Lastscheiders

Werking
Stroom voeren
Als eerste moet een lastscheider continu de nominaalstroom kunnen voeren waarvoor hij is ontwikkeld. Daarnaast moet de lastscheider in staat zijn om gedurende korte tijd kortsluitstromen te voeren. Vooral deze kortsluitstromen stellen hoge eisen aan de lastscheider.

Nominaalstroom voeren
Zoals al bekend is, is koper een goede geleider maar geen supergeleider. De contacten van lastscheiders zullen daarom ook verliezen kennen (net zoals de rest van de elektrische installatie). Hoewel die verliezen erg klein zijn zorgen deze verliezen toch nog voor een behoorlijke opwarming van de contacten. De grens voor de temperatuurstijging van de contacten wordt meestal bepaald door de temperatuur van de aansluitvlaggen of aansluitklemmen. Op deze aansluitvlaggen kunnen namelijk kabels met PVC isolatie aangesloten worden. Van PVC isolatie is bekend dat deze isolatie begint te degraderen bij temperaturen boven 105 °C. Het is dus zaak ervoor te zorgen dat de temperatuur van de aansluitvlaggen niet boven de 105 °C komt. Dit is ook verwerkt in de internationale productnorm voor lastscheiders de IEC 60947-3, die een maximale temperatuurstijging van 70K toestaat op de aansluitvlaggen (maximale omgevingstemperatuur is 35 °C).

De IEC 60947-3 kent twee manieren om aan te geven welke stroom de schakelaar continu mag voeren:
  • Ith: Dit is de stroom die de schakelaar continu kan voeren, zonder dat deze te warm wordt, indien de schakelaar niet in een verdeelsysteem is ingebouwd.
  • Ithe: Dit is de stroom die de schakelaar continu kan voeren, zonder dat deze te warm wordt, indien de schakelaar in de kleinst mogelijke behuizing is ingebouwd.
Het zal duidelijk zijn dat Ithe het meest bruikbaar is in praktische situaties.

Kortsluitstromen voeren
Bij kortsluitstromen is er niet alleen sprake van snelle opwarming (de verliezen zijn immers evenredig met het kwadraat van de stroom) van de contacten maar ook van grote krachten. Deze krachten ontstaan doordat de stroom bij een contactovergang door een soort flessenhals moet.
Figuur 1: afstotende krachten die ontstaan bij een contactovergang

De elektromagnetische kracht die door de flessenhals ontstaat zal proberen de contacten los te drukken. Een lastscheider is echter in tegenstelling tot een vermogenschakelaar niet ontworpen om kortsluitstromen af te schakelen maar om deze te kunnen voeren. Er zal door het mechaniek van de lastscheider een dusdanig grote kracht op de contacten aangebracht moeten worden dat deze tot de gespecificeerde kortsluitstroom gesloten blijven.
De afstotende kracht die ontstaat ten gevolge van de flessenhals is ongeveer evenredig met het kwadraat van de stroom en neemt dus snel toe bij grotere kortsluitstromen. Een duizend maal grotere stroom geeft een miljoen maal grotere kracht! Voor kleine kortsluitstromen kan deze kracht nog wel worden opgevangen door een mechaniek, voor grotere stromen moet echter een "koekje van eigen deeg" gebruikt worden.
Figuur 2: parallelle stroombanen om de afstotende krachten op te heffen

Meneer Lorenz heeft ontdekt dat twee parallelle stroombanen elkaar aantrekken en dat deze kracht evenredig is met het kwadraat van de stroom. Door nu lastscheiders uit te voeren met zogenaamde parallelle contacten, zoals die te vinden zijn in de Dumeco's en QSA's van Eaton Holec, is er nog maar weinig kracht van het mechaniek nodig om de contacten gesloten te houden.

Bovenstaand krachtenspel wordt nog verder gecompliceerd doordat een lastscheider op kortsluitingen moet kunnen inschakelen. Bij het inschakelen op een kortsluiting treden er allerlei mechanische trillingen op die roet in het eten kunnen gooien. Om deze problemen bij grotere kortsluitstromen de baas te blijven, kennen goed ontworpen lastscheiders een nauwkeurige balans bestaande uit o.a.; inschakelsnelheid, mechaniekkracht en vorm van de contacten.

Om bovenstaande balans te garanderen maken de betere lastscheiders gebruik van een zogenaamd manonafhankelijk mechaniek. De naam zegt het al: de snelheid en aandrijfkracht van de contacten is niet meer afhankelijk van de bedieningssnelheid en -kracht van degene die de schakelaar schakelt, maar zit opgesloten in de constructie van het mechaniek.

De kortsluitstroomspecificatie van een lastscheider kent twee vormen:

1. Door patronen begrensde kortsluitstroom.
In deze situatie staat er een patroon, die de kortsluitstroom afschakelt, in serie met de lastscheider.
  • door patronen beheerste nominale kortsluitstroom: de maximale prospectieve kortsluitstroom waartegen de lastscheider bestand is bij: het voeren van de kortsluitstroom, het inschakelen op de kortsluitstroom.
  • nominaalstroom patroon (In): de maximale nominale stroom van de in serie gezette patroon
  • kapstroom patroon: de maximale kapstroom van de patroon. Indien andere patronen dan de bij de test gebruikte patronen worden toegepast mag de kapstroom van deze patronen niet hoger zijn.
  • joule integraal: de maximale doorgelaten I2t. Indien andere patronen dan de bij de test gebruikte patronen worden toegepast mag de doorgelaten I2t van deze patronen niet hoger zijn.
2. Onbegrensde kortsluitstroom.
In deze situatie is er geen beveiliging is serie met de lastschakelaar opgenomen. Deze waarden worden gebruikt indien de lastscheider wordt beveiligd door een vermogenschakelaar of zelfs een middenspanningsvermogenschakelaar. De vermogenschakelaar moet nu de kortsluitstroom binnen de voor de lastscheider geldende specificaties afschakelen.
  • nominale korte-duur stroom (Icw): de maximale prospectieve kortsluitstroom die de lastscheider gedurende een bepaalde tijd kan voeren.
  • nominaal inschakelvermogen bij kortsluiting (Icm): de maximale optredende piekstroom behorende bij de gespecificeerde Icw, waartegen de lastscheider kan inschakelen.
Scheiden
Om veilig aan een elektrische installatie te kunnen werken moet een gedeelte van deze installatie of de gehele installatie spanningsloos en stroomloos gemaakt kunnen worden. Er wordt hierbij bewust onderscheidt gemaakt tussen spanningsloos en stroomloos.

Stroomloos betekent dat er geen stroom meer loopt door het circuit. Afhankelijk van het circuit kunnen hiervoor verschillende schakelaars gebruikt worden, van een lichtknopje tot een 1000A vermogenschakelaar. Het lichtknopje zal bijvoorbeeld het circuit van de lamp stroomloos maken, door de stroomkring te onderbreken. Er is echter geen garantie dat het circuit ook spanningsloos is. Zo kan het lichtknopje defect zijn of erger: het lichtknopje schakelt de nul i.p.v. de fase waardoor de 230V toch aanwezig blijft (ook als de lamp uit is). Dit laatste mag volgens de NEN 1010 niet maar komt helaas in de praktijk regelmatig voor.

Om gevaarlijke situaties te voorkomen stelt de NEN 1010 dat het gedeelte van de installatie waar aan gewerkt wordt d.m.v. een veilige scheiding spanningsloos gemaakt moet zijn. Dit gebeurt doorgaans met een lastscheider maar ook een vermogenschakelaar met een scheidingsfunctie kan hiervoor gebruikt worden.

Lastscheiders worden aan verschillende testen onderworpen om te verifiëren dat het veilige scheiders zijn. Deze testen staan omschreven in de IEC 60947-3 wat de internationale productnorm voor (patroon)lastscheiders is. De belangrijkste testen zijn:
  • nominale gebruiksspanning (Ue): dit is de nominale netspanning waarbij de schakelaar veilig de bijbehorende stromen kan schakelen
  • isolatiespanning (Ui): dit is de spanning die gedurende lange tijd op de lastscheider aanwezig kan zijn en waarbij er geen (zeer kleine) lekstroompjes lopen indien de schakelaar open staat.
  • stoothoudspanning (Uimp): dit is de "bliksemspanning" waaraan de schakelaar blootgesteld mag worden waarbij de schakelaar in open toestand nog steeds een veilige scheiding garandeert.
  • strength of actuator: om er zeker van te zijn dat er inderdaad een veilige scheiding is gemaakt, mag de bedieningshandel van een lastscheider alleen in de "open" stand vergrendeld kunnen worden indien de contacten van de lastscheider een veilige scheiding hebben bereikt.
De strength of actuator eis wordt vaak ondergewaardeerd maar vooral in industriële installaties en in de wat grotere utiliteit installaties is dit een zeer belangrijke eis. In deze installaties bevindt de lastscheider zich vaak in een andere ruimte dan de ruimte waar gewerkt wordt. Het is voor monteurs dan ook van het grootste belang dat ze de lastscheider kunnen uitschakelen en vergrendelen met een hangslot. Door de strength of actuator eis weten deze monteurs dat indien ze de lastscheider uitgeschakeld en vergrendeld hebben, ze veilig aan dat gedeelte van de installatie kunnen werken.

Schakelen
De naam zegt het eigenlijk al, naast scheiden moet een lastscheider ook in staat zijn belastingen en overbelastingen in en uit te schakelen. Niet iedere belasting is echter even makkelijk uit of in te schakelen. Zo is een gloeilamp veel makkelijker uit te schakelen dan een bijv. een motor. Een gloeilamp is in principe niets meer dan een weerstand en bevat dus ook geen energie om een boog in stand te houden. Een motor daarentegen bevat magnetische en kinetische energie die bij het afschakelen gebruikt worden om de boog in stand te houden.

Een boog is een zeer heet (30.000K) geïoniseerd gas (plasma) dat ontstaat op het moment dat een stroomkring onderbroken wordt. De grote en intensiteit van de boog hangt af van de stroom die onderbroken wordt, de cos f van het circuit dat onderbroken wordt en de spanning van het circuit dat onderbroken wordt. In huis manifesteert zich soms een klein boogje indien de stekker van een strijkbout uit het stopcontact getrokken wordt. Men ziet dan een blauwe vonk. Deze vonk treedt ook wel op indien de stekker van een stofzuiger, die nog aanstaat, uit het stopcontact getrokken wordt.

Bogen zijn dus natuurlijke verschijnselen die horen bij het onderbreken van elektrische circuits. Lastscheiders zijn zo ontworpen dat zij deze bogen op een veilige manier "doven".

Schakelcategorieën
Om niet alle lastscheiders onnodig gecompliceerd te maken kent de internationale productnorm voor lastscheiders, de IEC 60947-3, een aantal zogenaamde schakelcategorieën. Deze schakelcategorieën maken het mogelijk om "simpele" lastscheiders te gebruiken op plaatsen waar geen "geavanceerde" lastscheiders nodig zijn.

De IEC 60947-3 onderscheidt de volgende schakelcategorieën:
  • AC 21: In wisselspanningsnetten met een frequentie van 50-60Hz. Ohmse belastingen en kleine overbelastingen. De lastscheider wordt getest met 1,5 maal de nominale stroom Ie, 5% spanningsverhoging en de cos f = 0,95.
  • AC 22: In wisselspanningsnetten met een frequentie van 50-60Hz. Gemengde ohmse en inductieve belastingen inclusief kleine overbelastingen. De lastscheider wordt getest met 3 maal de nominale stroom Ie, 5% spanningsverhoging en de cos f = 0,65. Deze categorie wordt voornamelijk gebruikt voor de utiliteit (geen 100% motorbelasting).
  • AC 23: In wisselspanningsnetten met een frequentie van 50-60Hz. Hoog inductieve belastingen zoals motoren. De lastscheider wordt getest met 8 maal de nominale stroom Ie voor het uitschakelen en 10 maal de nominale stroom Ie voor het inschakelen, 5% spanningsverhoging en de cos f = 0,35. Deze categorie wordt voornamelijk gebruikt voor de industrie en voor belastingen als airconditioners in de utiliteit.
  • DC 21: In gelijkspanningsnetten. Ohmse belastingen en kleine overbelastingen. De lastscheider wordt getest met 1,5 maal de nominale stroom Ie, 5% spanningsverhoging en een tijdconstante van 1 ms.
  • DC 22: In gelijkspanningsnetten. Gemengde ohmse en inductieve belastingen inclusief kleine overbelastingen. De lastscheider wordt getest met 4 maal de nominale stroom Ie, 5% spanningsverhoging en een tijdconstante van 2,5 ms. Deze categorie wordt voornamelijk gebruikt voor de utiliteit (geen 100% motorbelasting).
  • DC 23: In gelijkspanningsnetten. Hoog inductieve belastingen zoals motoren. De lastscheider wordt getest met 4 maal de nominale stroom Ie, 5% spanningsverhoging en een tijdconstante van 15 ms. Deze categorie wordt voornamelijk gebruikt voor de industrie.
Daar het schakelvermogen van schakelaars altijd nauw gerelateerd is aan de netspanning, worden bovenstaande schakelspecificaties altijd voorzien van de bijbehorende nominale gebruiksspanning Ue. Het kan dan ook voorkomen dat een lastscheider bijvoorbeeld 200A, AC23 bij een Ue van 400V kan schakelen terwijl dezelfde lastscheider maar 80A AC23 bij 690V kan schakelen omdat het ontwerp van deze lastscheider niet "geavanceerd" genoeg is voor hogere schakelwaarden bij 690V.

Ook kan het voorkomen dat een lastscheider 200A, AC22 bij 400V kan schakelen maar slechts 125A AC23 bij 400V kan schakelen. Het ontwerp van deze lastscheider is dan niet "geavanceerd" genoeg om hogere AC 23 belastingen te schakelen.

Het is dus belangrijk dat men als gebruiker / installateur weet wat men met een lastscheider wil gaan schakelen en daar dan ook de juiste lastscheider voor uitzoekt. Een keuze op basis van nominaalstroom alleen is onvoldoende. Men zal de specificaties van de lastscheiders beter moeten bekijken.

Manafhankelijk of manonafhankelijk

Voor het correct in- en uitschakelen van een lastscheider is het van belang dat de contacten met de juiste snelheid sluiten en openen. Met name bij het inschakelen op kortsluitingen en het uitschakelen van AC23 belastingen zijn de juiste snelheden van belang. Om een correcte werking van de lastscheider te garanderen en om hoge specificaties mogelijk te maken, zijn de meer "geavanceerde" lastscheiders uitgerust met een zogenaamd manonafhankelijk mechaniek.

Een manonafhankelijk mechaniek blokkeert de contacten in de "IN" of "UIT" positie terwijl de bedienende persoon de veren in het mechaniek voorspant door de bedieningshandel te draaien. Als de veren ver genoeg voorgespannen zijn, geeft het mechaniek de contacten vrij. De contacten bewegen vervolgens met een gedefinieerde snelheid en onafhankelijk van de bedieningssnelheid van bedieningshandel naar de andere positie.

In het geval van een manafhankelijke bediening is er sprake van een min of meer starre koppeling tussen de bedieningshandel en de bewegende contacten. M.a.w. als een persoon de schakelaar langzaam bedient zullen de contacten langzaam bewegen en als een persoon de schakelaar snel bedient zullen de contacten snel bewegen. Sterker nog als iemand de bedieningshandel in een tussenpositie vasthoudt zullen de contacten ook in een tussenpositie blijven staan met alle gevolgen van dien.

Indien een lastscheider (om meestal prijstechnische redenen) niet voorzien is van een manonafhankelijk mechaniek is het van het grootste belang dat de persoon die de lastscheider bedient weet wat hij/zij doet. Met name bij de grotere nominaalstromen (>100A) kunnen de gevolgen desastreus zijn in geval van een foute bediening. Een persoon die een lastscheider met een manafhankelijk mechaniek bedient, zal zich ervan bewust moeten zijn dat hij/zij de schakelhandeling altijd zonder aarzeling en in één vlotte beweging moet afmaken. Aarzelend of heel voorzichtig de bedieninghandel bedienen kan desastreuze gevolgen hebben.


Typen lastscheiders
Momenteel kan men onderscheid maken tussen de volgende vier typen laagspanningslastscheiders:Lastscheider
De lastscheider is de basisvorm van de professionele lastscheiders. De lastscheider bestaat in principe slechts uit een behuizing met een mechaniek en contacten. Deze lastscheider worden meestal in serie gezet met patronen of een vermogensschakelaar ter beveiliging tegen overbelasting en kortsluiting
Netwerksymbool en enkele voorbeelden van lastscheiders

De door Eaton Holec ontwikkelde en geproduceerde lastscheiders zijn gegroepeerd in de D-lijn (Dumeco's).

Veilighedenlastscheiders
Een veilighedenlastscheider combineert eigenlijk twee lastscheiders met een patroonhouder. Deze vorm is ontstaan omdat de meeste lastscheiders in serie staan met patronen ter beveiliging tegen overbelastingen en kortsluitingen. De conventionele situatie vergt dan de inbouw van losse patroonhouders en een lastscheider en alle daarbijbehorende verbindingen. Om montageruimte en montagetijd te besparen is de veilighedenlastscheider ontstaan.
Netwerksymbool en voorbeelden van veilighedenlastscheiders
Bijkomend voordeel van de betere veilighedenlastscheiders is het feit dat de patroon aan twee zijden geïsoleerd wordt t.o.v. het net indien de veilighedenlastscheider in de "UIT" positie staat. De patronen van een veilighedenlastscheider kunnen als de lastscheider in de "UIT" positie dus spanningsloos vervangen worden. Ook is de kans op fasesluitingen bij het aanbrengen van de patronen niet meer aanwezig indien de veilighedenlastscheider in de "UIT" positie staat.

De door Eaton Holec ontwikkelde en geproduceerde veilighedenlastscheiders voor NH-mespatronen zijn gegroepeerd in de Q-lijn (QSA's) en de veilighedenlastscheiders voor Diazed-patronen zijn gegroepeerd onder de naam Pasco.

Mespatroonlastscheiders
De mespatroonlastscheider staat in de volksmond bekend als "klapscheider". Een mespatroonlastscheider bevat geen mechaniek of beweegbare contacten maar men schakelt door de patroon eruit te halen of er in te stoppen.

Het zal duidelijk zijn dat een mespatroonlastscheider (klapscheider) een inferieure vorm is van een veilighedenlastscheider. Mespatroonlastscheiders worden dan ook meestal gebruikt in installaties waar alleen de prijs (of winst) van belang is en veiligheid een ondergeschikte rol speelt.
Netwerksymbool en voorbeelden van een mespatroonlastscheider
Bij een mespatroonlastscheider bedient men direct met de hand de patronen die tevens fungeren als beweegbare contacten. Nog meer dan al het geval is bij een lastscheider met een manafhankelijk mechaniek is het hier van belang dat de persoon die de mespatroonlastscheider bedient weet wat hij/zij doet. Een mespatroonlastscheider moet altijd in één vlotte beweging en zonder aarzeling geschakeld worden.

De mespatroonlastscheider die Eaton Holec in haar assortiment heeft, staan voor NH-patronen gegroepeerd onder de naam GRT en voor Diazed-patronen gegroepeerd onder de naam Paco.

Aardleklastscheiders
De aardleklastscheider is een lastscheider met een geïntegreerde aardlekbeveiliging.
Netwerksymbool en een voorbeeld van een aardleklastscheider
De meest voorkomende aardleklastscheider is in tegenstelling tot de andere lastscheiders niet gecertificeerd volgens de IEC 60947-3 maar volgens de IEC 61008. Deze aardleklastscheider wordt het meest in de woningbouw en de utiliteit toegepast.

De aardleklastscheiders die Eaton Holec in haar assortiment heeft, zijn gegroepeerd onder de typeaanduiding NPFI.

Specificaties lastscheiders
De meeste lastscheiders zijn gebaseerd op de IEC 60947-3 en kennen een aantal basisspecificaties die aangevuld worden met een aantal specifieke specificaties voor het betreffende type lastscheider.

De aardleklastscheider is in de meeste gevallen gebaseerd op de IEC 61008 en kent dan ook een aantal afwijkende specificaties t.o.v. de lastscheiders volgens de IEC 60947-3.

IEC 60947-3 gebaseerde lastscheiders

Algemeen
Deze specificaties gelden voor alle IEC 60947-3 gebaseerde lastscheiders.
specificatieverklaring
IthNominale stroom bij open opstelling. Dit is de stroom die de component continu kan voeren indien deze niet of in een zeer ruime kast is ingebouwd.
ItheNominale stroom bij inbouw. Dit is de stroom die de component kan voeren als deze in de kleinst mogelijke behuizing wordt ingebouwd.
UiNominale isolatiespanning. De maximale spanning waarvoor de lastscheider een continue veilige scheiding garandeert.
UimpNominale stoothoudspanning. De maximale impulsspanning (bliksemvorm) waarvoor de lastscheider een veilige scheiding garandeert.
UeNominale gebruikspanning. De maximale spanning waarbij de lastscheider gebruikt kan worden voor een bepaalde schakelcategorie.
AC ..Nominaal schakelvermogen voor een bepaalde schakelcategorie. Aantal ampères dat een lastscheider maximaal in een bepaalde categorie bij een bepaalde Ue kan schakelen.
Door patronen beheerste nominale kortsluitstroom doorgaand/inschakelingRMS waarde van de onbegrensde kortsluitstroom
InNominale stroom van de patroon. De maximale nominale stroom van de patroon waarbij de lastscheider bestand is tegen de "door patronen beheerste kortsluitstroom".
Joule integraalDe maximale I2ttotaal. De maximale energie die de patroon mag doorlaten bij de "door patronen beheerste kortsluitstroom".
kapstroomDe maximale kapstroom van de patroon bij de "door patronen beheerste kortsluitstroom"

extra specificaties voor lastscheiders
Daar grote lastscheiders niet altijd beveiligd worden door patronen maar bijvoorbeeld door een middenspanningsschakelaar of een ACB, kennen lastscheiders naast de door patronen beheerste nominale kortsluitstroom ook een andere kortsluitstroom specificatie.
specificatieverklaring
IcwNominale korte duur stroom. Maximale kortsluitstroom die de lastscheider voor een bepaalde tijd kan voeren.
IcmNominaal inschakelvermogen bij kortsluiting. Maximale bijbehorende piekstroom waarop de lastscheider kan inschakelen.

extra specificaties voor veiligheden- en patronenlastscheiders
In het geval van een veiligheden- of patronenlastscheider maakt de patroon deel uit van de lastscheider en de lastscheider moet dan wel ontworpen zijn op de extra Watt-verliezen van een patroon.

specificatieverklaring
type patroonHet type patronen waarvoor de veiligheden- of patronenlastscheider geschikt voor is (bijv.: NH, BS, Diazed)
grootte patroonGrootte van een bepaald type patroon waarvoor de lastscheider geschikt is.
wattverlies patroonMaximale Wattverlies van de patroon die in combinatie met de veiligheden- of patronenlastscheider gebruikt wordt.


IEC 61008 gebaseerde aardleklastscheiders (3.4)

specificatieverklaring
nominale stroom (In)De maximale belastingstroom waarvoor de aardleklastscheider is uitgelegd
nominale gebruiksspanning (Ue)De spanning waarbij de aardleklastscheider naar behoren functioneert
nominale isolatiespanning (Ui)De maximale spanning waarvoor de lastscheider in open toestand als scheider functioneert
stootspanningsvastheidDe maximale stootspanning (bliksemvorm) waartegen de aardleklastscheider bestand is
frequentieDe frequentie van het a.c. net waarbij de aardleklastscheider naar behoren functioneert
door patronen beveiligde kortsluitvastheid (Inc)De maximale prospectieve kortsluitstroom waarvoor de aardleklastscheider gecertificeerd is mits deze beveiligd is door een patroon met een nominaalstroom kleiner of gelijk aan de gegeven waarde
aardlekbeveiligingsklasseDe beveiligingsklasse van de aardleklastscheider
aanspreekstroom (IDn)De aardlekstroom waarbij de aardleklastscheider afschakelt
piekstroomvastheidDe maximale piekstroom (bliksemvorm) waarbij de aardleklastscheider niet uitschakelt
selectiefDe aardleklastscheider is tijdvertraagd.



© Eaton Electric B.V. 2006