Essay:Aandacht voor gelijkspanning

Dit is een gebruikersessay geschreven door Franciscus:30 juli 2018 13:15 (CET)

Installateurs beschikken als regel over een ruime ervaring met het ontwerpen en uitvoeren van installaties voor woonhuizen en winkels. De kennis van gelijkspanningsinstallaties blijft hierbij helaas meestal wat achter. Toch moet af en toe een gelijkspanningsinstallatie worden ingericht, zeker nu de vraag naar noodstroomvoorzieningen ( UPS-installaties ) stijgende is en ook veel voorzieningen met fotovoltaïsche cellen ( zonnepanelen -> PV-installaties) worden geïnstalleerd. Deze wekken namelijk gelijkspanning op
Uit de praktijk en uit onderzoek blijkt, dat een gelijkspanningsinstallatie zich in een aantal opzichten anders gedraagt dan de installateur gewend is. Smeltveiligheden en installatieautomaten bijvoorbeeld houden er bij gelijkspanning andere afschakeltijden op na dan bij aansluiting op wisselspanning. Ook contacten van magneetschakelaars en relais kunnen bij gelijkspanning problemen ondervinden.
Met dit afwijkende gedrag voor ogen, moet natuurlijk vooraf zoveel mogelijk rekening worden gehouden, anders komen de installateur en de gebruiker naderhand voor vervelende verassingen te staan.
Nog een belangrijk aandachtspunt zijn de benodigde accubatterijen. Uit de diverse typen en accucapaciteiten moet een keus worden gemaakt, waarvoor enkele belangrijke criteria gelden.

PV-installaties

PV-installaties zijn te onderscheiden in twee soorten, namelijk :

• autonome PV-installaties
• direct aan het net gekoppelde installaties

De autonome PV-installaties zijn uitgevoerd met accubatterijen en zijn niet gekoppeld aan het openbare elektriciteitsnet, maar zijn via een omvormer rechtstreeks met de gebruiker verbonden. Bij de direct aan het net gekoppelde installaties ontbreekt de accu en wordt via de regelaar en de omvormer rechtstreeks aan de gebruiker en het openbare elektriciteitsnet geleverd. Bij beide soorten installaties blijft natuurlijk aan de orde, dat de zonnecellen gelijkstroom afleveren aan de regelaar.

De wattpiek (Wp) is een meeteenheid voor de capaciteit van fotovoltaïsche cellen om zonne-energie in elektriciteit om te zetten. Een wattpiek is de productie van een elektrisch vermogen van 1 watt (W) onder standaardomstandigheden (STC, Standard Test Conditions).

Accubatterijen

Voor UPS-installaties hangt de keuze tussen de gebruikelijke stationaire lood-zwavelzuur accubatterijen en alkalische accubatterijen, nauw samen met de eisen die aan het gebruik ervan worden gesteld. Als er vaak grote ontlaadstromen voorkomen, dan is het veel gebruikte nikkel-cadmium type ( NiCd ) op zijn plaats. Bovendien heeft dit type het grote voordeel, dat ze geen of weinig schadelijke dampen afgeven en om die reden dan ook in dezelfde ruimte mogen worden opgesteld met de bijbehorende gelijkrichters en de regelapparatuur. Bij niet al te grote autonome
PV-installaties worden vaak loodaccubatterijen gebruikt, die dan in de buitenlucht worden opgesteld.
Bij de grote loodaccubatterijen voor UPS-installaties is dit niet mogelijk en ook niet toegestaan, maar dienen de accuruimten goed te worden geventileerd. De normbladen NEN 1010 en de NEN 3140 geven daar aanwijzingen over. De aanvullende richtlijnen NPR 3299 en ATEX hebben tot doel om de veiligheid en gezondheid van werknemers in ruimten met explosiegevaar te waarborgen.

Werkzaamheden in accuruimten

In het algemeen moeten tijdens werkzaamheden in accuruimten altijd rekening worden gehouden met:

• brand- en explosiegevaar door gasontwikkeling tijdens het laden

• elektrisch aanrakingsgevaar van niet uitschakelbare en in serie verbonden cellen

• vlambogen bij het kortsluiten van cellen

• de aanwezigheid van accuzuur

Vanwege genoemde gevaarlijke omstandigheden, mogen werkzaamheden, anders dan inspectiewerkzaamheden, in accuruimten uitsluitend worden uitgevoerd door twee personen.

Keuzemogelijkheden

In vergelijking met de lood-zwavelzuur accubatterijen vragen de NiCd-accubatterijen wat meer plaatsruimte, wegens de lagere spanning per cel. Ook het laden van de NiCd-accubatterijen is iets ingewikkelder dan bij loodaccubatterijen. Door dit alles kan de prijs wat verschillen opleveren, ten gunste van de loodaccubatterijen.
De levensduur van NiCd-accubatterijen wordt door de fabrikanten gesteld op 25 jaar. Ook loodaccu-batterijen kunnen bij een goed onderhoud gemakkelijk een levensduur van 25 jaar halen. De vraag hierbij kan zijn, of dit altijd nodig is.

De laatste tijd worden NiCd-accu’s steeds minder gebruikt en winnen nikkel-metaal-hydride-accu’s ( NiMH ) geleidelijk aan meer terrein.

Om een zo verantwoord mogelijke keus te maken, ligt het voor de hand met een goed bestek een leverancier te vinden, die de diverse typen accubatterijen kan leveren, zodat de voor- en nadelen van elk type kan worden afgewogen en een goede keus kan worden gemaakt.

Capaciteit van de accubatterij

Welk type accubatterij ook wordt gekozen; de vraag blijft hoe groot de capaciteit hiervan moet zijn, om verantwoord bedrijf te kunnen voeren.
Afhankelijk van de toepassing, wordt er een back-up tijd gevraagd van enkele minuten tot enige uren. Bij grote computers en computernetwerken volstaat soms een back-up tijd van enkele minuten, hoewel afhankelijk van de belangrijkheid van het systeem, ook soms enkele uren gelden.¹⁾ Voor andere systemen als ziekenhuizen, vliegvelden, centrale antenne-installaties en telecommunicatienetwerken worden bijna altijd back-up-tijden van enkele uren gevraagd.
Voor PV-installaties ligt dat allemaal anders, aangezien als regel continu geladen en ontladen wordt.

Ontlaadtijd

Afhankelijk van het doel waarvoor een accubatterij wordt geplaatst, zal de ontlaadtijd hiervan van belang zijn. Als slechts gedurende een zeer korte tijd stroom geleverd moet worden, is er een andere capaciteit nodig dan wanneer vele uren vermogen moet worden geleverd.

De capaciteit van accubatterijen wordt uitgedrukt in ampère-uren ( Ah ) en gedefinieerd bij een ontlaadtijd van 10 uur bij een constante stroom, en bij een eindspanning van 1,8 V per cel. Een accubatterij van 200 Ah kan volgens deze definitie dus gedurende 10 uur een stroom afgeven van 20 ampère.
In de praktijk wordt er als regel niet zo gelijkmatig bedrijf gevoerd en kunnen af en toe kleinere of grotere stromen aan de orde zijn. Naarmate de stroom groter wordt dan volgens de definitie van de accubatterij geldt, wordt de ontlaadtijd belangrijk korter, en wel zoveel korter, dat de capaciteit met sprongen achteruit gaat.
In de ontlaadkromme van een loodaccubatterij van 200 Ah is duidelijk te zien, dat als bijvoorbeeld 60 ampère wordt afgenomen, de accubatterij al na 2,5 uur ontladen is, zodat nog maar een capaciteit van 2,5 x 60 = 150 Ah aanwezig is. Bij 1 uur en 100 A geldt nog maar een capaciteit van 100 Ah.

Het is - bij het ontwerpen van een installatie - niet altijd eenvoudig aan de weet te komen hoe groot het vermogen van de apparatuur is die aangesloten gaat worden aan de UPS-installatie. Soms laat men zich hierbij leiden door ervaringscijfers van overeenkomstige installaties, maar soms ook moet op een redelijke manier worden geschat wat het verbruik is van de diverse apparaten.
Bij de autonome PV-installaties is de keus van de capaciteit van de accu ook niet altijd eenvoudig.

Als voorbeeld kan dienen een autonoom werkende installatie in een tuinhuis. Als het verbruik van de aan te sluiten elektrische apparaten bekend is, kan de capaciteit van de accu worden bepaald. Als er ook nog eens 2 dagen moeten kunnen worden overbrugd, dan zou met een accubatterij van bijvoorbeeld 200 Ah bedrijf kunnen worden gevoerd.

Fabrikanten van grote computersystemen hebben nogal eens de gewoonte het vermogen van hun apparatuur wat te laag in te schatten, en houden niet altijd rekening met het rendement van de apparatuur. Ook aan uitbreidingen wordt minder vaak gedacht dan wenselijk is, waardoor soms al na betrekkelijk korte tijd de capaciteit van de accubatterij te klein blijkt te zijn.

Kortsluitstroom

Belangrijk voor onder meer de beveiliging van een installatie is, te weten hoe groot de kortsluitstroom van een accubatterij is. Van belang hierbij is de inwendige weerstand van de accubatterij, en de weerstand van de toe- en afvoerkabels.
Een cel van een loodaccubatterij van 250 Ah heeft een inwendige weerstand van ongeveer R_i = 0,0005 ohm, zodat bij een directe klemmenkortsluiting R_u = 0 ohm, uitgaande van een geladen cel volgens:

I_k =  U /R_i + R_u

een kortsluitstroom I_k aanwezig is van :

I_k =  2,23 /0,0005 + 0 = 4,5 kA

Bij een NiCd-accubatterij is de inwendige weerstand R_i lager dan bij een loodaccubatterij, waardoor de kortsluitstroom dus nog wat hoger wordt!
Een accubatterij bestaat in de praktijk natuurlijk nooit een enkele cel, maar wordt gevormd door een aantal in serie geschakelde cellen, waardoor de inwendige weerstand R_i net zoveel keren omhoog gaat als het aantal aanwezige cellen.
Stel, dat er een loodaccubatterij voor 250 Ah/230 volt aanwezig is - een niet ongebruikelijke spanning bij computernetwerken - dan bestaat deze uit 103 cellen van elk 2,23 volt. Als de weerstand van de zeer laagohmige tussenverbindingen wordt verwaarloosd, dan is de inwendige weerstand van de accubatterij nu 0,0515 ohm en is de klemmenkortsluitstroom I_k dus ook weer 4,5 kA, aangezien de spanning ook 103 keer zo groot is geworden. Deze 4,5 kA is aanwezig bij een direct verbinding van de aansluitklemmen van de accubatterij. Aangezien de aan te sluiten apparatuur meestal op enige afstand van de accubatterij verwijderd is, neemt de kortsluitstroom af naarmate de lengte van de toe te passen aansluitkabel toeneemt. Dit houdt dus in, dat hiermee bij de keuze van de smeltveiligheden of automaten rekening moet worden gehouden, anders is er geen sprake meer van een selectieve beveiliging van de installatie.
Ook bij installaties met zonnepanelen dient met de kortsluitstroom rekening te worden gehouden.

Smeltveiligheden

Kapstroom

Op de afbeelding is te zien, dat bij een wisselspanning van 50 Hz een periode 1/50 = 0,02 = 20 msec duurt en een kwart periode dus 20msec/4 = 5 msec. Ontwerpers van installaties zien graag, dat het smeltproces bij een kortsluiting op gang is gekomen vóór deze kwartperiode is verlopen, dus <5 msec. Op die manier tracht men de topwaarde van de kortsluitstroom te ontlopen, aangezien zowel de krachtwerking als de verwarming afhankelijk zijn van I_k ². Dit gebeurt doordat bij bijvoorbeeld mespatronen een stroombegrenzing – ook wel kapstroom I_kap genoemd - aanwezig is. Hierdoor worden de afschakeltijd en de kortsluitstroom I_k begrensd, en ontstaat er geen schade aan de achterliggende installatie.

Onderzoek

Smeltveiligheden, maar ook installatieautomaten, blijken zich bij het beveiligen van gelijkspanningsinstallaties enigszins anders te gedragen dan in wisselspanningsinstallaties. In de literatuur en bij fabrikanten van smeltveiligheden zijn daar weinig of geen gegevens over te vinden, hoewel sinds de toename van de UPS-installaties en de komst van de PV-installaties daar meer onderzoek naar is gedaan.
Uit een op grote schaal uitgevoerd onderzoek ²⁾ bijvoorbeeld, is onder meer gebleken, dat de afschakeltijden t van de voor wisselspanning ontwikkelde smeltveiligheden, - lopend van 16 A tot 315 A - bij aansluiting op gelijkspanning langer duren dan bij wisselspanning.
Bij aansluiten op gelijkspanning blijkt het meer tijd te kosten voordat het smeltproces inzet. Dit ligt natuurlijk ook wel voor de hand, aangezien in gelijkspanningsinstallaties de stroom er - in vergelijking met wisselstroom - relatief lang over doet om zijn maximale waarde te bereiken, waardoor de kapstroom I_kap pas later intreedt.

Het bereiken van de maximumwaarde van de stroom I_max verloopt namelijk volgens een e-functie:

I = I_max ( 1 - e ^{t / τ} )

waarbij t de tijd is en τ de tijdconstante van het net voorstelt. De tijdconstante van het net is de verhouding tussen de zelfinductie L en de weerstand R van het net, tijdens een kortsluitsituatie ofwel τ = L / R (sec).
De tijdconstante τ bepaalt dus de stijging van de stroom in de tijd.
Voor gelijkspanningsinstallaties wordt volgens IEC- en VDE- voorschriften meestal een tijdconstante τ van het net van 15 à 30 msec aangehouden, zodat een volledige e-functie (≈ 5 τ) = 75 à 150 msec nodig heeft om de eindwaarde I_max te bereiken.

Uit eerder genoemd onderzoek kwam onder meer naar voren, dat kortsluitstromen onder gelijkspanningsomstandigheden bij een lagere stroom kappen dan bij wisselspanning van 50 Hz, zodat daar dus ook rekening mee moet worden gehouden. Het kappen bij gelijkspanning bleek in de reeks van 16 A tot 315 A namelijk te beginnen bij een 1,5 tot 3x lagere kortsluitstroom dan bij 50 Hz.

Dit verschijnsel kan worden verklaard, doordat de smeltveiligheden bij gelijkstroom weliswaar - in tijd - gezien later tot doorsmelten komen dan bij wisselspanning, maar bij een kleinere kortsluitstroom. Dit is in de bijgaande afbeeldingen verduidelijkt.

Het kortluitstroombegrenzende effect - de kapstroom - van de smeltveiligheid zorgt er voor, dat de smeltenergie beperkt blijft. Het gearceerde oppervlak geeft het gebied aan waarin dit proces zich afspeelt. De smeltenergie is aanwezig in de vorm van
i ²t • R Dit wordt ook wel de stroom/tijdintegraal van de smeltveiligheid genoemd. In het spraakgebruik, noemt men dit meestal de i ²t-waarde van de smeltveiligheid. Deze waarde is bij een eendere smeltveiligheid voor zowel wissel- als gelijkspanning gelijk, al zijn tijd t en stroom I_k verschillend.

Magneetschakelaars en relais

Bij onderbreking van gelijkstroom door de contacten van magneetschakelaars en relais, kan zich het verschijnsel van een niet-dovende boogontlading voordoen. Als de belasting namelijk bestaat uit een component met wikkelingen, zoals spoelen of motoren, dan is ook hier een zelfinductie L_a aanwezig. Samen met de zelfinductie L van het net en die van de aangesloten belasting is dan een actieve component L_v = L_a + L werkzaam. Bij onderbreken van de stroom tussen de contacten van de magneetschakelaar zal dan een inductiespanning U_i optreden volgens:

U_i = - L_v  di /dt ( V )

Deze inductiespanning U_i , die tot wel - 3 kV ³⁾ of meer kan oplopen door een grote stroomverandering ( di ) en een korte afschakeltijd ( dt ), kan problemen veroorzaken, doordat in bepaalde gevallen een boog wordt ingeleid die niet gelijk dooft aangezien er geen nuldoorgang is. In de praktijk worden om die reden dan ook wel enige contacten in serie gezet, waardoor de overspanning over enkele contactparen wordt verdeeld, en verbranding van de contacten op die manier uitblijft. Een andere, zeer veel toegepaste methode, is een diode in sperrichting te plaatsen, waardoor de ( negatieve ) inductiespanning wordt kortgesloten en gedoofd.
Het verschijnsel van de inductieve spanningsopbouw wordt niet altijd onderkend, aangezien bij het testen van schakelinstallaties voor gelijkspanning meestal een gelijkrichtinstallatie wordt gebruikt. Het nadeel hiervan kan zijn, dat de inwendige weerstand R_i van de gelijkrichtinstallatie in vergelijking met die van een accubatterij hoog is, en een afvlakfilter aanwezig is, voorzien van condensatoren, waardoor hoge overspanningen worden kortgesloten. Er is dan ogenschijnlijk geen noodzaak aanwezig om verdere maatregelen te nemen.
Bij aansluiten aan de werkelijke installatie met accubatterijen, komen dan de problemen, en verbranden de contacten van de magneetschakelaars en relais alsnog. Bij de speciaal voor gelijkspanning ontwikkelde installatieautomaten houdt men tegenwoordig steeds meer rekening met dit fenomeen.

Nawoord

In deze verhandeling wordt de keus van de voor de gelijkspanningsinstallaties benodigde accubatterijen uiteengezet en wordt gewezen op een belangrijke afname van de capaciteit daarvan bij toenemende stromen.

Hier bestaan nogal wat misverstanden over!

Uit de verhandeling blijkt verder, dat bij toepassing van gelijkstroom, smeltveiligheden en installatieautomaten zich anders gedragen dan bij wisselstroom. Uit proefnemingen met een reeks smeltveiligheden in een opstelling volgens de geldende normen, is gebleken, dat afschakeltijden en kapstromen verschillen van afschakeltijden en kapstromen bij wisselspanning. Ook installatieautomaten vertonen een ander gedrag.

Uit de proefnemingen kwam duidelijk naar voren, dat de smeltveiligheden in alle beproefde gevallen selectief bleken te zijn met de voorliggende grotere smeltveiligheden of installatieautomaten.

Tot slot kan worden vermeld, dat contacten van magneetschakelaars en relais problemen kunnen ondervinden bij het afschakelen van inductieve belastingen, waardoor hoge spanningen kunnen ontstaan, vergezeld door vlambogen.

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

¹⁾ Zie:Noodstroomvoorzieningen. Vaak wordt bij belangrijke installaties de eis gesteld, dat bepaalde functies en werkzaamheden ononderbroken dienen te kunnen doorgaan, onafhankelijk van de aan- of afwezigheid van de primaire voeding, meestal de netspanning.Deze no breakinstallaties ( UPS-installaties) die zijn aangesloten op accubatterijen - kunnen draaistroom leveren met vermogens van enkele kilovoltampére’s ( kVA's ) tot enkele honderden kVA's. Voor de wat kleinere vermogens worden meestal statische omvormers toegepast. Een en ander houdt dus in, dat de bijbehorende accubatterijen een overeenkomstige capaciteit moeten bezitten. Voor dit doel wordt meestal gebruik gemaakt van loodaccubatterijen of nikkel-cadmiumbatterijen, die beide hun specifieke eigenschappen bezitten.

²⁾ Beproeving van een reeks smeltveiligheden voor toepassing op 220V =, met een tijdconstante τ = L / R. Uitvoerend onderzoeker: Franciscus.

³⁾ In de praktijk bleken zich bij compoundmotoren voor aandrijvingen problemen voor te doen. Bij aansluiting op het gelijkstroomnet van 220 volt - gevoed door loodaccubatterijen - werd na korte tijd vastgesteld, dat enkele compoundmotoren zich als seriemotor gingen gedragen en veel te snel gingen draaien, waardoor beschadigingen ontstonden. Nader onderzoek bracht aan het licht dat bij het uitschakelen van de motoren inductieve piekspanningen van bijna - 5 kV optraden die tot doorslag van de isolatie leidden en windingssluitingen veroorzaakten. Door dioden in sperrichting aan te brengen, werden de piekspanningen gedempt tot aanvaarbare waarden.

• Er komt een onderzoek naar de oorzaak van recente branden op daken met zonnepanelen. De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl) heeft opdracht gegeven voor het onderzoek. Er moet bijvoorbeeld antwoord komen op de vraag of de branden ontstaan zijn door zonnepanelen of door de installatie ervan.