Oktober 2021

Voorkom onbedoeld uitschakelen met selectiviteit beveiliging

Nen 1010: 2020 is uitgebreid met hoofdstuk 536.3 over aspecten van toestelcoördinatie. Het doel hierbij is elektrische componenten, zoals energieopwekkende toestellen, energie verbruikende toestellen en met name beveiligingscomponenten, zodanig te laten samenwerken dat er geen negatieve beïnvloeding onderling plaatsvindt. Dit is te bereiken met behulp van elektronische regelingen en door de juiste beveiligingscomponenten te kiezen.

Als twee beveiligingen in serie worden geplaatst, zoals in een hoofd- en onderverdeelinrichting, dan is het de bedoelding dat bij een fout in een eindgroep de beveiliging in de onderverdeelinrichting (OVK) aanspreekt en niet de beveiliging in de hoofdverdeelinrichting (HVK). Dit zou immers de ongewenste uitschakeling van meerdere installaties tot gevolg hebben. Om selectiviteit te waarborgen, moeten de beveiligingstoestellen met de juiste specificaties worden gekozen. Bij de keuze van componenten moet op de volgende specificaties worden gelet:
• ontwerpstroom. Wat is naar verwachting de stroom die door componenten, zoals beveiligingstoestellen, de bedrading of het railsysteem, gaat lopen en kan gaan lopen bij een fout. Deze stroom mag componenten niet overbelasten waardoor de temperatuur te hoog oploopt.
• kortsluitstroom. De kortsluitstroom wordt bepaald door de inwendige impedantie van het voedende net: de stootfactor ‘k’ van de installatie.
• doorlaatenergie van het beveiligingstoestel. De hoeveelheid energie die de beveiliging doorlaat, voordat deze de stroom onderbreekt.
• smeltenergie. De hoeveelheid energie Ι²t om de smeltdraad of smeltband te laten doorsmelten.
• reactietijd. Hoe sneller een beveiliging reageert, des te kleiner de doorlaatenergie.

Voor de keuze van aardlekschakelaars is de capacitieve stroom aanvullend van belang. De optelsom van capacitieve stroom mag een aardlekschakelaar niet onbedoeld uitschakelen. Vooraf moet deze worden ingeschat op basis van de apparatuur die op de installatie wordt aangesloten. Zo zal de bijdrage van capacitieve stroom groter zijn als toestellen met een HF-gedrag, zoals f-regelaars, drivers en dergelijke, hierin zijn opgenomen. Nen 1010: 2020 vereist dat de waarde kleiner is dan 30 procent van de toegekende ΙΔn van de aardlekschakelaar.

Eis van selectiviteit

De eis om installaties zodanig te maken dat sprake is van selectiviteit, volgt uit Nen 1010, bepaling 3.14.2. Elke installatie moet, waar nodig, zijn opgedeeld in stroomketens om:
• gevaar te vermijden en de nadelige gevolgen bij een defect zo gering mogelijk te houden.
• rekening te houden met gevaar dat zou kunnen ontstaan door een storing in een stroomketen, bijvoorbeeld een stroomketen voor verlichtingsdoeleinden.
• de kans te verminderen op het ongewenst in werking treden van toestellen voor aardlekbeveiliging ten gevolge van te grote stromen in de PE-leiding, die geen gevolg is van een fout.

Bij de keuze van de beveiligingen moet daarbij rekening worden gehouden met de eisen uit Nen 1010, hoofdstuk 43: eisen aan het toepassen en plaatsen van beveiligingstoestellen, uit Nen 1010, bepaling 533: eisen aan de beveiligingstoestellen, en, nieuw, uit Nen 1010: 2020, bepaling 536: aspecten van toestelcoördinatie.

Selectiviteit bepalen

Selectiviteit wordt bereikt als de beveiliging in de onderverdeelinrichting (F2) sneller aanspreekt dan de beveiliging in de hoofdverdeelinrichting (F1), waardoor andere groepen vanuit de HVK niet uitvallen (figuur 1, openingsfoto).
Selectiviteit tussen F1 en F2 wordt alleen bereikt als de doorlaatenergie van F1 voldoende groot is. Smeltpatronen en installatieautomaten hebben een andere werking en een ander gedrag en zijn niet zonder meer op basis van de normale stroomwaarde selectief.
Een smeltpatroon zal na een bepaalde tijd (t) doorsmelten, doordat de stroom in de smeltdraad of -strip met een weerstand R een zodanige energie (Q = warmte) ontwikkelt, dat de temperatuur zodanig hoog wordt dat deze smelt: Q = Ι² x R x t. Bij de selectiviteit moet een onderscheid worden gemaakt in selectiviteit bij een overbelasting en selectiviteit bij een kortsluiting.

Overbelasting

Het gedrag van een smeltpatroon in het overbelastingsgebied kan worden opgemaakt uit zogenaamde ‘Ι - t’ grafiek. Beveiligingstoestellen zijn selectief als beide karakteristieken elkaar niet overlappen. Hierbij moet rekening worden gehouden met de tolerantie (de tolerantie van de twee patronen wordt aangegeven met de gele lijnen in figuur 2). Fabrikanten geven een tolerantie op. Als de lijnen van F1 en F2 (inclusief de tolerantie) elkaar nergens raken of kruisen, dan is sprake van selectiviteit. Deze karakteristieken worden door fabrikanten beschikbaar gesteld.
Als patronen van verschillende typen (aM, gF, gG) worden toegepast, dan is er mogelijk geen selectiviteit boven een bepaalde stroomwaarde. Zo is te zien dat bij een hoge stroom beveiliging F1 eerder aanspreekt dan F2 (figuur 3, rechts van de rode lijn). Door voor F2 een patroon te kiezen – twee nominale-stroomwaarde-stappen hoger dan F1 – kan in het algemeen selectiviteit worden bereikt als dezelfde typen patronen worden toegepast.
Bij installatie-automaten geldt voor overbelasting hetzelfde principe. In het overbelastingsgebied zijn automaten selectief als beide karakteristieken elkaar niet raken. Bij een overbelasting schakelt het bi-metaal de automaat na enige tijd uit. In de karakteristiek is dit het gebied met de kromme lijnen in de bovenste helft (figuur 4).

Smeltpatronen

Hoe smeltpatronen en installatie-automaten zich gedragen bij een kortsluiting kan niet worden opgemaakt uit de eerder afgebeelde I-t karakteristieken. Hiervoor stellen fabrikanten van smeltpatronen Ι²t (energie) – Ik (kortsluitstroom-waarde) karakteristieken beschikbaar (figuur 5). Boven de onderste lijn gaat de smeltstrip of -draad smelten, bij de bovenste lijn onderbreekt hij het circuit. Het gele gebied in de karakteristiek bevindt zich daartussen. In de afbeelding zijn de twee smeltpatronen F1 en F2 selectief in het kortsluitgebied.
De volgende vuistregel kan worden gehanteerd voor smeltpatronen om selectiviteit te waarborgen in zowel het overbelasting-als kortsluitgebied: Ι²t-waarden van de twee beveiligingen zijn selectief (controleren op basis van grafieken of selectiviteitsdiagrammen van de fabrikant). Vuistregel is: F1 ≥ 1,6 X F2 (ofwel: F1 is twee stappen hoger dan F2).

Installatie-automaten

Installatie-automaten beveiligen de installatie bij een kortsluiting, doordat door de grote stroom een spoel een dermate krachtige elektromagneet wordt, dat een pal wordt geactiveerd. Komt de stroom (ook maar een fractie van een seconde, zoals bij een kortsluiting) boven een bepaalde waarde, dan schakelt deze pal (het magnetisch stelsel) de automaat en daarmee de installatie uit. Als twee installatie-automaten in serie worden toegepast, dan bepaalt de grootte van de (kortsluit)stroom of er geen, slechts één (F2) of beide (F1 en F2) automaten uitschakelen. Twee in serie geschakelde automaten zijn slechts selectief ten opzicht van elkaar tot een stroomwaarde waarbij het magnetisch stelsel van F1 aanspreekt. Bij een grote kortsluitstroom schakelen beide automaten uit en is er geen selectiviteit te bereiken.
Voorbeeld: een C40-automaat in serie met een C16. Komt de (kortsluit)stroom boven de 200 A dan is selectiviteit onzeker, boven de 400 A is het een willekeur of F1, F2 of beide aanspreken. Alleen als de (kortsluit)stroom lager is dan 200 A zijn beide automaten selectief. Opmerking: Een C-automaat kan aanspreken als Ι > 5 x Ιn, hij doet dat zeker als Ι > 10 x In. Bij een installatie-automaat neemt de doorgelaten energie toe naar mate de kortsluitstroom groter is. Dit is in de grafiek (figuur 7) zichtbaar door de oplopende lijn rechts van 1kA. Bij een patroon blijft deze horizontaal lopen.
Er zijn automaten die tijd-vertraagd zijn. Fabrikanten verstrekken tabellen met daarin combinaties van automaten waarin wordt vermeld tot welke hoge stroomwaarde selectiviteit is te realiseren. Automaten zijn dus niet zonder meer selectief ondanks twee uiteenlopende nominale stroomwaarden.

Combinatie patroon-automaat

In het overbelastingsgebied geldt bij een combinatie van een smeltpatroon (F1) en automaat (F2) om selectiviteit waarborgen, net als bij patronen of automaten onderling, dat de grafieken elkaar niet mogen kruisen of (gedeeltelijk overlappen). Zo is in het overbelastingsgebied de smeltpatroon In 35 A (in figuur 8 is F1 rood afgebeeld) selectief ten opzichte van de automaat B25 (F2, blauw).
Volledig anders is het gedrag bij een kortsluiting bij de combinatie van een smeltpatroon (F1) en automaat (F2). Boven een bepaalde waarde van de (kortsluit)stroom zal de smeltpatroon eerder doorsmelten dan dat de automaat zal afschakelen. Bijvoorbeeld boven de 2 kA bij de combinatie van smeltpatroon (figuur 10, F1 63 A, blauw afgebeeld) en een C20-installatie-automaat (F2, rood).
De waarde van de (kortsluit)stroom wordt bepaald door de impedantie van het voedende net (distributietransformator en leidingen tot de plaats van de kortsluiting) en stootfactor k van de installatie.

Ιk = (√2 x U_nom) / Zi x K

waarin:

√2 x U_nom is bijvoorbeeld √2 x 230 V of 400 V

Zi = inwendige impedantie van het voedende net

K = stootfactor (getal tussen 1 en 2, afhankelijk van capacitief of inductief gedrag van de installatie). Bij geen informatie: K = 1,6.

Zo kan het zijn dat als de kortsluiting zich bij situatie B voordoet, de automaat uitschakelt; doet deze zich voor bij situatie A, dan de smeltpatroon (figuur 11). Fabrikanten stellen tabellen beschikbaar welke combinaties van een smeltpatroon en installatie-automaat tot welke maximale stroomwaarde selectief zijn.

Loadbalancing

Om onbedoelde uitschakeling, bijvoorbeeld bij het laden van een elektrisch voertuig, te voorkomen door overbelasting, kan ook een geregeld systeem worden toegepast. Dit kan door loadbalancing toe te passen. Hierbij wordt in de hoofdverdeelinrichting de stroom door de hoofdbeveiliging (F1) gemeten (rode blokje in figuur 12). Dit kan bijvoorbeeld met stroomspoelen of elektronische kWh-meters. Afhankelijk van het verbruik in de overige belasting is er ‘stroom over’ voor het EV-laadstation. Het laadstation zal de laadstroom inregelen op basis van de beschikbare stroom (nominale stroomwaarde hoofdbeveiliging minus overige belasting). Parameters hiervoor kunnen bij het laadstation worden ingesteld.
Let wel, dit systeem regelt slechts stromen om overbelasting in de schakel- en verdeelinrichting te voorkomen waarmee onbedoelde uitschakeling van de hoofdbeveiliging (door overbelasting) wordt voorkomen. Het biedt dus geen selectiviteit bij een kortsluiting.

Tekst en afbeeldingen: Anton Kerkhofs