd waarin dit gebeurt is afhankelijk van de grootte van de stroom. Dit dalend verloop wordt in onderstaande figuur weergegeven. Kleine overstromen van 1,45 x I n kunnen tot een uur blijven vloeien vooraleer er uitgeschakeld wordt. Wanneer een stroom van 2,55 x I n vloeit moet deze reeds binnen de minuut uitgeschakeld worden.

2 De stroom waarbij de magnetische uitschakeling aangesproken wordt, wordt bepaald door de uitschakelcurve van de automaat. Dit kan voorbeeld B, C of D zijn. Een type C kan vanaf 5 x I n magnetisch uitschakelen en moet vanaf 10 x I n zeker onderbreken. Daartussen kan de uitschakeling zowel thermisch als magnetisch zijn. De magnetische uitschakeling gebeurt door een spoel die onder invloed van de stroom een pen doet verschuiven. Wanneer deze uitwijking door een kortsluitstroom voldoende groot is opent de schakelaar. De uitschakeling gebeurt in dit geval onmiddellijk, met een uitschakeltijd van maximaal 0,1s. Deze tijd is onafhankelijk van de grootte van de stroom. Thermische uitschakeling Magnetische uitschakeling 1. Thermisch gedrag van automaten bij vervormde stromen In de norm IEC60898 (Circuit breakers for overcurrent protection for household and similar installations) zijn de voorwaarden vermeld waaraan automaten voor residentiële installaties moeten voldoen. De norm geldt voor automaten die werken bij 50 Hz of 60 Hz, waarbij de nominale spanning niet groter is dan 440 V (tussen fasen), de nominale stroom niet groter dan 125 A, en waarvan de nominale kortsluitstroomcapaciteit niet groter is dan 25000A. Er werd een studie uitgevoerd om na te gaan in hoeverre een automaat zich anders gedraagt bij een vervormd stroomsignaal (onttrokken door niet-lineaire belastingen) dan bij een sinusoïdale stroom, waarvoor de norm IEC60898 van toepassing is. Hieruit bleek dat de thermische uitschakeling voor zowel vervormde stromen als voor sinusstromen binnen de norm vallen. Dit is ook logisch, gezien de uitschakeling gebeurt door de opwarming van het bimetaal. De warmte ontwikkeling is net per definitie evenredig met de RMS-waarde. De golfvorm van de stroom heeft dan ook geen invloed op het uitschakelgedrag. 2. Magnetisch gedrag van automaten bij vervormde stromen Wat de magnetische reactie van automaten betreft, is er weldegelijk een invloed merkbaar van de stroomvorm. De RMS waarde waarbij de automaat uitschakelt varieert bij variërende golfvormen. Hoewel de piekstromen bij niet-sinus veel groter zijn dan bij sinus, werd er vastgesteld dat een automaat niet op deze piekwaarde reageert. Uit

3 Genormaliseerde RMS uitschakelstroom meting volgt dat benaderend een globale curve kan opgesteld worden voor de uitschakelstromen in functie van de vormfactor van de stroom golfvorm. Deze factor geeft de verhouding weer tussen de effectieve en de gemiddelde waarde van de stroom. In het geval van een sinus is deze waarde 1,111 (met stippellijn aangegeven op onderstaande figuur). Een voorbeeld van meetresultaten van drie automaten met een kaliber van 6A, 10A en 16A en een uitschakelcurve B worden in onderstaande figuur gegeven. De uitschakelcurve B houdt in dat de magnetische uitschakeling van de automaat slechts vanaf 3 x I n mag gebeuren en vanaf 5 x I n zeker moet optreden. De grijze zones op de figuur geven dus stomen weer waarbij de uitschakeling te vroeg of te laat heeft opgetreden B6 B10 B ,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 Vormfactor Voor automaten van verschillende kalibers en verschillende merken, werd steeds een gelijkaardige verloop teruggevonden. Bij hoge vormfactoren (of dus bij gepiekte golfvormen) treedt de magnetische uitschakeling al op bij waarden kleiner dan 3 x I n. Ook aan het andere uiterste voldoet de automaat niet aan de norm. Bij vormfactor 1 (blokgolf) is de stroomwaarde al groter dan 5 x I n wanneer er uitgeschakeld wordt. Beide situaties kunnen leiden tot gevaarlijke situaties. Uitschakeling bij een te hoge stroom kan schade veroorzaken aan de installatie. Een te snelle reactie kan problemen veroorzaken bij voorbeeld de aanloop van een motor die onderbroken wordt en dus niet op toeren kan komen. Uit simulaties blijkt dat de voorgeschiedenis bij uitschakeling niet onbelangrijk zal zijn, gezien de traagheid van het mechanisch systeem voor een zeker geheugeneffect verantwoordelijk is. Het uitschakelgedrag zal bijgevolg ook niet te voorspellen zijn op basis van louter elektrische parameters, hier de vormfactor. Twee verschillende stroomvormen met eenzelfde vormfactor kunnen dus een verschillende reactie teweeg brengen. Voorzichtigheid is bijgevolg geboden, gezien sommige stroomvormen afwijken van de globale curve.

4 RMS uitschakelstroom [ma] DIFFERENTIEELSCHAKELAARS Wanneer een isolatiefout optreedt in een elektrisch toestel staat de buitenkant van dit toestel onder spanning. Dit is een bijzonder gevaarlijke situatie, omdat een persoon die op dit moment het toestel aanraakt geëlektrocuteerd wordt. Bij dergelijke fout moet de installatie dus onmiddellijk spanningsvrij geschakeld worden. Daar zorgt de differentieelschakelaar voor. Dit toestel detecteert een lekstroom naar aarde door het verschil te nemen van de stromen door de elektrische geleiders. Wanneer deze som niet nul is, of er dus ergens stroom weglekt, schakelt de lekstroomschakelaar uit. 1. Gedrag bij sinusvorige stromen Bij puur sinusvormige lekstromen werd de invloed van de frequentie onderzocht. Er werd vastgesteld dat de lekstroom waarbij er gereageerd wordt lineair stijgt wanneer de frequentie toeneemt. De gevoeligheid van de beveiliging daalt dus bij stijgende frequenties. Hieruit zou er verwacht kunnen worden dat vervormde stromen, dus met een harmonische inhoud, ook een lagere gevoeligheid zou hebben dan sinusvormige stromen. Om daarachter te komen werden ook daarop metingen uitgevoerd Frequentie [Hz] 2. Gedrag bij vervormde stromen Uit de metingen blijkt dat het vastleggen van een algemene trend in het gedrag van differentieelschakelaars niet mogelijk is. De grote verscheidenheid in opbouw van het uitschakelmechanisme zal hierin zeker een rol spelen. De meetresultaten geven aan dat voor een bepaald type de stroom waarbij het relais zich opent stijgt, naarmate het aandeel van harmonische stroomcomponenten stijgt. Deze dalende gevoeligheid

5 beantwoordt aan de trend zoals uit vorige paragraaf kon vermoed worden. Van een ander merk blijkt echter dat de gevoeligheid net stijgt bij toenemende harmonische inhoud. Er kan hier dus geen algemene conclusie over gemaakt worden. Er werd wel vastgesteld dat er een ongevoeligheid kan bestaan voor hogere frequentiecomponenten. Dergelijke stromen komen voor bij snelheidsgeregelde aandrijvingen, door het snel schakelen van dergelijke toestellen. Het niet reageren op deze stromen met hoge frequentie kan positief zijn in bepaalde gevallen, gezien hier eigenlijk geen fout aanwezig is. In bepaalde situaties kan hierdoor de spanning op de aardgeleider echter relatief hoog worden. Deze spanning kan vonken veroorzaken naar de werkelijke aarde. Dit is uiteraard een zeer gevaarlijke situatie wanneer een dergelijk systeem bedreven wordt in een explosieve omgeving. BESLUIT De thermische reactie van automaten vormt bij vervormde stromen geen probleem. Voor het magnetische uitschakelmechanisme kan als algemene richtlijn meegegeven worden dat de reactie volgens de norm IEC60898 gebeurt zolang de vormfactor van het stroomsignaal tussen de 1,07 en 1,5 blijft. Voor een stroomvormfactor kleiner dan 1,07 is er kans dat de automaat magnetisch te laat uitschakelt en voor een vormfactor groter dan 1,5 bestaat de kans dat de automaat te vroeg uitschakelt. Voor differentieelschakelaars is er geen algemene trend op te maken. Bij hoogfrequente stromen, die voorkomen door snelheidsregelaars, kan er wel een ongevoeligheid zijn van de beveiliging. Dit kan positief zijn omdat de installatie blijft draaien, maar ook gevaarlijk zijn doordat de massa onder spanning komt te staan. Bron: LEMCKO-HOWEST Auteur: Desmet Jan,Vanalme Greet, Vanhove Dimitry