Bepalen vlamboog energie met instelbare vermogensschakelaars

De standaard IEEE 1584 2018 beschrijft een model voor de berekening van de vlamboog energie. Er dienen diverse gegevens te worden verzameld voor het uitvoeren van deze berekening. Het gebruik van softwareprogramma’s maakt het mogelijk om voor uitgebreide installaties deze berekening uit te voeren. De gegevens die deze softwareprogramma’s gebruiken zijn afgeleid van technische informatie van de gebruikte componenten.

MasterPacT MTZ

Voordat men een dergelijke berekening gaat uitvoeren is het belangrijk goed inzicht te hebben in uitgangspunten en de methode van berekening zodat resultaten juist zijn en verklaard kunnen worden.

In dit artikel wordt dit nader toegelicht aan de hand van een voorbeeld hoe een vlamboog berekening uitgevoerd dient te worden bij installaties met vermogensschakelaars.

Wat is een vlamboog?
Een vlamboog is het plotseling vrijkomen van energie door een elektrische stroom die via de lucht tussen twee geleiders stroomt. Bij het optreden van een vlamboog komt een grote hoeveelheid hitte, licht, geluid, drukgolf en giftige stoffen vrij.

Vlamboogberekening
De norm IEEE 1584 beschrijft een empirisch rekenmodel voor het bepalen van de vrijgekomen energie bij een arc-flash (vlamboog). De berekening wordt in twee stappen uitgevoerd. Als eerste wordt de vlamboog stroom berekend en vervolgens de vlamboog energie. De uitkomst van deze berekening is de hoeveelheid vrijgekomen energie per oppervlakte (cal/cm2 of J/cm2) en een zogenaamde arc-flash boundary (AFB). De zogenaamde arc-flash boundary geeft de afstand aan tussen de energiebron (arc flash) en waar de vrijgekomen energie tot 5 J/cm2 (= 1,2 cal/cm2) gedaald is. Dit is de grens waar mogelijk tweedegraads brandwonden kunnen voorkomen.



ComPacT NSX

De belangrijkste variabelen voor deze berekening zijn:

• Grootte van de kortsluitstroom
• Spanningsniveau
• Afstand tussen de geleiders
• Oriëntatie van de geleiders
• Klasse apparatuur en afmetingen van de behuizing
• Werk afstand
• Afschakeltijd beveiliging

De afschakeltijd van de beveiliging dient bepaald te worden aan de hand van de vlamboog stroom (arcing current) en de technische gegevens van de beveiliging. Bij gebruik van een vermogensschakelaar dient de afschakelcurve te worden geraadpleegd.



ComPacT NSXm

Bepalen afschakeltijd vermogensschakelaar
Er zijn twee typen instelbare vermogensschakelaars:

• MasterPact MTZ (open vermogensschakelaar – Air Circuit Breaker)
• ComPacT NSX en NSXm (gesloten vermogensschakelaar – Moulded Case Circuit Breaker)

Voor het bepalen van de afschakeltijd dient eerst te worden nagegaan welke type vermogensschakelaar en type tripunit is toegepast.



Instellingen Micrologic 5.0x of 6.0x of 7.0x

Afschakeltijd vermogensschakelaar MasterPact MTZ
Bij gebruik van een MasterPact MTZ vermogensschakelaar uitgerust met elektronische tripunit Micrologic 5.0x of 6.0x of 7.0x kunnen we voor snelle afschakeling twee gebieden onderscheiden:

• Afschakeling in het short-time gebied -> De afschakeltijd is instelbaar met de tsd instelling (80 of 140 of 200 of 320 of 500 msec.). De stroom grenswaarde instelling van het short-time gebied wordt ingesteld met de Isd instelling.
• Afschakeling in het instantaneous gebied -> De afschakeltijd is instelbaar op 50 msec. (standaard) of 30 msec. (snel) De stroom grenswaarde instelling van het instantaneous gebied wordt ingesteld met de Ii instelling.

Bij gebruik van een MasterPact MTZ vermogensschakelaar uitgerust met elektronische beveiliging Micrologic 2.0x kunnen we voor de afschakeltijd slechts één gebied benoemen. Dit is afschakeling in het instantaneous gebied. De afschakeltijd is niet instelbaar en ligt vast op 80 msec. De stroom grenswaarde instelling van het instantaneous gebied wordt ingesteld met de Ii instelling.

Afhankelijk van de uitkomst van de berekening van de vlamboog stroom dient gecontroleerd te worden in welk gebied de afschakeling zal plaatsvinden. Houd rekening met een onnauwkeurigheid van 10% voor de stroom grenswaarde instelling Isd en Ii.



Instellingen Micrologic 2.0x

Afschakeltijd vermogensschakelaar ComPacT NSXm of NSX
Bij gebruik van een ComPacT NSXm of NSX vermogensschakelaar kan onderscheid gemaakt worden tussen Micrologic thermisch-magnetische tripunit TM of Micrologic elektronische tripunit 2/5.

ComPacT NSXm of NSX met thermisch-magnetische tripunit TM-D
Bij gebruik van een ComPacT NSXm of NSX vermogensschakelaar uitgerust met tripunt TM-D kunnen we voor snelle afschakeling twee gebieden onderscheiden:

• Afschakeling in het magnetisch gebied -> De afschakeltijd is niet instelbaar en ligt vast op

20 msec. De stroom grenswaarde instelling van het magnetisch gebied wordt ingesteld met de Im instelling. De Im is een vaste instelling bij NSXm en bij NSX en wordt bepaald door het type TM-D tripunit. Bij NSX200 en NSX250 is deze wel instelbaar.

• Afschakeling in het reflex gebied -> De afschakeltijd dient afgelezen te worden met onderstaande figuur 4 en is onafhankelijk van de type trip unit en is enkel gerelateerd aan het type vermogensschakelaar.

Het gebied waar het reflex gebied begint is in onderstaande tabel opgegeven.

• NSXm > 3,2 kA
• NSX100/160 > 4 kA
• NSX250 > 5 kA
• NSX400 > 8 kA
• NSX630 > 9,5 kA

Rekening houdend met een onnauwkeurigheid van 20% voor de grenswaarde instelling Ii.

Hieronder een voorbeeld berekening.

Uitgangspunten:
- Vermogensschakelaar = ComPacT NSX
- Kortsluitstroom = 20 kA

• Spanningsniveau = 400 V
• Afstand tussen de geleiders = 25 mm
• Oriëntatie van de geleiders = VCB
• Klasse apparatuur en afmetingen van de behuizing = MCC’s en Panelen, diep
• Werk afstand = 455 mm

Uit de vlamboog berekening conform IEEE 1584 volgt dat de arcing current 12,3 kA is. Afschakeling vindt dus plaats in het relfex tripping gebied. De afschakeltijd is 8,2 msec. Het resultaat van de vlamboog berekening is een incident energy van 0,27 cal/cm2. Dit komt overeen met risico categorie 0. Dit is een uitstekend resultaat!



Afschakeltijd reflexgebied ComPacT NSXm en NSX

ComPacT NSX met Micrologic elektronische tripunit 2 of 5/6 E
Bij gebruik van een NSX vermogensschakelaar uitgerust met Micrologic tripunit 2 of 5/6 E kunnen we voor de afschakeltijd drie gebieden onderscheiden:

• Afschakeling in het short-time gebied -> De afschakeltijd is niet instelbaar met Micrologic 2 en ligt vast op 80 msec. of instelbaar bij Micrologic 5/6 E met de tsd instelling (80 of 140 of 200 of 320 of 500 msec.) De stroom grenswaarde instelling van het short-time gebied wordt ingesteld met de Isd instelling.
• Afschakeling in het instantaneous gebied -> De afschakeltijd is niet instelbaar en ligt vast op 50 msec. De stroom grenswaarde instelling van het instantaneous gebied wordt ingesteld met de Ii instelling. De Ii. is een vaste instelling bij Micrologic 2 en instelbaar bij Micrologic 5/6 E.
• Afschakeling in het reflex gebied -> idem NSXm of NSX met Micrologic tripunit TM-D

Rekening houdend met een onnauwkeurigheid van 10% voor de grenswaarde instelling Isd en Ii.

Conclusie
Voor het bepalen van de vlamboog energie conform de standaard IEEE 1584 dient de afschakeltijd van de vermogensschakelaar bepaald te worden. De afschakeltijd van de vermogensschakelaar dient bepaald te worden aan de hand van de vlamboog stroom (arcing current) en de technische gegevens van de vermogensschakelaar betreffende de afschakelcurve.

Het is belangrijk te controleren of een vlamboog wordt afgeschakeld in het snelle afschakelgebied (Iarc > Isd / Iarc > Im of Iarc > Ii). Zeer snelle afschakeling kan worden gerealiseerd met stroom limiterende automaten indien afschakeling in het reflex gebied plaats vindt. Met deze aanpak is een prima resultaat met automaten qua vlamboog risico te verkrijgen.

In een volgend artikel wordt in gegaan op het optimaliseren van de instellingen van een vermogensschakelaar rekening houdend met vlamboog energie en selectiviteit.

www.se.com

  Meer weten…