Arc-flash in middenspanningsstations: risicoanalyse, etikettering en mitigaties (methode + praktijk)

Focus zoekwoord: arc-flash middenspanning

Arc-flash (vlamboog) is een van de meest onderschatte risico’s in middenspanningsstations (MV). Waar kortsluitberekeningen vooral gaan over thermische/mechanische belasting van installaties en aanraakveiligheid over spanningsloos werken en aard-/kortsluitvoorzieningen, gaat een arc-flash studie over thermische energie en druk/geluid die vrijkomen bij een vlamboog — en dus over brandwondenrisico, werkmethode, PBM-keuze en toegangsbeperkingen.

1) Wanneer is arc-flash relevant in MV-stations?

Typische scenario’s

Schakelhandelingen (in-/uitschakelen van velden, lastscheiders, vermogensschakelaars): met name bij twijfelachtige installatieconditie, vervuiling, verkeerde interlocks of bedieningsfouten.
Foutinschakeling (closing onto fault): inschakelen op een bestaande fout (bijv. kabeldefect, interne veldfout, verkeerde aardingsstand, fase-fase of fase-aarde).
Onderhoud en testen: afdekkingen open, compartimenten toegankelijk, gereedschap in de buurt van onder spanning staande delen, tijdelijke meetsnoeren, secundaire injectie/functional tests, of werkzaamheden in de nabijheid van spanningsvoerende delen.
Onvoorziene omstandigheden: vocht/condens, vervuiling, veroudering, losse verbindingen, onvoldoende aarding, mechanische schade, dieren/ongedierte, of falende isolatie.

Arc-flash vs. kortsluitveiligheid vs. aanraakveiligheid

Kortsluitveiligheid: dimensionering van kabels/rails/schakelapparaat op basis van (symmetrische) kortsluitstromen, piekstromen en I²t. Dit voorkomt schade aan apparatuur, maar zegt weinig over energie op de werkplek.
Aanraakveiligheid: voorkomen dat iemand spanning kan aanraken (IP-graden, afscherming, aarding), en veilig spanningsloos stellen (LOTO, controleren, aarden en kortsluiten). Dit voorkomt elektrocutie, maar niet automatisch brandwonden door een vlamboog bij (onbedoeld) onder spanning werken of schakelen.
Arc-flash (vlamboog) risico: gaat over incident energy (hoeveel warmte-energie een persoon kan ontvangen) en arc boundary (afstand waarboven het brandwondenrisico onder een gekozen grens komt). Dit stuurt PBM, werkafstand, werkvergunning en bedieningsstrategie (lokaal vs. remote).

Praktische vuistregel: arc-flash wordt vooral relevant zodra er kans is dat iemand onder spanning schakelt of in de nabijheid van onder spanning staande delen werkt (ook al is dat “slechts kort”).

2) Stappenplan: arc-flash studie in MV (methode, input en output)

Een arc-flash studie is in de kern een rekenkundige vertaling van: hoe groot is de boogstroom, hoe snel schakelt de beveiliging af en op welke afstand staat de medewerker. In MV-stations is de afschakeltijd vaak de dominante factor: elke tiende seconde kan een groot verschil maken in incident energy.

Stap 0 — Scope en cases bepalen

Welke spanningsniveaus (bijv. 10/20/30 kV) en welke velden (inkomers, railkoppelaars, trafo-velden, kabelvelden, meetvelden)?
Welke bedrijfsconfiguraties: normaalbedrijf, N-1, noodbedrijf, railgesplitst/gekoppeld, aggregator/DER-invoeding, etc.
Welke werkzaamheden: schakelen met deur dicht, schakelen met deur open (alleen als procedure dit toestaat), onderhoud in secundaire ruimte, primaire ruimte, testen.

Stap 1 — Eénlijnschema en netgegevens verzamelen

Benodigde input (minimaal):

Netbrongegevens: kortsluitvermogen of Thevenin-impedantie van de netaansluiting op het MV-niveau (of HV/MV trafo + upstream net).
Transformatorgegevens: nominale vermogens, spanningen, vectorgroep, uk% / impedantie, tapstand, en (indien relevant) nulpuntbehandeling (geïsoleerd, weerstand, spoel, direct geaard).
Kabels en verbindingen: type, lengte, doorsnede, installatiecondities (om impedantie/weerstand te bepalen).
Schakelinstallatie: type (luchtgeïsoleerd/AIS, gasgeïsoleerd/GIS, compact), schakelaar/lastscheider type, nominale gegevens, interne compartimenten.
Aardfoutpad: aardingsvoorzieningen, aardrail, aardweerstanden, en verwachte aardfoutstromen (sterk bepalend bij fase-aarde bogen in bepaalde netten).

Stap 2 — Kortsluit- én boogstroom bepalen (arc current)

Een arc-flash berekening start vaak met de beschikbare kortsluitstroom, maar rekent daarna door naar een boogstroom die doorgaans lager is dan de bolted fault current. Dat is cruciaal, want een lagere stroom kan ertoe leiden dat een beveiliging trager aanspreekt (in een tijd-overstroomcurve), wat de incident energy juist verhoogt.

Praktisch betekent dit dat je altijd checkt:

Wordt de fout in de berekening gezien als fase-fase of fase-aarde?
Welke gap/afstand is aannemelijk binnen het compartiment?
Is er sprake van open air (bijv. buiten AIS) of box (in een compartiment)?

Stap 3 — Afschakeltijden modelleren (bescherming + schakelaar)

Benodigde input:

Relaisinstellingen (50/51, 50N/51N, 67/67N, differentiaal 87, busbar 87B, etc.).
Curve-types (IEC/IEEE), pickup-waarden, tijdconstanten, instantaan/definite time, blokkeringslogica.
Schakeltijden: relais detectie + uitgang, triprelais, mechanische openingstijd schakelaar, eventuele boogtijd/brandtijd in het toestel.
Back-up beveiliging (upstream/downstream) en de impact van selectiviteit.

Tip: modelleer niet alleen “nominale” clearing time, maar ook een conservatieve case met langere tijden (bijv. door back-up beveiliging), zodat je weet waar de echte worst-case zit.

Stap 4 — Incident energy en arc boundary berekenen

Output die je minimaal wil vastleggen per veld/werkpunt:

Incident energy op een gedefinieerde werkafstand (cal/cm² of J/cm²), passend bij de werkmethode.
Arc boundary: afstand waar incident energy onder de gekozen grenswaarde komt (vaak gekoppeld aan een 2e-graads brandwondcriterium of bedrijfsnorm).
Clearing time (s) en de bepalende beveiligingsfunctie (bijv. 51, 50, 87B).
Arc current én de onderliggende beschikbare kortsluitstroom (transparantie voor review).
Assumpties: configuratie, tapstand, schakelsituatie, deur open/dicht, type fout.

Stap 5 — Review, validatie en borging

Laat de studie reviewen door iemand die zowel netberekeningen als beveiliging begrijpt.
Check of de berekende boogstroom niet “tussen” instellingen valt waardoor de beveiliging trager wordt dan verwacht.
Leg vast hoe en wanneer je herberekent (bijv. bij netverzwaring, trafo-wissel, kabelaanpassing, nieuwe relaisinstellingen of andere selectiviteitsfilosofie).

3) Rol van beveiligingsinstellingen en schakeltijden

In MV-stations is arc-flash vaak geen “apparatuurprobleem” maar een tijdprobleem. Hoe langer de boog brandt, hoe hoger de incident energy. De beveiligingsfilosofie heeft dus directe impact.

Selectiviteit: veilig voor het net, soms ongunstig voor arc-flash

Selectiviteit (relaiscoördinatie) voorkomt dat een grote upstream schakelaar onnodig het hele station afschakelt. Maar selectiviteit kan betekenen dat upstream beveiliging bewust vertraagt om downstream eerst te laten afgaan. Als de boog in het station zelf zit (bijv. rail/veld), kan die vertraging incident energy sterk verhogen.

Praktijkoplossing: gebruik waar mogelijk snelle, zonegerichte beveiliging (bijv. busbar differentiaal) voor interne fouten, zodat selectiviteit voor externe fouten behouden blijft zonder lange clearing times voor interne bogen.

Instantane tripping (50) en “arc-flash mode”

Instantaan (50) kan clearing time drastisch verkorten, mits de boogstroom boven de pickup komt.
In MV kan de boogstroom lager uitvallen dan gedacht; daarom is het belangrijk om boogstroomcases mee te nemen in de instellingsevaluatie.
Een veelgebruikte aanpak is een tijdelijk versnelde stand (“maintenance mode” / “arc-flash mode”) tijdens werkzaamheden, zodat de beveiliging sneller aanspreekt. Dit moet altijd procedureel geborgd zijn (wie mag het activeren, hoe wordt teruggezet, welke risico’s voor ongewenst afschakelen).

Busbar protection (87B) en interlocking

Railbeveiliging (87B) is vaak de meest effectieve maatregel tegen hoge incident energy bij railfouten: snel en selectief binnen de zone.
Interlocking (mechanisch/elektrisch) voorkomt foutinschakeling en verkeerde bedieningsvolgorde. Minder kans op de boog zelf is even belangrijk als snelle clearing.
In moderne installaties zie je combinaties met snelle detectie (bijv. licht/druk) die trip versnellen. De essentie blijft: tijd omlaag en foutkans omlaag.

De “bottleneck”: totale clearing time

Vergeet de mechanische en logische vertragingen niet. De totale clearing time is typisch:

detectietijd beveiliging (ms tot tientallen ms),
logica/blokkeringen (ms),
tripcircuit (ms),
openingstijd schakelaar (typisch tientallen ms),
boogdoving (apparaatafhankelijk).

Juist bij retrofit kan winst zitten in tripcircuit, onderhoud aan de schakelaar, en het voorkomen van onnodige intentional delays.

4) Etikettering & werkvoorbereiding: van berekening naar PBM en werkwijze

Wat moet er op een arc-flash label staan?

Doel van labeling is dat een bevoegd persoon ter plekke de kerninformatie ziet om veilig te kunnen handelen. Een praktisch label bevat minimaal:

Identificatie: station/veld/compartiment, unieke assetcode, spanningsniveau.
Incident energy op een expliciete werkafstand (bijv. “X cal/cm² @ 60 cm”).
Arc boundary (afstand) en wat het betekent (“binnen deze afstand alleen met juiste PBM/werkmethode”).
Benodigde PBM-klasse of minimaal vereiste arc-rating (ATPV/EBT), conform jullie interne PBM-matrix.
Clearing time en/of bepalende beveiligingsfunctie (optioneel maar zeer waardevol voor engineers).
Datum studie en versie/referentie, plus een trigger voor herbeoordeling (bij wijzigingen).
Waarschuwingstekst: “Arc-flash/arc-blast hazard” + instructie om werkvergunning/LOTO-procedure te volgen.

Let op: labels zijn geen vervanging van werkvoorbereiding. Ze zijn een “laatste informatiepunt” op locatie.

Hoe vertaal je resultaten naar PBM?

De vertaling gaat idealiter via een bedrijfsbrede PBM-matrix waarin je incident energy-banden koppelt aan:

arc-rated kleding (cal/cm²),
gelaatsscherm/kap,
handschoenen, gehoorbescherming en helm,
aanvullende eisen (bijv. leren overhandschoenen, nekbescherming).

Belangrijk is dat de PBM-keuze onderbouwd is door het label (incident energy @ werkafstand) én door de werkmethode (deur dicht/ open, nabijheid, toolgebruik). Bij MV-schakelhandelingen met deur dicht kan de werkafstand en blootstelling anders zijn dan bij werken in een open compartiment.

Werkvoorbereiding: methode, toegang en LOTO/werkvergunning

Werkvergunning: beschrijf de taak, de toegestane handelingen, afschermingen, en de vereiste competenties (bijv. WV/MV, schakelbevoegdheid).
LOTO: spanningsloos stellen, vergrendelen, labelen, controleren op spanningsloosheid, aarden en kortsluiten waar vereist, en afschermen tegen nabijgelegen spanningsvoerende delen.
Toegangsbeperking: bepaal wie binnen de arc boundary mag komen en onder welke condities (PBM, toezicht, taakduur).
Tooling & werkwijze: geïsoleerd gereedschap, meetmethode, volgorde van handelingen, ‘hands-off’ waar mogelijk.
Pre-job briefing: bespreek het label, de studiecase die van toepassing is, en “stop work”-criteria (afwijkingen, vocht/condens, vreemde geluiden, interlock die niet klopt).

5) Praktische mitigaties (ontwerp en retrofit) om incident energy te verlagen

Mitigaties vallen grofweg in drie lagen: (1) kans verlagen dat een boog ontstaat, (2) tijd verkorten dat de boog brandt, en (3) blootstelling verminderen van mensen.

A) Faster clearing: sneller afschakelen

Optimaliseer relaisinstellingen met boogstroom in gedachten (niet alleen bolted faults).
Gebruik zonebeveiliging (bijv. raildifferentiaal) voor interne fouten.
Maintenance/arc-flash mode tijdens werkzaamheden met duidelijke procedure en terugzetcontrole.
Verminder onnodige intentional delays waar dat kan zonder netrisico’s te introduceren.
Controleer schakelaarconditie: trage mechanica of slechte blusmedia verhogen effectieve clearing time.

B) Onderhoudstoestand en betrouwbaarheid

Condition based maintenance: slechte contacten, vervuiling en vocht verhogen arc-kans.
Test tripketen (tripcircuit supervision waar mogelijk) om verborgen vertragingen te vermijden.
Kalibratie/functional tests van beveiliging en interlocks.

C) Remote switching en afstand vergroten

Remote bedienen van schakelaars (bediening op afstand, portable remote pendant, of SCADA) vermindert blootstelling.
Werkafstand expliciet maken in procedures (bijv. positionering bij schakelen).
Fysieke barrières en blast-bestendige deuren waar passend.

D) Compartimentering en ontwerpkeuzes

Compartimentering (gescheiden kabel-, rail-, schakelaarcompartimenten) beperkt escalatie en kan de blootstelling bij bepaalde handelingen reduceren.
Arc-classificatie van schakelinstallaties (interne boogvastheid) kan de gevolgen van een boog beheersen, mits correct ontworpen en geïnstalleerd.
Interlocking en foutpreventie: ontwerp zodat verkeerde handelingen fysiek/elektrisch onmogelijk zijn.

E) Organisatorische maatregelen

Competentie en bevoegdheden: heldere rolverdeling (installatieverantwoordelijke, werkverantwoordelijke, uitvoerende).
Standaard werkinstructies voor schakelen en voor werkzaamheden nabij spanning.
Wijzigingsbeheer: elke wijziging in netconfiguratie of beveiliging kan arc-flash resultaten veranderen; borg herberekening en herlabeling.
Incident learning: registreer bijna-ongevallen (interlocks, verkeerd schakelen, afwijkende geluiden) en vertaal naar verbetermaatregelen.

6) Praktische checklist (samenvatting)

Voor engineers (studie & ontwerp)

Heb je alle bedrijfsconfiguraties (normaal/N-1/railkoppeling) doorgerekend?
Zijn boogstroomcases gecontroleerd op “trage aanspreking” door instellingen?
Is de totale clearing time realistisch inclusief schakelaarmechanica?
Zijn quick-win mitigaties (instellingen, maintenance mode, busbar protection) beoordeeld?

Voor werkverantwoordelijken (werkvoorbereiding)

Is de juiste labelcase van toepassing op de taak (deur dicht/open, compartiment)?
Is PBM afgestemd op incident energy én werkmethode?
Zijn LOTO, spanningsloosheidscontrole, aarden/kortsluiten en afscherming geborgd?
Is remote switching mogelijk en ingepland?

Voor uitvoerenden (op locatie)

Lees label en volg werkvergunning; bij afwijkingen: stop en overleg.
Controleer omgeving (vocht, schade, afwijkende geur/geluid, blokkeringen/interlocks).
Houd werkafstand aan en voorkom onnodige blootstelling binnen de arc boundary.

Veelgestelde vragen (FAQ)

Is arc-flash in MV altijd “hoog” en dus vooral een PBM-kwestie?

Nee. In MV kan incident energy variëren van laag tot zeer hoog, afhankelijk van netsterkte, compartimenttype, boogstroom en vooral clearing time. Daarom zijn ontwerp- en instellingskeuzes vaak effectiever dan alleen zwaardere PBM.

Wanneer moet ik labels updaten?

Altijd bij wijzigingen die kortsluitniveau of afschakeltijd beïnvloeden: netverzwaring, trafo-wissel/tapstandbeleid, kabelwijzigingen, nieuwe beveiligingsinstellingen, of veranderingen in bedrijfsvoering (bijv. railconfiguraties). Leg daarnaast een periodieke review vast (bijv. elke paar jaar) als onderdeel van wijzigingsbeheer.

Kan ik incident energy verlagen zonder selectiviteit op te offeren?

Vaak wel, door zonebeveiliging (zoals raildifferentiaal) voor interne fouten, en door tijdelijke versnelde standen tijdens onderhoud. De kunst is om selectiviteit voor externe fouten te behouden, maar interne fouten zo snel mogelijk te verwijderen.

Volgende stap: wil je dat we dit artikel aanvullen met een voorbeeld-label (template), een PBM-matrix (voorbeeldindeling) en een invulbare inputdatachecklist voor de arc-flash studie?