Beschermingstransformatoren
Een beschermingstransformator wordt toegepast wanneer men een stroombaan galvanisch
wil scheiden t.o.v. andere stroombanen.
Voor beschermingstransformatoren geldt dat de isolatie tussen primaire en secundaire
wikkelingen een graad van bescherming tegen elektrische schokken moet bieden die
gelijkwaardig is met deze van een dubbele isolatie. Op die manier is men er altijd zeker van
dat de primaire en secundaire stroombaan galvanisch van elkaar gescheiden zijn.
Men bekomt aldus op de secundaire stroombaan een nieuw (zwevend) netstelsel. In een
correct opgebouwde installatie zal bij een eerste isolatiefout één van de fasen aan de aarde
gelegd worden. Een tweede fout (op een andere fase) zorgt er dan voor dat een foutstroom
de beveiliging zal aanspreken.
Deze wijze van bescherming wordt dikwijls toegepast voor vitale installaties die moeten
kunnen blijven functioneren, zelfs in geval van een isolatiefout. Om bedrijfscontinuïteit te
garanderen is het belangrijk dat de eerste fout is hersteld vooraleer de tweede fout optreedt.
Dit kan met behulp van een isolatiebewaking die enkel waarschuwt (maar niet uitschakelt) in
geval van een eerste isolatiefout.
Verbindingen met de aarde en andere massa’s
Om een doeltreffende beveiliging tegen onrechtstreekse aanraking te garanderen dient
rekening gehouden te worden met volgende voorschriften (zie ook fig 1.):
- Door beschermingstransformatoren gevoede stroombanen mogen geen enkel punt
gemeenschappelijk hebben noch met andere stroombanen, noch met de aarde. - Wanneer een beschermingstransfo meerdere toestellen voedt, moeten hun massa’s
onderling met elkaar verbonden worden met een niet-geaarde beschermingsgeleider,
ook wel PU-geleider (Protection Unearthed) genoemd. - De massa’s van toestellen mogen niet opzettelijk verbonden worden met de aarde.
Isolatiefouten
Wanneer gezondigd wordt tegen voorgaande voorschriften zullen in geval van isolatiefouten
gevaarlijke situaties optreden met elektrocutierisico’s tot gevolg. Dit wordt in onderstaande
paragraaf besproken aan de hand van een aantal voorbeelden.
Dubbele isolatiefouten:
Net zoals in een IT-net zal een stroombaan gevoed door een beschermingstransformator
geen uitschakeling veroorzaken in geval van één enkele isolatiefout in een bepaald toestel.
Wanneer later een tweede toestel eveneens een isolatiefout vertoont op een andere fase zal
het overstroombeveiligingstoestel de afschakeling veroorzaken op voorwaarde dat de
massa’s van de toestellen onderling verbonden zijn met een PU-geleider.
De figuur hieronder toont wat er gebeurt indien de PU-geleider afwezig of onderbroken is en de massa
van één van de toestellen onbewust verbonden is met de aarding, kan de foutstroom zich
enkel een weg banen doorheen het menselijk lichaam. De foutstroom zal bovendien niet
groot genoeg zijn om de overstroombeveiliging (niet getekend) aan te spreken, zodat het
risico op elektrische schokken reëel wordt.
Voor toestellen die moeilijk te isoleren zijn van de aarde, is het dus niet aangewezen om een
beschermingstransformator aan te wenden als beschermingsmaatregel tegen
onrechtstreekse aanraking
Een differentieel van 10 of 30 mA als beschermingsmaatregel is in dan een betere oplossing.
Let op: in dat geval moet het toestel uiteraard wel met de aarding verbonden worden (indien
het van klasse I is). Nadeel van deze methode is dat een differentieel reeds uitschakelt bij
een eerste isloatiefout.
Enkele isolatiefout:
Om ook enkele isolatiefouten te detecteren en af te schakelen kan men gebruik maken van
een differentieelschakelaar. Deze wordt geplaatst op de secundaire zijde van de
beschermingstransformator en er wordt een ongeaarde verbinding gemaakt tussen de
massa van het toestel en één van de twee actieve geleiders van de secundaire stroombaan
en dit stroomopwaarts van de differentieel.
Indien de verbinding tussen de massa en één van de fasen wordt weggelaten, kan er geen
foutstroom vloeien en zal de differentieel niet reageren.
Waarom is de lengte van de stroombaan beperkt ?
De uitgestrektheid van de stroombaan moet zodanig zijn dat het product van de spanning in
Volt en de lengte van de leidingen in meter niet groter is dan 100.000 en dat de totale lengte
van de stroombaan niet groter is dan 500 meter.
De beperking van de lengte van de stroombaan tot 500 meter en van het product van U × L
tot 100 000 is gegeven door het feit dat de leidingen:
- ten opzichte van de aarde condensatoren zijn (zie condensator in onderstaand figuur);
- nooit een oneindige isolatie bezitten (zie weerstand in onderstaand figuur).
De aldus bekomen (te kleine) impedantie tussen fase en aarde kan men dan beschouwen
als een parasitaire aarding. Deze aarding zorgt ervoor dat de bescherming tegen
onrechtstreekse aanraking in het gedrang komt:
Vb.Hoe langer de leidingen, hoe kleiner de impedantie naar de aard. Deze verkleinde
impedantie laat toe dat er, in geval van een isolatiefout, toch een (aanzienlijke) foutstroom
doorheen het menselijk lichaam kan vloeien wanneer de massa van het toestel dat de fout
vertoont door een persoon wordt aangeraakt. Om die foutstroom te beperken, en aldus het
gevaar op elektrocutie te verminderen, moet de impedantie naar de aarde zo groot mogelijk
gehouden worden en de leidingen dus zo kort mogelijk.
Dit verklaart eveneens waarom geen van de actieve geleiders rechtstreeks verbonden mag
worden met de aarde.
Wanneer de toestellen gebruik maken van ontstoringsfilters, bestaande uit condensatoren
tussen fase en massa, zal er ook in geval er geen isolatiefout optreedt, een (lek)stroom
doorheen het menselijk lichaam kunnen vloeien wanneer geaarde personen dit toestel
aanraken.
Hoe worden stroombanen gevoed door beschermingstransformatoren doeltreffend
beveiligd tegen overstroom ?
Het spreekt voor zich dat het schijnbaar vermogen (in kVA) van de transformator minstens
gelijk moet zijn aan het schijnbaar vermogen van de belasting.
Voor de beveiliging tegen kortsluiting en overbelasting van zowel de primaire als de
secundaire zijde kunnen volgende beveiligingen worden toegepast:
Beveiliging tegen kortsluiting:
Primaire zijde:
- zekering met een trage uitschakelkarakteristiek
- automaat met C of D curve
De nominale waarde van trage zekeringen die enkel tegen kortsluiting beveiligen (bv. aMzekeringen)
wordt, wegens de hoge inschakelstromen, een factor 1,5 – 2,5 groter
gekomen dan de nominale primaire stroom:
Iprim = S (kVA) / U prim (met S het schijnbaar vermogen van de transformator)
Secundaire zijde:
De nominale waarde van de beveiliging wordt gelijk of net iets groter (10 à 20 %) gekozen
dan de waarde van de secundaire stroom van de transformator en mag een snelle of
trage uitschakelkarakteristiek hebben. De waarde van de secundaire stroom bedraagt:
Isec = S (kVA) / U sec (met S het schijnbaar vermogen van de transformator)
Dikwijls gebruikt men voor deze beveiliging een kleine glaszekering die al dan niet
geïntegreerd is in behuizing van de transformator. De nominale waarde van deze
zekering is in dat geval terug te vinden op de transformator zelf of in de catalogus van de
fabrikant.
Let op: Voor de berekening van de primaire en secundaire stroom in driefasige kringen moet
de nominale spanning in de noemer met een factor √3 vermenigvuldigd worden.
Beveiliging tegen overbelasting:
Vermits in geval van beschermingstransformatoren de transformatieverhouding (meestal) 1
bedraagt, en dus de primaire en secundaire stromen gelijk zijn, is één
overbelastingsbeveiliging voldoende. Deze mag zowel primair als secundair geplaatst
worden.