Electrische beveiligingsinrichtingen dienen om electrische installaties bij storingen voor beschadigingen en/of verlies van electrische energie te behoeden. Dit laatste zou worden veroorzaakt doordat a. een storing langer duurt dan beslist noodzakelijk is om erger te voorkomen; b. een groter deel van het net bij een storing buiten bedrijf wordt gesteld dan bepaald nodig is; c. de kortsluiting of het ongeval, dat de storing inleidt, zó lang duurt, dat ernstige beschadiging van kabels, apparaten of machines daarvan het gevolg is.
Het komt er dus op aan snel en doeltreffend het zieke deel uit te schakelen; hieronder zullen niet alle mogelijke methoden daartoe behandeld kunnen worden, maar van de voornaamste zal wèl een overzicht worden gegeven.I. BEVEILIGING TEGEN TE GROTE STROMEN
Dit geschiedt door een leiding, zodra deze een grotere dan de toelaatbare stroom voert, af te schakelen. Dit kan men doen door middel van:
1. Smeltveiligheden
Deze bestaan uit één of meer draden, of reepjes of strippen metaal, die in serie geschakeld zijn met de te beschermen installatie. Deze draden of strippen worden het smeltstuk genoemd en zijn dusdanig gedimensioneerd, dat zij, wanneer de grensstroom (d.i. de maximaal toelaatbare stroom), overschreden wordt, ten gevolge van de door de stroom ontwikkelde warmte, smelten en dus de stroomkring verbreken. Het smeltstuk kan in een volkomen luchtdicht afgesloten ruimte zijn ondergebracht; men heeft dan de gesloten veiligheden. Men kan ze naar de uitvoering splitsen in patroonveiligheid en stopveiligheid. Deze worden algemeen toegepast voor het beveiligen van huisinstallaties. Het smeltstuk wordt meestal omgeven door een porseleinen mantel en opgevuld met een onbrandbaar poeder. De stopveiligheid van Edison bezit een Edisonschroefdraad. Het onderste gedeelte van de stop is omgeven door een messinghuls met schroefdraad, waaraan het ene einde van het smeltstuk bevestigd is. Onder aan de stop is, geïsoleerd van de hals, een messingplaat aangebracht, waaraan het andere einde van de draad gesoldeerd is. Het smeltstuk is omgeven door fijn zand, hetgeen voor afkoeling van de draad en doving van de verbrekingsvonk dient. De stop wordt geschroefd in de veiligheidhouder of coupe. De leidingen worden verbonden aan contacten. Contact a is weer verbonden aan de van schroefdraad. Veiligheidshouder of coupe voorziene ring en contact b met de contactschroef, die onder in het blok moet worden geschroefd. Als we nu de stop inschroeven, maakt de huls contact met de ring en het plaatje met de contactschroef, zodat de stroom door kan gaan. Om te voorkomen, dat men met opzet of bij vergissing een stop van te grote stroomsterkte zal inschroeven, is de lengte van de schroefdraad voor elke stroom een andere; hoe hoger de stroomsterkte, hoe korter de schroefdraad. Bij elke stroomsterkte behoort nu ook een aparte contactschroef, waarop evenals op de stop de stroomsterkte is aangegeven. Onder invloed van de verschillende eisen, aan smeltveiligheden gesteld, ontwikkelde zich uit de vrij primitieve Edisonstop het eendelige-stopsysteem. Bij dit systeem zijn twee smeltdraden parallel aangebracht, waarvan de ene onder een mica plaatje is doorgevoerd en rood gekleurd is. Bij doorsmelting verdwijnt deze draad, zodat controleerbaar is of de zekering al dan niet doorgesmolten is.
Van de patroonveiligheden zijn die, welke door de Siemens-Schuckert Werke (S.S.W.) te Berlijn onder de naam Diazed-veiligheden in de handel zijn gebracht, de bekendste (fig. 3 en 4). Fig. 3 geeft een doorsnede van een dergelijke veiligheid. Het geheel bestaat uit vier delen: de veiligheidshouder (d), de pasring (r), de patroon (l) en de schroefkop (m). De patroon is een holle porseleinen cylinder, die geheel met zand is gevuld, waarin het smeltstuk zodanig is aangebracht, dat de soldeerplaatsen van de lucht zijn afgesloten, zodat het gevaar van vuurverschijnselen en uit elkaar springen bij kortsluiting belangrijk kleiner is dan bij het eendelig stopsysteem. Aan de onderzijde is een kleine metalen cylinder gekit, waaraan het ene einde van het smeltstuk verbonden is en die voor grotere stroomsterkte dikker wordt, doch van gelijke lengte blijft en die juist past in de opening van de porseleinen pasring, waarvan de onderzijde tevens als contactplaat dient. Het andere einde van het smeltstuk is gesoldeerd aan een metalen schijfje (fig. 4), dat eveneens vastgekit is. Dit schijfje stuit tegen de messingvoering van de schroefkop, die via de messingschroefring (r) van de veiligheidhouder met de aansluitklem b is verbonden. In het metalen schijfje is een gekleurd plaatje aangebracht, dat door een parallel met het smeltstuk geschakelde kendraad wordt vastgehouden. Dadelijk na het stukgaan van het smeltstuk bezwijkt ook de kendraad en het gekleurde plaatje valt af. Men kan dus direct zien, of de patroon al dan niet doorgesmolten is. De kleur van het plaatje is een aanduiding voor de stroomsterkte. De stroomsterkten zijn als volgt genormaliseerd:
2 A rood 20 A blauw 80 A goud
4 A bruin 25 A geel 100 A rood
6 A groen 35 A zwart 125 A geelrood
10 A rood 50 A wit 160 A koper
15 A grijs 60 A koper 200 A blauw
Stop- of patroonveiligheden voor spanningen hoger dan 750 V stuiten af op technische bezwaren. Andere bekende fabrikaten zijn van de A.E.G. het zedesysteem, dat geheel met het Diazed-systeem overeenstemt, en het geadulsysteem, waarbij niet alleen de diameter groter doch tevens de lengte van het contactstuk kleiner wordt, wat de onverwisselbaarheid vergroot.
Het smeltstuk van patroon en stopveiligheden is van zilver. Stop en patroon zijn zeer eenvoudig en zonder enig gevaar te vernieuwen. Deze veiligheden worden hoofdzakelijk toegepast voor kleine stromen en daar, waar de bediening door technisch onbevoegden moet geschieden, bijv. in huisinstallaties e.d.
Wanneer het smeltstuk niet in een luchtdicht afgesloten ruimte is ondergebracht, spreekt men van open veilig- veiligheid heden. Bij de stripveiligheid is het smeltstuk aangebracht tussen twee op isolatiemateriaal aangebrachte klemmen. Deze veiligheden mogen slechts in afgesloten ruimten toegepast worden. Ze worden vervaardigd voor zeer grote stromen, tot 6000 A toe. Ten einde de lichtboog, die bij doorsmelting ontstaat, te doven, brengen verschillende firma’s zgn. hoornveiligheden in de handel. De boog klimt langs de naar buiten gebogen hoorns omhoog en dooft zichzelf. Zij zijn hoofdzakelijk bestemd voor de beveiliging van buitenleidingen. De S.S.W. heeft stripveiligheden in de handel gebracht, waarbij het smeltstuk gemonteerd is in een porseleinen kast tussen twee messen, die in twee contactveren grijpen, zodat de verwisseling eenvoudig en onder spanning kan geschieden. Deze stripveiligheden zijn de overgang tot de buisveiligheden. Hierbij bevindt zich het smeltstuk in een porseleinen buis en is het verbonden aan twee messen, die met metalen banden om de buis zijn vastgeklemd. Deze messen grijpen in contactveren.
De open veiligheden mogen slechts daar geplaatst worden, waar alleen technisch geschoold personeel toegang heeft en geen brandbaar materiaal in de nabijheid is. De eis van onverwisselbaarheid behoeft hier dus niet gesteld te zijn. Voor hoge spanningen past men zgn. hoogspanningsveiligheden toe. Dit zijn gesloten veiligheden en de patroon heeft een lengte van 30-150 cm. Het smeltstuk is meestal van koper en spiraalvormig, zodat de electro-dynamische kracht bij doorslag de boogdoving in de hand werkt. De patroon zelf is meestal van porselein of glas en gevuld met talk of olie, ten einde betere koeling en boogdoving te verkrijgen.
Er zijn ook enige constructies in de handel, waarbij men het gesmolten smeltstuk weer laat stollen, zodanig, dat het, bijv. bij omkering van het gehele toestel (zoals bij de Stotz-automaat) de normale stroomloop weer herstelt, zodat het meermalen dienst kan doen. Dit heeft dus tot zekere hoogte de voordelen van de onder 2. behandelde automaten.
2. Maximaal-automaten zijn schakelaars, voorzien van momentschakeling, die bij te grote stroomsterkten automatisch uitschakelen. De meest voorkomende constructie berust op de electromagnetische werking. Bij ingeschakelde stand worden de contactmessen door een palinrichting vastgehouden. De stroom wordt geleid door een spoel met ijzeren kern, waarvoor zich een anker bevindt. Overschrijdt nu de stroom de maximaal toelaatbare waarde, dan wordt het magnetisch veld sterk genoeg om het anker te doen aanslaan, ten gevolge waarvan de palinrichting ontkoppeld wordt en de schakelaar door een veer wordt uitgetrokken. De uitschakelstroom is eenvoudig in te stellen door de grootte van de luchtspleet tussen anker en kern te regelen. Dergelijke maximaalschakelaars zijn tegenwoordig ook in de handel voor kleine stroomsterkten voor de beveiliging van huisinstallaties.
II. NULSPANNINGSBEVEIUGING
De maximaalautomaten worden meestal tevens uitgevoerd met nulspanningsbeveiliging, d.w.z. dat bij het wegvallen van de spanning de automaat uitschakelt. Dit is nl. noodzakelijk, wanneer in het bedrijf toestellen of machines voorkomen, die door middel van aanloopinrichtingen in bedrijf gesteld moeten worden, omdat daarbij, alvorens de spanning weer op de tot uitschakeling gebrachte machines aanlooptoestellen teruggezet moeten worden. Ten einde deze beveiliging te verkrijgen, is een spanningsspoel aangebracht. In bedrijfstoestand is het anker aangebracht. In bedrijfstoestand slagen. Valt de spanning weg, dan zal ten gevolge van het afslaan van het anker de palinrichting ontkoppeld worden, waardoor de automaat uitvalt.
III. OVERSPANNINGSBEVEILIGING
Sommige weersverschijnselen kunnen in electrische netten gevaarlijk hoge spanningen doen ontstaan. Sneeuw en regen, die electrische lading meevoeren, atmosferische ontladingsverschijnselen en influentie kunnen hoge statische ladingen op luchtleidingen veroorzaken. Om deze af te voeren wordt tussen leiding en aarde een grote weerstand geschakeld, vroeger nogal eens uitgevoerd als waterstraalaarder waarbij de waterbuis aan de aarde gelegd was en een waterstraal tegen de onder spanning staande leiding spoot of liever druppelde. Wegens de ontwikkeling van vocht door dit arrangement gebruikt men tegenwoordig liever weerstandsmateriaal in vaste toestand. Overspanningen worden veelal afgevoerd door middel van zgn. hoornafleiders, meestal met nog een grote weerstand in de naar de aarde voerende leiding om bij het overslaan van de vonk de stroomsterkte niet te groot te maken. Deze toestellen bestaan uit een tweetal gebogen koperen platen of staven, waarvan de ene aan de leiding en de andere aan aarde ligt. Bij te hoge spanningen slaat de luchtlaag tussen de voeten der hoorns door. De dingsboog dan (daar de geioniseerde lucht, die geringe electrische weerstand biedt, opstijgt) langs de hoorns omhoog en dooft zichzelf. Dikwijls brengt men mechanische en electrische inrichtingen aan om de doving te bespoedigen. Men kan in de beveiligingskring een spoel opnemen, die bij bekrachtiging, d.w.z. bij overslag, de hoorns uit elkaar trekt. Na doving wordt door middel van een veer de uitgeweken hoorn weer in de oude toestand teruggebracht. Gebruikmakend van de werking van een magnetisch veld op een electrische geleider kan men de vonk met een zgn. blaasmagneet wegduwen (wegblazen) en aldus doven.
IV. KABELBEVEILIGING TEGEN KORTSLUITINGEN
Bij transmissieleidingen zal de stroom, die aan de ene zijde intreedt, deze aan de andere zijde moeten verlaten, tenzij de kabel defect is, zgn. aardsluiting, heeft, of dat bij een meervoudige kabel er contact is tussen de verschillende aderen van de kabel. Is dit contact met een andere ader of met de aarde innig, dan zal er een flinke kortsluitstroom ontstaan, en kan men de onder 2 besproken maximaalautomaten bezigen, of hetzelfde principe in andere vorm: door maximaalrelais toe te passen, die dan een schakelaar op de bovenbeschreven wijze uitschakelen. Dit wordt vaak toegepast met zgn. tijdvertraging, d.w.z. de relais werken niet onmiddellijk, als die sterke stroom optreedt, maar enige seconden later, en de tijd is dan dikwijls instelbaar, en wel om zgn. selectieve beveiliging te kunnen toepassen, d.w.z., dat men de dicht bij de electriciteitsfabriek (of het transformatorstation) gelegen kabels een langere tijdvertraging geeft, zodat bij storing in een zgn. uitloper, deze kabel met zijn kortere tijdinstelling door de kortsluitstroom uitschakelt, voordat de toevoerkabel nog gelegenheid kreeg uit te schakelen. Deze en de overige „gezonde” kabels, die daarmee verbonden zijn, blijven dus, als die ene uitloper alleen defect is, volledig in werking; de beveiligingsinrichting heeftuitgezocht, geselecteerd, welke kabel defect was en alleen die uitgeschakeld. Daardoor wordt dus een zo klein mogelijk deel van het gehele net onderbroken. Dit is wel mooi, maar ten eerste worden de kortsluitstromen, indien nu in die dicht bij de centrale gelegen kabel eens een defect optreedt, heel groot, en de tijd voordat uitschakeling geschiedt, wordt relatief lang, zodat er dus nogal onheil kan worden gesticht, en ten tweede werkt de beschreven inrichting alleen, wanneer er al een flinke kortsluiting is, en men wil liever gewaarschuwd worden, wanneer die „in de maak” is, voordat de grote stroom met zijn verwoestende werking optreedt. Vandaar, dat men liever arrangementen toepast, waarbij die beide bezwaren worden ondervangen. Tegen het eerste euvel dienen de zgn. afstandsrelais, die automatisch zorgen, dat de uitschakel tijd korter wordt bij eenzelfde grote stroomsterkte, naarmate de beveiligingsinrichting zich dichter bij het punt, waar de kortsluiting optreedt, bevindt. Dit geschiedt door gebruikmaking van het feit, dat de impedantie (wisselstroomweerstand) van centrale naar aansluitpunt van een relais geringer is, naarmate dat punt dichter bij de centrale is gelegen, zodat de relaisspoel, die op die uitschakeltijd werkt, meer stroom krijgt en het tijdrelais meer tegenwerkt dan een dicht bij de storing gelegen relais.
Het tweede doel wordt bereikt door een differentiaalschakeling toe te passen; dit kan op verschillende manieren, maar steeds brengt de verschilstroom tussen ingaande en uitgaande stroom van de kabel het relais in werking en de kabelschakelaar tot uitschakeling. Men kan deze relais zeer gevoelig construeren, zodat ze bij een heel klein verschil in stroomsterkte al in werking komen en dus een beginnende fout al in de kiem verklappen. Op dezelfde wijze kan men tewerk gaan bij
V. BEVEILIGING VAN GENERATOREN EN TRANSFORMATOREN
Deze worden dus vaak maximaal beveiligd, maar vanwege de hierboven genoemde bezwaren komen daar ook dikwijls differentiaalbeveiligingen voor, en bij generatoren bovendien ook terugwattrelais, die de machine van het net schakelen als door een of andere oorzaak — bijv. het onklaar raken van een regulateur of het warmlopen van een as of een kortsluiting in de statorwikkeling van de generator energie vanuit het net in de generator teruggeleverd zou worden.
Bij transformatoren kan men met de Buchholzbeveiliging, die berust op het verschijnsel, dat bij overmatige verwarming in de koelolie gasbellen opstijgen, die men voor uitschakeling kan laten functionneren, eveneens beginnende fouten ontdekken voordat ze ernstige gevolgen hebben.
Er zijn nog legio andere beveiligingen, vaak op het impedantie- of het differentiaalprincipe berustend, het bovenstaande geeft, zoals gezegd, slechts het allervoornaamste op dit gebied.
PROF. IR E. J. F. THIERENS
