Een foutstroom is een onbedoelde, ongecontroleerde, hoge stroom door een elektrisch systeem. Foutstromen worden veroorzaakt door kortsluitingen met een zeer lage impedantie. Dit kan kortsluiting naar aarde of over fasen zijn. De resulterende hoge stroom kan leiden tot oververhitting van apparatuur en geleiders, overmatige krachten, en soms zelfs ernstige vlambogen, ontploffingen en explosies. Oorzaken van storingen zijn o.a. blikseminslag, dieren, vuil en puin, gevallen gereedschap, corrosie en menselijke fouten.

Berekeningen van storingsstromen zijn gebaseerd op de wet van Ohm, waarin de stroom (I) gelijk is aan de spanning (V) gedeeld door de weerstand (R). De formule is I = V/R. Bij kortsluiting wordt de weerstand heel klein, en dat betekent dat de stroom heel groot wordt.

Als de weerstand nul was, dan zou de berekende foutstroom naar oneindig gaan. Maar zelfs koperdraad heeft enige weerstand; het is geen perfecte geleider. Om de foutstroom te bepalen, moet u de totale weerstand van de stroombron tot de plaats van de fout kennen.

Foutstroomberekeningen zijn vereist

Weten wat de beschikbare foutstroom is, is belangrijk bij het selecteren van beveiligingsapparaten, maar het is ook vereist door de norm. De National Electric Code (NEC) 110.24(A) stelt:

“Service equipment in other than dwelling units shall be readibly marked in the field with the maximum available fault current. De veldmarkering(en) moet(en) de datum bevatten waarop de foutstroomberekening is uitgevoerd en voldoende duurzaam zijn om de betreffende omgeving te weerstaan.”

Dit betekent dat er in het veld labels moeten worden geïnstalleerd op elektrische apparatuur, zoals service-ingangsapparatuur, die de beschikbare kortsluitfoutstroom aangeven. Hierdoor kan de Short Circuit Current Rating (SCCR) van de apparatuur eenvoudig worden vergeleken met de maximaal beschikbare foutstroom.

Bij iedere verandering van apparatuur moet de foutstroomberekening opnieuw worden uitgevoerd. Dit wordt gespecificeerd in NEC 110.24(B):

“Wanneer wijzigingen aan de elektrische installatie plaatsvinden die van invloed zijn op de maximaal beschikbare foutstroom aan de dienst, moet de maximaal beschikbare foutstroom worden geverifieerd of opnieuw worden berekend als nodig is om ervoor te zorgen dat de dienst apparatuur ratings zijn voldoende voor de maximaal beschikbare foutstroom aan de lijn terminals van de apparatuur. De vereiste veldmarkering(en) in 110.24(A) moet(en) worden aangepast om het nieuwe niveau van de maximaal beschikbare foutstroom weer te geven.”

Typen storingen

In een elektrisch systeem zijn er verschillende typen mogelijke storingen:

• Een kortsluiting die ertoe leidt dat de stroom de normale belasting omzeilt.
• Een “aardlek” waarbij stroom in de grond vloeit.
• In driefasige systemen kan er een kortsluiting zijn tussen een of meer fasen. Dit type fout veroorzaakt doorgaans de hoogste foutstromen.

Het vierde type fout, een open-circuitfout, genereert geen kortsluitstroom. Een open-stroomfout ontstaat doordat de stroom onbedoeld wordt onderbroken.

Beschermingssystemen moeten in alle bovengenoemde situaties schade aan apparatuur voorkomen en mensen beschermen. Dat betekent dat foutstroomberekeningen moeten worden uitgevoerd, zodat de juiste beveiligingsapparatuur kan worden geselecteerd.

Geschroefde fouten vs. boogfouten

Een elektrische fout kan een geschroefde fout of een boogfout zijn.

In een geschroefde fout is er een vaste verbinding. Hierdoor kan de foutstroom door een geleider lopen. Dit type fout kan zich voordoen wanneer een installateur een stroombron aansluit op de aarde in plaats van op het punt waar deze moet worden aangesloten. Wanneer de stroom wordt ingeschakeld, zal er onmiddellijk een boutfout optreden die de beveiligingsinrichting activeert. Omdat de stroom werd ingedamd, blijft de schade meestal beperkt. Een geboute fout veroorzaakt echter de hoogste foutstromen.

Een boogfout ontstaat wanneer er geen vaste verbinding is, maar de geleiders dicht genoeg bij elkaar komen zodat de stroom over de opening springt en een boog creëert. De eerste vlamboog ioniseert de lucht, waardoor een plasma ontstaat dat de stroom snel doet toenemen en aanhoudt, wat resulteert in een vlamboogflits of boogontploffing. Wanneer een vlamboog mogelijk is, moeten foutstroomberekeningen worden uitgevoerd om veilige beschermingsgrenzen en vereiste PBM’s te bepalen, en ook om de informatie te verstrekken die nodig is voor vlambooglabels die moeten worden geïnstalleerd naast de vereiste NEC 110.24 foutstroomlabels.

Diefasefouten

IEC 60909 “Short Circuit Currents in Three-Phase Systems” geeft de geaccepteerde berekeningsmethode voor driefasige foutstromen.

Een fout in een driefasig systeem kan symmetrisch (evenwichtig) of onsymmetrisch (onevenwichtig) zijn. Bij een symmetrische storing worden alle drie fasen in gelijke mate getroffen. Dit komt echter zelden voor. De meeste driefasige storingen zijn onsymmetrisch, en dat maakt het moeilijker om de foutstroom te berekenen.

Bronnen van inhoud

Voordat een foutstroomberekening kan worden uitgevoerd, moeten alle mogelijke stroombronnen worden geïdentificeerd. Dit kan ook enkele stroombronnen omvatten die misschien niet zijn overwogen. Er zijn vier mogelijke bronnen van kortsluitfoutstroom:

• Elektrische generatoren ter plaatse: Deze staan dicht bij elkaar en de foutstroom wordt alleen beperkt door de impedantie van de generator zelf en het elektrische circuit.
• Synchrone motoren: een synchrone motor is een wisselstroommotor waarbij de snelheid van de motor evenredig is met de frequentie van de elektrische stroom. Wanneer de stroom uitvalt, zoals zal gebeuren bij kortsluiting, zal de traagheid van de mechanische belasting op de motor de motor blijven roteren. De motor zal dan fungeren als een generator die stroom levert, en dit zal bijdragen tot de totale stroom die naar de storing vloeit.
• Inductiemotoren: dit type motor zal ook een generator worden als er ergens anders in het systeem een kortsluitingsfout optreedt. De door een inductiemotor opgewekte foutstroom zal echter slechts enkele cycli duren. De stroom zal ongeveer gelijk zijn aan de locked-rotor startstroom van de motor.
• Elektrisch Nuts-systeem: het grootste deel van de foutstroom is typisch afkomstig van het elektriciteitsbedrijf. Het niveau van de kortsluitstroom zal afhangen van:
• de secundaire spanningswaarde van de transformator en de impedantie
• de impedantie van de generatoren
• de impedantie van het circuit van de transformator naar de kortsluiting.

Om de berekening van de foutstroom te vereenvoudigen wordt aangenomen dat alle elektrische generatoren in het systeem in fase zijn, en dat ze werken op de nominale systeemspanning.

Geschakelde Drie-Fase Toestand

Er wordt een kortsluitstudie uitgevoerd om de foutstroom te kunnen berekenen. Normaal gesproken wordt hierbij gekeken naar het ongunstigste scenario, namelijk de geschroefde driefasige foutconditie. Op basis van deze situatie kunnen andere foutcondities worden benaderd.

De foutstroombijdrage van motoren in het systeem is belangrijk. In veel gevallen kunnen motoren een bijdrage leveren van vier tot zes maal hun normale vollaststroom. Zelfs als de stroom van zeer korte duur is, is het van cruciaal belang dat deze in de foutstroomberekening wordt opgenomen.

Wanneer een vlamboogonderzoek wordt uitgevoerd, moet de foutstroomberekening nog steeds voor de hoogste vastgeschroefde driefasige kortsluitstroom zijn.

Foutstroometikettering

Wanneer de foutstroom eenmaal is berekend, moeten etiketten met de beschikbare kortsluitfoutstroom op de apparatuur worden aangebracht. Als een vlambooglabel vereist is, moet dit ook worden afgedrukt en op de juiste plaats worden aangebracht. Elk label vereist aangepaste informatie die afkomstig is uit de foutstroomberekening.

Neem de volgende stap!

Nu u een basiskennis hebt van de variabelen in boogvlamberekeningen, download dan onze gratis Arc Flash Energy Guide voor gedetailleerd advies over hoe u een veiligheidssysteem in uw faciliteit kunt implementeren. Download uw gratis exemplaar vandaag nog!