Overstroombeveiliging (ANSI 50/51) — IDMT-tijdstroomkarakteristieken

De [gids over vermogensschakelaar-instellingen — L, S, I en G in de LSI(G)-curve](/guides/protection/vermogensschakelaar-lsi-instellingen) behandelt hoe een laagspanningsvermogensschakelaar met een beperkt aantal instelbare tijd- en stroombanden wordt gecoördineerd. Dit artikel behandelt het verwante, maar niet identieke principe zoals dat bij middenspanningsbeveiligingsrelais wordt toegepast: de omgekeerd-afhankelijke tijdstroomkarakteristiek (Engels: inverse definite minimum time, IDMT) volgens ANSI 50 (ogenblikkelijke overstroom, "instantaneous overcurrent") en ANSI 51 (vertraagde overstroom met tijdsafhankelijke karakteristiek, "time overcurrent").

Het verschil tussen 50 en 51

• ANSI 50 — ogenblikkelijke overstroom: schakelt zonder opzettelijke vertraging uit zodra de gemeten stroom een vaste, hoge aanspreekwaarde overschrijdt. Dit element wordt typisch ingesteld ruim boven de maximale bedrijfsstroom en boven de inschakelstroom van aangesloten transformatoren of motoren, zodat het uitsluitend reageert op een daadwerkelijke, forse fout dichtbij het relais.
• ANSI 51 — vertraagde overstroom met IDMT-karakteristiek: schakelt uit volgens een curve waarbij de uitschakeltijd afneemt naarmate de gemeten stroom verder boven de instelwaarde uitstijgt — vandaar "omgekeerd-afhankelijk" (inverse). Bij een stroom net boven de instelwaarde duurt het relatief lang voordat het relais schakelt; bij een zware fout ver boven de instelwaarde schakelt hetzelfde relais veel sneller.

De IDMT-curvefamilies volgens IEC 60255-151

IEC 60255-151 (voorheen IEC 60255-3) definieert een set genormeerde curvevormen, elk met eigen constanten in de standaardformule:

$$t = \text{TMS} \times \frac{K}{\left(\frac{I}{I_s}\right)^{E} - 1}$$

waarbij t de uitschakeltijd is, TMS de tijdvermenigvuldigingsfactor ("time multiplier setting"), I de gemeten stroom, Iₛ de instelwaarde, en K/E de curvespecifieke constanten:

Een curve met een hogere exponent E (extremely inverse) reageert bij een lichte overschrijding van de instelwaarde relatief traag, maar zeer snel zodra de stroom ver boven de instelwaarde komt — geschikt voor toepassingen met een grote spreiding tussen minimale en maximale foutstroom, zoals bij motorvoedingen. Een standard inverse-curve geeft een gelijkmatiger verloop over het hele bereik en wordt vaker toegepast in algemene distributienetten.

Let op: de TMS (of in sommige fabrikant-implementaties de "time dial setting") schaalt de gehele curve in de tijdsrichting zonder de vorm te veranderen. Twee relais met hetzelfde curvetype maar een verschillende TMS zijn daardoor onderling tijdselectief te maken zonder de stroominstelwaarde zelf te wijzigen — het hoofdmechanisme waarmee een keten van relais in serie (voeding → hoofdverdeler → afgaande groep) zo wordt ingesteld dat het relais dichtst bij de fout als eerste schakelt.

Coördinatie tussen relais in serie

Bij het instellen van een keten van 51-relais in serie wordt voor elk relais, van de belasting terug naar de bron toe, een oplopende TMS (en eventueel een oplopende instelwaarde) gekozen, zodat er bij elke foutstroom een aantoonbare tijdmarge overblijft tussen de curve van het ene relais en die van het relais direct erboven — vergelijkbaar met het principe achter zone-selectieve vergrendeling (ZSI) bij laagspanningsvermogensschakelaars, maar dan uitgevoerd via tijdcurve-scheiding in plaats van een communicatiesignaal tussen schakelaars.

Praktische relevantie

Bij het opstellen of controleren van een selectiviteitsstudie voor een middenspanningsnet is het van belang niet alleen de instelwaarde (Iₛ) van elk 51-relais te controleren, maar ook het curvetype en de TMS, en te verifiëren dat het bijbehorende 50-element ver genoeg boven de maximale doorgaande bedrijfsstroom en inschakelstroom is ingesteld om nodeloze uitschakeling bij normaal bedrijf te voorkomen, terwijl het nog steeds snel genoeg reageert op een fout dichtbij het relais.

Veelgemaakte fouten

1. Voor alle relais in een keten hetzelfde curvetype en dezelfde TMS aanhouden, zonder een oplopende tijdmarge naar de bron toe te verifiëren — dit ondermijnt de selectiviteit tussen de relais.
2. Het 50-element te laag instellen, waardoor het reageert op normale inschakelstromen van transformatoren of motoren en onnodig uitschakelt.
3. Een curvetype kiezen zonder rekening te houden met de spreiding tussen minimale en maximale foutstroom van de betreffende voeding, wat tot een onnodig trage of onnodig snelle reactie over een deel van het stroombereik leidt.
4. De LSI-instellingen van een laagspanningsvermogensschakelaar en de IDMT-instellingen van een middenspanningsrelais als hetzelfde concept behandelen, terwijl de onderliggende curvevorm en instellogica wezenlijk verschillen.

Gerelateerd

• Vermogensschakelaar-instellingen — L, S, I en G in de LSI(G)-curve
• Zone-selectieve vergrendeling (ZSI)
• Richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (67)
• Automaatkarakteristieken B, C en D