Kortsluitvastheid HS VP. Quercus Technical Services B.V.

Transcriptie

1 Kortsluitvastheid HS \!P

2 Inhoudsapgave Inleiding Kortsluitvastheid 2.1 Kortsluitstrornen uit het openbare net ( netbijdrage') Wisselstroomcornponent Gelijkstroomcomponent Stootkortsluitstroom 2.2 Generator gevoede kortsluitstromen 2.3 Optellìng van de stromen 2.4 Kortsluitstromen met bijdrage van motoren 2.5 Bepaling van de thermische kortsluitstroorn Soorten kortsluitingen 3.1 De driefasensluiting 3.2 De tweefasensluiting 3.3 De eenfasesluiting 3.4 Een tweefasensluiting met aarde en dubbele aardsluiting 3.5 Sluiting in geaarde netten Opgaven \D\OOOOONNO\O\CÌ U! in

3 1. Inleiding lnstallatíeonderdelen moeten in staat zijn om een grote kortsluitstroom te voeren gedurende de aanspreektijd van de beveiligingsrelais. Een bijdrage aan deze kortsluitstromen leveren:. het openbare net (via transformatoren);. eigen generatoren;. grote motoren. Om aan te geven dat installatieonderdelen bestand zijn tegen de gevolgen van kortsluiting, gebruikt men in het algemeen de aanduiding kortsluitvast, Tijdens de stationaire toestand heeft men te maken met de stationaire kortsluitwisselstroom (Ik). De grootte van deze stroom wordt bepaald door de impedantie (weerstand) van het kortgesloten circuit. Aihankelijk van de bijdrage van het openbare net, generatoren en motoren kan de stationaire kortsluitstroorn in het begin groter worden als de stationaire kortsluitstroom. We kunnen de kortsluitstroorn ook als een kortsluit vermogen S k weergeven. Het kortsluit vermogen kan uitgerekend worden met de formule: SL=U 'IL'\Í5 [1.1] Waarin: S k : kortsluitverrnogen (MVA), U,1 : de lijnspanning is op de plaats van de kortsluiting (kv), l k : de beginkortsluitstroorn (ka).

4 Kortsluitvastheid Thermische kortsluitvastheid Thermische korstluitvastheid wil zeggen het bestand zijn tegen de optredende temperatuurverhoging ten gevolge van de kortsluitstroom. Naast de tijdsduur is de grootte van de kortsluitstroom bepalend voor de thermische kortsluitvastheid. Deze wordt met lù[_j_5] aangeduid waarbij altijd de tijd aangegeven wordt. Dynamische kortsluitvastheid Dynamische kortsluitvastheid wil zeggen het bestand zijn tegen de optredende krachten ten gevolge van de kortsluitstroom. Hierbij is de piek van de optredende kortsluitstroom, de zogenaamde Stootkortsluitstroom, bepalend. Deze wordt met IS of]dyn aangeduid. Deze treedt op in de eerste halve periode van de kortsluitstroom Voor vermogenschakelaars is naast de kortsluitvastheid ook de afschakelstroom van belang, die afhankelijk is van het tijdstip, waarop de vermogenschakelaar de kortsluitstroom onderbreekt. Om de hier bedoelde kortsluitstroom te kunnen bepalen dient men bekend te zijn met de het gedrag van een kortsluitstroom direct na het ontstaan van de kortsluiting. 2.1 Kortsluitstromen uit het openbare net ('netbìjdrage') In het algemeen zal het openbare net als 'sterk' kunnen worden opgevat, dat wil zeggen dat kan worden uitgegaan van een constante spanning tijdens het verloop van de kortsluiting. Het ontstaan van de kortsluitstroom gaat in de meeste gevallen samen met een overgangsverschijnsel. Dit overgangsverschijnsel heeft tot gevolg dat de kortsluitstroom in aanvang een asymmetrisch verloop heeft. Tijdens de overgangstoestand kan de asymmetrische kortsluitstroom opgebouwd worden gedacht uit een wisselstroomcomponent en een gelijkstroomcomponent. Na korte tijd (enige perioden) is het overgangsverschijnsel verdwenen en is de kortsluitstroom symmetrisch. Dit noemt men de stationaire toestand Wisselstroomcomponent Deze wisselstroomcomponent is gelijk aan de stationaire (symmetrische) kortsluitwisselstroom, aangegeven met lk. Voor een sterk net geldt dat de beginkortsluitwisselstroom (Ik") gelijk is aan de stationaire kortsluitwisselstroom ( Ik).

5 ... [ l Gelijkstroomcomponent De beginwaarde van de gelijkstroomcomponent is afhankelijk van het tijdstip van de sluiting en van de R/X verhouding van het kortgesloten circuit. Bij een R/X van 0,1 is de gelijkstroom component maximaal en bij R/X : 1 is de gelijkstroom component praktisch niet aanwezig. In de praktijk moeten we rekening houden met de situatie die de installatie het zwaarst belast. Dat is zoals we in Figuur 2.1 zien de kortsluitstroom met gelijkstroomcomponent. De gelijkstroomcomponent neemt exponentieel afmet de tijd. k'(ioi)/ ini_5lfll]...» \ \ r dynamische 0 cl:»iifti/ Vlli/ ii\liiiii (\': ". _» & tijd -l 5 Figuur 2.1 gelijkstroom component Momentele verloop van de kortsluitstroom in een sterk net Stootkortsluitstroom Onder de Stootkortsluitstroom (L, I ) verstaat men de in een bepaald kortsluitstroomcircuit maximaal bereikbare topwaarde van de asymmetrische kortsluitstroom. Voor de bepaling van l5 maakt men gebruik van de stootfactor K, die de gelijkstroom component berekent, en de topwaarde (xfi) van de wisselstroom. De stootfactor is afhankelijk van de R/X verhouding en is maximaal 1,75. I3=1,75«E 1L=2,5-11 [2.1] waarin: 15 : de Stootkortsluitstroom (A, gebruikelijk in ka), K : de stoorfactor, Ik : de beginkortsluitwisselstroom (A, gebruikelijk in ka).

6 I l 2.2 Generator gevoede kortsluitstromen l lier gaat het ontstaan van een kortsluiting gepaard met nog een ander overgangsverschijnsel. Het effect is echter gecompliceerder dan het overgangsverschijnsel veroorzaakt door de gelijkstroom. Dit wordt veroorzaakt door het gedrag van generatoren in reactie op het ontstaan van een kortsluiting. Dit gedrag wordt bepaald door de generator-reactanties. Ook speelt de impedantie van het kortsluitcircuit een rol. Transiënte kortsluitstroom Men noemt de daling van de amplitide van de kortsluitstroom in combinatie met de aanwezigheid van de gelijkstroomcomponent een transiënt verschijnsel. In het algemeen stelt men: zo lang er een gelijkstroomcomponent aanwezig is in de kortsluitstroom, spreekt men over een transiënte kortsluitstroom. Gelijkstroomcomponent De gelijkstroomcomponent is afhankelijk is van het tijdstip van de sluiting en de verhouding R/X van het kortgesloten circuit. 2.3 Optelling van de stromen Door optelling van de wisselstroomcomponent en de gelijkstroomcomponent van de stromen ontstaat het beeld zoals weergegeven in Figuur Z Z. liierbij ziet men de afnemende kortsluitwisselstroorn die onder invloed van de gelijkstroomcomponent in het begin een asymmetrisch verloop heeft. 4 -\ \ /- dynamische kortsluitstroom " Ik / k[slall I\) «/_ _ afnemende Wisselstroom \ /WlÌ\/\ëlé *\V ll_lk\/ V VVlil/ \1WV _2 _ gelijkstroom component stationaire Ik 3 _ Figuur 2.2 Momentele verloop van de kortsluitstroom in een 'niet sterk net In Figuur 2.2 is een voorbeeld gegeven waarbij tussen de beginwaarde ik en de stationaire waarde Ik van de kortsluitstroom de verhouding 3 maal is en de tijdconstante van de afname 1 s (50 perioden) bedraagt. De afname van de gelijkstroomcomponent is hier circa 0,1 s (5 perioden)

7 2.4 Kortsluitstromen met bijdrage van motoren De in bedrijfzijnde asynchrone en synchrone motoren leveren bij kortsluiting ook een aandeel in de optredende stroom. In het algemeen behoeft men hier slechts rekening mee te houden als de motoren op hetzelfde spanningsniveau met de foutplaats verbonden zijn. Indien deze gekoppeld zijn via een transformator, zal door de demping van de transformatorimpedantie de bijdrage nihil Zijn. De bijdrage van grote motoren aan de kortsluiting is gelijk aan de aanloopstroom van de motor. De tijdsduur en de grootte van deze bijdrage is afhankelijk van het vermogen van de motoren en neemt in de praktijk snel af. Bij een Z MVA motor is de bijdrage na 0,25 seconden nog maar circa 20 % van de aanloopstroom. 2.5 Bepaling van de thermische kortsluitstroom Bij korte uitschakeltijden mag het overgangsverschijnsel in de kortsluitstroom, veroorzaakt door de gelijkstroom component, niet worden verwaarloosd. De door de gelijkstroomcomponent veroorzaakte warmteontwikkeling is een aanmerkelijk deel van de totale warmteontwikkeling. Het uitsluitend rekenen met de stationaire kortsluitstroom Ik zou daarom leiden tot een te lichte uitvoering van installatieonderdelen. Soorten kortsluitingen Bij het berekenen van kortsluitstromen gaat men uit van de grootst mogelijke kortsluitstroom (worst case). Daarnaast is de wijze van sterpuntsaarding belangrijk voor de berekening van de enkelfasige foutstromen. De driefasige kortsluitstroom is de grootst mogelijke stroom. Deze wordt dus meestal berekend voor het dimensioneren van kabels en apparaten. Daarnaast is de minimale kortsluitstroom belangrijk. Deze waarde berekend men om te controleren ofbij deze waarde van de stroom nog wel (selectief) afgeschakeld kan worden. Om onderscheid te maken tussen een-, twee- en driefase kortsluitingen wordt de notatie l k(i) voor enkelfasige, I k(2) voor tweefasige en l k(3) voor driefasige sluitingen gebmikt. 3.1 De driefasensluiting Hierbij vloeit in elke geleider naar de foutplaats een stroom lk"(3). Men noemt dit een symmetrische sluiting, zie Figuur 3,1. Figuur 3.1 Driefasen kortsluiting in een niet geaard net De grootte van de stroom wordt in hoofdzaak bepaald door de som van alle impedanties (Z) per fase in het kortgesloten circuit en de spanning (U).

8 3.2 De tweefasensluiting De stroom naar de foutplaats is Ik"(2) en men noemt deze sluiting en alle overige sluitingen een asymmetrische sluiting. Ook hier wordt de grootte van de stroom bepaald door de som van alle impedanties per fase. Ik / / Figuur 3.2 Tweefase sluiting in een niet geaard net 3.3 De eenfasesluiting De stroom naar de foutplaats is Ik (l) en ontstaat door aanwezigheid van capaciteit tussen geleiders en aarde. De waarde van de capacitieve stroom is afl1ankelijk van de omvang van de installatie maar zal relatief laag zijn; tot enkele honderden ampères. Figuur 3.3 Eenfasesluiting in een niet geaard het

9 3.4 Een tweefasensluiting met aarde en dubbele aardsluìting De optredende stromen in de aardverbinding zijn respectievelijk Ik (AA) en Ig (2A). De stroom IIJ'(AA) bereikt hier dezelfde waarde als lk"(2) en belast het aardrailsysteem en zijn verbindingen. De stroom l{'(2a) vloeit alleen in het knooppunt van de beide aardsluìtingen en geeft geen belasting voor het aardsysteem. / /// lk(2a) Figuur 3.4 Tweefasensluiting met aarde 3.5 Sluiting in geaarde netten Bij geaarde netten is de situatie gecompliceerder. Hierbij kan het voorkomen, dat bij de eenfase aardsluìting en bij de tweefasesluiting met aarde, in de buurt van transformatoren en generatoren, de kortsluitstroom een hogere waarde bereikt dan in geval van een symmetrische sluiting In deze training houden we daar geen rekening mee en stellen we dat de maximale kortsluitstroom de driefäsekortsluitstroom is. 11

10 4. Opgaven 1. Welke delen van een installatie leveren een bijdrage aan de kortsluitstroom? 2. Wanneer vertoont de kortsluitstroom geen asymmetrie in het verloop? 3. Waarvoor dienen de factoren m en n 4. Wanneer is een kortsluitstroom Transiënt?