Toepassing patronen

Patronen beveiligen
  • Mensen
  • Elektrische installaties en apparaten
  • Kabels en leidingen
Tegen overbelasting en kortsluiting.

Voordelen patroon
  • Zeer hoog onderbrekingsvermogen bij geringe afmetingen
  • Goede stroombegrenzing en doorgelaten I2t waarde
  • Goede selectiviteit
  • Laag Watt-verlies
  • Zeer goede betrouwbaarheid
  • Eenvoudig toe te passen
Werking
De werking van een patroon is gebaseerd op het bewust in een stroomketen inbouwen van een zwakke schakel, die in geval van een overbelasting het eerst zal bezwijken. Deze zwakke schakel is het smeltelement van de patroon. Zoals het woord al aangeeft zal dit element bij een overstroom smelten en de stroom, volgens een in NEN-EN-IEC 60269 vastgelegde stroom/tijd-karakteristiek, binnen een bepaalde tijd onderbreken. In figuur 1 is een doorsnede van een industriële mespatroon weergegeven.

Figuur 1: Doorsnede LS industriële mespatroon
Wat opvalt zijn de insnoeringen in het smeltelement en het soldeer (M-spot). De insnoeringen zorgen ervoor dat het smeltelement op gedefinieerde plaatsen zal gaan doorsmelten in geval van een grote overstroom (kortsluitstroom). Bij deze grote overstromen, zoals kortsluitstromen, smelten de insnoeringen zo snel, dat de stroom als het ware geen tijd meer heeft om zijn maximale topwaarde te bereiken. Er is dan sprake van stroombegrenzing.


Het soldeer is bedoeld als smeltpuntverlagend middel, ook wel eutecticum genoemd. Bij kleine overstromen smelt het soldeer eerst en ten gevolge van een diffusieproces met het materiaal van de smeltband wordt de smelttemperatuur van de smeltband plaatselijk verlaagd. Hiermee wordt voorkomen dat bij kleine overstromen de patroon te heet wordt, waardoor deze niet meer tot onderbreking in staat zal zijn. Dit verschijnsel wordt ook wel aangeduid als het "M-effect", genoemd naar Metcalf, die deze toepassing bedacht heeft.



Watt-verliezen
De patroon is een beveiliging die zijn Watt-verlies nuttig gebruikt. Door het Watt-verlies warmt de patroon op en kan deze doorsmelten. Hoewel de patroon bij het voeren van zijn nominaalstroom niet doorsmelt, is er toch sprake van een Watt-verlies. De hoogte van dit Watt-verlies is van belang voor het gebruik van patronen in verdeelsystemen. In de technische informatie geven fabrikanten van patronen altijd het Watt-verlies van de patroon indien deze zijn nominale stroom voert.

Daar het verband tussen het Watt-verlies van de patroon en de stroom die deze voert vrijwel kwadratisch is, kan op eenvoudige wijze het Watt-verlies bij een lagere belasting van de patroon berekend worden.




Het maximale Watt-verlies dat een bepaald type patroon mag hebben is vastgelegd in de productnorm NEN-EN-IEC 60269.



Karakteristieken
Onderscheiden worden de stroom/tijd-karakteristieken, de doorlaatintegraal en de kapstroomkrommen.

Stroom/tijd-karakteristiek
Het onderbreekgedrag van patronen wordt weergegeven in stroom/tijd-karakteristieken. Hierin staat de prospectieve of ideële stroom Ip, d.w.z. de te verwachten stroom indien er niet ingegrepen wordt, langs de horizontale as uitgezet en de smelttijd tv langs de verticale as. In figuur 2 zijn de stroom/tijd-karakteristieken van enkele gG (general purpose) patronen weergegeven.
figuur 2: Stroom/tijd-karakteristieken van enkele gG patronen

Doorlaatintegraal
De zogenoemde doorlaatintegraal of Joule-integraal (I2t) is een maat voor de doorgelaten energie voordat een patroon een foutstroom heeft onderbroken. Hiermee kan de thermische belasting van het systeem, met name in het geval van grote kortsluitstromen, gecontroleerd worden.

Voor patronen kan uit de (I2t-Ip) karakteristiek afgeleid worden, hoe groot de doorlaatintegraal is bij verschillende prospectieve stromen. In de (I2t-Ip) karakteristiek in figuur 3 is langs de verticale as de doorlaatintegraal I2t uitgezet en langs de horizontale as de prospectieve stroom Ip. We zien dat de doorlaatintegraal afneemt bij toenemende prospectieve kortsluitstroom. Dit heeft te maken met de warmte-isolerende eigenschappen van de patroon. Bij kleine overstromen kan de extra warmte die wordt opgewekt goed afgevoerd worden waardoor de patroon langer in bedrijf blijft. De doorlaatintegraal is dus hoog. Bij grote overstromen wordt meer warmte opgewekt die niet voldoende snel kan worden afgevoerd waardoor de patroon de stroom onderbreekt. De doorlaatintegraal is dan kleiner.
In het kortsluitgebied (horizontale deel van de kromme) vindt het smeltproces zo snel plaats, dat er geen warmteuitwisseling met de omgeving plaatsvindt. We spreken dan van een adiabatisch proces. De grootte van de stroom is dan niet meer van invloed op de doorlaatintegraal.
figuur 3: (I2t-Ip) karakteristiek 125A patroon.

Voor de duidelijkheid is aangegeven dat voor het smelten minder energie nodig is dan voor het onderbreken. Na het smelten moet de stroom namelijk eerst nog naar nul gedrukt worden. Er loopt dan dus nog even stroom. De energie van deze stroom veroorzaakt het verschil tussen smelt I2t en de onderbreek I2t.

Kapstroomkrommen
In de kapstroomkrommen wordt de topwaarde van de doorgelaten stroom tegen de prospectieve stroom uitgezet. In figuur 4 is de kapstroomkromme van een 125A patroon weergegeven.
figuur 4: Kapstroomkromme 125A patroon

Deze kapstroomkrommen zijn van belang voor het bepalen van de maximale elektrodynamische belasting, dat wil zeggen de krachten die door de hoge stromen ontstaan, waaraan de voorliggende installatie wordt blootgesteld.

Toepassing
Toepassing van patronen in installaties vindt op verschillende manieren plaats. Binnen industriële installaties wordt een patroon nagenoeg altijd gekombineerd met een lastscheider. Hierbij dient de patroon alleen als overstroombeveiliging en kan, bij uitschakeling van de lastscheider, spanningsloos verwisseld worden. In kleinere verdelers voor de utiliteit ('kantoren') wordt de patroon vaak om prijstechnische redenen toegepast in een klapscheider.

Dit laatste vinden we ook terug in de laagspanningsdistributienetten van de elektriciteitsbedrijven. Hierin worden losse patroonhouders, patroonhouders op een strook geplaatst of stroken met 3 enkelpolige klapscheiders toegepast.
Aandachtspunt bij de toepassing van klapscheiders of het trekken van een patroon uit een patroonhouder is het ontstaan van een lichtboog ten gevolge van de nominale stroom die gevoerd wordt. Let wel: de patroon wordt verwijderd zonder dat deze stroomloos, laat staan spanningsloos, is. Het is meerdere malen voorgekomen dat deze handeling een sluiting in bijvoorbeeld het zekeringen-kastje in de straat van het elektriciteitsbedrijf heeft ingeleid met alle gevolgen van dien. Er zijn ook stroken op de markt met een ingebouwde lastscheider, echter toepassing hiervan vindt met name in de industrie plaatst en niet binnen de netten van de elektriciteitsbedrijven.


naar boven 

© Eaton Electric N.V. 2001