Thermische uitschakelkarakteristiek automaat — waarom omgevingstemperatuur de nominale waarde verschuift

De gids over B/C/D-uitschakelkarakteristieken behandelt hoe de multiplier van het magnetische momentane element de automaattypen onderscheidt, en de gidsen over de correctiefactor Ca voor omgevingstemperatuur van kabels en kabeldoorsnede en stroombelastbaarheid behandelen hoe de eigen stroombelastbaarheid van een kabel wordt gederateerd voor omgevingstemperatuur. Dit artikel behandelt een verwant maar afzonderlijk effect: het eigen thermische overbelastingselement van de installatieautomaat is zelf gekalibreerd bij een referentie-omgevingstemperatuur, en zijn uitschakelpunt verschuift wanneer de geïnstalleerde omgevingstemperatuur van die referentie afwijkt — onafhankelijk van enige derating die op de door de automaat beschermde kabel wordt toegepast.

Het bimetaalelement is naar ontwerp een temperatuurgevoelig apparaat

Een standaard thermisch-magnetische automaat volgens IEC 60898-1 combineert twee afzonderlijke uitschakelmechanismen in één apparaat: een bimetaalstrip die reageert op aanhoudende overbelastingsstroom door op te warmen en te buigen om de automaat uit te schakelen, en een magnetisch (solenoïde) element dat vrijwel onmiddellijk uitschakelt bij stromen op kortsluitniveau. Het bimetaalelement is, door zijn fysieke werkingsprincipe, een apparaat dat buigt als reactie op totale warmte die in de strip is opgebouwd — warmte gegenereerd door de stroom die erdoorheen vloeit, plus warmte die al aanwezig is vanuit de omringende omgevingslucht. IEC 60898-1 specificeert de nominale stroom van een automaat bij een vermelde referentiekalibratietemperatuur, doorgaans 30°C (de exacte referentietemperatuur is een parameter uit het fabrikant-datasheet, geen universele constante, en moet worden bevestigd vanuit de documentatie van het specifieke product in plaats van te worden aangenomen).

Waarom een hetere omgeving een eerdere uitschakeling bij nominale stroom betekent

Als een automaat met een nominale waarde van 16 A bij een referentietemperatuur van 30°C wordt geïnstalleerd in een behuizing die feitelijk op bijvoorbeeld 45°C omgevingstemperatuur draait (een plausibele situatie in een slecht geventileerde verdeelinrichting die blootstaat aan zonnestraling of naastgelegen warmteproducerende apparatuur), begint de bimetaalstrip elke overbelastingsgebeurtenis al gedeeltelijk opgewarmd door de verhoogde omgevingstemperatuur. Hij bereikt daardoor zijn uitschakelbuiging bij een lagere belastingsstroom dan 16 A — de automaat wordt in feite gederateerd door de omgevingsconditie, ook al is zijn gedrukte typeplaatwaarde niet veranderd. Omgekeerd verdraagt een automaat die bij een aanzienlijk lagere omgevingstemperatuur dan zijn referentie is geïnstalleerd (bijvoorbeeld een onverwarmde buitenbehuizing in de winter) doorgaans een hogere dan typeplaatstroom voordat het bimetaalelement zijn uitschakelbuiging bereikt, waardoor hij effectief wordt opgewaardeerd.

Wat wél en wat niet wordt beïnvloed door omgevingstemperatuur

• Thermisch (bimetaal) element — gevoelig voor omgevingstemperatuur. Dit is het overbelastingsbeveiligingsmechanisme, en zowel zijn uitschakelstroom als uitschakeltijd verschuiven met de geïnstalleerde omgevingstemperatuur ten opzichte van de kalibratiereferentie.
• Magnetisch (momentaan) element — vrijwel onbeïnvloed. Het solenoïde-uitschakelmechanisme reageert op het magnetische veld dat wordt gegenereerd door stroom op kortsluitniveau, een fysisch effect dat niet wezenlijk afhangt van omgevingstemperatuur. De multiplier-bereiken die de B/C/D-typen definiëren (zie de B/C/D-gids) blijven vrijwel constant over het nominale bedrijfsbereik van de automaat.

Dit betekent dat omgevingstemperatuur het overbelastingsgedrag van de automaat verandert zonder zijn kortsluituitschakelgedrag te veranderen — een onderscheid dat het waard is om in gedachten te houden bij het interpreteren van een uitschakelgebeurtenis: een automaat die uitschakelt bij wat een bescheiden overbelasting lijkt in een hete behuizing, gedraagt zich mogelijk precies zoals ontworpen voor die omgevingstemperatuur, niet storend.

Fabrikant-correctietabellen, geen universele formule

IEC 60898-1 publiceert zelf geen enkele correctiecurve die uniform van toepassing is op alle fabrikanten en modellen — de exacte deratingpercentage (of opwaardering) per graad afwijking van de omgevingstemperatuur ten opzichte van de referentie is een functie van de specifieke bimetaallegering, strip-geometrie en behuizingsontwerp van die productlijn, en wordt door de fabrikant gepubliceerd als een temperatuurcorrectietabel of -grafiek in het productdatasheet.

Let op: dit artikel reproduceert bewust geen specifiek deratingpercentage per graad, omdat die waarde varieert per fabrikant en productserie, en het toepassen van de tabel van de ene fabrikant op het apparaat van een andere fabrikant is zelf een veelvoorkomende oorzaak van een onjuist beoordeelde beveiligingsmarge. Voor een specifieke installatie moet de correctietabel die voor dat exacte automaattype en die behuizingsmontageconfiguratie is gepubliceerd, worden geraadpleegd.

Praktische relevantie

Wanneer een automaat die een groep beschermt zich in een behuizing bevindt die aanzienlijk heter draait dan de referentie-omgevingstemperatuur waarbij hij is gekalibreerd — een dicht bevolkte verdeelinrichting, een buitenkast die blootstaat aan direct zonlicht, of een behuizing naast andere warmteproducerende apparatuur — moet de temperatuurcorrectietabel van de fabrikant worden geraadpleegd om de werkelijke uitschakelstroom van de automaat bij die omgevingstemperatuur vast te stellen, in plaats van de typeplaatstroom te lezen als de gegarandeerde uitschakeldrempel ongeacht de geïnstalleerde omstandigheden. Dit is een afzonderlijke controle naast, en aanvullend op, de eigen omgevingstemperatuur-derating van de kabel die wordt behandeld in de Ca-correctiefactorgids — zowel de stroombelastbaarheid van de kabel als het thermische uitschakelpunt van de automaat verschuiven met omgevingstemperatuur, en een coördinatiecontrole moet met beide verschuivingen rekening houden, niet slechts met één.

Veelgemaakte fouten

1. De typeplaatstroom van de automaat behandelen als een vaste uitschakeldrempel ongeacht de geïnstalleerde omgevingstemperatuur — het werkelijke uitschakelpunt van het thermische bimetaalelement verschuift met de omgevingstemperatuur ten opzichte van de kalibratiereferentie van de fabrikant.
2. Aannemen dat het magnetische momentane uitschakelelement ook gevoelig is voor omgevingstemperatuur — alleen het thermische (overbelastings)element wordt wezenlijk beïnvloed; de kortsluituitschakelmultiplier die het B/C/D-type definieert blijft vrijwel constant.
3. Een onthouden correctiepercentage uit het datasheet van de ene fabrikant toepassen op de automaat van een andere fabrikant of productserie in plaats van de correctietabel te raadplegen die voor het specifieke geïnstalleerde type is gepubliceerd.
4. De stroombelastbaarheid van de kabel corrigeren voor omgevingstemperatuur terwijl de eigen thermische derating van de beschermende automaat ongecontroleerd blijft — zowel de kabel als de automaat zijn temperatuurgevoelig, en een coördinatiebeoordeling moet beide correcties consequent toepassen.

Gerelateerd

• Uitschakelkarakteristieken B/C/D
• Correctiefactor Ca voor omgevingstemperatuur — stroombelastbaarheid
• Kabeldoorsnede en stroombelastbaarheid