Februari 2024
Doordacht DC-installaties ontwerpen
Gelijkspanning wint aan terrein door onder meer de energietransitie. De kennis om een goed DC-systeem te ontwerpen is echter nog lang niet op peil. Hiervoor is het belangrijk om de verschillen te (onder)kennen tussen het ontwerp van een AC- of een DC-systeem. Hoe zien de bijbehorende besturingskasten er bijvoorbeeld uit, welke veiligheidsmaatregelen moeten in welke situatie worden genomen en hoe zit het met de plaatsing van kasten in de buitenlucht?
In november organiseerde Rittal in samenwerking met DC-specialist Henry Lootens een themadag over DC-installaties. Het aantal deelnemers maakte duidelijk dat de belangstelling voor gelijkspanning groot is en leidde ook tot vele praktische vragen. Theo Gerritzen van Rittal: ‘Als Rittal omvat ons assortiment niet bijzonder veel afzonderlijke componenten die speciaal zijn gecertificeerd voor gelijkspanning. Maar onze kennis en ervaring met betrekking tot kastontwerpen, gecombineerd met specifieke kennis over DC, is een uitstekende basis om cruciale aandachtspunten te benoemen.’
Essentieel voor energietransitie
Dat de belangstelling voor DC toeneemt, is wat extern DC-specialist Henry Lootens betreft terecht: ‘Het is vooral de energietransitie die het in een stroomversnelling brengt’, weet hij. ‘De opwekking van duurzame energie door zon en wind levert gelijkspanning op, maar ook het regelen van de energiestromen per woning of per straat of buurt is makkelijker met DC. Daarbij zal vermogenselektronica steeds belangrijker worden om hybride vormen mogelijk te maken: energiesystemen waarin zowel AC als DC wordt toegepast en waar bijvoorbeeld conversie van deze twee vormen aandacht behoeft.’
DC is tevens populair omdat het een van de oplossingen is om netcongestie te voorkomen. Hoewel netcongestie volgens Lootens in sommige gevallen uitsluitend op papier bestaat. In Nederland heeft het net namelijk een verplichte buffer om de beschikbaarheid van stroom te garanderen. Dat betekent dat er eigenlijk altijd voldoende ruimte beschikbaar is op het net om energie terug te nemen, maar dat die ruimte volgens de wet- en regelgeving niet mag worden gebruikt. Ook contracten kunnen de oorzaak zijn van een virtuele netcongestie. Bijvoorbeeld wanneer uitgegaan wordt van een gelijktijdigheid die maar zelden voorkomt.
Lootens: ‘Samenvattend kun je zeggen dat je met DC een eenvoudiger energiesysteem kunt opzetten dat volledig elektronisch en voorspelbaar is. Tevens reduceert DC het ruwe materiaalgebruik, omdat je minder koper nodig hebt en uiteraard past het bij de opwekking van duurzame energie.’
De verschillende veiligheidszones in een net.
Ontwerpen met DC
Hoewel het bij zowel DC als AC gaat om elektrische energie die uiteindelijk wordt omgezet naar bijvoorbeeld beweging of licht, is het ontwerpen met beide typen systemen niet hetzelfde. Voor DC is gedegen elektrotechnische én elektronica-kennis noodzakelijk, waarbij de ontwerper rekening moet houden met veel actieve toestellen en componenten en een beperkt kortsluitvermogen. Lootens: ‘DC is écht anders dan AC. Sterker nog: het is niet te vergelijken. Aandachtspunten bij het ontwerpen van DC-installaties liggen bijvoorbeeld in het beperken van de inschakelstroom, het bepalen van het kortsluitvermogen en rekening houden met polariteit én directionaliteit. Waar AC immers 50 keer seconde van polariteit wisselt, geldt dit voor DC niet. Bovendien is het bij DC mogelijk dat de stroom twee kanten oploopt, waardoor je kunt afnemen en voeden.’
In de praktijk hebben ontwerpers te maken met enerzijds volledig gedefinieerde DC-installaties waarvan alle componenten bekend zijn en de installaties zelf zijn door te rekenen. Anderzijds is dit niet het geval bij zogenaamde open DC-installaties waar niet alle componenten bekend zijn en het lastiger is om de juiste veiligheidsmaatregelen te definiëren. Verder wordt er bij DC onderscheid gemaakt tussen actieve DC-netten en passieve varianten. Actieve DC-netten bevatten een installatiebeheersysteem dat aanwezige componenten controleert en aanstuurt of gebruik maakt van een netgedragscode voor gedrag van autonome of via communicatie met elkaar verbonden componenten. Het congestiemanagement verloopt in dat geval op basis van spanningsniveau of datacommunicatie en er wordt vooral gebruik gemaakt van elektronische beveiligingen. Passieve DC-netten maken juist vooral gebruik van mechanische componenten, voorzien in autonome componenten, terwijl het schakelgedrag kan leiden tot flinke stroomveranderingen die verstrekkende gevolgen kunnen hebben.
Veiligheidszones
Om de juiste veiligheidsmaatregelen te kunnen nemen, zijn er verschillende risicoklassen gedefinieerd die zijn opgedeeld in zones. Zone 0 is daarbij de meest gevaarlijke met onbeschermde bronnen, zoals batterijen, grote pv-installaties, het net en synchrone machines. Zone 1 betreft beschermde bronnen met een hoge kortsluitstroom, terwijl zone 2 veiliger is met beschermde bronnen met een beperkte kortsluitstroom. Zone 3 en 4 hebben betrekking op respectievelijk elektronische bronnen met een zeer beperkte overstroom en elektronische beveiligingen (3) en een enkele elektronische bron (4). De laatste zone is de enige zonder bidirectionaliteit.
Lootens: ‘De eisen die aan de competenties van de ontwerper en installateur worden gesteld zijn per zone verschillend. Zo moet de ontwerper rekening houden met de verschillende beschermingsmaatregelen per zone en de juiste manier van aarden. De installateur zelf moet goed weten in welke zone hij werkt en zich ervan verzekeren dat hij voor die zone de juiste training heeft gevolgd.’
‘Met DC kun je een eenvoudiger energiesysteem opzetten dat volledig elektronisch en voorspelbaar is’
Wet- en regelgeving
De themadag maakt duidelijk dat de wet- en regelgeving nog niet optimaal is afgestemd op het ontwerpen van DC-systemen. Met andere woorden: de ontwerper zal zelf goed moeten weten waar hij mee bezig is, omdat in DC-installaties de kans op bijvoorbeeld overspanning groter is en de elektronica gevoelig. Dit leidt tot de noodzaak om inschakelstromen altijd te beperken door bijvoorbeeld softstarters toe te passen.
Lootens: ‘Verder bestaat het fenomeen dat de lekstromen van DC-installaties kunnen leiden tot ernstige corrosie aan installatie- of gebouwonderdelen. Ook daar moet een ontwerper rekening mee houden, door gebruik te maken van kwalitatief hoogwaardige componenten en bescherming van eventueel het staal van de constructie door isolatie of aarding.’
‘De keuze van DC-componenten is sowieso een zaak die aandacht vraagt en voor een belangrijk deel de kwaliteit en veiligheid van een DC-installatie bepaalt. Tot slot moet een ontwerper ervoor zorgen dat bij de oplevering van de installatie de schema’s en een goede handleiding beschikbaar zijn evenals goede afschakelvoorschriften met betrekking tot spanningsloosheid.’
Een hybride systeem waar AC en DC wordt gecombineerd.
Ontwerpen schakelkast
In de basis is het ontwerp van een schakelkast voor een DC-systeem gelijk aan elke andere schakelkast: de ontwerper kijkt daarbij naar de warmteontwikkeling die ontstaat door de verschillende componenten en zet deze af tegen de warmte die een kast kan afvoeren.
Theo Gerritzen: ‘Het berekenen van de warmteontwikkeling bij DC is anders dan bij AC. Om een voorbeeld te noemen: bij AC wordt in de berekening voor de waarde van ‘de stroom’ de effectieve waarde van de wisselstroomcomponent genomen. Voor gelijkstroom geldt juist het rekenkundige gemiddelde. Wanneer de totale warmteafgifte bekend is, moet worden bekeken of deze warmte in voldoende mate kan worden afgevoerd. Bijvoorbeeld door natuurlijke ventilatie of – als dat niet voldoet –geforceerde koeling. Daarbij is het af te raden om op de grens van de mogelijkheden te gaan zitten. Zo neemt de levensduur van elektronica-componenten met de helft af bij een verhoging van 10 K ten opzichte van de bedrijfstemperatuur. Daarbij neemt uiteraard ook de kans op uitvallen toe.’
Belangrijk bij het ontwerpen van een schakelkast is om te kiezen voor componenten die speciaal voor DC-toepassingen zijn ontwikkeld en goedgekeurd. Zo zijn er bijvoorbeeld railsteunhouders beschikbaar voor DC-toepassingen die uitgaan van een minimale railhartafstand van 60 mm en zijn er speciale zekeringhouders, schakelaars, lastscheiders en Ri4Power-oplossingen beschikbaar.
Indoor en outdoor
De kennis over het kastontwerp is juist bij DC belangrijk omdat deze kasten ook veelvuldig in een buitenomgeving staan. Bijvoorbeeld bij laadsystemen voor elektrische voertuigen of in de nabijheid van windturbines of pv-velden. Hier is door invloeden van buitenaf de kans op vlam- en lichtbogen groter dan bij binnentoepassingen. Bijvoorbeeld door vervuiling, binnendringen van ongedierte of te hoge binnentemperaturen door aanvullende inwerking van de zon of (zoute of anderszins vervuilde) omgevingslucht.
Voor herhaling vatbaar
De grote belangstelling voor de themadag biedt voldoende aanleiding voor herhaling. Lootens: ‘Er is zoveel informatie te geven over gelijkspanning. Zo hebben we nu nog niet eens de opslag en verdeling onder meer gebruikers besproken; een thema dat bij uitstek bij gelijkspanning hoort en veel mogelijkheden biedt in het kader van de energietransitie en netcongestie. DC is een breed en belangrijk thema. Wanneer installateurs en ontwerpers open staan voor kennisdeling zullen we stap voor stap de goede kant op gaan. Laten we hopen dat de wet- en regelgeving zich met hetzelfde tempo kan aanpassen om vooral duidelijkheid en eenheid te verschaffen in het kader van een veilige en efficiënte installatie.’