Hoe de thermische belastingen in een elektrische geleider controleren?
Doorgaande energie en toelaatbare thermische belasting
Uit de kenmerken van een kabel of een geleider, zijn twee waarden essentieel voor de dimensionering:
- De maximale temperatuur van de kern in stationaire toestand, waarmee de toelaatbare stroom kan berekend worden.
- De maximale temperatuur van de kortgesloten kern, de temperatuur waarboven de aantasting van de isolatie begint.
Voor gestandaardiseerde kabels worden deze waarden opgelegd door de norm, bijvoorbeeld 90 ° C voor kabels geïsoleerd met PR en 250 ° C / EPR.
Het is daarom noodzakelijk om te controleren of de doorgaande kortsluitstroom (Ik), tijdens de fout zijn onderbrekingstijd (t), de kern van de kabel niet boven de maximale temperatuur brengt.
Bij een storingstijd van minder dan vijf seconden (vandaar het maximum opgelegd in de installatienormen), wordt de verhitting als adiabatisch beschouwd, m.a.w. wordt er aangenomen, dat de geproduceerde warmte op het niveau van de kern blijft, en geen tijd heeft om af te voeren in de andere elementen van de kabel.
In deze berekening wordt de via de geleiders doorgaande thermische belasting berekend met de formule:
Doorgaande stroomenergie = Ik2 x t in A2s.
De door de geleider toelaatbare thermische belasting wordt berekend met de formule k2 x S2 waarin:
- S is de doorsnede van de geleider in mm²
- k is een factor die rekening houdt met de weerstand, de temperatuurcoëfficiënt, en de temperatuur bestendigheid van het geleidersmaterie, evenals de oorspronkelijke temperaturen (maximale temperatuur van de kern in stationaire toestand voor een belaste geleider of een PE in de kabel, of omgevingstemperatuur voor een aparte PE) en resulterende temperatuur van de geleider (maximale temperatuur van de kortgesloten kern).
Het is daarom noodzakelijk om te controleren dat, in alle gevallen van kortsluiting, het onderstaande geldig blijft:
Ik2 x t < k2 x S2
Om de berekeningen makkelijker te maken, is het mogelijk om de tabellen te gebruiken die de waarden van k geven, zoals in het volgende voorbeeld uit document:
Check door middel van energie met elec calc™
De elec calc™ software berekent de maximale doorgaande energie in alle geleiders, en vergelijkt deze met hun thermische bestendigheid (volgens de formule k² x S²). Deze controle geldt voor de fasen, maar ook voor de nul-geleider en de PE. Als aan deze voorwaarde niet wordt voldaan, wordt een te hoge thermische belasting weergegeven op de kabel.
Hoe een thermisch overbelasting oplossen?
In het geval van een probleem met thermische belasting, is het altijd mogelijk om de doorsnede van de geleiders groter te maken, waardoor hun toelaatbare thermische belasting wordt verhoogd. Andere mogelijkheden kunnen u echter in staat stellen, om deze toename in sectie te vermijden.
Gebruik van zekeringen: De smeltingstijd van een zekering, is in het algemeen, veel korter dan de openingstijd van een vermogensschakelaar bij hoge kortsluitstromen. Er is dus een natuurlijke beperking van de doorgaande energie. Houd er wel rekening mee dat met een zekering, de maximale energie ook kan optreden tijdens de minimale kortsluiting, omdat de smelttijd dan langer kan zijn. Het is daarom noodzakelijk om de weerstand van de kabel te controleren op alle typen kortsluitstromen.
Gebruik van beperkende stroomonderbrekers: bepaalde reeksen automaten zijn ontworpen om het ontstaan van een foutstroom te voorkomen, door slechts een stroom van beperkte intensiteit door te laten. De energiebeperking van een vermogensschakelaar wordt door de fabrikant gegeven, in de vorm van begrenzingscurven:
- De curve die de piekwaarde van de beperkte stroom weergeeft, in verhouding met de nominale wisselstroom waarde van de veronderstelde foutstroom (nuttig voor het controleren van elektrodynamische belastingen);
- De curve die de waarde van de beperkte doorgaande energie weergeeft, in verhouding met de nominale wisselstroom waarde van de veronderstelde foutstroom. Het is deze beperkte waarde die moet worden vergeleken, met de toegelaten thermische belasting op de geleiders.
Analyse van begrenzingscurven met de elec calc™ catalogus van meerdere fabrikanten
De elec calc™ catalogus van meerdere fabrikanten beheert de begrenzingscurven voor de verschillende beveiligingen. Zodra een fabrikantsreferentie met beperking gekoppeld is aan een beveiliging, kan de software de beperkte energie die gepaard is met de veronderstelde kortsluitstroom waarnemen.
Het is te noteren dat de meeste modulaire stroomonderbrekers beperkende eigenschappen hebben, waardoor het mogelijk is om de thermische belasting ’s problemen op te lossen, in de leidingen met kleine doorsnede, die het meest onder invloed zijn van dit soort problemen.
Voorbeeld
Mijn installatie omvat een verlichtingskring met een kabel U1000R2V-3G2.5 beschermd door een vermogensschakelaar met curve C van 16 A. De maximale kortsluitstroom bij de kabel is 5,63 kA en de uitschakeltijd van de beveiliging 10 ms.
De maximale energie is dus: Ik² x t = 5.630²x0.01 of 316 969 A²s
De thermische bestendigheid van mijn kabel is: k² x S² = 138²x2.5² of 119 025 A²s
Controleer: Ik² x t > k² x S² => thermische belasting ‘s probleem op de kabel: bij kortsluiting zal de kabel beschadigd raken.
Geval van de zekering:
Als ik de stroomonderbreker vervang door een 16 A gG-zekering, is de smelttijd 4.10‑5s. De maximale energie is dus: Ik² x t = 5.63²x 0.00004 of 1268 A²s
Er is dus geen thermisch belasting ‘s probleem op de kabel.
In ons geval hebben we ook nagekeken of het inderdaad de maximale kortsluitstroom is, die de maximale energie geeft.
Integratie van een stroomonderbrekerreferentie met beperking:
Ik koppel nu een fabrikantsreferentie aan mijn bescherming. De software kan nu dus op de fabrikant zijn energiebegrenzingscurve, de resterende energie aflezen voor een kortsluitstroom van 5,63 kA:
In ons geval is de resterende energie 15.250 A²s. Het is lager dan de thermische bestendigheid van de geleider. We hebben dus geen thermische belasting ‘s probleem meer op de kabel.
Ga verder in nauwkeurigheid met elec calc™ voor de berekening van de doorgaande energie
Rekening houdend met de gelijkstroom-component: in de bovengenoemde formules hebben we overwogen dat de waarde van Ik de effectieve waarde is van de wisselstroom -component van de veronderstelde foutstroom. Als we nauwkeuriger willen zijn, moeten we rekening houden met de gelijkstroom -component van de foutstroom. De invloed van deze gelijkstroom -component is vooral merkbaar wanneer het foutpunt zich dicht bij de bronnen bevindt. Het hangt af van de onderbrekingstijd en de waarde van de X/R-verhouding van de kring op het foutpunt. Het is dan noodzakelijk om een equivalente thermische stroom te berekenen, die de stroom Ik in de formules vervangt.
elec calc™ houdt rekening met de invloed van deze gelijkstroom -component wanneer de gebruikte norm dit vereist.
Geval van meerdere bronnen: een storing kan worden veroorzaakt door meerdere bronnen die elk bijdragen aan de kortsluitstroom. De beveiligingen die bij deze verschillende bronnen horen, reageren mogelijk niet tegelijkertijd op de kortsluitstroom die ze genereren. De nauwkeurige berekening van de doorgaande energie moet daarom een chronologische accumulatie integreren, van de energieën die door elke bron worden geproduceerd.
Dit is wat de elec calc™ -software doet om zo realistisch mogelijk het fenomeen te waarnemen.
Artikel geschreven door Philippe Aupetit en Jérôme Mullie, Product Manager, Calculation Trace Software International.
