Risicobeperking bij vlambogen

Moderne laagspanningsverdelers moeten vlamboogvast zijn. Mocht er in de verdeler onverhoopt een kortsluiting optreden die leidt tot een vlamboog, dan mogen de bedienende mensen die zich op dat ­moment buiten de verdeler bevinden op geen enkele wijze gevaar lopen. En in de apparatuur zelf moet - in het belang van de bedrijfscontinuïteit en kostenbeheersing - de schade zo veel mogelijk beperkt ­blijven. In dit artikel zetten we enkele adviezen voor risicobeperking op een rij.

U heeft ze vast weleens gezien: videobeelden van een verdeelinrichting waarin zich een zogenaamde internal arc voordoet. Een enorme explosie begeleid door een witte flits en vlammen. Wat u waarneemt is het plotselinge vrijkomen van een enorme hoeveelheid energie, veroorzaakt door een elektrische stroom die zich via de lucht tussen twee geleiders verplaatst. Een dergelijke vlamboog veroorzaakt een enorme uitstoot aan verbrand materiaal, hitte en een drukgolf die tot zeer gevaarlijke situaties kunnen leiden indien er geen beperkende en/of beschermende maatregelen zijn getroffen.

Oorzaken

In de praktijk kan een vlamboog ontstaan door een verkeerde handeling tijdens onderhoud, waarbij per ongeluk een kortsluiting ontstaat. Ook een metalen voorwerp dat per abuis is gevallen of is achtergelaten in de verdeler zou dit kunnen veroorzaken. Tevens kunnen vervuiling en veroudering een rol spelen. Door afgenomen isolatie of een toename van neergeslagen stof of gruis, na jarenlang te weinig onderhoud gepleegd te hebben, kan een isolatiefout ontstaan waar een vlamboog mogelijk uit voort kan komen.

Om te voorkomen dat er catastrofale gevolgen zijn voor mens en materieel, staat risicobeperking en veiligheid centraal in de verdeeltechniek en eens te meer in omgevingen waar grote hoeveelheden stroom worden gedistribueerd en bedrijfscontinuïteit van cruciaal belang is, zoals in een datacenter. Om betrouwbaarheid en veiligheid van stroomvoorziening te waarborgen en vlamboogrisico’s te beperken zijn een aantal adviezen op te volgen. In de genoemde adviezen gebruiken we het systeem Okken van Schneider Electric als voorbeeld:

Advies 1: Installeer vlamboogvaste verdelers

Zorg ervoor dat er uitsluitend handelingen in de verdeelinrichting kunnen worden uitgevoerd zonder aanraking van onder spanning staande delen.

Vlamboogvaste verdeelinrichting volgens IEC61641

Als een vlamboog door een fout in een verdeler ontstaat, moet deze binnen een kleine afgesloten ruimte blijven. De IEC61641 norm beschrijft verschillende vlamboogbeheersingsklassen voor laagspanningsverdelers. Elke klasse geeft constructie-eisen aan de verdeler, om het gebied vast te leggen waarin een ontstane vlamboog moet blijven.

De vier klassen zijn:

• Klasse A - Een vlamboog binnenin de verdeler mag geen gevolgen hebben voor mensen buiten de verdeler. Een verdeler wordt hierop gecontroleerd door middel van een PEHLA-test. In het kort wordt met een voor de verdeler opgehangen brandbaar doek nagegaan of er geen brandvlekken zijn ontstaan na de interne vlamboog. De materiële schade kan dusdanig zijn, dat de verdeler uitgeschakeld moet blijven voor reparatie. Het Okken-systeem ­voldoet altijd aan klasse A.
• Klasse B - Een vlamboog die ontstaan is in een kolom mag niet langs de rail weglopen naar een naastliggende kolom. Bij Okken-verdelers wordt aan deze eis voldaan door het verticale railsysteem door een isolerend schot te laten lopen. Alleen de betreffende kolom wordt dan beschadigd en kan eventueel worden vervangen door een nieuwe kolom (sectie), indien de constructie van het horizontale railsysteem dat toelaat zoals bij Okken-verdelers.
• Klasse C - Een ontstane vlamboog moet binnen een functionele eenheid blijven. Dit wordt bij Okken bereikt met een speciale connector geplaatst achter onder andere de Compact vermogensschakelaar. Deze eis wordt in de petrochemie soms gesteld. Bij deze constructie zal de verdeler minimale interne schade oplopen, waardoor beperkt kan worden doorgewerkt. Een traditionele lade-techniek kan dit derde veiligheidsniveau meestal niet halen.
• Klasse I - Binnen deze klasse is het onmogelijk om een vlamboog te krijgen. Alleen door volledig geïsoleerde railsystemen en verbindingen toe te passen, is dit haalbaar. Slechts enkele eindgebruikers in de petrochemie stellen deze eis en de meerprijs is aanzienlijk.

Advies 2: Zorg voor een overzichtelijke verdeling in de installatie

Hierdoor kunnen handelingen en waarnemingen zo veel mogelijk op ooghoogte worden uitgevoerd. Dit voorkomt de noodzaak om met trappen of ladders te moeten werken in een kwetsbare ruimte. Het verhoogt tevens de snelheid waarmee een wijziging of aanvulling kan worden uitgevoerd.

Advies 3: Gebruik veilige plug-in technieken

Hierdoor kunnen beheerst aanpassingen worden uitgevoerd zonder enige mogelijkheid om een fout te kunnen maken (intrinsiek veilig).
Op die manier is het systeem veilig maar toch flexibel. Zo zijn in het systeem Okken alle functionele eenheden verbonden met de verticale distributierails middels losneembare contactpluggen. Hierdoor is het mogelijk om de gehele indeling van de afgaande groepen van de verdeler volledig te veranderen zonder uitschakeling. De bedrijfsvoering blijft in stand, terwijl er lokaal wijzigingen kunnen worden uitgevoerd.

Advies 4: Pas ultrasnelle vermogensschakelaars toe en kies de juiste architectuur

Snelle vermogensschakelaars beperken grote foutstromen tot zeer kleine waardes en in een bijzonder korte tijd. Hierdoor is niet alleen de energie die in een kortsluiting kan gaan zitten veel kleiner, ook de eventuele ontstane vlamboog is hierdoor klein en beheersbaar. Bovendien worden alle componenten en systemen achter deze limiterende ­vermogensschakelaars extra beschermd. Dit kan zelfs met behoud van selectiviteit.

Automaten versus smeltpatronen

Soms wordt beweerd dat smeltpatronen sneller een foutstroom kunnen onderbreken dan een moderne vermogensschakelaar. Het is vreemd dat deze beweringen zo hardnekkig blijven bestaan, terwijl het zo eenvoudig is om een vergelijking te maken tussen smeltpatronen en een moderne Compact NSX vermogensschakelaar (Schneider Electric). Als we de uitschakel- of smeltkarakteristieken van vermogensscha­kelaars en smeltpatronen vergelijken, alsmede de doorgelaten energie bij grote foutstromen, kunnen we de volgende resultaten optekenen:

• Bij een overbelasting van 30% zal de patroon nog niets doen, behalve zeer heet worden evenals de kabel. De Compact schakelt binnen enkele minuten uit, blijft koel en warmt de kabel niet op.
• Bij een overbelasting van 100% zal de patroon in 10 minuten ­smelten. De Compact zal de uitschakeling verzorgen in twee minuten (vijf keer sneller).
• Bij een kortsluiting van 8 maal de nominale stroom (Inom) onderbreekt de patroon in 5 seconden en de Compact in 0,05 seconde (tien keer sneller).
• Bij een kortsluiting van 30 maal Inom smelt de patroon in 0,1 seconde, terwijl de Compact afschakelt in 0,01 seconde (tien keer sneller).

En een kortsluitstoom van bijvoorbeeld 80kA wordt door de Compact NSX in 0,002 seconde (= 2 ms) afgeschakeld. Uiteraard zal de patroon ook snel zijn, maar de totale dooftijd zal toch boven de 4 ms liggen, met als gevolg dat er veel meer energie in de vlamboog terechtkomt en de schade groter zal zijn.

In alle bovengenoemde voorbeelden zal de vermogensschakelaar minder energie in een potentiële fout (of vlamboog) stoppen dan een smeltpatroon. Een ander niet te onderschatten extra voordeel van een installatie met vermogensschakelaars is dat de totale energieverliezen al gauw een factor drie lager zijn dan die van een vergelijkbare installatie met patronen. Vermindering van de CO2 uitstoot dus én minder kosten.

Advies 5: Draag zorg voor periodiek en veilig onderhoud

Als er gewerkt moet worden aan een verdeler met geopende deur of weggenomen afdekplaat, dan dient hiervoor te worden bepaald wat de mogelijke gevolgen kunnen zijn van een vlamboog. Dus de energie, de drukgolf en de veilige afstanden tot de verdeler volgens de NFPA 70E norm (National Fire Protection Association Standard) met de daarbij behorende persoonlijke beschermingsmiddelen (zoals veiligheids­kleding). Het mag niet onbenoemd blijven, dat er beperkingen zijn aan persoonlijk beschermende middelen. Zo kan het zijn dat ­categorie-4 beschermende kleding (gelijk aan een bompak) wél effectief is tegen de enorme hitte van de vlamboog, maar niet om een hersenschudding te voorkomen die door de enorme drukgolf wordt veroorzaakt. De beschermende kleding kan tegen erg veel risico’s beschermen op ­persoonlijk vlak, maar niet tegen alles.

Om het ontstaan van vlambogen tijdens het uitvoeren van werkzaamheden te voorkomen, verdient het dan ook de voorkeur onderhoud uit te laten voeren door speciaal getrainde monteurs, die bekend zijn met het systeem in kwestie en de onderhoudsschema’s van alle in de installatie aanwezige componenten. Dit zijn bij voorkeur specialistische bedrijven of onderhoudsmonteurs aangesloten bij bedrijven die de ­verdeelinstallaties volgens de normen vervaardigen.

Als ontwerper en bouwer van schakel- en verdeelsystemen biedt Elektro Internationaal bovenstaande informatie aan. Met ruim 40 jaar ervaring in de elektrotechniek, waarvan ruim 20 jaar in de datacenterbranche, levert de paneelbouwer uit Woerden veilige, betrouwbare en kwalitatief hoogwaardige systemen voor een probleemloze en meetbare elektriciteitsvoorziening. Als master panel builder én service partner van Schneider Electric is het bedrijf volledig thuis in het systeem Okken en het onderhoud daarvan. Speciaal voor de datacenterbranche heeft Elektro Internationaal een eigen product ontwikkeld in Okken dat volledig met bovengenoemde normen en eisen rekening houdt: de EiPDU (Economical & Intelligent PDU).
www.elektrointernationaal.com

Ruud Twiss, Technical Consultant Elektro Internationaal