Aardingsinstallaties, beschermingsleidingen,

Transcriptie

1 Katern voor scholing, her- en bijscholing 04 inhoud Een uitgave van Intech Elektro & ICT en OTIB februari Aardingsinstallaties, beschermingsleidingen, potentiaalvereffening (deel 2) Elektrotechniek Aardingsinstallaties, beschermingsleidingen, potentiaalvereffening (deel 2) 4 Stroomdichtheid, elektrische spanning 6 Fotowedstrijd 6 Otib in 2007 Afgelopen maand is alleen de aardingsinstallatie aan de orde gekomen. Deze maand behandelen we de ontwerpeisen die worden gesteld aan potentiaalvereffening, potentiaalvereffeningsleidingen en fundatieaarding en de uitvoering ervan. Bepaling uit NEN 1010 geeft aan dat in elke installatie een hoofdaardrail of klem aanwezig moet zijn, waarop zijn aangesloten de beschermingsleidingen, aardleidingen, basisvereffeningsleidingen volgens bepaling en functionele aarding (indien noodzakelijk). Gaat het om een installatie in een oude woning zonder potentiaalvereffening, dan kan de in afbeelding 1 aangegeven isolatiefout van de schakelleiding fatale gevolgen hebben. Die fout zorgt ervoor dat de cv-leidingen en radiatoren van de woning onder spanning komen te staan. Als deze installatieonderdelen worden aangeraakt, bij gelijktijdig contact met een andere geleidende installatie met aardpotentiaal, overbrugt de mens met zijn lichaam de volle netspanning (U 0 = 230 V). Een dergelijke isolatiefout is zeer gevaarlijk als die optreedt in een schakeldraad van een schakelleiding. De fout - spanning treedt dan namelijk alleen zo nu en 1. Optredende spanningen veroorzaakt door een isolatiefout in de schakelleiding bij een installatie in een oude woning zonder potentiaalvereffening. waterleiding 230 V 230 V cv toevoer- en retourleiding isolatiefout lichtschakelaar vloer onbedoelde aarding (door de verbinding met het waterleidingnet) 04 1

2 aardings - installaties beschermings - leidingen potentiaalvereffening waterleiding 0 V 0 V potentiaalvereffeningsleiding naar PEN van de huisaansluiting potentiaalvereffeningsrail keldervloer (hoofdpotentiaalvereffening) fundatieaarding toevoer- en retourleiding cv lichtschakelaar 2. Optredende spanningen veroorzaakt door een isolatiefout in de schakelleiding bij een installatie met hoofdpotentiaalvereffening. TN-stelsel kwh kwh kwh isolatiefout vloer 4 x (YMvK 3x2,5 mm 2 ) 1 x (YMvK 5x2,5 mm 2 ) verdeelinrichting woningen 3 x (5 x 10 mm 2 NYM-I) meterbordopstelling 3 kwh-meters VD 4x25 mm 2 huisaansluitkast huisaansluitkabel YMvK-as 4x25 mm 2 naar de hoofdgasgeleiding, metalen rioleringsbuizen enzovoort naar de antennemast aardleiding 3. Schematische weergave van de hoofdstroomvoorziening van een woongebouw. dan op, waardoor de plaats van de fout lastig is te lokaliseren. Doel van de hoofdpotentiaal - vereffening Eigenaren van een moderne elektrotechnische installatie (afbeelding 2) zijn beter beschermd. Hun woning beschikt over het algemeen over een uitgebreide hoofdpotentiaalvereffening die vaak in de buurt van de huisaansluiting (meterkast) is geïnstalleerd. Van beslissende betekenis is daarbij de laagohmige verbinding van alle geleidende systemen van de woning, zoals de hoofdwaterleiding, toevoer- en retourleiding van de cv, hoofdgasleiding en soortgelijke installatiedelen, en de PEN-leiding van het distributienet of de beschermingsleiding (PE) van de installatie, via de vereffeningsleidingen naar de potentiaalvereffeningsrail. Deze systemen hebben daarmee allemaal dezelfde elektrische potentiaal en bezitten bij een eventuele fout dezelfde spanning ten opzichte van de aarde. Tussen de met elkaar verbonden systemen treedt praktisch geen spanningsverschil (potentiaalverschil) meer op. Heeft de woning bovendien een fundatieaarding, dan wordt de hoofdpotentiaalvereffening met een aardleiding gelegd tussen potentiaalvereffeningsrail en fundatieaarding geaard. Door de aarding neemt tegelijkertijd ook de potentiaal toe van minder goed geleidende bouwdelen, zoals vloeren of metselwerk. De grootte van de aardverspreidingsweerstand van de fundatieaarding is daarbij slechts van ondergeschikt belang. Door de PEN- of PE-leiding mee te nemen is het bovendien zeer waarschijnlijk dat de isolatiefout tot afschakeling van de smeltveiligheid in de eindgroep of van een aardlekschakelaar (aardlekautomaat) leidt en de eindgroep met het defect van het net wordt gescheiden. Kleinst toelaatbare doorsnede Voor de potentiaalvereffenings- en aardleidingen in afbeelding 2 en de aardelektroden (fundatieaarding) moet volgens NEN rekening worden gehouden met van elkaar verschillende minimale kerndoorsneden. De doorsnede van de potentiaalvereffeningsleidingen hangt onder meer af van het feit of ze behoren tot 04 2

3 beschermings - leidingen potentiaalvereffening opgave de hoofdpotentiaalvereffening van een woning of een aanvullende potentiaalvereffening. Als aanvullende potentiaalvereffening geldt bijvoorbeeld de potentiaalvereffening voor ruimten met een bad of douche. Bij de hoofdpotentiaalvereffening bepaalt de doorsnede van de grootste beschermingsleiding van de installatie de doorsnede van de potentiaalvereffeningsleiding. De doorsnede van een beschermingsleiding (PE) hangt op zijn beurt weer af van de doorsnede van de bijbehorende fasen (L1, L2, L3). Hoofdpotentiaal vereffenings leidin - gen mogen geen kleinere doorsnede dan S = 6 mm 2 hebben en hoeven bij toepassing van koper geen grotere waarde dan S = 25 mm 2 te hebben. De tabel Kleinste doorsnede bevat meer informatie. Het begrip grootste beschermingsleiding van de installatie kan worden toegelicht aan de hand van de schematische voorstelling van het hoofdvoedingsplan van een woongebouw in afbeelding 3. Huisaan - sluitkast (HAK) en meterbordopstelling voldoen in deze installatie aan de eisen voor beschermingsklasse II (dubbele isolatie) en hebben geen beschermingsleiding nodig. De PEN-leiding in de draadbundel 4x25 mm 2 Cu (bijvoorbeeld H07V-U in buis) tussen HAK en meterbord komt daarom niet in aanmerking als de grootste beschermingsleiding van de installatie, hoewel deze de functie van beschermingsleiding in de installatie van de verbruiker transporteert. De beschermingsleidingen in de YMvK 5x10 mm 2 kabels tussen meterbord en woningverdeelinrichtingen dienen echter kleinste doorsnede nominale kerndoorsnede van fasen S 10 mm 2 S = 16 mm 2 S = 25 mm 2 of 35 mm 2 S = 50 mm 2 S 70 mm 2 beschermingsleiding S PE = S S PE = 16 mm 2 S PE = 16 mm 2 S PE = 25 mm 2 S PE = S 2 Kleinste doorsnede van beschermingsleidingen (PE) en potentiaalvereffeningsleidingen (PV) voor de hoofdpotentiaalvereffening. als gemeenschappelijke beschermingsleiding voor de hierachter geschakelde eindgroepen. Zij gelden daarom als grootste beschermingsleiding van de installatie en vormen het uitgangspunt voor de dimensionering van de hoofdpotentiaalvereffeningsleiding. In overeenstemming met de tabel geldt: S = 10 mm 2 Cu => S PE = S = 10 mm 2 Cu => S PV = 6 mm 2 Cu. De kleinste doorsnede van een aardleiding die niet in de grond is gelegd, komt overeen met de doorsnede van een beschermingsleiding. Bij aanleg in de grond of in de gebouwfundatie komen in de regel andere materialen dan koper in beeld, bijvoorbeeld gegalvaniseerd staalband. Via de potentiaalvereffeningsrail wordt meestal ook de antennemast van de woningantenne met de fundatieaarde verbonden. Let op: Voor de verbindingsleiding tussen antennemast en potentiaalvereffeningsrail is volgens de norm een kleinste doorsnede nodig van 16 mm 2 Cu, geïsoleerd of blank, potentiaalvereffeningsleiding S PV = 6 mm 2 S PV = 10 mm 2 S PV = 10 mm 2 S PV = 16 mm 2 S PV = 25 mm 2 Cu en uitgevoerd als enkeladerige massieve draad. Ook de doorsnede van de aardleiding tussen potentiaalvereffeningsrail en fundatieaarding moet ten minste aan bovenstaande eisen voldoen. Een opgave over dit onderwerp Een monteur in opleiding is de mening toegedaan dat de in afbeelding 1 aangegeven isolatiefout in de praktijk niet zo n probleem is, want de verwarmingsinstallatie zal door zijn montagewijze wel voldoende met aarde verbonden zijn. Door de te verwachten aardsluitingsstroom zal volgens hem de smeltpatroon of automaat vrijwel ogenblikkelijk aanspreken en wordt de foutplaats van het voedende net gescheiden. Klopt zijn interpretatie? Oplossing: De mening van de leerling is niet juist. Men moet er van uitgaan dat de koppeling tussen de verwarmingsinstallatie en aarde eerder hoog- dan laagohmig is. De cv-leidingen eindigen weliswaar in de kelder of op de zolder van een huis, echter niet in de aarde zoals de hoofdwaterleiding. De aardverspreidingsweerstand moet echter om een afschakeling te bewerkstelligen zo klein zijn dat door de net spanning U 0 = 230 V een veelvoud van de nominale stroom van de automaat of de patroon (meestal I n = 16 A) over de foutplaats gaat lopen. Dit is zeer waarschijnlijk niet het geval. Een scheiding van de defecte eindgroep van het voedende net zal slechts dan optreden wanneer de eindgroep aanvullend door een hooggevoelige aardlekbeveiliging wordt beveiligd, bijvoorbeeld een aardlekschakelaar met I n = 30 ma. 04 3

4 stroomdichtheid elektrische spanning Basiskennis Stroomdichtheid en elektrische spanning In dit artikel wordt uitleg gegeven over het in de praktijk zeer belangrijke en vaak gebruikte begrip stroomdichtheid en over de elektrische spanning als oorzaak voor de ladingsstroming. Hierbij wordt een aanschouwelijke verklaring gegeven van wat we onder elektrische spanning verstaan en welke natuurkundige effecten bij de opwekking van de spanning kunnen worden gebruikt. De elektrische stroom I bestaat uit in beweging gebrachte ladingen: De stroomdichtheid Bij stroom gaat het dus om een bepaalde ladingshoeveelheid Q die in het tijdsinterval t door een bepaalde oppervlakte A van een dwarsdoorsnede gaat. Belangrijk voor veel technische problemen is of een bepaalde stroom I door een kleine of een grote oppervlakte A gaat. Dat kan met stromend water worden vergeleken. Het maakt verschil of een bepaalde hoeveelheid water, die per tijdseenheid vloeit, door een dunne of door een dikke buis stroomt. Bij een doorsnede met een gering oppervlak is de stroomsnelheid hoger dan bij een groter oppervlak. Dit is vergelijkbaar met elektrische stroom, als we de stroomsnelheid van de ladingdragers in ogenschouw nemen. De zogenoemde stroomdichtheid s wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de stroom I en de oppervlakte van de dwarsdoorsnede A, dat wil zeggen: (1) Laten we eens aannemen dat een stroom I = 10 A door een geleider met ronde doorsnede gaat met een diameter van d = 1 mm, dan verkrijgen we voor de stroomdichtheid s met vergelijking (1): De stroomdichtheid is onder andere ingevoerd, omdat geleiders warmer worden naarmate de stroomdichtheid groter is. In zowel leidingen als ook spoelwikkelingen, transformatoren, motoren en generatoren mag de stroomdichtheid bepaalde maximale waarden op de lange termijn niet overschrijden, omdat anders de temperatuur zo hoog wordt dat de isolatie schade oploopt of zelfs in brand gaat. Bij de opgave van de kritische stroomdichtheid (maximaal toelaatbare stroomdichtheid) moeten we in elk geval ook rekening houden met de exacte omstandigheden. Zo is bij leidingen van wezenlijk belang of er een of meer aders naast elkaar liggen of dat ze vrij in de lucht of in een buis zijn geïnstalleerd. Bij installatie in een buis wordt de warmte die ontstaat, natuurlijk niet zo makkelijk naar de omgeving afgevoerd dit beperkt de toelaatbare stroomdichtheid. Deze specifieke waarden worden door de zogenoemde in - stal latiemethode nader bepaald. Afhan ke - lijk van de installatiemethode gelden voor leidingen verschillende waarden voor de maximaal toelaatbare stroomdichtheid, die we in tabellen kunnen opzoeken. In de tabel is de toelaatbare stroom weergegeven voor meeraderige leidingen bij een omgevingstemperatuur van 25 C. Hoe hoger de omgevingstemperatuur, des te geringer is de stroombelastbaarheid. Bij wikkelingen hangt de maximaal toelaatbare stroomdichtheid af van inbouwomstandigheden, zoals groefvorm en manier van wikkelen, maar ook van de koelomstandigheden en nog van een paar andere dingen. Ook hier zijn praktijkwaarden die of in boeken hierover zijn terug te vinden, bijvoorbeeld die over het ontwerp van elektrische machines gaan, of zelf proefondervindelijk zijn vastgesteld. Overigens is, als we er preciezer naar kijken (zie de tabel), de maximaal toelaatbare stroomdichtheid bij geleiders niet constant, maar hangt af van de dwarsdoorsnede. Die hangt samen met het feit dat bij een verdubbelde geleiderstraal het warmteafgevende oppervlak weliswaar ook verdubbelt, maar dat het geleidervolume en daarmee de ontstane warmte verviervoudigt. Later behandelen we nog een vergelijking die dit verband duidelijk maakt. Er geldt: des te groter de geleiderdoorsnede, Alessandro Volta legt Napoleon Bonaparte het principe uit van zijn elektrische zuil, ALESSANDRO VOLTA Alessandro Volta werd op 18 februari 1745 in Como geboren. Al in zijn jeugd interesseerde hij zich voor natuurkundige verschijnselen en op zijn achttiende ging hij werken aan het toen omstreden probleem over het wezen van elektriciteit. In 1774 werd Volta als leraar natuurkunde aan het stedelijk gymnasium in Como aangesteld. Later deed hij de ontdekking dat door het contact van geleidende stoffen elektriciteit ontstaat. De overeenkomstige technische uitvoering zou later, bekend onder de naam zuil van Volta, bij verschillende soorten metalen met water of een zoutoplossing een spanning opwekken. In het begin beperkte men zich tot de uitwerking op de spieren respectievelijk de zenuwen van kikkers die door een stuiptrekking het bewijs van elektriciteit leverden. Volta stierf op 5 maart 1827 in Como. In de Volta Tempel in Como worden waardevolle instrumenten en gedenkwaardigheden bewaard. 04 4

5 stroomdichtheid elektrische spanning kerndoorsnede [mm 2 ] toelaatbare stroom koper [A] stroomdichtheid [A/mm 2 ] , , , , , , ,8 Toelaatbare stromen en stroomdichtheid van geïsoleerde PVC-leidingen volgens NEN 1010:5 hoofdstuk omgevingstemperatuur 25 C; direct aangebracht op of in wanden; een- of meeraderige kabel; basisinstallatiemethode C; twee gelijktijdig belaste aders. des te kleiner wordt de maximaal toelaatbare stroomdichtheid. Elektrische spanning Zoals we weten, bestaat de elektrische stroom uit in beweging gebrachte ladingen die door het geleidermateriaal stromen. Hiervoor is een kracht nodig, die de ladingdragers tegen de weerstand van het geleidermateriaal in doet bewegen. Hoe groter deze spanning, des te groter de kracht op de ladingdragers, des te hoger de stroomsnelheid en des te groter de stroom. In het artikel Van elektrolytbad tot de wet van Faraday (Impuls 3, januari 2007) hebben we gezien dat hierbij de zogenoemde beweeglijkheid b een rol speelt. De beweeglijkheid hangt weer af van het soort leidingmateriaal (koper, aluminium, ) en van de temperatuur. De eigenschap om ladingdragers in beweging te krijgen wordt aangeduid als elektrische spanning U analoog aan de mechanische spanning van een veer. Hoe hoger deze spanning, hoe groter de kracht op de ladingdragers, des te hoger wordt de stroomsnelheid en des te groter de stroom. Welke natuurkundige verschijnselen hebben nu als gevolg dat een elektrische spanning U ontstaat? We zien dat er verscheidene verschijnselen zijn. Als eerste willen we de spanningsopwekking door inductie bekijken. Als het magnetische veld dat door een geleiderwikkeling gaat, in de tijd verandert, wordt een spanning opgewekt. Deze natuurwet heet de inductiewet. Afbeelding 1 toont hierbij een passend experiment. De hoogte van de spanning hangt af van de snelheid van de verandering van het magneetveld: hoe sneller het magneetveld verandert, des te hoger valt de inductiespanning uit. Verder speelt de oppervlakte van de geleiderwikkeling een rol. Een dubbel aantal windingen verdubbelt ook de inductiespanning. Op dit principe berust de opwekking van spanning in de generatoren van de elektrische centrales, die wereldwijd het grootste deel van de elektrische energie leveren. Er zijn nog andere natuurkundige effecten, die een spanning veroorzaken, zoals: spanningsopwekking door licht (pv-cellen); spanningsopwekking door chemische werking (galvanisch element): 1. Proef voor opwekking van een inductiespanning. 2. Galvanisch element voor spanningsopwekking. 3. Spanningsopwekking door thermo-elektrisch effect - doen we twee verschillende metalen in een zoutoplossing, dan is met een voltmeter een meetbare spanning (afbeelding 2) te constateren en ook in batterijen en oplaadbare accu s wordt een elektrische spanning door een chemisch proces opgewekt. In brandstofcellen ontstaat eveneens door een chemische reactie elektriciteit en wel op directe wijze, dat wil zeggen niet via de omweg van een thermodynamisch proces met aansluitende elektromechanische energieomzetting. Brand stof cellen hebben naar verwachting op diverse toepassingsgebieden een grote toekomst; spanningsopwekking door mechanische wrijving (wrijvingselektriciteit toegepast bij bandgenerator of Van de Graaff generator); spanningsopwekking door kristalvervorming (piëzo-elektriciteit); spanningsopwekking door warmte (thermo-elektrisch effect). In afbeelding 3 is een proef te zien met spanningsopwekking door warmte. Aan een uiteinde zijn twee geleiders van koper en constantaan in elkaar gedraaid. Aan het andere einde is een zeer gevoelige voltmeter aangesloten. Als we de plaats waarop de geleiders in elkaar zijn gedraaid, met een vlam verhitten, meten we een geringe spanning die bij 100 C ongeveer 3,4 mv bedraagt. Een dergelijk thermo-element treedt op als twee verschillende metalen in contact zijn met elkaar en gelijktijdig worden verwarmd. Overigens is deze werkwijze zeker niet geschikt voor opwekking van grote energiehoeveelheden. Samenvattend: een elektrische spanning zal dan altijd ontstaan, als door verschillende natuurkundige effecten ladingen worden gescheiden. Hoe sterker de ladingsscheiding, dat wil zeggen hoe meer ladingen worden gescheiden, des te hoger is de opgewekte spanning. De eenheid voor de elektrische spanning is de volt vernoemd ter ere van de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta. In de praktijk werken we met µv (microvolt), V (volt), kv (kilovolt) en MV (megavolt). Zaklantaarn - batterijen hebben meestal een spanning van 1,5 V, bij elektrische bliksem in de atmosfeer worden spanningen bereikt tot 100 MV. 04 5

6 fotowedstrijd otib in 2007 Fotowedstrijd Zo moet het niet! Direct aanrakingsgevaar in de meterkast. Wandcontactdoos rechtsreeks op hout gemonteerd. Draden uit de muur. Onder het motto Zo moet het niet!, gaat Intech Elektro en ICT maandelijks op zoek naar foto s van slecht of foutief uitgevoerde installaties. De inzender wiens foto's worden geplaatst in Intech, wint een technisch handboek van Isso ter waarde van maar liefst 245 euro. Mail of stuur uw foto's met een korte omschrijving van wat er fout is naar Redactie Intech Elektro en ICT Zo moet het niet! intech@groepvts.nl Postbus AD Zoetermeer Prijswinnaar De winnaar van deze maand is Robert Hendriks van Hendriks Elektrotechniek, Rhenoy. Van harte gefeliciteerd! Wat heeft u aan Otib in 2007? Recent is de brochure Wat heeft u aan Otib in 2007 verschenen. In deze brochure heben wij voor u op compacte wijze de belangrijkste scholingsregelingen bij elkaar gebracht, zodat u een kort en bondig overzicht heeft van de regelingen waarvan u bij de scholing en ontwikkeling van uw werknemers gebruik kunt maken. U vindt ook tips waar u alles kunt vinden over opleidingen en trainingen. Ook bieden wij u in deze brochure een blik op onze voorlichtingsactiviteiten. In 2007 blijven wij u informeren over innovatieve projecten en instroom en kwaliteit bevorderende programma s, die we voortdurend ontwikkelen. Als u deze brochure niet ontvangen heeft of als u wilt weten wat een regeling specifiek voor uw bedrijf betekent, kunt u contact opnemen met de Otib-servicedesk, tel (gratis), of u kunt kijken op Verder zijn de regioadviseurs van Otib gaarne bereid u over de scholingsregelingen te informeren en u eventueel te ondersteunen bij de aanvraag. Voor de aanvraag van een gesprek met een regioadviseur, kunt u zich ook richten tot de servicedesk. Stimulering technisch onderwijs in Friesland De opleidingsfondsen Otib (installatie) en Oom (metaalbewerking) hebben een convenant gesloten met de Friese vmbo- en mbo-scholen en de Provincie Friesland om te komen tot een structurele, duurzame en praktische samenwerking tussen bedrijfsleven en onderwijswereld. Die samenwerking moet leiden tot een betere aansluiting van de beroepspraktijk en het onderwijs. Beide partijen benadrukken het belang van het convenant tegen de achtergrond van een lage instroom van leerlingen in het technisch onderwijs en de grote behoefte aan technisch geschoold personeel in het bedrijfsleven. 04 6