Kortsluitingen ( 2 )

In Kortsluitingen ( 1 ) werd ingegaan op de algemene effecten van kortsluitingen. In deze tweede verhandeling over dit onderwerp, komen de typen kortsluitingen aan de orde die in driefasennetten kunnen optreden.
Alvorens de typen kortsluitingen te behandelen, is enig inzicht in driefasennetten en het systeem van de driefasenspanning noodzakelijk. Dit zal hierna in het kort worden uiteengezet.

Driefasenspanning

In de generatoren, opgesteld in elektrische centrales, wordt een vermogen opgewekt bij een driefasige spanning van 15 à 20 kV, dat na transformeren verder via het hoogspanningsnet van 50 kV, 110 kV of 150 kV naar de gebruikers wordt getransporteerd.

Gescheiden wikkelingen

De in de centrales opgestelde generatoren bevatten drie gescheiden wikkelingen, die ten opzichte van elkaar 120 ⁰ zijn gemonteerd en die drie spanningen opwekken. Aangezien de wikkelingen ruimtelijk 120 ⁰ zijn verschoven, zullen ook de opgewekte spanningen, met een netfrequentie van 50 hertz ( Hz ), niet gelijktijdig op hun maximum zijn of door nul gaan, zoals de afbeelding laat zien.
De spanning E1 legt in één periode een hoek van 360 ⁰ af. Dit geldt ook voor de twee andere spanningen E2 en E3. Het enige verschil is, dat E2 een hoek van 120 ⁰ later hiermee begint en E3 een hoek van 240 ⁰ later, zodat de onderlinge faseverschuiving 120 ⁰ is. In het vectordiagram komt deze faseverschuiving verder tot uitdrukking.
Een vector is een lijnstuk met een lengte en een richting, die in dit geval roteert met een hoeksnelheid ω = 2πf ( radsec ^-1 ) tegen de wijzers van de klok in. Aangezien de drie spanningvectoren met dezelfde hoeksnelheid ω en in dezelfde richting ronddraaien, zullen ze steeds de onderlinge faseverschuiving van 120 ⁰ handhaven.
Ook de stroom I kan met eenzelfde vectordiagram worden weergegeven.

Sterschakeling

Als de drie fasen van het net worden aangesloten op een driefasentransformator waarvan de secundaire zijde is geschakeld op de manier zoals weergegeven in de afbeelding, dan spreekt men van een sterschakeling. De drie wikkelingen van de transformator voeden de fasen L1, L2 en L3. Op het gemeenschappelijke nulpunt N worden de andere einden van de wikkelingen met elkaar verbonden. Tussen L1 en N, tussen L2 en N en tussen L3 en N is de fasespanning U _fase ( U _f ) aanwezig.
De spanning tussen L1 en L2, tussen L1 en L3 en tussen L2 en L3 noemt men de lijnspanning U _lijn ( U _l ). De lijnspanning wordt ook wel met de gekoppelde spanning aangeduid.
Het verband tussen U_l en U_f wordt gegeven door de betrekking:

• U _l = U _f √3

waaruit dan volgt:

• U _f = U _l /√3

Voor de bijbehorende stromen I geldt, dat:

• I _l = I _f

Driehoekschakeling

De secundaire wikkelingen van de transformator kunnen ook worden aangesloten volgens bijgaande afbeelding. Deze schakeling wordt aangeduid met driehoekschakeling. Aangezien hier geen nulpunt aanwezig is, vallen de fasespanning en de lijnspanning samen, dus:

• U _l = U _f

Voor de bijbehorende stromen geldt, dat:

• I _l = I _f √3

waaruit dan volgt:

• I _f = I _l /√3

Laagspanning

Na transport en distributie wordt de aangeleverde driefasenspanning van 50 kV, 110 kV of 150 kV naar transformatoren geleid, die de hoogspanning naar 10 kV omzetten. Ter plaatse wordt deze 10 kV via nettransformatoren omgezet naar 400 V, ten behoeve van industriële gebruikers, grote gebouwen, appartementen en flats.
In de stadswijken wordt voor de huisaansluitingen in verdeelkasten de aangevoerde driefasenspanning van 400 V teruggebracht naar een éénfasige netspanning van 230 V. Als namelijk de aangeboden driefasenspanning van 400 V tussen de aansluitklemmen L1 en L2, L1 en L3 en L2 en L3 aanwezig is, dan is dus de fasespanning U _f tussen L1, L2 en L3 en N =

• 400/√3 = 230 volt

Dit is in Nederland en grote delen van Europa de gebruikelijke netspanning voor de huishoudens.

Typen kortsluitingen

Na de verhandeling over het driefasensysteem – zoals dat wordt toegepast in de elektriciteitsnetten – komen de typen kortsluitingen aan de orde. Er blijken vier verschillende typen kortsluitingen te kunnen worden onderscheiden, die elk een apart karakter bezitten.

Eenfase-aardfout

In de bovengrondse lijnen, die deel uitmaken van het driefasige hoogspanningsnet, kunnen bij een directe blikseminslag op de geleiders of op de bliksemdraden, door- of overslagen optreden. Hierdoor kan vervolgens een éénfasige kortsluiting ontstaan die meestal als eenfase-aardfout wordt aangeduid.
De optredende aardfoutstroom I _k vloeit daardoor naar aarde en vertakt zich daar in twee of meer deelstromen ( I _k’ en I _k’’ etc. ) die naar het aardpunt van de transformator of generator terugkeren. Bij inslag in een mast vloeit de aardsluitstroom I _k via het metaal van de mast naar aarde en veroorzaakt rondom de poten van de mast een trechtervormig potentiaalverloop, wat voor mensen en dieren die in de nabijheid van een getroffen mast zijn, gevaarlijke situaties kan opleveren. Bij zo'n inslag in het mastlichaam kan via zogenaamde mastterugslag, een geleider bij de inslag worden betrokken. Hierbijloopt de spanning over het mastlichaam namelijk soms zó hoog op, dat overslag naar een nabijgelegen geleider kan optreden, waarbij een kortsluiting wordt ingeleid.
Ook bij kabels die in de grond liggen kan door een directe blikseminslag of door andere fouten een aardfoutstroom I _k over de mantel of de bewapening van de kabel gaan lopen, waardoor moffen en eindsluitingen met slechte metallische overgangen sterk verhit kunnen raken of zelfs ontploffen.

Dubbele aardfout

Aangezien bij een eenfaseaardfout tijdelijk een spanningsverhoging aanwezig is, kan op een eventuele zwakke plaats elders de isolatie doorslaan en een tweede aardfout inleiden. Hier is dan sprake van een dubbele aardfout.
Bij een dubbele aardfout kunnen relatief grote aardsluitstromen ontstaan. Ook hier vloeit de aardfoutstroom I _k naar aarde en vertakt zich daar verder.

Tweefasige kortsluiting

Bij een tweefasige kortsluiting vloeien er geen stromen naar aarde, maar vormt de kortsluitstroom I _k een gesloten circuit via de voeding en de geleiders. De kortsluitstroom I _k bij een tweefasige kortsluiting kan vrij groot worden.

Driefasige kortsluiting

Net als een tweefasige kortsluiting, kan ook een driefasige kortsluiting een zeer grote kortsluitstroom I _k opleveren. Soms brengt men om deze stromen enigszins te beperken zogenaamde Petersenspoelen aan die in het sterpunt van het net worden opgenomen. Deze spoelen brengen door hun dempende eigenschappen de kortsluitstromen terug tot een aanvaardbare waarde.