Wat is een vermogensschakelaar?

Een vermogensschakelaar onderbreekt automatisch de stroom in een elektrisch circuit in geval van overstroom of kortsluiting. Het voorkomt elektrische branden en schade aan elektrische apparatuur. Ze worden gebruikt in woningen, commerciële gebouwen en industriële omgevingen en zijn verkrijgbaar in verschillende maten en types om te voldoen aan de specifieke behoeften van verschillende elektrische systemen. Dit artikel bespreekt de constructie, werking en soorten vermogensautomaten.

Inhoudsopgave

• Wat doet een vermogensschakelaar
• Hoe werkt een vermogensschakelaar
• Schakelen van vermogensschakelaars
• Typen vermogensschakelaars
• FAQs

Wat doet een vermogensschakelaar

Het elektrische servicepaneel, of vermogensschakelaarpaneel, in een gebouw bevat een reeks met een hendel bediende vermogensschakelaars. De grootte van een vermogensschakelaar wordt bepaald door de stroomsterkte waarvoor hij is ontworpen. Wanneer die stroomsterkte wordt overschreden, schakelt de vermogensschakelaar uit om te beschermen tegen brand en elektrische gevaren. Figuur 1 toont een vermogensschakelaar die wordt ingeschakeld nadat hij door overbelasting is geactiveerd.

De meest voorkomende oorzaken van het doorslaan van vermogensschakelaars zijn:

• Overbelasting: Dit gebeurt wanneer er te veel stroom uit een circuit wordt getrokken, bijvoorbeeld wanneer meerdere apparaten met hoog vermogen tegelijk worden gebruikt.
• Kortsluiting: Kortsluiting treedt op wanneer er een probleem is met de bedrading van een apparaat, waardoor er te veel stroom gaat lopen.
• Aardfouten: Aardfouten komen voor in ruimtes met veel vocht, zoals keukens en badkamers. Aardlekschakelaars zijn nu vereist voor veiligheid.

Hoe werkt een vermogensschakelaar

Figuur 3 toont een schema van hoe een vermogensschakelaar de inkomende stroomdraad (F) verbindt met de stroomleiding die naar het apparaat loopt (A).

• Een vermogensschakelaar bestaat uit twee contacten: een vast contact (B) en een beweegbaar contact (C).
• De contacten worden geplaatst in een gesloten kamer die een vloeibaar medium bevat dat de gevormde vlamboog (besproken in het volgende hoofdstuk) tussen de contacten dooft.
• De contacten blijven onder normale bedrijfsomstandigheden verbonden en gaan niet automatisch open, tenzij er een storing of stroomstoot in de leiding optreedt.
• Wanneer de lijn een overstroom ondervindt, zendt het relais een signaal uit dat de over een elektromagneet (E) gewikkelde uitschakelspoelen bekrachtigt.
• De uitschakelspoel is gekalibreerd om te activeren wanneer de stroom die er doorheen gaat de ingestelde uitschakelstroom overschrijdt. De resulterende kracht trekt de contacten uit elkaar, waardoor de verbinding tussen de stroomdraad en het apparaat wordt onderbroken. Dit mechanische proces werkt als een ratel en houdt de scheiding in stand totdat het handmatig opnieuw wordt ingesteld. De contacten kunnen rechtstreeks of via een afstandsbediening worden gereset.
• Een vervormde metalen veer (D) slaat potentiële energie op in de vermogensschakelaar. Wanneer de uitschakelspoel wordt geactiveerd, komt de potentiële energie vrij, waardoor het bewegende contact met een snelheid gaat schuiven. In plaats van de veer kan ook perslucht of hydraulische druk worden gebruikt.

Vlamboog in een vermogensschakelaar

Er ontstaat een boog (figuur 4) wanneer elektronen bij het scheiden over de smalle spleet tussen de contacten springen. Dit ioniseert het medium, waardoor de weerstand ervan afneemt en er uiteindelijk duurzame stromen ontstaan. Het verschijnsel is vooral belangrijk bij hoge stromen, en de voor zwaar industrieel gebruik ontworpen vermogensschakelaars worden schakelaars genoemd en zijn ontworpen om zeer snel te scheiden om de boog te breken. Een vlamboog is gevaarlijk omdat hij het verbreken van de stroomkring vertraagt en grote hitte opwekt, die schade kan veroorzaken.

Daarom is het belangrijkste probleem bij een vermogensschakelaar het doven van de vlamboog binnen de kortst mogelijke tijd door geschikte methoden toe te passen.

Schakelen van vermogensschakelaars

Figuur 5 toont de werking van een vermogensschakelaar (B) in een elektrisch circuit. De twee essentiële onderdelen van de schakeling zijn een stroomtransformator (C) en een relaisspoel (J).

• Stroomtransformator: Een stroomtransformator is een instrumententransformator die hoge wisselstromen in de primaire wikkeling reduceert tot een lage waarde in de secundaire wikkeling. Het doel van deze vermindering is de stroom gemakkelijker te meten en te beheersen, vooral bij het werken met krachtige elektrische systemen. De primaire wikkelingen van de stroomtransformator zijn verbonden met de te beschermen leiding, en de secundaire wikkeling is verbonden met de relaisspoel.
• Relaisspoel: Een relais is een elektrisch bediende schakelaar die een circuit opent of sluit in reactie op een elektrisch ingangssignaal. Het bestaat uit een elektromagneet die, onder spanning, een metalen armatuur aantrekt om een reeks elektrische contacten te sluiten. Dit laat een stroom door het relais lopen, waardoor een circuit wordt voltooid.
  • De stroom waarbij een relais schakelt (ook wel pick-up stroom of uitschakelstroom genoemd) wordt bepaald door het ontwerp van het relais en de gebruikte spoel.
  • De uitschakelstroom is recht evenredig met de door de spoel opgewekte magnetische veldsterkte en wordt beïnvloed door factoren als het aantal windingen in de spoel, de draaddiameter en het materiaal van de magnetische kern.

Als er een fout is (zoals overstroom):

1. Er zal een hoge stroom zijn in de inkomende lijn.
2. De stroom in de secundaire stroomtransformator neemt toe, wat de stroom door de relaisspoel is.
3. Het relaiscontact (I) sluit onder de hoge foutstroom.
4. Dit sluit het uitschakelcircuit van de vermogensschakelaar, en er begint stroom te lopen van de batterij (G), door de uitschakelspoel (F), in een uitschakelcircuit (H).
5. De uitschakelspoel van de vermogensschakelaar wordt bekrachtigd. Dit activeert het openingsmechanisme van de vermogensschakelaar, waardoor de contacten uit elkaar worden getrokken.
6. Dit isoleert het defecte onderdeel van de rest van de lijn.

Typen vermogensschakelaars

Laagspanningsschakelaars

Laagspanningsvermogensschakelaars (LV) verwerken spanningen tot 1 kV.

Miniatuur-schakelaars (MCB's)

Miniatuurschakelaars worden gebruikt voor de beveiliging van circuits met lagere stroomwaarden. Ze kunnen worden gebruikt tot circuits van 125A. Ze zijn goedkoop, compact en gemakkelijk te installeren.

Vermogenschakelaars met gegoten behuizing (MCCB's)

• Een gegoten behuizing wordt gebruikt om de vermogensschakelaar te omsluiten. Dit zijn grote vermogensschakelaars ontworpen voor hoogspanningsinstallaties.
• MCCB's worden gewoonlijk gebruikt voor stroomsterktes tot 1600A en foutniveaus tot 150 KA.
• Deze automaten zijn duurzamer en kunnen hogere stroomniveaus aan dan MCB's.
• MCCB's werken met bimetaal- en solenoïdecomponenten, maar meer recent zijn microprocessorgestuurde MCCB's populair geworden vanwege hun snelle, elektronische ontgrendelingsmechanisme.
• MCB's en MCCB's zijn verkrijgbaar in verschillende configuraties, zoals enkelpolig, tweepolig en driepolig, om aan verschillende elektrische eisen te voldoen.
• Een van de belangrijkste voordelen van MCCB's is hun hoge duurzaamheid. Zij worden gewoonlijk gebruikt als industriële vermogensschakelaars in ruwe omgevingen waar hoge stroomniveaus en ruwe omstandigheden voorkomen.

Luchtvermogensschakelaars (ACB's)

Dit zijn hoogspanningsvermogensschakelaars die lucht gebruiken om de contacten te isoleren en de stroom door de vermogensschakelaar te onderbreken. Ze zijn ideaal voor gebruik in industriële en commerciële toepassingen, waar hoge stroomniveaus gebruikelijk zijn. ACB's worden gewoonlijk gebruikt voor circuits die stromen tot 6300A verwerken.

Aardlekschakelaar (RCCB)

Een aardlekschakelaar is ontworpen om bescherming te bieden tegen aardlek. Deze vermogensschakelaars worden gebruikt in woningen, kantoren en industrieën, afhankelijk van de specifieke vereisten inzake stroomgevoeligheid voor elke toepassing. In het geval van een stroomlekkage is de aardlekschakelaar ontworpen om het probleem te detecteren en uit te schakelen, waardoor potentiële elektrische schokken en andere negatieve effecten van de stroomlekkage worden voorkomen.

Midden- en hoogspanningsvermogensschakelaars

vermogensschakelaars die werken in het spanningsbereik van 1 KV tot 69 KV worden geclassificeerd als middenspanningsvermogensschakelaars. vermogensschakelaars in het spanningsbereik van 69 KV tot 230 KV worden hoogspanningsvermogensschakelaars genoemd. Zij worden gebruikt in hoogspanningsdistributiesystemen, zoals energietransformatoren en onderstations.

Vacuümvermogensschakelaars (VCB's)

• Dit zijn middenspanningsvermogensschakelaars die een vacuüm gebruiken als vlamboogdovend medium.
• Vacuümvermogenschakelaars hebben een lange levensduur en zijn zeer betrouwbaar omdat er geen bewegende delen in de vermogenschakelaar zitten.
• Ze zijn compact, vergen minimaal onderhoud en werken geruisloos.
• Ze worden gebruikt in de controlekamers van netstations.

SF6 vermogensschakelaars

• SF6-vermogensschakelaars gebruiken SF6-gas als medium voor boogdoving, en het is zeer effectief bij het verbreken van contacten.
• Door het gebruik van SF6-gas als isolatiemedium kunnen vermogensschakelaars betere prestaties, betrouwbaarheid en veiligheid bieden dan andere soorten vermogensschakelaars.
• SF6-gas heeft een hoge diëlektrische sterkte, waardoor het geschikt is voor gebruik in hoogspanningstoepassingen.
• SF6-vermogensschakelaars hebben een eenvoudige constructie, minimaal onderhoud en een uitstekende vlamboogdoving. Bovendien wordt hetzelfde gas door het circuit gerecirculeerd, waardoor het systeem efficiënter wordt.

Olie vermogensschakelaars

• Gebruikt in hoogspanningssystemen.
• Ze gebruiken olie als medium om het circuit te verbreken bij overbelasting of kortsluiting.
• Ze hebben een hoge kortsluitvastheid, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in hoogspanningstoepassingen.
• Olievermogensschakelaars zijn gevoelig voor olielekkage en brandgevaar omdat de olie een explosief mengsel met lucht kan vormen. Ook vergt het meer onderhoud omdat de olie vaak moet worden vervangen.

FAQs

Waarom slaat een vermogensschakelaar door?

Een vermogensschakelaar onderbreekt de stroom in een elektrisch circuit als veiligheidsmaatregel om overbelasting of kortsluiting te voorkomen.

Wat zijn de verschillende soorten vermogensschakelaars voor woningen?

In woongebouwen worden MCB's, MCCB's, aardlekschakelaars en boogfoutvermogensschakelaars gebruikt.

Wat is een solid-state vermogensschakelaar?

Een solid-state vermogensschakelaar gebruikt solid-state apparaten zoals diodes, thyristors en transistors om de stroom te regelen in plaats van traditionele mechanische componenten om de stroom in een elektrisch circuit te onderbreken.