Eisen aan verdeelsystemen: NEN/EN/IEC 61439

Transcriptie

1 (NEN-EN)-IEC Verdeelsystemen Roel J. Ritsma ERCD Eisen aan verdeelsystemen: NEN/EN/IEC Constructieve eisen Ingebouwde componenten Omgevingsfactoren Warmte huishouding Diëlectrisch gedrag Interne geleiders en bedrading Materialen Gedrag bij kortsluiting (kortsluitstromen) EMC 1

2 9. Prestatie-eisen 9.1 Diëlektrisch gedrag 9.2 Thermisch gedrag van verdeelsystemen 9.3 Gedrag tijdens kortsluiting 9.4 Electromagnetic compatibility Temperatuurverhoging De bron van ellende Parts of ASSEMBLIES Temperature rise K Built-in components 1) In accordance with the relevant product standard requirements for the individual components or, in accordance with the component manufacturer's instructions 6), taking into consideration the temperature in the ASSEMBLY Terminals for external insulated conductors 70 2) Busbars and conductors Limited by 6) : mechanical strength of conducting material 7) (blank koper: max 105K) possible effect on adjacent equipment; permissible temperature limit of the insulating materials in contact with the conductor; effect of the temperature of the conductor on the apparatus connected to it; for plug-in contacts, nature and surface treatment of the contact material. Manual operating means: of metal of insulating material Accessible external enclosures and covers: metal surfaces insulating surfaces Discrete arrangements of plug and socket-type connections 15 3) 25 3) 30 4) 40 4) Determined by the limit for those components of the related equipment of which they form part 5) 2

3 Componenten volgens eigen voorschrift Test in open lucht! L L Goede koeling door convectie en straling Bedrading werkt als een radiator (warmtegeleiding ) Geleiders bij test: single-core PVC-geïsoleerde Cu-geleiders of Cu-rails die mat zwart geschilderd zijn doorsnede correspondeert met test stroom lengte L I <400 A <800 A <3150 A L 1 m 2 m 3 m Componenten ingebouwd test in kast van verdeelsysteem: doorgaans meer dan één component korte interne verbindingen doorsnede geleiders bij test zelfde als voor test van individuele component Koeling substantieel slechter dan bij individuele test van componenten: grootste deel straling wordt door kastwanden gereflecteerd geen optimale convectie warmtestroom door de kast treedt alleen op bij hogere temperatuursverschillen componenten warmen elkaar wederzijds op bij hogere stromen wervelstromen in staaldelen die tot additionele warmtebronnen leiden 3

4 Temperaturen volgens Invloed interne geleiders Componenten dissiperen, maar geleiders ook! Type component (3-polig) Lastschakelaar SB463 Automaat MBN563E Inom [A] Dissipatie P component (63A/3p) [W] Voorgeschreven bedradingsdoorsnede [mm2] Dissipatie component inclusief 1 meter draad (63A/3p) [W] Noot: hoe meer de component dissipeert, des te meer warmte er ook via de aangesloten geleiders moet worden afgevoerd 4

5 Invloed interne geleiders Doorsnede interne geleiders van groot belang! Draaddoorsnede [mm2] Dissipatie P van 1 meter draad bij 63A (3 fasen) [W] Componenten zijn niet altijd gelijk 250,00 power loss of motor starters - direct starter 0, kw, 400 V, 80% load 200,00 Pv [W] 150,00 100,00 50,00 0, In [A] 5

6 Componenten zijn niet altijd gelijk: frame sizes Frame sizes: voorbeeld 12 6

7 Zelfde rating, groot verschil in temperatuur En wat betekent het nu eigenlijk als het zo warm wordt? 13 Thermisch gedrag 3 Grootheden bepalen het thermische gedrag van een verdeelsysteem 1. I na : de nominale stroom waarmee de voeding van het verdeelsysteem maximaal belast kan worden (aanname: het verdeelsysteem heeft één voeding) 2. I nc : de nominale stroom van een circuit (lees: de afgaande stroomketens) 3. De gelijktijdigheidsfactor 7

8 Thermisch gedrag Norm tekst I nc The rated current of a circuit is the value of the current that can be carried by this circuit loaded alone, under normal service conditions. This current shall be carried without the temperature rise of the various parts of the ASSEMBLY exceeding the limits specified in 9.2. Thermisch gedrag: eis 1 Een individuele eindgroep moet in staat zijn 100% van zijn nominale stroom I nc te voeren zonder dat de limieten van de temperatuurstijgingen overschreden worden. De overige eindgroepen zijn onbelast. 8

9 Thermisch gedrag Gelijktijdigheidsfactor De waarde per eenheid van de nominale stroom zoals aangegeven door de fabrikant van het verdeelsysteem, waarbij afgaande stroomketens van een verdeelsysteem continu en gelijktijdig kunnen worden belast Type belasting Gelijktijdigheidsfactor Verdeling 2 en 3 stroomketens 0.9 Verdeling 4 en 5 stroomketens 0.8 Verdeling 6 t.m. 9 stroomketens 0.7 Verdeling 10 of meer stroomketens 0.6 Elektrisch bedieningsorgaan 0.2 Motoren 100 kw 0.8 Motoren > 100 kw 1 Thermisch gedrag: eis 2 Alle eindgroepen gezamenlijk en gelijktijdig belast, moeten in staat zijn hun nominale stroom I nc maal de gelijktijdigheids-factor te voeren zonder dat de limieten van de temperatuur-stijgingen overschreden worden. Voorbeeld met een gelijktijdigheidsfactor van 0,6 (60%). 9

10 Thermisch gedrag: I versus ΔT Temperatuurstijging ΔT is in eerste benadering evenredig met I 2 ( als je straling verwaarloost) Temperatuurstijging ΔT 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140% Belasting Speelt straling dan geen rol? Jawel, zeker voor de hot-spots. Maar voor het algemene warmtebeeld (hoe warm wordt de lucht in de kast) veel minder. 10

11 Invloed gelijktijdigheidsfactor op dissipatie Case: de gelijktijdigheidsfactor wordt van 0,6 naar 0,8 verhoogd. Wat betekent dit voor de temperatuurstijgingen in een paneel? Invloed gelijktijdigheidsfactor op dissipatie Antwoord: die verdubbelen bijna! Gelijktijdigheidsfactor van 0.6. Voor de dissipatie geldt: P dissipatie groep = 0.36 ( I 2. R ) groep Gelijktijdigheidsfactor van 0.8. Voor de dissipatie geldt: P dissipatie groep = 0.64 ( I 2. R ) groep Dissipatie neemt met factor 0.64/0.36=1.8 temperatuurstijgingen nemen ook met factor 1.8 toe 11

12 10.10 Verificatie van temperatuurverhoging Mogelijk door: Testen Analyse achter het buro (tot 1600A) Verificatie van temperatuurverhoging (vervolg) Verificatie temperatuur stijgingen Verificatie door analyse Nee Ja Optie 1 Ja Nee Optie 2 Ja Verificatie door test Nee Samenbouw afgedekt door eerdere test Ja Flowdiagram temperatuur verhogingen Nee Temperatuurtest Verdeelsysteem is geverifieerd 12

13 testen Maximale temperatuurstijgingen Bron: Eaton Holec Prof. Ir. Damstra Specificatie Laboratorium en verificatie 25 Calculatie (optie 1 en 2) Karakterisering van de kast t/m 630 A: door meting t/m 1600 A: berekenen met IEC Voorwaarde: componenten voor maximaal 80% belast Bepaal de doorsnede van de interne bedrading Volgens IEC NEN 1010 Bepaal de totale Watt-verliezen in de kast Componenten Interne bedrading / geleiders Beoordeel of de temperatuur in de kast de maximale werktemperatuur van de componenten niet overschrijdt 13

14 Waarom een bovengrens van 1600A 50Hz stromen geven een 50Hz magneetveld Wisselende magneetvelden leiden tot fluxveranderingen en daarmee tot geïnduceerde spanningen en als materiaal geleidend is gaan er (wervel) stromen lopen Hoe hoger de stroom, hoe sterker het magneetveld, hoe groter de fluxveranderingen en hoe sterker het effect van wervelstromen. Specificatie en verificatie 27 Proximity effect van geleiders t.o.v elkaar Stroomverdeling niet homogeen Specificatie en verificatie 28 14

15 Wervelstroomverliezen in kastwanden Kastwand dicht bij railsysteem: 3 fase magneetvelden heffen elkaar niet op wervelstroomverliezen in de wand 29 Let overigens ook op met doorvoeren singles door een kastwand Niet zo maar zo 30 15

16 Calculatie (optie 1 en 2) Karakterisering van de kast t/m 630 A: door meting t/m 1600 A: berekenen met IEC Voorwaarde: componenten voor maximaal 80% belast Bepaal de doorsnede van de interne bedrading Volgens IEC NEN 1010 Bepaal de totale Watt-verliezen in de kast Componenten Interne bedrading / geleiders Beoordeel of de temperatuur in de kast de maximale werktemperatuur van de componenten niet overschrijdt IEC Deze norm geeft een berekeningstechniek om op basis van totale dissipatie in een kast (x Watt) voor verschillende kastconfiguraties de verhoging van de temperatuur van de lucht in de kast te bepalen ten opzichte van de omgevingstemperatuur. Specificatie en verificatie 32 16

17 Klasse I versus klasse II Volledig geïsoleerd Kast in een kast Klasse I versus klasse II Koelend vermogen Klasse 1 kast HxBxD 800 x 550 x 210 ΔT lucht = 20K (50% hoogte) 96 W Klasse 2 kast HxBxD 800 x 550 x 210 ΔT lucht = 20K (50% hoogte) 66 W en dan maakt het niet zoveel uit welke fabrikant 17

18 Geheel gesloten versus (passief) geventileerd Geheel gesloten versus (passief) geventileerd Koelend vermogen Niet geventileerd HxBxD 1200 x 800 x 300 Ventilatie: nee ΔT lucht = 20K (50% hoogte) 185 W Klasse 2 kast HxBxD 1200 x 800 x 300 Ventilatie: 80 cm 2 ΔT lucht = 20K (50% hoogte) 450 W IEC let op: er moet wel een goede luchtflow mogelijk zijn 18

19 Calculatie (optie 1 en 2) Karakterisering van de kast t/m 630 A: door meting t/m 1600 A: berekenen met IEC Voorwaarde: componenten voor maximaal 80% belast Bepaal de doorsnede van de interne bedrading Volgens IEC NEN 1010 Bepaal de totale Watt-verliezen in de kast Componenten Interne bedrading / geleiders Beoordeel of de temperatuur in de kast de maximale werktemperatuur van de componenten niet overschrijdt Kabeldoorsneden 1. Interne geleiders moeten een minimale kabeldoorsnede hebben gebaseerd op 125% van de toegestane stroom I n van de functionele unit ( eindgroep of voedingsveld ) volgens IEC IEC is in vrij vertaald Nederlands kabeldimensionering volgens NEN Voorbeelden zijn opgenomen in Annex H van de IEC

20 Annex H Table H.1 Operating current and power loss of single-core copper cables with a permissible conductor temperature of 70 C (ambient temperature inside the ASSEMBLY: 55 C) Spacing at least one cable diameter Conductor arrangement Single-core cables in a Single-core cables, cable trunking on a touching free in air or wall, run horizontally. on a perforated tray. 6 of the cables 6 cables (2 three-phase circuits) (2 three-phase circuits) continuously loaded continuously loaded Single-core cables, spaced horizontally in free air Crosssectional area of conductor Resistance of conductor at 20 C, R20 a) Max. operating current Imax b) Powerlosses per conductor Pv Max. operating current Imax c) Powerlosses per conductor Pv Max. operating current Imax d) Powerlosses per conductor Pv mm² mω/m A W/m A W/m A W/m 1,5 2, ,1 7,41 4,61 3,08 1,83 1,15 0,727 0,524 0,387 0,268 0,193 0,153 0,124 0,0991 0, ,8 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2, ,3 1,5 1,7 2,0 2,3 2,7 3,0 3,4 3,7 4,3 4,7 5,0 5,4 5,7 6, ,2 3,7 4,2 4,7 5,4 6,2 6,9 7,7 8,3 9,4 10,0 10,7 11,5 12,0 12,7 Annex H Table H.1 Operating current and power loss of single-core copper cables with a permissible conductor temperature of 70 C (ambient temperature inside the ASSEMBLY: 55 C) Temperatuur kabel en lucht in kast Spacing at least one cable diameter Conductor arrangement Single-core cables in a Single-core cables, cable trunking on a touching free in air or wall, run horizontally. on a perforated tray. 6 of the cables 6 cables (2 three-phase circuits) (2 three-phase circuits) continuously loaded continuously loaded Crosssectional of conduc- operating losses per operating losses per Resistance Max. Power- Max. Power- area of tor at current conductor current conductor conductor 20 C, R20 a) Imax b) Pv Imax c) Pv Single-core cables, spaced horizontally in free air Max. Powerlosses per operating current conductor Imax d) Pv Voor 90 graden draad: factor ca. 1,6 meer stroom mm² mω/m A W/m A W/m A W/m 1,5 2, ,1 7,41 4,61 3,08 1,83 1,15 0,727 0,524 0,387 0,268 0,193 0,153 0,124 0,0991 0, ,8 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2, ,3 1,5 1,7 2,0 2,3 2,7 3,0 3,4 3,7 4,3 4,7 5,0 5,4 5,7 6, ,2 3,7 4,2 4,7 5,4 6,2 6,9 7,7 8,3 9,4 10,0 10,7 11,5 12,0 12,7 20

21 Annex H Table H.1 Operating current and power loss of single-core copper cables with a permissible conductor temperature of 70 C (ambient temperature inside the ASSEMBLY: 55 C) Spacing at least one cable diameter Installatie wijze Conductor arrangement Single-core cables in a Single-core cables, cable trunking on a touching free in air or wall, run horizontally. on a perforated tray. 6 of the cables 6 cables (2 three-phase circuits) (2 three-phase circuits) continuously loaded continuously loaded Single-core cables, spaced horizontally in free air Crosssectional area of conductor Resistance of conductor at 20 C, R20 a) Max. operating current Imax b) Powerlosses per conductor Pv Max. operating current Imax c) Powerlosses per conductor Pv Max. operating current Imax d) Powerlosses per conductor Pv mm² mω/m A W/m A W/m A W/m 1,5 2, ,1 7,41 4,61 3,08 1,83 1,15 0,727 0,524 0,387 0,268 0,193 0,153 0,124 0,0991 0, ,8 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2, ,3 1,5 1,7 2,0 2,3 2,7 3,0 3,4 3,7 4,3 4,7 5,0 5,4 5,7 6, ,2 3,7 4,2 4,7 5,4 6,2 6,9 7,7 8,3 9,4 10,0 10,7 11,5 12,0 12,7 Installatie wijzen Gebundeld Kabelgoot Gespatiëerd 21

22 Annex H Table H.1 Operating current and power loss of single-core copper cables with a permissible conductor temperature of 70 C (ambient temperature inside the ASSEMBLY: 55 C) Spacing at least one cable diameter Conductor arrangement Single-core cables in a Single-core cables, cable trunking on a touching free in air or wall, run horizontally. on a perforated tray. 6 of the cables 6 cables (2 three-phase circuits) (2 three-phase circuits) continuously loaded continuously loaded Single-core cables, spaced horizontally in free air # belaste circuits Crosssectional area of conductor Resistance of conductor at 20 C, R20 a) Max. operating current Imax b) Powerlosses per conductor Pv Max. operating current Imax c) Powerlosses per conductor Pv Max. operating current Imax d) Powerlosses per conductor Pv mm² mω/m A W/m A W/m A W/m 1,5 2, ,1 7,41 4,61 3,08 1,83 1,15 0,727 0,524 0,387 0,268 0,193 0,153 0,124 0,0991 0, ,8 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2, ,3 1,5 1,7 2,0 2,3 2,7 3,0 3,4 3,7 4,3 4,7 5,0 5,4 5,7 6, ,2 3,7 4,2 4,7 5,4 6,2 6,9 7,7 8,3 9,4 10,0 10,7 11,5 12,0 12,7 Meerdere circuits 9 circuits ΔT = 50K 1 circuit ΔT = 10K Meting geeft reductiefactor: 0,45 IEC : reductiefactor 9 circuits 0,5 Tambiant = 24 o C 22

23 Dimensionering volgens IEC XLPE EPR 90 C T geleider [ C] T lucht in kast [ C] k2: aantal circuits koper [B1] Eenaderige kabel k1 = 0,76 1 0,8 0,7 0,65 0,6 0,57 0,54 0,52 0,5 0,45 0,41 0,38 NEN1010 Tabel A.52-6 Tabel A Tabel A doorsnede toegestane stroom toegestane stroom toegestane stroom 90 C [mm2] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [mohm / m] 1, ,6 2, , , , , , , , , , , , , , , ,078 Bron tabel: Eaton Calculatie (optie 1 en 2) Karakterisering van de kast t/m 630 A: door meting t/m 1600 A: berekenen met IEC Voorwaarde: componenten voor maximaal 80% belast Bepaal de doorsnede van de interne bedrading Volgens IEC NEN 1010 Bepaal de totale Watt-verliezen in de kast Componenten Interne bedrading / geleiders Beoordeel of de temperatuur in de kast de maximale werktemperatuur van de componenten niet overschrijdt 23

24 Calculatie (optie 1 en 2) Karakterisering van de kast t/m 630 A: door meting t/m 1600 A: berekenen met IEC Voorwaarde: componenten voor maximaal 80% belast Bepaal de doorsnede van de interne bedrading Volgens IEC NEN 1010 Bepaal de totale Watt-verliezen in de kast Componenten Interne bedrading / geleiders Beoordeel of de temperatuur in de kast de maximale werktemperatuur van de componenten niet overschrijdt Additionele aandachtspunten 1. Produktinformatie: leg vast wat de maximale belasting van een verdeelsysteem is 2. Verbindingen met extra eisen: aftakking van een railsysteem 3. Aansluitingen 24

25 6. Productinformatie typeschild bevat minimaal: a. De naam of trademark van de fabrikant van het verdeelsysteem of de naam van de labelaar. b. Een typeaanduiding zodat relevante informatie bij de fabrikant opgevraagd kan worden. c. Datum van fabricage d. IEC X. Naar keuze op typeschild of in technische documentatie (1) 1. De nominale spanning U e. Als er sprake is van een meerfasig verdeelsysteem is dit de nominale gekoppelde spanning. 2. Nominale isolatiespanning U i 3. De impulsspanning U imp 4. De nominale stroom I na van het verdeelsysteem 5. De nominale stroom van ieder circuit (groep) I nc 6. De nominale grenspiekstroom I pk 7. Maximale korte-duurstroom (I cw ) en de bijbehorende tijdsduur 8. De conditionele kortsluitstroom I cc 9. d.c. of a.c. stroom en frequentie in het geval van a.c. 10. De gelijktijdigheidsfactor 25

26 Naar keuze op typeschild of in technische documentatie (2) 11. Uitschakelcurven van beveiligingen 12. IP-graad 13. Aardingssystemen waarvoor het verdeelsysteem geschikt is 14. Omgevingscondities voor het gebruik van het verdeelsysteem 15. Eisen aan bedienend personeel (geïnstrueerde personen of leken) 16. Omhulling: maatregelen ter bescherming van personen 17. Afmetingen van het verdeelsysteem 18. Gewicht van het verdeelsysteem 19. Manier van interne compartimentering Case uitbreiding Kast samengebouwd door paneelbouwer: gelukkig foto gemaakt bij eindkeuring 4 maal C-16A 26

27 Case uitbreiding Oververhitte eindgroep zal wel slechte verbinding zijn Opmerkelijk: er zitten nu C-20A automaten in 53 Case uitbreiding Kast weer in bedrijf In de herstelde kast ook C-20A automaten Gemeten waarden stroom: Gr 1: 18A Gr 2: 19A Gr 3: 18,5A Resultaat: stroom te hoog, verdeler overbelast! Maar voor deze conclusie moet je wel de gelijktijdigheidsfactor weten Oorzaak: bij uitbreiding lichtlijnen onderling doorgekoppeld 54 27

28 Inwendige elektrische stroomketens en aansluitingen Aftakking van een railsysteem Inwendige elektrische stroomketens en aansluitingen (vervolg) Aftakking van een railsysteem (één item uit tabel 4) Eenaderige geleiders met fundamentele isolatie en een maximaal toegelaten bedrijfstemperatuur voor de geleider van ten minste 90 C, bijvoorbeeld kabels volgens IEC , of hittebestendige thermoplastische (PVC) geïsoleerde kabels volgens IEC Toelichting: Wederzijds contact of contact met geleidende delen is toegelaten mits er geen uitwendige druk wordt uitgeoefend. Contact met scherpe randen moet worden voorkomen Deze geleiders mogen slechts zo worden belast dat een bedrijfstemperatuur van 80 % van de maximaal toegelaten bedrijfstemperatuur voor de geleider niet wordt overschreden. het gebruik van standaard VD90 draad komt in de praktijk voor deze aftakkingen heel veel voor, Doorgaans vindt er geen kritische toetsing plaats, terwijl dat volgens de norm wel moet. Bij geteste configuraties kan de temperatuur gemeten worden. Bij verificatie volgens analyse kan de kabeldoorsnede bepaald worden volgens IEC (zie voorbeelden in annex H). Door voor HD90 draad de tabel van 70oC PVC aan te houden kan aan de eis dat een bedrijfstemperatuur van 80 % van de maximaal toegelaten bedrijfstemperatuur voor de geleider niet wordt overschreden tegemoet gekomen worden. Zie bijlage 3 met voorbeeld tabel. Er wordt tevens gesteld dat er geen uitwendige druk wordt uitgeoefend. Het voorschrift definieert niet wat hiermee precies bedoeld wordt. De interpretatie die aangehouden kan worden is uitwendige druk die kan leiden tot (plastische) vervorming van isolatiemateriaal. Voorbeelden: een aantal kabels gebundeld door (spiraal) profielen of niet strak aangehaalde ty-raps is accoord een aantal kabels strak geklemd onder een trekontlasting is niet accoord 28

29 Te hoge bedrijfstemperatuur en foutieve aftakking van railsysteem Te hoge bedrijfstemperatuur en foutieve aftakking van railsysteem Zes afgaande groepen Vanaf railsysteem 29

30 Te hoge bedrijfstemperatuur Aftakking van een railsysteem (één item uit tabel 4) Van belang: Wat is de gelijktijdigheidsfactor van de afgaande groepen Bij een gelijktijdigheid van 0,6 wordt de bedrading 130 o C Tyraps: te strak aangetrokken mechanische druk op isolatie materiaal Conclusie: dubbele fout! Vragen? 30