THEMA'S
SERVICE & ADVIES

Maatregelen ter beveiliging van de uitrusting

Datum:10-01-2014

Dit deel van de NEN-EN-IEC 60204-1 behandelt maatregelen om de uitrusting te beveiligen tegen: overstroom door overbelasting; overstroom door kortsluiting tussen actieve delen en sluiting naar aarde; overspanning door blikseminslag of schakelhandelingen; overbelasting van motoren; onderspanning en spanningsverlies bij motoren; onjuiste fasevolgorde bij motoren; afwijkende temperaturen bij motoren; overschrijding van het maximale toerental van motoren.

We beginnen met de eerste drie onderwerpen. Hierin komt de beveiliging aan de orde van hoofdstroom, stuurstroom, wcd’s voor algemeen gebruik en verlichting alsmede de beveiliging tegen overspanning. De overige items hebben betrekking op elektromotoren.

Overstroom

Net als in de installatietechniek onderscheiden we twee soorten overstroom, namelijk overstroom door overbelasting en/of overstroom door kortsluiting. Er moeten daarbij de volgende onderwerpen worden beveiligd:

  1. voedingsleiding;

  2. hoofdstroomketens;

  3. direct en indirect gevoede stuurstroomketens;

  4. transformatoren;

  5. contactdozen;

  6. verlichting.

In onderstaande afbeelding is dit schematisch weergegeven.

Tegen overstroom te beveiligen onderwerpen.

Het gaat hierbij steeds om twee zaken: de leidingen en de gevoede en tussenliggende componenten. De voedingsleiding valt normaal gesproken niet onder de verantwoordelijkheid van de machineleverancier. Hiervoor geldt een uitzondering wanneer de machine standaard wordt geleverd met snoer en stekker of als dit is afgesproken met de gebruiker. Wel moet de leverancier van de elektrische uitrusting op het installatieschema de gegevens aangeven die nodig zijn voor het bepalen van de toe te passen beveiliging.

Voorbeeld voedingsleiding

De machine uit bovenstaande afbeelding vraagt bij vol bedrijf 75 A bij een driefasenvoeding van 400 VAC. De hoogste stroom van 400 A vindt plaats bij het aanlopen. Dit aanlopen vindt plaats gedurende 3s. Het gebruikte schakelmateriaal heeft een minimaal kortsluitvermogen tot 25 kA. Uit deze gegevens is het beveiligingstoestel (automaat, motorbeveiligingsschakelaar of smeltpatroon) te herleiden. Is de tijd/stroomkromme van smeltpatronen bekend, dan kan de voedingskabel worden berekend aan de hand van NEN 1010. Vaak geeft de fabrikant zowel de waarde van smeltpatroon of automaat met de bijbehorende leidingdoorsneden en maximale lengte op.

Voorbeeld hoofdstroomketens

Een hoofdstroomeindgroep in de afbeelding onder Overstroom afbeelding voedt een motor. In dit geval moeten zowel de kabel als de motor worden beschermd. Omdat een motor slechts gedurende korte tijd tot 15% mag worden overbelast en een kabel gedurende een uur tot 45%, is de motor bepalend voor de ontwerpstroom van de hoofdstroomketen. Dit ontwerpproces verloopt geheel zoals bij NEN 1010, met als uitgangspunt een omgevingstemperatuur van 40 °C. De maximale lengte wordt beperkt door tijdige afschakeling door kortsluiting enerzijds en  het optredende spanningsverlies anderzijds. Ook dit verloopt analoog met NEN 1010.

Belangrijk: Bij het toepassen van vier- of vijfaderige kabels met een dunner uitgevoerde nul, moeten extra maatregelen worden getroffen. Zeker wanneer sprake is van een harmonische belasting waarbij de stroom in de nul zelfs groter kan zijn dan de fasestroom.

Direct gevoede stuurstroomketens

Een verschil tussen NEN 1010 en NEN-EN-IEC 60204-1 is al jaren dat volgens de 60204 de stuurstroom via een stuurstroomtransformator geleverd moet worden, ook al is dit bijvoorbeeld 230 VAC. Direct uit de voeding betrokken stuurstroom mag daarom alleen onder bepaalde voorwaarden. Bijvoorbeeld wanneer er sprake is van één motorstarter en twee bedieningselementen. Als deze voorwaarden van toepassing zijn, en er wordt geen stuurstroomtrafo gebruikt, dan moeten overbelastingbeveiliging en kortsluitbeveiliging worden toegepast voor de gebruikte bekabeling. Immers als er een stuurstroomfout ontstaat, kan dit betekenen dat de installatie onmiddellijk en niet binnen 0,2 of 5 s moet worden afgeschakeld. In de meeste gevallen zijn de voorwaarden voor een directe voeding niet van toepassing en moet dus gebruik worden gemaakt van een stuurstroomtransformator.

Beveiliging van stuurstroomtransformator.

De transformator moet aan de primaire zijde voornamelijk op sluiting en aan de secundaire zijde op overbelasting worden beveiligd. Zie ook het onderwerp transformatoren hierna. In de praktijk blijkt echter dat beter ook secundair snel kan worden afgeschakeld op kortsluiting, omdat de transformator de secundaire kortsluitstroom te veel dempt waardoor er primair niet wordt afgeschakeld. Raadpleeg hiervoor de transformatorleverancier.

Transformatoren

De transformatoren in machines dienen veelal voor voor hulpspanningen en stuurstroom. Hierbij doet zich het probleem van de aanloopstroom voor. De hoogte hiervan is vergelijkbaar met de aanloopstroom van motoren. Hierdoor kan kortstondig tot circa twaalfmaal de nominale stroom lopen. De beveiliging van transformatoren moet er enerzijds voor zorgen dat bij het inschakelen de beveiliging niet aanspreekt op de aanloopstroom. Anderzijds mag de beveiliging niet langdurig worden overbelast, als gevolg waarvan de wikkelingen alsnog te warm zouden kunnen worden.

Stuurstroomtransformator.

Contactdozen

In de voeding van wandcontactdozen moet een overstroombeveiliging zijn aangebracht in de niet geaarde aansluiting. Deze mogen niet worden afgetakt van een verlichtingsgroep, omdat daarmee het risico van uitval van de machineverlichting ontstaat. Dit kan onbedoeld worden veroorzaakt door een defect toestel op een contactdoos voor algemeen gebruik aan te sluiten.

Verlichting

Alle niet geaarde geleiders moeten worden beveiligd op overstroom. Dubbel dus bij een S-keten en enkel bij een geaarde variant (met een nul). Overstroomtoestellen voor machineverlichting mogen niet afhankelijk zijn van overstroombeveiligingen voor andere stroomketens. Dit heeft te maken met het waarborgen van de verlichting voor de machine. Dit is zeer essentieel bij risicovolle situaties.

Plaats van de overstroombeveiliging

De overstroomtoestellen moeten zo dicht mogelijk bij het voedingspunt van de stroomketen worden gemonteerd. Immers alles wat achter de beveiliging is gemonteerd is dan beveiligd. De meest links afgebeelde opstelling in onderstaande afbeelding is daarom altijd toegestaan, maar levert in de praktijk vaak veel problemen op.

Plaats overstroomtoestel in elektrische uitrusting.

Wanneer er in de middelste afbeelding een sluiting bij A plaatsvindt, kan deze kabel deels verbranden omdat deze moet worden afgeschakeld door de hoofdbeveiliging die veel hoger is. Toch is in de praktijk bij het opbouwen van een schakel- en verdeelinrichting een tussenweg handig. Zowel NEN-EN-IEC 60204-1 als IEC 60364 laten dit ook toe. Immers, anders zou de voedingsleiding van rail naarmotorbeveiligingsschakelaar moeten worden uitgelegd op de voorbeveiliging en daardoor misschien niet passen. Uitgangspunten voor toepassing van deze oplossing zijn:

  1. dat de voedende leiding naar de overstroombeveiliging (in de meest rechter afbeelding) bestand is tegen de afgenomen stroom na de overstroombeveiliging;

  2. deze voedende leiding mag niet langer dan 3m zijn;

  3. de voedende leiding moet beschermd zijn door een omhulsel of koker waardoor kortsluiting in dit deel van de leiding is uitgesloten.

Kortsluitvermogen van overstroombeveiligingstoestellen

Het onderwerp kortsluitvermogen van overstroombeveiligingstoestellen is analoog aan NEN 1010. Waar het om draait is of een beveiligingtoestel het ter plaatse optredende kortsluitvermogen kan hebben.

630kVA transformator met bijbehorend typeplaatje.

Een automaat van 10 kA die vlak achter een trafo van 630kVA is gemonteerd, is niet in staat een hiermee overeenkomende kortsluitstroom af te schakelen. Een ondergedimensioneerde automaat kan zelfs exploderen of leiden tot een driefasenrailsluiting. Dit probleem komt vaker voor dan gedacht. Denk maar eens hoe vaak 3, 4,5 of 6 kA automaten voorkomen in een huisinstallatie terwijl daar een stroom kan voorkomen van 8 kA wanneer dat huis vlakbij de trafo staat.

Dat het meestal toch goed gaat, is vaak te danken aan de demping door de weerstand van leidingen en aan voorbeveiligingen. In een dergelijk geval spreekt vaak de voorgeschakelde beveiliging op tijd aan. Dit zijn veelal smeltpatronen van 50 tot 120 kA. Zo wordt erger voorkomen, maar vanuit oogpunt van selectiviteit is het niet erg bedrijfszeker. Er wordt dan immers een complete verdeler afgeschakeld. Als een automaat of motorbeveiligingsschakelaar te weinig uitschakelvermogen heeft, moet hij worden voorzien van een escorteofvoorbeveiliging. Dit moet worden opgelost met een aantal berekeningen.

Belangrijk is dat bij schakelingen met motoren ook rekening gehouden moet worden met een kortstondige bijdrage hiervan aan het kortsluitvermogen (generatorbedrijf).

Vermogen en instelling van de overstroombeveiliging

Stel overstroomtoestellen niet hoger in dan noodzakelijk, maar houd wel rekening met aanloopstromen van motoren en de ‘in-rush’-verschijnselen van transformatoren. Gebruik ook de juiste karakteristieken met betrekking tot overbelasting.

Overspanning door blikseminslag of schakelhandelingen

Dit onderwerp kent weinig eisen, maar wordt in NEN-EN-IEC 60204-1 aangehaald als onderwerp dat afhankelijk van de situatie moet worden ingevuld. De norm gaat ook niet verder op de mogelijke praktische invulling in. Hiervoor kan overigens prima rubriek 443 uit IEC 60364 worden gebruikt, aangevuld met fabrieksgegevens van overspanningsbeveiligingsapparatuur. De eisen die de norm stelt, hebben betrekking op de plaats van dergelijke apparatuur. Met name voor bliksem bij de inkomende voedingsaansluitingen van de netscheider en bij schakeloverspanning daar waar dit is vereist.

Nominale spanning van de installatie (Volgens NEN 10038.)

V

Vereiste toelaatbare stootspanning voor
kV

Driefasennetten

Eenfasenet met middenaftakking

Materieel aan het begin van de installatie
(categorie IV)

Materieel van verdeel-netten en eindgroepen
(categorie III)

Toestellen
(categorie II)

Materieel dat speciaal moet worden beveiligd
(categorie I)

-

120-240

4

2,5

1,5

0,8

230/400

277/480

-

6

4

2,5

1,5

400/690

-

8

6

4

2,5

1000

-

waarden zijn overgelaten aan de systeemontwerpers

Categorie I is van belang bij het ontwerpen van installaties.

Categorie II is van belang voor productcommissies van materieel dat wordt aangesloten op het openbare voedende net of een daarmee gelijk te stellen net.

Categorie III is van belang voor productcommissies van installatiematerieel en enkele bijzondere productcommissies.

Categorie IV is van belang voor energieleverende instanties en systeemontwerpers (zie 443.2.2).

Vereiste nominaal toelaatbare stootspanning voor materieel.

Beveiliging tegen aardfouten/reststroom

De norm NEN-EN-IEC 60204-1 kent geen verplichting tot aardlekschakelaars, zoals in de NEN 1010. Wel heeft de norm een aanvullende bepaling over aardfouten en lekstroom. Hierbij gaat het niet specifiek over de motor zelf, maar veel meer over de elektronische aandrijving (drives). Vooral de ontstoorcondensatoren van dergelijke apparatuur leveren een grote bijdrage aan lekstromen. Het kan zijn dat deze stromen relatief groot worden. Dan is het verstandig de beschermingsleiding een grotere doorsnede te geven, of deze te beveiligen tegen overstroom. In de beschermingsleiding zelf mag geen overstroomdetectie worden toegepast. Dit dient te gebeuren door middel van een diffentiaalmeting op de voedingsaders. Dit probleem gaat in de toekomst voor grote problemen zorgen. Denk hierbij met name aan stekkergevoede apparatuur, die wordt aangesloten op installaties met aardlekschakelaars.

Wisselstroom of gelijkstroom

Aanvullende eisen aan beschermende potentiaalvereffening voor elektrische uitrusting met aardlekstromen van meer dan 10 mA

Waar elektrische uitrusting een aardlekstroom heeft (bijvoorbeeld bij elektrische aandrijfsystemen met instelbare snelheid en apparatuur voor informatietechnologie) die groter is dan 10mA (wisselstroom of gelijkstroom) in een inkomende voeding, moet de bijbehorende beschermingsketen voldoen aan een of meer van de volgende voorwaarden:

  1. De doorsnede van de beschermingsleiding moet over de gehele lengte ten minste 10mm2 Cu of 16mm2 Al bedragen.

  2. Waar de doorsnede van de beschermingsleiding minder is dan 10mm2 Cu of 16mm2 Al, moet een tweede beschermingsleiding zijn aangebracht van ten minste dezelfde doorsnede tot aan een punt waar de beschermingsleiding een doorsnede heeft van ten minste 10mm2 Cu of 16mm2 Al.

Beveiliging van motoren, apparatuur en uitrusting

Elektromotoren zijn bijna een standaard onderdeel in machines. NEN-EN-IEC 60204-1 besteedt daarom relatief veel bepalingen aan motoren. In eerste instantie wordt hierbij gedacht aan wisselstroommachines (asynchroonmotoren), maar deze bepalingen zijn net zo goed van toepassing op gelijkstroommotoren. Daarnaast besteedt de norm voor een deel aandacht aan de beveiliging van andere apparatuur.

NEN-EN-IEC 60204-1 geldt voor de volgende onderwerpen:

  1. overbelasting van motoren;

  2. onderspanning en spanningsverlies;

  3. onjuiste fasevolgorde (bij motoren);

  4. overschrijding van het maximale toerental van motoren;

  5. beveiligingtegen afwijkende temperaturen.

Overbelasting van motoren

De huidige norm geeft duidelijk aan welke motor wel en welke niet beveiligd moet worden tegen overbelasting. Het gaat hierbij om het risico van brand en oververhitting waardoor tevens isolatiefouten kunnen ontstaan. De NEN-EN-IEC 60204-1 geeft aan dat alle motoren beveiligd moeten zijn tegen overbelasting. Motoren met een asvermogen van minder dan 500 W zijn hiervan vrijgesteld, maar zij mogen wel beveiligd worden. Het toepassingsgebied van de norm is groot. Daardoor vallen onder de norm ook bijzondere installaties, waarbij het tijdig afschakelen van motoren juist niet gewenst is. Denk bijvoorbeeld aan sprinklerinstallaties. Motoren die dergelijke pompen aandrijven zijn daarom vrijgesteld van deze eis, ook al gaat het daarbij niet zelden om om aanzienlijke vermogens van 30 kW en hoger. Let op: niet alle motoren zijn bij dergelijke installaties vrijgesteld. Zoals bijvoorbeeld de jockeypomp (lekverlies/vulpompje).

Naast de brandweerpomp noemt de norm nog een aantal situaties waarbij de beveiliging tegen overbelasting niet nodig is. Bijvoorbeeld in het geval dat een motor niet overbelast kan zijn. De toepassingen hiervan zijn echter niet groot.

Voorbeelden van beveiliging tegen overbelasting op basis van stroomdetectie, te weten een thermisch pakket en motorbeveiligingsschakelaar.

In het algemeen wordt bij de beveiliging tegen overbelasting gekozen voor stroomdetectie. Toch is dit niet de enige methode. Afhankelijk van de toepassing kan ook worden gewerkt met PTC-weerstanden in de wikkeling van de motor, bij kleine motoren met clicksons (bimetaal), enzovoort. Een belangrijk aandachtspunt bij de keuze van een overbelastingsbeveiliging is lage toerentallen van motoren die via drives worden aangestuurd. Hierbij kan de koeling snel te weinig zijn. Hetzelfde geldt voor motoren die veel worden in- en uitgeschakeld, zoals bij kranen of motoren in stoffige ruimten.

Raadpleeg hiervoor de IEC 60034-11. Let op: wanneer u niet kiest voor stroomdetectie, is de leiding naar de motor vaak ook niet meer beveiligd tegen overstroom of op een veel hogere waarde. Dit kan gevolgen hebben voor het ontwerp of alsnog een aanvullende overbelastingsbeveiliging noodzakelijk maken.

Onderspanning, voedingsonderbreking en onjuiste fasevolgorde

Het effect van onderspanning kan een enorme stroomtoename veroorzaken bij sleepringankermotoren (SKA-motoren). Daarnaast is het mogelijk dat motoren het benodigde aandrijfkoppel niet meer halen waardoor de machine of de producten worden beschadigd. Een onderspanning op het stuurstroomdeel kan er de oorzaak van zijn dat delen van de besturing ongecoördineerd uitvallen met alle gevolgen van dien. Daarnaast kan het, vooral via stekker aangesloten apparatuur, gebeuren dat een verkeerde fasevolgorde schade oplevert aan de aangedreven apparatuur of omgeving.

Indien een of meerdere van de hierboven genoemde situaties een gevaarlijke situatie oplevert, dan wel schade aan machine of product met zich meebrengt, moet hiertegen een beveiliging zijn aangebracht. Dit wordt veelal centraal geregeld via de stuurstroom middels eenfasebewakings-relais. Het is ook belangrijk om na te gaan of er een gevaarlijke situatie kan ontstaan bij het terugkeren van de spanning na een spanningsuitval. Dit kan vaak opgelost worden door overneemcontacten of geheugenfuncties in de stuurstroom. Basis blijft dat een machine niet zonder meer mag herstarten. Zie ook de norm NEN-EN 1037.

Beveiliging tegen onderspanning, voedingsonderbreking en onjuiste fasevolgorde.

Motortoerentalbeveiliging

Bij de beveiliging van het motortoerental denken we met name aan DC-motoren. Bijvoorbeeld seriemotoren met een te lage of geen mechanische belasting door bijvoorbeeld een defecte koppeling of shuntmotoren waarbij de bekrachtiging onderbroken raakt. Bij normaal aangedreven AC-motoren zonder frequentieregelaar is beveiliging van het toerental niet zinvol. De toepassing hiervan is eigenlijk alleen zinvol wanneer er een gevaar zou kunnen ontstaan door weggeslingerde onderdelen of ter bescherming van de motor/machine. Ook bij kranen kan de zorgen voor overspeed.

Beveiliging tegen afwijkende temperaturen

Bij het deel van de norm over beveiliging tegen afwijkende temperaturen moet u denken aan temperatuurgeregelde processen. Bijvoorbeeld productverwarming bij spuitgietmachines of leidingen (tracing). Stel dat de capaciteit veel hoger is dan wat benodigd is. Meestal kan dan via een eenvoudige aan/uit-regeling de temperatuur worden geregeld, veelal door de puls/pauze-verhouding aan te passen aan de vraag. Raakt echter de regelaar defect en staat deze in een dergelijk geval constant aan, dan kan de temperatuur daardoor natuurlijk ontoelaatbaar hoog oplopen. Hierdoor kan brand of schade aan het product en/of machine ontstaan. Er moet dan een aanvullende temperatuurbeveiliging worden opgenomen.

Vragen over dit artikel?
Stel uw vraag
Details
Gerelateerd
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 NEN 4010: de eenvoudige NEN 1010
21-05-2019
Power Quality Harmonischen Overbelasting van een transformator
08-11-2013
NEN 1010 Elektrisch materieel Overbelasting van een transformator
01-03-2013
Power Quality Spanningsniveau Oplossingen voor Spanningsniveau
12-05-2011
Power Quality Asymmetrie Oplossingen voor asymmetrie
10-05-2011
Inhoudsopgave