Overspanningsbeveiliging In elektriciteitsnetten kunnen kleine piekspanningen voorkomen. Die piekspanningen kunnen ontstaan door onweer, maar ook door schakelhandelingen. De meeste piekspanningen ontstaan door het in- en uitschakelen van apparaten en kabels. Veel minder vaak zijn er piekspanningen door onweer. Het probleem is dat de piekspanningen door onweer wel erg hoog kunnen zijn. Elektrische apparaten kunnen door de piekspanningen kapot gaan. Een piekspanning wordt in de normen aangeduid als overspanning. 1
In gebouwen met een bliksemafleiderinstallatie is het van belang dat goede maatregelen worden gekozen om elektrische apparatuur te beschermen. Dat betekent: Kabels niet dichtbij parallel aan delen van de bliksemafleiderinstallatie laten lopen Apparatuur en bekabeling op hoge etages niet tegen de binnenzijde van de gevel monteren Overspanningsbeveiligingen plaatsen in de installatie. Deze overspanningsafleiders voorkomen dat er grote spanningsverschillen kunnen ontstaan tussen het gebouw en elektrische apparatuur Datacommunicatie het gebouw in, het liefst via glasvezelkabel Overspanningsbeveiligingen worden ook gebruikt in gebouwen zonder bliksemafleiders als er gevoelige apparatuur of onmisbare apparatuur is aangesloten, zoals computerservers en besturingscomputers. 2
Soorten overspanningen Er zijn grote overspanningen (hoge piekspanningen) en kleine overspanningen (lage piekspanningen). Een directe blikseminslag zorgt bijna altijd voor een grote overspanning. Een indirecte blikseminslag en schakelhandelingen zorgen meestal voor kleine overspanningen. Een groot verschil is verder is dat een grote overspanning (directe inslag van bliksem) altijd van buiten het pand komt, terwijl overspanningen door schakelhandelingen ook in het pand kunnen ontstaan. Een grote overspanning kan hierdoor worden afgevangen op de plek waar de kabels het pand binnen komen. De beveiliging tegen kleine overspanningen moet dicht bij de apparatuur gebeuren. Een directe blikseminslag is een inslag van bliksem om op een elektrisch apparaat of op de bliksemafleiderinstallatie. Voor een directe blikseminslag wordt in de normen gerekend met een stroom van 100.000 A die in 10 μs stijgt van 0 tot maximaal en dan na 350 μs gehalveerd is in waarde. Deze bliksemvorm wordt dan ook met 10/350 aangeduid. Een indirecte blikseminslag is als de bliksem inslaat in bijvoorbeeld ene boom of een meten constructie. In de buurt van de boom of de metalen constructie liggen kabels. Door de spoel- en condensatorwerking gaat een deel van de bliksemenergie over op de aders in de kabel. Voor een indirecte blikseminslag wordt in de normen gerekend met een stroom van 8.000 A die in 8 μs stijgt van 0 tot maximaal en dan na 20 μs gehalveerd is in waarde. Deze bliksemvorm wordt dan ook met 8/20 aangeduid. 100 I [ka] 75 50 25 8 4 0 0 20 200 350 400 600 800 1000 t [µs] 3
Soorten overspanningsbeveiligingen Er zijn globaal vier soorten overspanningsbeveiligingen: Een overspanningsbeveiliging die gezet wordt tussen de bliksembeveiliging en de veiligheidsaarding Een grofbeveiliging op de plek waar de kabels het pand binnen komen Een middelbeveiliging die wordt geplaatst in verdeelkasten Een fijnbeveiliging die wordt geplaatst bij de gevoelige apparatuur Als de bliksem inslaat op het gebouw zelf, wordt dat een directe blikseminslag genoemd. Bij een directe blikseminslag loopt er een zeer grote stroom naar aarde. Die stroom kan best meer dan 100.000 A zijn! Daardoor staat er heel kort een hoge spanning op de hele bliksemafleiderinstallatie. Daardoor kan de bliksem ook weer overslaan naar delen van het gebouw die met de veiligheidsaarding zijn verbonden. En dat kan tot brand leiden. Om dat te voorkomen wordt de bliksemafleiderinstallatie via een overspanningsbeveiliging met de veiligheidsaarding verbonden. Dat zorgt ervoor dat ook alle geaarde delen heel kort die hoge spanning krijgen. Er komt dan geen overslag en het gebouw is beschermd. Als de geaarde delen samen met de bliksemafleiderinstallatie heel kort een hoge spanning krijgen, kan er weer een spanningsverschil ontstaan tussen de geaarde delen en de fasen en nul. Om dat te voorkomen moet er een overspanningsafleider worden geplaatst die zorgt dat de spanning tussen fasen, nul en veiligheidsaarde niet te hoog wordt. Deze overspanningsbeveiliging is een grofbeveiliging. Een grofbeveiliging moet veel energie kunnen afvoeren. Een beveiliging die veel energie kan afvoeren is vrij traag. Daardoor wordt er nog een behoorlijke hoeveelheid energie doorgelaten naar de andere groepenkasten. Door de eigenschappen van de kabels wordt de overspanningspiek afgevlakt en vertraagd. 4
In de groepenkasten heeft de piekspanning die aankomt daardoor minder energie. Dit is vergelijkbaar met de energie die kan ontstaan bij een indirecte blikseminslag. In de groepenkasten kan dan een beveiliging worden geplaatst die minder energie kan afvoeren, maar die wel een stuk sneller is dan de grofbeveiliging. Dit is dan een middelbeveiliging. De middelbeveiliging laat maar weinig energie door, maar mogelijk net genoeg om gevoelige apparatuur te beschadigen. Bij de gevoelige apparatuur kan dan een fijnbeveiliging worden geplaatst. Deze fijnbeveiliging kan maar weinig energie afleiden, maar is wel razendsnel. 5
Opbouw van overspanningsbeveiligingen De overspanningsbeveiliging die wordt geplaatst tussen de bliksembeveiliging en de veiligheidsaarding is een gasafleider of een vonkenbrug. Dat geldt ook voor de grofbeveiliging. De middelbeveiliging die bij groepenkasten wordt geplaatst bestaat uit een spanningsafhankelijke weerstand. Deze wordt meestal varistor genoemd. Dat is een samentrekking van variable resistor. Als de spanning hoger wordt, wordt de weerstand lager. Bij de gewone netspanning is de weerstandswaarde erg hoog (meer dan 1 MΩ), maar als er een overspanning van komt, zakt de weerstand heel even naar een waarde van maar enkele ohms. De stroom wordt daardoor hoog en de energie van de overspanning wordt in de weerstand omgezet in warmte. Voor zeer gevoelige apparatuur kan een fijnbeveiliging worden ingezet met daarin zenerdiodes. Deze fijnbeveiliging wordt Hier de symbolen van een vonkenbrug, een varistor en een zenerdiode naast elkaar. 6