Beveiligingsrelais & Schakelapparatuur

De gids over transformatordifferentiaalbeveiliging (87T) behandelt bescherming tegen interne kortsluiting. Dit artikel behandelt een heel ander faalmechanisme dat niet door 87T wordt gedekt: kernverzadiging door een te hoge verhouding tussen spanning en frequentie, en de ANSI 24 V/Hz-beveiliging die dit met een omgekeerd-tijdskarakteristiek bewaakt.

De gids over vermogensschakelaar-instellingen behandelt de LSI(G)-curve van een laagspanningsvermogensschakelaar. Dit artikel behandelt het verwante, maar niet identieke principe bij middenspanningsbeveiligingsrelais: de omgekeerd-afhankelijke tijdstroomkarakteristiek (IDMT) volgens ANSI 50 (ogenblikkelijke overstroom) en ANSI 51 (vertraagde overstroom), en waarom de keuze van curvetype de selectiviteit tussen relais in serie bepaalt.

Het Buchholzrelais, gemonteerd in de leiding tussen de hoofdtank en het conservatorvat van een oliegevulde vermogenstransformator, detecteert een beginnende fout via langzame gasophoping (alarmtrap) en een ernstige fout via een plotselinge oliestroomstoot (uitschakeltrap) — twee volledig gescheiden beveiligingsmechanismen die onafhankelijk werken van de elektrische differentieel- en overstroombeveiliging. Waarom een alarmsignaal nooit zonder gasanalyse mag worden genegeerd, en waarom hermetisch afgesloten transformatoren zonder conservatorvat geen Buchholzrelais hebben.

De gids over transformator-differentiaalbeveiliging (87T) behandelt de percentagedifferentieelbeveiliging tegen fouten tussen fasen; restricted earth fault (REF, ANSI-code 64N of 87N) is een aparte, hoogohmige differentiaalschakeling die uitsluitend gevoelig is voor aardfouten binnen een strikt begrensde zone (doorgaans één wikkeling plus de bijbehorende kabel), en die een aardfout dicht bij het sterpunt kan detecteren die de gewone differentiaalbeveiliging kan missen omdat de foutstroom daar door de lage overzetverhouding klein blijft. Waarom het hoogohmige principe met een stabiliserende weerstand een REF-relais laat aanspreken op een interne fout maar stabiel laat blijven bij een zware externe fout, en waarom de knikpuntspanning van de gebruikte stroomtransformatoren hierbij een cruciale rol speelt.

Een percentagedifferentieelrelais (ANSI-code 87T) vergelijkt de stroom die een transformator in gaat met de stroom die eruit gaat via de secundaire stroomtransformatoren aan beide zijden; bij een gezonde transformator is het verschil nagenoeg nul, bij een interne fout niet. Waarom dit verschil altijd tegen een percentage van de doorgaande (restraint-)stroom wordt beoordeeld in plaats van een vaste drempel, waarom de CT-verhoudingen en de vectorgroep van de transformator elektronisch of met hulptransformatoren moeten worden gecompenseerd, waarom een tweede-harmonische-blokkering inschakelstroom van een echte fout onderscheidt, en waarom dit relais een laag-energetische, langzaam ontwikkelende fout kan missen die het Buchholzrelais wél detecteert.

Naast het Buchholzrelais heeft een oliegevulde vermogenstransformator doorgaans ook thermische bewaking: een oil temperature indicator (OTI) meet de temperatuur van de bovenste olielaag rechtstreeks met een voeler in een dompelbuis, terwijl een winding temperature indicator (WTI) de wikkel-hotspottemperatuur nabootst met het 'thermisch beeld'-principe — een door de belastingsstroom gevoede verwarmingselement bovenop de OTI-meting, omdat een voeler niet rechtstreeks in de wikkeling zelf kan worden geplaatst. Waarom de OTI traag reageert (uren) en de WTI veel sneller (minuten), en waarom deze thermische bewaking een ander soort fout signaleert dan het Buchholzrelais.

IEC 60947-2: de instelbare trip-parameters van een elektronische vermogensschakelaar (Ir/tr voor de lange-tijd/thermische beveiliging, Isd/tsd voor de korte-tijd/magnetische beveiliging, Ii voor de ogenblikkelijke beveiliging en Ig/tg voor de aardfoutbeveiliging) — en waarom een verkeerd ingestelde curve de selectiviteit tussen twee vermogensschakelaars ongedaan maakt, ook als beide schakelaars zelf correct gekozen zijn.

Naast de bekende Icu (uiterste uitschakelvermogen) en Ics (bedrijfsuitschakelvermogen) kent IEC 60947-2 twee aparte kortsluitkenmerken voor vermogensschakelaars: Icw, de rms-kortstondige-stroomsterkte die een schakelaar met een opzettelijke tijdvertraging (voor selectiviteit) gedurende die vertragingstijd (doorgaans 0,05-1 s) zonder schade moet doorstaan, en Icm, het piekwaarde-maakvermogen waarmee de schakelaar op een reeds aanwezige kortsluiting mag inschakelen zonder dat de contacten door elektrodynamische krachten vastlassen. Waarom een schakelaar met een ruim voldoende Icu toch ongeschikt kan zijn voor een selectief opgezet net als de Icw tekortschiet.

IEC 60947-2 (MCCB) versus IEC 60898-1 (MCB): waarom een vermogensschakelaar niet zomaar door een installatieautomaat te vervangen is — verschil in toepassingsdoelgroep, stroombereik en de Icu/Ics- versus Icn-aanduiding van de kortsluitvastheid.

De gids over LSI(G)-instellingen behandelt hoe de korte-tijdvertraging (tsd) van een bovenliggende vermogensschakelaar doorgaans langer wordt ingesteld dan de totale uitschakeltijd van een onderliggende schakelaar, om selectiviteit te bereiken — met als keerzijde dat de bovenliggende schakelaar bij elke fout binnen zijn eigen zone even lang wacht, ook wanneer de fout vlak onder hemzelf optreedt. Zone-selectieve vergrendeling (ZSI) lost dit op met een restraint-signaal tussen schakelaars: een onderliggende schakelaar die een fout ziet, stuurt een signaal naar boven dat de bovenliggende schakelaar dwingt zijn normale vertraging aan te houden; ontbreekt dat signaal, dan schakelt de bovenliggende schakelaar vrijwel onmiddellijk uit, wat de vlamboogenergie bij een fout dicht bij die schakelaar aanzienlijk vermindert.

IEC 60947-4-1 definieert de trip-klasse van een motoroverbelastingsrelais via één gestandaardiseerde test: bij 7,2× de ingestelde stroom vanuit koude toestand moet Klasse 10A binnen 2-10s, Klasse 10 binnen 4-10s, Klasse 20 binnen 6-20s en Klasse 30 binnen 9-30s uitschakelen — de juiste klasse hangt af van de werkelijke aanlooptijd van de aangedreven last, niet van de motor alleen.

IEC 61439-2 onderscheidt vier vormen van interne scheiding binnen een laagspanningsverdeelinrichting: Form 1 (geen scheiding tussen rails, klemmen en functionele eenheden), Form 2 (rails gescheiden van functionele eenheden; 2a zonder, 2b mét gescheiden klemmen), Form 3 (functionele eenheden onderling én van de rails gescheiden; 3a zonder, 3b mét gescheiden klemmen) en Form 4 (functionele eenheden inclusief hun klemmen volledig gescheiden; 4a klemmen bij de eigen eenheid, 4b klemmen in een apart compartiment). Waarom een hogere vorm vooral gaat over veilig werken aan één eenheid terwijl de rest van de kast onder spanning blijft, en waarom dit een eigenschap van de verdeelinrichting zelf is, niet van de installatie eromheen.

De gidsen over LSI(G)-instellingen en zone-selectieve vergrendeling (ZSI) gaan ervan uit dat een vermogensschakelaar daadwerkelijk opent zodra hij een uitschakelcommando ontvangt. Dit artikel behandelt wat er gebeurt als die aanname faalt: uitvalbeveiliging (breaker failure protection, ANSI-code 50BF) bewaakt na elk uitschakelcommando of de stroom door de schakelaar ook echt verdwijnt, en stuurt bij uitblijven daarvan binnen een korte, vaste tijd een back-up-uitschakelcommando naar alle omliggende schakelaars die de fout ook kunnen onderbreken. Waarom deze tijdsvertraging een fundamentele afweging is tussen extra uitschakeltijd bij een fout en het risico van een falende schakelaar die de fout onbeperkt laat doorwerken.

De gids over richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (67) en de gids over generator-veldfoutbeveiliging (40) behandelen beveiligingen die op stroomrichting respectievelijk klemimpedantie reageren. Dit artikel behandelt afstandsbeveiliging (ANSI 21), die de impedantie tot een fout berekent om de foutafstand te bepalen, met een gestaffeld zone 1/2/3-schema van reikwijdte en tijdvertraging, en waarom deze functie relatief ongevoelig is voor variaties in de beschikbare kortsluitstroom.

De gids over WKK-netaansluiting en de gids over terugvermogenbeveiliging (32) behandelen situaties waarin een generator parallel aan het net draait. Dit artikel behandelt de beveiligingsfunctie die dat parallelschakelen zelf bewaakt: synchronisatiecontrole (ANSI 25), die spanningsverschil, frequentieverschil (slip) en fasehoekverschil tussen twee bronnen controleert voordat een schakelaar mag sluiten, en waarom een onjuiste parallelschakeling grote mechanische en elektrische schade kan veroorzaken.

De gidsen over terugvermogenbeveiliging (32) en richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (67) behandelen beveiligingsfuncties die op stroom reageren. Dit artikel behandelt een beveiligingsfunctie die rechtstreeks op de klemspanning zelf reageert: onderspanningsbeveiliging (ANSI 27) en overspanningsbeveiliging (ANSI 59), waarom beide nodig zijn naast een gewone overstroombeveiliging, en de typische instelgrenzen (doorgaans 80-90 % Un voor 27, 110-130 % Un voor 59) met bijbehorende tijdvertraging.

De gids over parallelschakeling en synchronisatie van noodstroomaggregaten behandelt hoe een generator synchroon op het net wordt aangesloten, maar niet wat er gebeurt als de aandrijving van die generator vervolgens uitvalt terwijl de generator elektrisch aangesloten blijft. Dit artikel behandelt terugvermogenbeveiliging (ANSI-code 32): waarom een generator zonder aandrijfvermogen door het net wordt aangedreven als motor in plaats van andersom, waarom dit voor sommige aandrijvingen sneller schadelijk is dan voor andere, en waarom de instelgevoeligheid doorgaans slechts enkele procenten van het nominale vermogen bedraagt.

De gidsen over onder-/overspanningsbeveiliging (27/59) en terugvermogenbeveiliging (32) behandelen generatorbeveiligingen die op klemspanning of stroomrichting reageren. Dit artikel behandelt een derde categorie: veldfoutbeveiliging (ANSI 40), die het (gedeeltelijk) verlies van de bekrachtiging van een synchrone generator herkent via een offset-mho-impedantierelais dat de klemimpedantie bewaakt, en waarom deze functie moet worden afgestemd op de capability-curve van de generator.

De gids over motorbeveiligingsklassen (10/20/30) behandelt thermische overbelastingsbeveiliging op basis van de totale stroom. Dit artikel behandelt een aanvullende functie die specifiek op onbalans reageert: negatievevolgordebeveiliging (ANSI 46), die de negatievevolgordestroom (I2) van een motor of generator bewaakt, waarom een kleine onbalans onevenredig veel rotorverhitting veroorzaakt, en hoe dit verband houdt met de gids over driefasige spanningsonbalans.

De gidsen over railstel-differentiaalbeveiliging (87B) en uitvalbeveiliging (50BF) gaan uit van een net met een duidelijke, vaste stroomrichting per veld. Dit artikel behandelt wat er gebeurt zodra dat niet meer klopt — bijvoorbeeld bij een ringnet, een dubbel gevoede rail of decentrale opwekking — en hoe richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (ANSI 67) met een polariserende spanning de stroomrichting bepaalt om alleen bij een fout in de eigen, bewaakte richting aan te spreken.

De gids over richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (67) behandelt hoe een fout selectief wordt herkend. Dit artikel behandelt wat er daarna gebeurt op een bovengrondse middenspanningslijn: automatische herinschakeling (ANSI 79, recloser), die uitgaat van het feit dat het merendeel van de fouten op een bovengrondse lijn van voorbijgaande aard is, en waarom de dode tijd tussen uitschakeling en herinschakeling zorgvuldig moet worden gekozen.

De gids over anti-eilandbedrijf van PV-omvormers noemt ROCOF kort als één van de detectiemethoden binnen NEN-EN 50549-1. Dit artikel behandelt de onderliggende beveiligingsfunctie in meer detail: onder- en overfrequentiebeveiliging (ANSI 81O/81U) en de snelheid van frequentieverandering (ROCOF, df/dt, ANSI 81R), hoe deze wordt gebruikt voor zowel gewone lastafschakeling als eilanddetectie bij decentrale opwekking, en waarom een spanningsbewaking nodig is om valse aanspreking te voorkomen.

De gidsen over transformator-, motor- en railsteldifferentiaalbeveiliging (87T/87M/87B) behandelen hoe een interne fout wordt gedetecteerd. Dit artikel behandelt wat er daarna gebeurt: het vergrendelrelais (ANSI 86, lockout relay), dat als tussenstation tussen meerdere beveiligingsrelais en de schakelaar fungeert, het uitschakelcommando vasthoudt (latcht) en een bewuste, handmatige reset vereist voordat de installatie weer in bedrijf kan worden genomen.

De gids over transformator-differentiaalbeveiliging (87T) en de gids over REF-beveiliging (64N/87N) behandelen differentiaalprincipes toegepast op een transformatorwikkeling. Dit artikel behandelt hetzelfde differentiaalprincipe toegepast op een heel ander onderdeel: het railstel (busbar) van een verdeelinrichting zelf. Waarom een fout op de rails door gewone voedingsbeveiligingen vaak traag wordt afgehandeld, hoe railstel-differentiaalbeveiliging (ANSI 87B) de som van alle in- en uitgaande stromen van de railzone bewaakt, en het verschil tussen een hoogohmige en een laagohmige uitvoering van dit principe.

De gids over transformatordifferentiaalbeveiliging (87T) behandelt het percentagedifferentieel-principe bij een vermogenstransformator. Dit artikel behandelt dezelfde beveiligingsfilosofie toegepast op een grote of kritieke motor: motordifferentiaalbeveiliging (ANSI 87M), het verschil tussen de zelfbalancerende (kernbalans) en de stroomoptel-methode met zes stroomtransformatoren, en waarom deze functie sneller en gevoeliger is dan de gewone overbelastingsbeveiliging uit de gids over motorbeveiligingsklassen.

Een secundaire injectietest voert een testsignaal rechtstreeks in het beveiligingsrelais of de elektronische trip-unit in, en controleert daarmee alleen het relais en zijn bedrading — niet de stroomtransformator (CT) of de fysieke uitschakeling door de vermogensschakelaar zelf. Een primaire injectietest voert een werkelijke, hoge teststroom door de volledige primaire stroombaan (CT-primaire wikkeling, CT-secundaire wikkeling, relais/trip-unit én de schakelaar zelf) en is daarmee de enige methode die de complete beveiligingsketen inclusief bedradingsfouten tussen CT en relais aantoont — maar vergt uitschakeling van de installatie en gespecialiseerde, zware testapparatuur.

IEC 62271-100: bij een routine-contactweerstandsmeting van een vermogensschakelaar (met minimaal 50 A DC-teststroom via de 4-draads Kelvin-methode) mag de gemeten weerstand niet hoger zijn dan 1,2 maal de referentiewaarde Ru uit de typebeproeving — een toename daarboven wijst op contactslijtage of -verontreiniging. Waarom deze routine-acceptatiegrens iets anders is dan de algemene 'vergelijk met soortgelijke verbindingen'-aanpak bij kabel- en railverbindingen, en waarom een trendmatige toename over opeenvolgende periodieke metingen net zo belangrijk is als de absolute waarde.