Overspanningsbeveiliging in energiehoofdverdelingen Ondeskundig geïnstalleerde overspanningsbeveiliging brengt een aansprakelijkheidsrisico voor de planner en installateur van de schakelinstallatie met zich mee. Vaak leiden te lange aansluitkabels tot problemen. Win informatie in over de juiste installatie en hoe u de vereiste kabellengten aanhoudt.
In grote elektrische installaties verloopt de voeding vaak via een eigen transformator. Aan laagspanningszijde is een energiehoofdverdeling met vermogensschakelaar tot 7000 A geïnstalleerd. Ook in deze verdelingen moet volgens DIN VDE 0100-443 in een overspanningsbeveiliging worden voorzien.
In energieverdelingen met voeding van onderaf en verzamelrailsysteem boven resp. in het midden wordt de overspanningsbeveiliging doorgaans boven de vermogensschakelaar gemonteerd. Op deze plek is er in het voedingsveld veel ruimte voor de overspanningsbeveiligingsmodule en een noodzakelijke voorzekering.
De aansluitkabels voor de overspanningsbeveiliging worden als gevolg van de grote afstanden te lang. Dit gebeurt automatisch door de paden van de boven resp. in het midden gemonteerde verzamelrails met L1, L2 en L3 en de onder geplaatste rails voor PE, N resp. PEN. Dat is geen schoonheidsfout: te lange kabels verhogen het effectieve beveiligingsniveau in de schakelinstallatie tot een niet meer toereikende hoogte.
Waarop dient bij de installatie te worden gelet?
Beveiligingsniveau in een schakelinstallatie
1. Kabellengten en beveiligingsniveau in detail
De aansluiting van de overspanningsbeveiligingsmodulen, vooral de kabellengte, heeft een aanzienlijke invloed op het effectieve beveiligingsniveau in de schakelinstallatie.
Volgens DIN VDE 0100-534 is daarom een maximale kabellengte tussen de fase en PE vereist van 0,5 m.
Totaal effectief beveiligingsniveau in een schakelinstallatie
Een in rechte lijn gelegde ader van 1 m genereert een spanningsval van ongeveer 1 kV bij een pulsstroom van 10 kA (10/350 µs).
ΔUL = (-) L ∙ di/dt
L = 1 µH/m
ΔUL = 1 µH ∙ 10 kA / 10 µs = 1 kV
Houd rekening met deze spanningsval bij de berekening van het totale effectieve beveiligingsniveau.
De spanningsval via de aansluitkabels kan snel een hogere waarde dan het beveiligingsniveau van de overspanningsbeveiligingsmodule krijgen. Dat is een omstandigheid die vaak wordt onderschat.
2. Berekening van het effectieve beveiligingsniveau
Kabellengten van minder dan 0,5 m zijn juist in grote schakelinstallaties niet altijd eenvoudig realiseerbaar.
Eventueel kunt u het effectieve beveiligingsniveau in de installatie ook individueel berekenen. Dat klinkt ingewikkeld, maar dat hoeft het niet te zijn. Voor grote schakelinstallaties is deze manier zelfs aan te bevelen.
Voor de berekening van het effectieve beveiligingsniveau moet u het beveiligingsdoel weten en begrijpen. Het beveiligingsdoel is duidelijk gedefinieerd: om een voldoende beveiliging van de bedrijfsmiddelen te garanderen, mag het beveiligingsniveau Up tussen de actieve aders en de aardleiding in geen geval de benodigde nominale stootspanning Uw van de te beveiligen bedrijfsmiddelen overschrijden.
De ingewikkelde formulering wil niks anders zeggen dan dat de spanning tussen de actieve aders en de aardleiding nooit hoger mag worden dan de isolatievastheid resp. spanningsvastheid van de gebruikte bedrijfsmiddelen. Daartoe behoort ook de schakelkast.
De spanningsvastheid van de bedrijfsmiddelen ligt vast door de nominale stootspanning Uw. Daartoe zijn de apparaten in overspanningscategorieën ingedeeld.
Overspanningscategorieën voor 230/400 V-netwerken
Vereiste nominale stootspanning Uw tussen de actieve aders en PE (aarde).
| Nominale stootspanning | Bedrijfsmiddel | |
|---|---|---|
| Overspanningscategorie | ||
| IV | 6 kV | Bedrijfsmiddelen met zeer hoge nominale stootspanning, bijv. elektriciteitsmeters, rimpelspanningontvangers |
| III | 4 kV | Bedrijfsmiddelen met hoge nominale stootspanning, b.v. verdeelborden, switch, contactdozen |
| II | 2,5 kV | Bedrijfsmiddelen met normale nominale stootspanning, bijv. huishoudelijke apparaten, gereedschappen |
| I | 1,5 kV | Bedrijfsmiddelen met lage nominale stootspanning, bijv. gevoelige elektronische apparaten |
Voor de elektrische installatie hoeft u er dus alleen maar voor te zorgen dat het effectieve beveiligingsniveau kleiner blijft dan de nominale stootspanning Uw.
En dat is helemaal niet zo moeilijk. In een grote energiehoofdverdeling behoren doorgaans alle bedrijfsmiddelen tot overspanningscategorie III, deels zelfs tot categorie IV. Hierdoor zijn de bedrijfsmiddelen in 400 V-netwerken tot 4 kV resp. 6 kV spanningsvast.
3. Spanningsval op aansluitkabels
Een impulsstootstroom van 10 kA (10/350 µs) veroorzaakt op een rechtlijnig gelegde, 1 m lange ader een spanningsval van ongeveer 1 kV. Overspanningsbeveiligingsmodulen worden niet altijd met leidingen aangesloten. In grote schakelinstallaties is de inbouw van koperrails gebruikelijk. De rails hebben door hun geometrische vorm een geringere inductiviteit dan leidingen.
Het effect van de geometrische vorm op de inductiviteit treedt ook bij montageplaten op. Een montageplaat heeft een duidelijk geringere inductiviteit dan een leiding en veroorzaakt daardoor een aanzienlijk geringere spanningsval door een impulsstootstroom. Maar voorzichtig: verwaarloos de spanningsval via de montageplaat niet en houd rekening met de aansluitingen op de montageplaat.
Doorslaggevend voor de spanningsval via een aansluitkabel is de stroomverandering di/dt. Bij een impulsstootstroom van 10 kA (10/350 µs) is de spanningsval op een rechtlijnig gelegde en 1 m lange ader circa 1 kV. In grote schakelinstallaties zijn echter vaak overspanningsbeveiligingsmodulen van type 1 geïnstalleerd met een afleidvermogen van 25 kA per pool en een totaal van max. 100 kA – dus een factor 10 meer dan de 10 kA die in de normen wordt genoemd. En een 10-voudige di/dt veroorzaakt een 10-voudige spanningsval. Zo wordt 1 kV al snel 10 kV.
Spanningsval in relatie tot de geometrie van de verbinding bij verschillende impulsstootstromen
De tabel kunt u gebruiken voor een grove bepaling van het totale beveiligingsniveau in een elektrische installatie. Voor een pragmatische dimensionering van de aansluitingen zijn de genoemde waarden nauwkeurig genoeg.
| 10 kA | 25 kA | 40 kA | 75 kA | |
|---|---|---|---|---|
| Ronde ader, doorsnede-onafhankelijk | 1,0 | 2,5 | 4,0 | 7,5 |
| Platte koperen band 30 mm x 2 mm | 0,9 | 2,3 | 3,6 | 6,8 |
| Koperrail 30 mm | 0,9 | 2,3 | 3,6 | 6,8 |
| Koperrail 60 mm | 0,8 | 2,0 | 3,2 | 6,0 |
| Koperrail 100 mm | 0,7 | 1,8 | 2,8 | 5,3 |
| Koperrail 120 mm | 0,7 | 1,8 | 2,8 | 5,3 |
| Plaatstaal | 0,4 | 1,0 | 1,6 | 3,0 |
| Roestvast plaatstaal | 0,3 | 0,8 | 1,2 | 2,3 |
Beveiligingsniveau in een schakelinstallatie met voorzekering
Effect van een voorzekering op het beveiligingsniveau
Voor de berekening van het totale effectieve beveiligingsniveau in de elektrische installatie moeten de deelspanningen van alle aansluitdelen tussen de fase, aansluitpunt A en de aardleiding, aansluitpunt B bij het eigenlijke beveiligingsniveau van de overspanningsbeveiligingsmodule worden opgeteld. Houd hierbij ook rekening met de leidingen naar de voorzekering.
De leidingen van en naar de voorzekering moeten niet onderschat worden. Bovendien is een voorzekering voor een overspanningsbeveiligingsmodule type 1 ook dienovereenkomstig groot. Om de nominale stootstroom van 25 kA per pool veilig zonder aanspreken te kunnen geleiden, moet een laagspannings-vermogenszekering 315 A groot zijn. Dat is uitsluitend met ten minste NH2-zekeringen mogelijk, die een aanzienlijke grootte hebben en een dienovereenkomstige ruimte in de schakelkast vereisen.
Zoals beschreven, moeten de deelspanningen van alle aansluitdelen tussen de fase, aansluitpunt A en de aardleiding, aansluitpunt B bij het eigenlijke beveiligingsniveau van de Surge Protection Devices (SPD) worden opgeteld.
De berekening hebben we bij de volgende drie voorbeelden doorgevoerd.
De spanningsval over de betreffende leidingen werd overgenomen uit de tabel "Spanningsval in relatie tot de geometrie".
FLT-SEC hybride boven de stroomonderbreker
1. Inbouw boven de beveiligingsschakelaar
De inbouw vindt plaats boven de beveiligingsschakelaar op een geaarde montageplaat, met grote afstand tot de PEN-rail eronder.
Opmerking:
Breng een directe kabelverbinding aan van de beveiligingsmodule naar de PEN-rail, parallel aan de verbinding via de montageplaat. Deze aansluiting verhoogt het beveiligingsniveau van de overspanningsbeveiligingsmodule-combinatie niet, maar is volgens DIN VDE 0100-534 voorgeschreven.
Effectief beveiligingsniveau, voorbeeld 1
Met een beveiligingsniveau van 8,2 kV kan de beveiliging volgens overspanningscategorie IV voor schakelinstallaties in 230/400 V-netwerken niet worden gerealiseerd.
| Lengte in cm | Deelstroom in kA | Spanningsval in kV | |
|---|---|---|---|
| PEN-verbinding van de overspanningsbeveiligingsmodule naar montageplaat | 15 | 75 | 1,1 |
| PEN-verbinding via montageplaat | 115 | 75 | 3,5 |
| PEN-verbinding van de montageplaat naar PEN-rail | 15 | 75 | 1,1 |
| L1-L3-koppeling | 40 | 25 | 1,0 |
| Overspanningsbeveiligingsmodule (beveiligingsniveau) | - | 25 | 1,5 |
| Totaal beveiligingsniveau | 8,2 |
FLT-SEC-HYBRID in hoofdverdeling
2. Inbouw onder de beveiligingsschakelaar
De inbouw van de overspanningsbeveiligingsmodule vindt onder de beveiligingsschakelaar plaats.
Bij deze inbouwvariant is de afstand tot de aardleiding relatief klein.
Effectief beveiligingsniveau, voorbeeld 2
Met een beveiligingsniveau van 4 kV kan de beveiliging volgens overspanningscategorie III voor schakelinstallaties in 230/400 V-netwerken worden gerealiseerd.
| Lengte in cm | Deelstroom in kA | Spanningsval in kV | |
|---|---|---|---|
| PEN-verbinding van de overspanningsbeveiligingsmodule naar PEN-rail | 20 | 75 | 1,5 |
| L1-L3-koppeling | 40 | 25 | 1,0 |
| Overspanningsbeveiligingsmodule (beveiligingsniveau) | - | 25 | 1,5 |
| Totaal beveiligingsniveau | 4,0 |
Berekening van het beveiligingsniveau
3. Inbouw onder de beveiligingsschakelaar
De inbouw van de overspanningsbeveiligingsmodule vindt onder de beveiligingsschakelaar met geoptimaliseerde PEN-verbinding plaats.
De voorbeelden 1 en 2 laten duidelijk zien dat bij de optimalisatie van het beveiligingsniveau de focus op de aansluiting van de overspanningsbeveiligingsmodule op de PEN-rail dient te liggen. Hoe korter deze aansluiting, hoe beter het beveiligingsniveau. De invloed van de PEN-verbinding is in voorbeeld 1 en 2 drie keer zo hoog als de verbindingen naar de actieve aders L1, L2 en L3.
Een andere mogelijkheid is om de verbinding naar de PEN-rail niet met één leiding, maar met afzonderlijke leidingen per pool uit te voeren, dus met drie afzonderlijke leidingen. De deelstroom door die leidingen is in dat geval nog maar 25 kA en niet 75 kA. Dienovereenkomstig is de spanningsval dan ook nog maar een derde.
Effectief beveiligingsniveau, voorbeeld 3
Met een beveiligingsniveau van 2,5 kV kan de beveiliging volgens overspanningscategorie II voor schakelinstallaties in 230/400 V-netwerken worden gerealiseerd.
| Lengte in cm | Deelstroom in kA | Spanningsval in kV | |
|---|---|---|---|
| PEN-verbinding van de overspanningsbeveiligingsmodule naar PEN-rail | 10 | 25 | 0,25 |
| L1-L3-koppeling | 10 | 25 | 0,75 |
| Overspanningsbeveiligingsmodule (beveiligingsniveau) | - | 25 | 1,5 |
| Totaal beveiligingsniveau | 2,5 |
FLT-SEC-HYBRID in hoofdverdeling
De overspanningsbeveiligingsmodule van type 1 met de geïntegreerde zekering FLT-SEC-Hybrid is een oplossing die ruimte, geld en kostbare kabellengte bespaart.
Een aparte voorzekering is niet nodig, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor de installatielocatie van de overspanningsbeveiligingsmodule (SPD, Surge Protective Device). De overspanningsbeveiligingsmodule (SPD) werkt onopvallend op de achtergrond en zorgt voor veiligheid.
FLT-SEC-H combineert een netstroomvrije vonkbrug met een stootstroombestendige zekering en kan zonder aparte voorzekering worden gebruikt. Met een kortsluitvastheid van max. 100 kA is deze ook geschikt voor grote energieverdelingen.
Voordelen van installatie met FLT-SEC-H Vergeleken met een installatie met afzonderlijke voorzekering
- Tot en met 80% meer ruimte in de schakelkast
- Kortere kabeltrajecten voor een laag beveiligingsniveau
- Veilig testen van de installatie dankzij steekbare beveiligingsmodulen
