Thermische-beeldbeveiliging (ANSI 49) — thermisch replicamodel voor motor en transformator

De gids over motorbeveiliging — overbelastingsklasse 10/20/30 behandelt hoe een thermisch overbelastingsrelais via een tijd-stroomcurve met een vaste klasse-aanduiding een motor beschermt. Dit artikel behandelt de onderliggende, meer verfijnde techniek die zowel bij motoren als bij transformatoren wordt toegepast: het thermisch replicamodel, aangeduid met ANSI-code 49 (machine- of transformator-thermisch relais).

Waarom een vaste stroomdrempel niet volstaat

Een eenvoudige overstroombeveiliging kijkt alleen naar de actuele stroom op dit moment. De werkelijke temperatuur van een wikkeling hangt echter niet alleen af van de huidige stroom, maar ook van hoe warm de wikkeling al was vóór dit moment: een motor die net een zware aanloop achter de rug heeft, of een transformator die al enige tijd tegen zijn nominale belasting aan draait, heeft veel minder thermische marge over dan dezelfde machine die net een lange periode onbelast heeft gestaan — ook al is de actuele stroom in beide gevallen identiek.

Het thermisch replicamodel

Een relais met functie 49 lost dit op door niet alleen de actuele stroom, maar een rekenkundig model van de wikkelingstemperatuur continu bij te houden — vandaar de term "thermische replica" (thermal replica): het relais bootst elektronisch het thermische gedrag van de beschermde machine na.

• De temperatuurstijging wordt berekend volgens een I²t-relatie met een thermische tijdconstante: hoe hoger de stroom boven de nominale waarde, hoe sneller de gemodelleerde temperatuur oploopt; hoe langer de tijdconstante van de machine (grotere massa, meer koelvermogen), hoe trager die oploop.
• Het model heeft een geheugenfunctie: bij het verlagen van de stroom koelt de gemodelleerde temperatuur geleidelijk af volgens dezelfde tijdconstante, in plaats van onmiddellijk naar nul te springen — precies zoals een echte wikkeling niet ogenblikkelijk afkoelt zodra de belasting wegvalt.
• Waar beschikbaar, wordt het model gecorrigeerd met een werkelijk gemeten temperatuur (bijvoorbeeld een PT100-voeler in de wikkeling of in de olie/topolie van een transformator), zodat het relais niet alleen op een berekend model vertrouwt maar dit toetst aan de werkelijke, gemeten temperatuur.

Het verschil met de overbelastingsklassen 10/20/30

De overbelastingsklassen 10/20/30 van een eenvoudiger motorbeveiligingsrelais beschrijven in feite een vaste tijd-stroomcurve die is afgestemd op een gemiddeld thermisch gedrag voor die klasse, zonder een expliciet, continu bijgewerkt thermisch geheugen van de voorgeschiedenis. Een volwaardig thermisch-replicarelais (49) gaat een stap verder: het houdt de gemodelleerde temperatuur continu bij, inclusief afkoeling tussen opeenvolgende belastingspieken, en kan daardoor nauwkeuriger onderscheid maken tussen een machine die al "warm" een nieuwe piek ingaat en een machine die "koud" start — een onderscheid dat een zuivere tijd-stroomcurve zonder geheugen niet maakt.

Let op: bij een transformator wordt naast de wikkelingstemperatuur vaak ook de topoillaag-temperatuur afzonderlijk gemodelleerd of gemeten (zie de gids over de olie-/wikkeltemperatuurindicator OTI/WTI) — de wikkelingsthermische-replica (49) en de fysieke OTI/WTI-meting zijn twee verschillende, elkaar aanvullende methoden om dezelfde onderliggende risico's (isolatieveroudering door te hoge wikkelingstemperatuur) te bewaken.

Praktische relevantie

Bij het instellen van een thermisch-replicarelais voor een motor of transformator is het van belang de juiste thermische tijdconstante (warm- en koudtijdconstante kunnen verschillen) en het juiste overbelastingsniveau in te voeren op basis van de fabrieksgegevens van de machine, en — waar beschikbaar — een werkelijke temperatuurmeting te koppelen aan het model, zodat het relais niet louter op een generieke aanname vertrouwt maar het daadwerkelijke thermische gedrag van de specifieke machine volgt.

Veelgemaakte fouten

1. Alleen een vaste stroomdrempel of overbelastingsklasse instellen zonder gebruik te maken van de geheugenfunctie van een thermisch-replicarelais, waardoor herhaalde korte overbelastingen met te weinig afkoeltijd ertussen niet correct worden herkend.
2. Een identieke tijdconstante gebruiken voor opwarmen en afkoelen, terwijl veel machines in werkelijkheid trager afkoelen dan ze opwarmen (minder effectieve koeling in stilstand dan tijdens bedrijf) — een te optimistische afkoeltijdconstante kan tot een te vroege, onterechte hernieuwde inschakeling leiden.
3. Het thermisch model niet aanpassen na een motor- of transformatorwissel met andere thermische kenmerken, waardoor de bescherming niet meer overeenkomt met de daadwerkelijk aangesloten machine.
4. De thermische-replicabeveiliging verwarren met de fysieke OTI/WTI-temperatuurmeting van een transformator — beide zijn waardevol, maar beschermen via een ander principe (gemodelleerd versus rechtstreeks gemeten).

Gerelateerd

• Motorbeveiliging — overbelastingsklasse 10/20/30
• Olie-/wikkeltemperatuurindicator (OTI/WTI) bij een vermogenstransformator
• Transformator-differentiaalbeveiliging (87T) — percentagedifferentieel
• Stroomtransformator-beveiligingsklasse (5P/10P) en knikpuntspanning