overstroombeveiliging in wisselstroomsystemen

krijgen een introductie tot overstroombeveiliging en OCPDs (overstroombeveiligingsinrichtingen).

in dit artikel wordt ingegaan op de typen overstroom, wat overstroombeveiligingsinrichtingen zijn en hun plaats in een elektrisch circuit.

typen overstroom

de drie belangrijkste categorieën of typen overstroom zijn overbelasting, kortsluiting en aardstoring.

overbelasting overstroom

overbelasting overstroom is zelfbepalend: Elke stroom boven de nominale belastingstroom is in feite een overbelasting. Een overbelasting treedt op wanneer een elektrisch circuit, hetzij door het oorspronkelijke ontwerp van een nieuw circuit, hetzij door wijziging van een bestaand circuit, belastings stroom moet overbrengen die groter is dan de nominale ampactiteit van de geleiders van het circuit.

een 20-amp-aftakcircuit wordt bijvoorbeeld gewijzigd met een extra lamp, waardoor de belastingstroom wordt verhoogd tot 22 ampère: dit zou een overbelasting van het circuit zijn.

Overbelastingsomstandigheden kunnen zich voordoen op het niveau van het bedrijf, de feeder of het aftakcircuit van het elektriciteitsdistributiesysteem van een gebouw.

een overstroom van elektrische overbelasting treedt ook op wanneer een motor mechanisch overbelast is. Dit kan worden veroorzaakt door overmatige wrijving binnen de interne lageroppervlakken, overtollige warmte (als gevolg van hoge omgevingstemperatuur of een andere storing), of door de binding of een andere mechanische overbelasting in de gebruiksapparatuur die het aandrijft. Overbelasting is een gecontroleerde overstroomsituatie, normaal gesproken van lage magnitude.

Kortsluitingsoverstroom

kortsluitstromen (evenals aardfoutstromen, die we hierna zullen bespreken) zijn overstromen van hoge groottefouten die in feite een lage weerstand parallel aan de impedantie van de aangesloten belasting(s) plaatsen. Kortsluitingsoverstroom impliceert gewoonlijk een toevallige kruisverbinding van ten minste twee stroomgeleiders (toevoer en retour). Dit plaatst een kortsluiting over de voeding-transformator wikkeling.

de figuren 1 en 2 geven de meest voorkomende transformatorleveringen aan een constructie weer.

figuur 1 is de tekening van een eenfasige AC, 3-draads, 120/240-volt voeding voor een gebouw zoals een woning of een kleine industriële installatie). Een enkele primaire wikkeling in de transformator levert (door inductie) twee 120-volt wikkelingen in serie in de secundaire. Een gebruik-apparatuur belasting zal werken bij 240 volt wanneer aangesloten tussen de twee uiteinden van de twee serie-aangesloten 120-volt wikkelingen. Een gebruik-apparatuur belasting zal werken bij 120 volt wanneer aangesloten tussen beide uiteinden van de twee serie-aangesloten 120-volt windingen en de derde draad gedeeld door de twee windingen (zie Figuur 1).

figuur 1. Spanningsverhoudingen van de drie voedingsleidingen vanaf de secundaire van een eenfasige wisselstroomtransformator

een driefasige WISSELSTROOMDISTRIBUTIESYSTEEM, zoals weergegeven in Figuur 2, zal normaal gesproken een hogere waarde van kortsluitoverstroom hebben omdat bij de kortsluiting normaliter meer dan één eenfasige wisselstroomtransformatorwikkeling nodig is.

Figuur 2. Spanningsverhoudingen van de vier voedingsleidingen vanaf de secundaire van een driefasige WISSELSTROOMTRANSFORMATOR voor commerciële of industriële dienstverlening

overstroom onder de grond

overstroom onder de grond is ook een kortsluitconditie die normaal slechts één van de stroomgeleiders en de behuizing van de geaarde metalen loopweg of van de elektrische distributie-of gebruiksapparatuur treft.

overstroom door aardfouten kan alleen voorkomen als het elektriciteitsdistributiesysteem van het gebouw of de structuur wordt gekoppeld aan de aardbodem. “Referentie-aarding” vereist de gemeenschappelijke aansluiting van een uiteinde van een of meer van de eenfasige AC-transformatorwikkelingen (wye-transformatorconfiguratie) op een aarding-elektrodesysteem, waardoor zowel geaarde als niet-geaarde circuit – /voedingsgeleiders ontstaan.

de magnitude van overstroom door aardfouten is normaal gesproken minder dan de magnitude van overstroom door kortsluiting die beschikbaar is van dezelfde transformator. De kortsluiting kan over twee of meer transformator eenfasige AC wikkelingen. De aardfoutoverstroom beïnvloedt normaal slechts één eenfasige AC-wikkeling in de transformator die stroom levert aan de beschadigde toestand.

zowel kortsluitings-als aardfoutstromen zijn grote overstromen veroorzaakt door een accidentele parallelle verbinding met lage weerstand met de aangesloten belastingsweerstand. Zonder enige vorm van overstroombeveiliging die in serie met de stroomgeleiders is geïnstalleerd, is de enige limiet van de foutoverstroom de Geleiderweerstand en de hoeveelheid stroom die beschikbaar is van de transformator.

overstroombeveiliging

zoals weergegeven in Figuur 3, kan volledige overstroombeveiliging voor de geleiders en de aangesloten belasting alleen worden verleend door een zekering of stroomonderbreker die is geïnstalleerd op het punt waar het circuit begint (of waar het zijn voeding ontvangt).

als een OCPD zich stroomafwaarts van de stroomvoorziening bevindt, is de overstroombeveiliging technisch onderverdeeld met kortsluitbeveiliging, grondstoring boven stroomafwaarts en afzonderlijke overbelastingsbeveiliging onder stroomafwaarts. De stroomonderbrekers of zekeringen die zich stroomafwaarts bevinden, bieden volledige bescherming tegen overstroom voor alle stroomkringen of apparatuur die zich aan hun belastingszijde bevinden, terwijl zij alleen bescherming bieden tegen overbelasting voor hun stroom – of stroomkring.

Figuur 3. Gesplitste overstroombeveiliging voor een transformatorcircuit

de vorm en functie van Overstroombeveiligingsinrichtingen

er zijn drie hoofdcomponenten van een elektrisch circuit: een stroombron, een belasting en een verbinding tussen beide.

deze drie hoofdcomponenten worden aangevuld met een AAN/UIT-regeling en een grenscontrole. Beide types van controle beperken de hoeveelheid stroom die in het circuit kan stromen. De bedieningsorganen voor AAN/UIT-bediening hebben gewoonlijk de vorm van een schakelaar (handmatig, automatisch, elektronisch of elektromechanisch). Het middel voor grenscontrole is normaal gesproken een overstroombeveiliging, die op het niveau van de elektriciteitsdistributie een zekering of stroomonderbreker is (zie Figuur 4).

Figuur 4. Voorzieningen voor overstroombeveiliging

zoals in Figuur 5 is weergegeven, heeft het elektriciteitsdistributiesysteem binnen een gebouw of een andere structuur drie belangrijke classificaties: de Dienst, de voedingscircuits en de aftakcircuits.

in het algemeen moeten de geleiders van al deze stroomkringen voorzien zijn van een beveiliging tegen overstroom op het punt waar zij hun elektrische voeding ontvangen. De OCPD moet worden geïnstalleerd in overeenstemming met de eisen van de Nationale Elektrische Code. Zowel de geleiders als de aangesloten belasting die zij leveren moeten worden beschermd bij de juiste stroomsterkte.

Figuur 5. Het elektriciteitsdistributiesysteem in een gebouw

de nominale ampactiteit van de geleiders, de nominale stroomsterkte bij vollast van het aangesloten vermogen en de grootte of de nominale belasting van de OCPD zijn onderling verbonden. De nominale stroomsterkte bij vollast van de aangesloten belasting bepaalt de grootte (op basis van de nominale ampactiteit) van de voedingsgeleiders en de nominale of afstelling van de OCPD.

op dezelfde wijze bepalen de nominale waarde of instelling van de OCPD en de nominale ampactiteit van de stroomgeleiders de maximale vollaststroom die door het servicekring, het feedercircuit of het aftakcircuit kan worden geleverd. Elke stroomsterkte die groter is dan de nominale ampactiteit van de transportdraden of de nominale belastingstroom van de elektrische gebruiksapparatuur-zoals lichtarmaturen, motoren of transformatoren—wordt beschreven als een overstroom.

het primaire doel van een overstroombeveiligingsinrichting (een zekering, een stroomonderbreker of een ander type stroombegrenzer) is de temperatuur van de stroomgeleiders te beperken tot een waarde die de geleiders of hun isolatie niet beschadigt. Dit wordt bereikt door het beperken van de hoeveelheid (waarde) stroom die de geleiders moeten overbrengen. Het beschermen van de circuitgeleiders tegen oververhitting door het beperken van de hoeveelheid stroom die de geleiders nodig zijn om inherent te vervoeren beschermt de meegeleverde elektrische distributie-en gebruiksapparatuur (de aangesloten belasting) tegen de effecten van overstroom.