Stroombegrenzers: versterking van de zwakste schakel in de SCCR

Deze Expertblog is gesponsord door Eaton

 

Apparaten met een ontoereikende SCCR (‘short-circuit current rating’ of kortsluitvastheid)  kunnen een risico vormen voor medewerkers en de apparaten, en leveren mogelijk zelfs brandgevaar op. Een aanpassing in de regelgeving van de National Electrical Code (NEC) van Noord-Amerika vereist dat de beschikbare foutstroom (kortsluitstroom) op de installatielocatie moet worden vermeld en dat de SCCR van de apparaten ook op die apparaten wordt aangegeven. Dit vermindert de kans dat de installatie van een apparaat niet aan deze regelgeving voldoet of wordt afgekeurd.

Onderzoek toont aan dat meer dan de helft van de fabrikanten van apparaten tijdens de ontwerpfase uitgaat van de gangbare minimale SCCR van apparaten van 5 kA, waardoor problemen ontstaan wanneer de foutstroom van de binnenkomende voeding een aantal niveaus hoger is. Het kan duur, tijdrovend en soms onpraktisch zijn om dit op locatie op te lossen. Het ontwerpen van een SCCR-plan voor apparaten of het implementeren van een SCCR-oplossing kan ingewikkeld zijn, maar dit hoeft niet altijd zo te zijn.

De SCCR speelt een belangrijke rol bij het garanderen van de veiligheid van commerciële en industriële apparaten en bij het tot een minimum beperken van de met kortsluiting gepaard gaande risico’s. SCCR-classificatie geeft het maximale niveau van kortsluitstroom aan dat een onderdeel of apparaat veilig kan doorstaan. Als de classificatie correct is toegepast, zou het apparaat veilig een kortsluiting moeten kunnen doorstaan zonder dat medewerkers worden blootgesteld aan brandgevaar, rondvliegende brokstukken of elektrische schok.

Huidige standaarden en de verwachte wijzigingen

Zowel de NEC als de OSHA (Occupational Safety and Health Administration) en de Underwriters Laboratories (UL) stellen SCCR-richtlijnen op. Ze erkennen het risico op kortsluiting en hebben SCCR-vereisten toegevoegd aan hun normen om de veiligheid op de werkplek te verbeteren. De vastgestelde eisen zijn met name van toepassing op de SCCR van industriële besturingskasten en andere apparatuur.

In de UL 508A Supplement SB is voor besturingskasten  een erkende methode vastgesteld voor het bepalen van de SCCR van apparaten. Aan de hand hiervan wordt het mogelijk stroombegrenzende zekeringen of stroomonderbrekers te implementeren, waardoor de SCCR van componenten kan worden verhoogd. De regels omtrent de toepassing van stroombegrenzers kunnen echter verwarrend zijn.

Hoewel met stroombegrenzers de aanwezige foutstroom kan worden begrensd, vormen ze geen garantie voor een goede bescherming van downstream componenten die bescherming bieden tegen overstroom, tenzij ze samen worden getest: de zogenaamde serieclassificatie. De UL 508A verbiedt echter het gebruik van serieclassificaties voor de besturingskast, waardoor een component dat beveiligt tegen overstroom over een toereikende onderbrekingscapaciteit voor de aanwezige foutstroom moet beschikken. Als dit niet het geval is, is het gebruik van de stroombegrenzende eigenschappen van een stroombegrenzer niet aanvaardbaar of leidt dit tot een ontoereikende SCCR van de besturingskast.

Onder de verwachte wijzigingen van de NEC in 2017 vallen eisen wat betreft aanduiding en documentatie. Zo wordt het voor OEM’s, de industrie en inspecteurs eenvoudiger om toe te zien op de adequate SCCR-beveiliging van apparatuur.

De beschikbare foutstroom moet worden aangeduid op de locatie waar de volgende typen apparaten worden geïnstalleerd:

• Machines
• HVAC-installaties
• Besturingskasten voor liften
• Apparaten voor generatoren
• Overdrachtsapparatuur
• Apparaten voor energieopslag
• Apparaten voor accusystemen

De beschikbare foutstroom moet ook worden gedocumenteerd voor locaties waar de volgende typen systemen zijn geplaatst:

• Motor control centres (MCC)
• Alle andere apparaten met een industriële besturingskast

 

 

De SCCR van apparaten vaststellen

Binnenin de besturingskast bevinden zich componenten die geen toereikende beveiliging tegen overstroom bieden, zoals motorstarters, verdeelblokken en schakelaars. Deze hebben een componentclassificatie die bekend staat als een SCCR waarmee het kortsluitstroomniveau wordt aangegeven dat het apparaat veilig kan doorstaan, wanneer het wordt beveiligd door de opgegeven overstroombeveiligingen zoals aangegeven op de SCCR-markering.

Componenten die beveiliging tegen overstroom bieden, zoals stroomonderbrekers of zekeringen, hebben een onderbrekingscapaciteit die de hoeveelheid foutstroom aangeeft die ze veilig kunnen onderbreken. Een aantal beveiligingen tegen overstroom wordt aangeduid als ‘stroombegrenzend’ en kan worden gebruikt om de SCCR van een onderdeel in een afgaand circuit te verbeteren. In geval van kortsluiting reageren deze componenten sneller dan gangbare (niet-stroombegrenzende) overstroombeveiligingen.

De SCCR kan zowel worden bepaald door onderdelen te testen als door ze te analyseren. Omdat testen vaak te duur is, is analyse de meest gebruikte methode. De UL 508A Supplement SB biedt een analysemethode die de ‘zwakste schakel’ neemt als maatstaf voor het bepalen van de SCCR van het apparaat. De SCCR van apparaten wordt beperkt tot de SCCR van de component met de laagste classificatie of de onderbrekingscapaciteit van de overstroombeveiligingscomponent met de laagste classificatie.

Er zijn drie belangrijke overwegingen bij het bepalen van de SCCR van apparaten: de SCCR van de afzonderlijke componenten, de onderbrekingscapaciteit van de overstroombeveiligingen en het effect van stroombegrenzers op het voedingscircuit. De SCCR van componenten is vermeld op de productmarkering of in de installatiehandleiding van de fabrikant. De onderbrekingscapaciteit is te vinden op de markeringen van de overstroombeveiligingen.

Overeenkomstig de UL 508A SB4.3 kunnen stroombegrenzers in het voedingscircuit worden gebruikt om de classificatie van componenten binnen afgaande circuits te verhogen, maar niet voor componenten binnen het voedingscircuit. De doorgelaten piekstroom van een stroombegrenzende overstroombeveiliging in het voedingscircuit wordt vergeleken met de SCCR van de downstream component in het afgaande circuit. Als de doorgelaten piekstroom van een bepaalde verwachte kortsluitstroom minder is dan of gelijk aan de SCCR van de component, dan kan de SCCR van de component worden verhoogd naar de gekozen verwachte kortsluitstroom.

Omdat een zekering gemakkelijk verkeerd kan worden teruggeplaatst, kunnen de door de fabrikant gepubliceerde gegevens over de doorgelaten piekstroom niet worden gebruikt. Voor stroomonderbrekers die zijn aangeduid als stroombegrenzend, kunnen de gegevens van de fabrikant wel worden gebruikt.

De SCCR van een magneetschakelaar, overstroomrelais, frequentieregelaar of een ander onderdeel in het circuit kan worden verbeterd. De onderbrekingscapaciteit van stroomonderbrekers en zekeringen of de SCCR voor Type F motorstartcombinaties kan echter niet worden verbeterd met een upstream stroombegrenzer, zelfs niet wanneer deze in het afgaande circuit is geplaatst.

Een andere methode is om stroomomzetters te gebruiken om de SCCR van afgaande circuits te verhogen, maar deze worden normaal gesproken niet gebruikt voor besturingspanelen omdat er onvoldoende ruimte voor is. Voor andere toepassingen kunnen ze wel worden gebruikt, omdat ze de beschikbare foutstroom omlaag brengen. Afhankelijk van de omzetter, kan de beschikbare foutstroom op de secundaire wikkeling lager zijn dan 5 kA, waardoor de standaard SCCR van apparatuur van 5 kA acceptabel is. 

Het juiste moment om de SCCR te implementeren

Het wordt sterk aangeraden om al in een vroeg stadium na te gaan denken over de SCCR, het liefst nog in de ontwerpfase. Zodra de apparatuur is geïnstalleerd, wordt het lastig, tijdrovend en duur om de SCCR nog te verhogen. Voor installaties in de VS kan het voldoen aan de eisen voor de SCCR lastig zijn, zeker als het apparaat een standaardontwerp is, omdat de daadwerkelijk beschikbare foutstroom kan variëren. Het is best practice om uit te gaan van een worst-case situatie, de grootst mogelijk verwachte beschikbare foutstroom. Dit kan op twee manieren worden gedaan.

De eerste is om onderdelen te selecteren die leiden tot een algehele SCCR van de apparaten die toereikend is voor de worst-case situatie. De tweede is om de besturingskast van apparaten zo te ontwerpen dat een opgegeven (en zodanig op het paneel aangeduide) stroombegrenzende zekering of stroomonderbreker upstream van de apparatuur kan worden geplaatst. Deze aanpak leidt mogelijk tot besparingen op apparaatkosten, en meer flexibiliteit bij de keuze van onderdelen, waardoor installateurs de keuze hebben om een voedingsbron upstream van het paneel te plaatsen, zonder dat ze hiervoor de fabrikant moeten raadplegen.

Conclusies

Besturingskasten van apparaten die voldoen aan de SCCR-richtlijnen zijn ontworpen om elektrische schok, brand en explosies in geval van kortsluiting te voorkomen. Door aan het begin van een project na te denken over de SCCR’s, zijn OEM’s beter in staat om de kosten en duur van projecten te beheersen. Het is mogelijk niet toereikend om aan de standaard-SCCR-vereisten van apparaten (doorgaans minimaal 5 kA) te voldoen.

Deze Expertblog is gesponsord door Eaton Als internationaal bedrijf biedt Eaton zijn klanten de meest uitgebreide ervaring om hier via de verkoop en technische resources op locatie wel aan te voldoen. Daarnaast levert Eaton een uitgebreide reeks producten voor naleving van de NEC-norm en oplossingen die voldoen aan de SCCR-vereisten. Naast een compleet pakket van Bussmann-zekeringen bestaan deze oplossingen onder andere uit automaten, motorbeveiligingsschakelaars, motorstartcombinaties en stroombegrenzende overstroombeveiligingen. Vooral voor machinebouwers die hun producten wereldwijd verkopen, is het belangrijk om te werken met een internationale partner.