Potentiaal, elektrische weerstand

Transcriptie

1 Katern voor scholing en bijscholing 01 inhoud 1 Potentiaal, elektrische weerstand 4 Vermeende bliksem- en overspanningschade Basiskennis Een uitgave van Intech Elektro & ICT en OTIB november 2006 Potentiaal, elektrische weerstand De potentiaal is een veel besproken begrip in de elektrotechniek, zeker in relatie tot de elektrische spanning. itgaande van een eperiment wordt de wet van Ohm toegelicht. Ook wordt uitgelegd, wat onder een lineaire en niet-lineaire weerstand wordt verstaan. 6 Fotowedstrijd Zo moet het niet! 6 Lespakket Inspecteren en Adviseren in gebruik op ROC s 6 Investeer in je werknemers Even opfrissen: elektrische spanning is feitelijk een kracht, die wordt uitgeoefend op een ladingdrager in een geleider. Hoe groter de spanning, des te sneller bewegen de ladingdragers door het materiaal en des te groter is de elektrische stroom. (Er passeren dan immers meer ladingdragers per seconde door een doorsnede van het materiaal ). Potentiaal De potentiaal ϕ is de spanning ten opzichte van een bepaald referentiepunt P O. Dit willekeurig vastgestelde punt heeft per definitie de potentiaal ϕ O = 0 V en heet de nulpotentiaal. Toepassing van de potentiaal levert de volgende voordelen op: elk punt in een elektrische of elektronische schakeling heeft een bepaalde potentiaal ϕ i ; de spanning i,j tussen twee willekeurige punten komt tot uiting in het potentiaalverschil: Onder hoogspanning Op 17 mei 1979 werd in Tennessee, Verenigde Staten, de hoogste spanning ooit opgewekt: 3, V. Een voorbeeld ter illustratie: op punt A bedraagt de potentiaal ϕ A = 128 V en op punt B ϕ B = 96 V, dan bedraagt de spanning tussen de punten A en B volgens vergelijking 1: A,B = ϕ A ϕ B A,B = 128 V 96 V = 32 V Als het punt C een potentiaal heeft van ϕ C = 16 V, dan volgt uit vergelijking (1), rekening houdend met het teken: voor de spanning tussen de punten A en C: A,C = ϕ A ϕ C i,j = ϕ i ϕ j (1) A,C = 128 V ( 16 V) = 144 V voor de spanning tussen de punten C en A: C,A = ϕ C ϕ A Van aarding tot zonering! Vanaf deze maand bevat Intech Elektro en ICT Impuls, een katern voor scholing en bijscholing. Met elke maand informatie over technische onderwerpen, cursusinformatie en actuele ontwikkelingen op scholingsgebied. Het katern is bedoeld voor studenten die bezig zijn met een opleiding in de elektrotechniek, maar ook als opfrismateriaal voor personeel. De uitgave is een initiatief van Otib, het opleidings- en ontwikkelingsfonds voor het technisch installatiebedrijf, en Intech, het vaktijdschrift voor de installatiebranche en een uitgave van neto-vni. Impuls is ook te downloaden via

2 basiskennis georg-simon ohm C,A = 16 V 128 V = 144 V voor de spanning tussen de punten B en C: 1. Meten van potentiaal ϕ 3 in een elektronische schakeling met een voltmeter. ϕ 3 B,C = ϕ B ϕ C ϕ 2 R 2 B,C = 96 V ( 16 V) = 112 V ϕ 1 R 1 + V Je kunt de spanning, die in principe altijd als een potentiaalverschil kan worden gezien, met een voltmeter zeer eenvoudig meten. Als je A,B wilt meten, zet je de plus van de voltmeter op het punt A en de min op punt B. De potentialen van een elektrische schakeling kunnen worden gemeten, als je de min met het punt verbindt dat wordt geacht de nulpotentiaal te hebben. Kortom: met de plus van het meetinstrument kunnen alle andere punten worden afgetast en dus worden gemeten (afbeelding 1). Let op: Het is belangrijk om op het teken te letten. Hoewel het punt voor de nulpotentiaal willekeurig kan worden gekozen, zijn daarvoor in de praktijk vaak bepaalde punten erg geschikt, zoals een gemeenschappelijke massaverbinding. Dat is een verbindingpunt waarop vele leidingen of aansluitingen uitkomen. De Engelse term voor dit gemeenschappelijke massapunt is: ground Georg-Simon Ohm ( ) Georg-Simon Ohm werd op 16 maart 1789 in Erlangen, Duitsland, geboren. Zijn vader, een meester-slotenmaker, was geïnteresseerd in wiskunde en gaf die interesse door aan zijn beide zonen. Ohm studeerde vanaf 1805 wiskunde en fysica aan de universiteit van Erlangen. Vervolgens werd hij leraar op diverse scholen, onder andere aan het gymnasium in Keulen. Daar deed hij diverse eperimenten met elektriciteit en magnetisme. Hij hield zich vooral bezig met de wetmatigheden van elektrische geleiding in metalen en elektrolyten. De daarbij gemaakte aantekeningen bevinden zich tegenwoordig in het Deutsche Museum in München. Tijdens zijn leven trok Ohms wetenschappelijk werk niet bijzonder veel aandacht. In 1833 werd Ohm hoogleraar aan de toen net opgerichte polytechnische hogeschool in Neurenberg, de tegenwoordige Georg-Simon-Ohm School voor hoger beroepsonderwijs. In 1852 kreeg hij een leerstoel voor natuurkunde aan de universiteit van München. Ohm stierf op 6 juli Het bestaan van ladingdragers kenden Ohm en diens tijdgenoten overigens nog niet. q1 stroommeting voor de weerstandsbepaling 1 2 ϕ 0 = 0 = massa [V] 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 I [A] R [mω] Tabel 1. Overzicht van meetwaarden voor spanning en stroom voor het berekenen van weerstand. q2 Elektrische weerstand De elektrische weerstand kan met een eperiment aanschouwelijk worden gemaakt. De hoofdrol bij de in afbeelding 2 getoonde serie proeven is weggelegd voor de in die afbeelding weergegeven 50 m lange koperen draad, waarvan de doorsnede bijvoorbeeld A = 1 mm 2 bedraagt. We doen een aantal proeven, waarbij de spanning in bepaalde stappen wordt verhoogd en vervolgens zowel de spanning als de stroom I wordt gemeten. Elke meetwaarde komt in een tabel te staan. De eerste rij van de tabel bevat de vooraf ingestelde spanningswaarden. In de tweede rij staan de achtereenvolgens gemeten stroomwaarden. Bij de uitvoering van dit eperiment moet je erop letten, dat de stroom de draad niet te veel verwarmt. Wat blijkt nu uit deze proef? De stroom I stijgt evenredig met de spanning. Dat betekent dat een verdubbeling van de spanning een verdubbeling van de stroom oplevert. Een viervoudige spanning levert dus ook een viervoudige stroom op. Als je nu voor elk meetpunt de verhouding tussen spanning en stroom I berekent, komt daar een bijna constante waarde uit voor het gehele gebied. Als volgende stap ga je de stroom grafisch als functie van de spanning tekenen. In afbeelding 3 is de zogenoemde stroomspanningskarakteristiek weergegeven, die bij dit eperiment een rechte voorstelt, als de verschillende punten met elkaar worden verbonden.

3 Als je een draad onder een bepaalde spanning zet en er loopt een naar verhouding kleine stroom I (in vergelijking met een andere draad), dan wordt gezegd: de draad heeft een grote weerstand. Bij kleine stroom is dus de elektrische weerstand voor de ladingdragers groot. De elektrische weerstand heeft het formuleteken R (Engels: resistance) en wordt berekend uit het quotiënt (verhouding) van de spanning en de stroom I: 2. Lange, dunne draad die op een regelbare spanningsbron is aangesloten. Q regelbare spanningsbron A ampèremeter V voltmeter lange, dunne draad R = (2) I it het omwerken van de vergelijking (2) volgt: = R I respectievelijk: 3. Stroomspanningskarakteristiek van een draad. l [A] [V] I = R it vergelijking (2) volgt voor de eenheid van elektrische weerstand V/A. In de praktijk wordt 1 V/A, ter nagedachtenis aan de Duitse fysicus Georg-Simon Ohm, aangeduid met 1 ohm. Als afkorting voor ohm wordt de Griekse omega (Ω) gebruikt, ofwel: 4. Stroomspanningskarakteristiek van een lineaire en een nietlineaire weerstand. l niet-lineaire weerstand lineaire weerstand V I = = 1 Ω A In de praktijk wordt gewerkt met μω, mω, Ω, kω, MΩ en GΩ. Als R een constante waarde oplevert, spreek je van de wet van Ohm, ofwel: R = I = const Levert de verhouding van en I geen constante waarde op, wat bijvoorbeeld het geval is bij de gloeilamp, dan spreek je ook niet meer van de wet van Ohm. Met andere woorden: de verhouding tussen spanning en stroom kan in principe altijd worden bepaald. Alleen wanneer deze verhouding constant is, heb je het over de wet van Ohm. Dit wordt dan aangeduid als lineaire weerstand in tegenstelling tot nietlineaire weerstand. In afbeelding 4 worden beide relaties in één diagram getoond. Meer weten over dit onderwerp? Basiskennis elektrotechniek (Kenteq) De cursus basiskennis elektrotechniek biedt een introductie in de elektrotechniek. Elektrotechniek omvat alles wat te maken heeft met opwekking, beheersing, distributie en toepassing van elektrische energie. Elektrisch schakelen (RVOC) Machines en installaties zitten boordevol elektrische besturingen en schakelapparatuur. Toch kan ook een niet-elektrotechnicus met gecompliceerde installaties werken, als hij beschikt over enig inzicht in de schakeltechniek. Deze cursus is de ideale basis voor iedereen die hiermee in zijn werksituatie in aanraking komt. Schakel- en besturingstechniek (Kenteq) De cursus bestaat uit vier blokken: blok 1: praktische elektriciteitsleer, blok 2: elektrische installaties, blok 3: elektrische machines, blok 4: stuurstroomschakelingen. Meer informatie:

4 bliksem- en overspanningschade Vermeende bliksem- en overspanningschade Een dag mee met een epert Als er installatietechnische fouten worden geconstateerd, komt er meestal een epert aan te pas. Waar loopt zo iemand tegenaan? Een praktijkgeval rond vermeende bliksem- en overspanningschade. 1. Draaistroom kerkklokaandrijving. De catalogusprijs van de fabrikant voor een dergelijke schakelklok bedraagt overigens 236,20 euro, inclusief btw. Conclusie wat betreft de digitale schakelklok: de firma Schade & Co heeft een betere en vijf- tot zesmaal duurdere oplossing aangeboden (met radiogestuurde, digitale moederklok voor 1200 euro, inclusief montage- en leidingkosten) dan oorspronkelijk was geïnstalleerd. Onlangs vroeg een verzekeraar aan Peter Kelder, een epert op gebied van bliksemschade, om een epertiserapport op te stellen. De aanleiding was een geval van overspanningschade bij een van zijn verzekeringsnemers half februari van dit jaar. Daarnaast had hij een aanbod van de firma Schade & Co voor de vergoeding van de bliksemschade. Op basis daarvan zouden de volgende items moeten worden vervangen: een radiogestuurde digitale moederklok; krachtstroom kerkklokaandrijving. Het aanbod voorzag in het inschakelen van een lokale elektrotechnische installateur voor de aanleg van de benodigde leidingen. Inspectie ter plaatse Bij de inspectie ter plaatse, waarbij namens de verzekerde Kevin Gerards aanwezig is, stelt Kelder al gauw vast dat voor de aansturing van de klokaandrijving slechts een gewone, digitale kwartsklok met vier kanalen beschikbaar is. Er is dus geen radiogestuurd, digitale moederklok, zoals in het aanbod was voorzien. Op de bewuste ochtend vielen de aardlekschakelaars en zekeringen uit. Met als gevolg dat de schakelklok zijn programma kwijt raakte, zegt Gerards en hij beklaagt zich. Elke keer als de stroom wordt uitgeschakeld, zijn de ingestelde schakeltijden niet meer beschikbaar en moeten ze opnieuw worden geprogrammeerd. Kelder legt hem uit: Schakelklokken beschikken om een periode met stroomuitval te overbruggen over een ingebouwde accu die een gangreserve tot 100 uur heeft. Als deze accu defect is of de capaciteit is onvoldoende, functioneert deze gangreserve niet meer en daarmee raak je de ingestelde schakeltijden van een klok kwijt. De schakelklok is circa vijf jaar oud. Het fabrikaat mag hier geen rol spelen. Een medewerker van de klokkenproducent bevestigt de epert telefonisch, dat de accu na een zekere tijd moet worden vervangen. Hiervoor kan men: de schakelklok naar de fabriek sturen, waar de accu s voor 20,45 euro, inclusief btw en verzendkosten, kunnen worden verwisseld; de accu s door een lokaal elektrotechnisch bedrijf laten verwisselen. De vier benodigde accu s kosten 2,30 euro per stuk, inclusief btw (af fabriek). Onderzoek van de krachtstroom klokaandrijving Helaas kan Kelder de draaistroomklokaandrijving bij de inspectie niet bekijken, omdat de leverancier die had meegenomen naar de fabriek. Maar op de dag dat de reparaties bij de verzekeringnemer worden uitgevoerd, lukt het hem de motor te zien te krijgen (afbeelding 1). Daarbij constateert hij een klein rookspoor op de metalen motorrotor (afbeelding 2). Van daaruit komt hij op een spanningsoverslag binnen de wikkelkop van de draaistroomwikkeling. De volgende stap is nu om de drie wikkelingen bij geopende klemoverbrugging van 2. Klein rookspoor op de rotor van de aandrijfmotor. 01 4

5 de sterschakeling te meten. Bij elk van de drie wikkelingen bedraagt de ohmse weerstand 49 Ω. Tussen de tweede en derde wikkeling, dus op de klemmen L2 en L3, geeft het meetapparaat 6,6 Ω aan. Dat betekent: er moet kortsluiting zijn opgetreden aan het begin van de tweede naar de derde wikkeling. Nu is de vraag hoe die wikkelingschade is ontstaan. 3. Toren met koperen dak en koperen leiding als bliksemafleider. Omgevingsonderzoek De kerkklokaandrijving met inbegrip van de motor bevindt zich in een toren met een koperen dak (afbeelding 3). Van het koperen dak gaan twee koperen leidingen als bliksemafleiders over meetkoppelingen naar de aardingsinstallatie. De weerstand van de afleiders is lager dan 0,5 Ω, gedeeltelijk slechts 0,3 Ω. Conclusie: de uitwendige bliksembeveiligingsinstallatie van de toren is in zeer goede staat. Een directe blikseminslag in de motor dan wel het lopen van deelstromen door blikseminslag is uit te sluiten, omdat de gehele installatie zich binnen een kooi van Faraday bevindt. Blijft dan alleen nog over de inkoppeling van een overspanning via de grondkabels van het distributienet in de elektrotechnische installatie. Voor een inkoppeling via het distributienet moet aan verscheidene voorwaarden worden voldaan. De bliksem moet precies op dat ogenblik inslaan dat het aandrijfwerk daadwerkelijk ingeschakeld en in bedrijf is: dagelijks om 8 uur, 12 uur en 18 uur voor telkens 3 tot 5 minuten. Normaal gesproken gaat overspanningsschade gepaard met verscheidene op zich staande schadegevallen. Op z n minst zou de elektronische sturing van de verwarming of de elektronische sturing van het torenuurwerk moeten zijn beschadigd. Dat is echter niet het geval. Om elke twijfel uit te sluiten, dat de schade niet door een blikseminslag of door een door bliksem veroorzaakte overspanning is veroorzaakt, vraagt Kelder bij het weeradviesbureau gedetailleerde gegevens over bliksemontladingen aan. Daarvoor bepaalt hij de plaats van de toren door op de kaart de coördinaten af te lezen. De toren bevindt zich op 5. oosterlengte en 52. noorderbreedte. Het weeradviesbureau meldt hem, dat voor deze coördinaten en voor de genoemde tijdstippen medio februari in een cirkel van 15 km geen bliksems zijn geregistreerd. Conclusie: er is geen sprake van bliksemschade. Oorzaak van de schade De schade in de motor is vermoedelijk ontstaan door een fout in de lakisolatie van de bedrading in de wikkelkop. Ook is niet uit te sluiten dat, bij het machinale wikkelen van de motor, de papieren isolatielaag voor het isoleren van de afzonderlijke fasenwikkelingen in de wikkelkoppen gebroken is of niet goed werd ingebouwd. Dat zou het uitvallen van de motor zij het na enige tijd te hebben gedraaid en het smelten van de patroon en uitschakelen van de aardlekschakelaar verklaren. Met als resultaat verder de spanningsuitval bij de schakelklok. En aangezien de accu s niet goed meer functioneerden, werden de ingestelde tijden in de schakelklok niet gebufferd, waardoor ze verloren gingen. Hiermee is de verklaring van het verloop van de optredende schade rond, er is echter geen sprake van een schade veroorzaakt door een overspanning door een blikseminslag. Meer weten over dit onderwerp? De volgende cursussen worden aangeboden, onder andere bij SBK, Kenteq, ROVC, Otib (tot eind van dit jaar) en Van der Heide. EMC Monteur aardings- en bliksembeveiliging (MABO) NEN 1014 Bliksembeveiliging Inwendige bliksem- en overspanningsbeveiliging Technicus aardings- en bliksembeveiliging (TAB) Technicus aardings- en overspanningsbeveiliging (TAO) Overspanningsbeveiliging en aarding in telematicainstallaties Veiligheidsaarding elektrotechnische installaties Meer informatie:

6 fotowedstrijd lespakket bedrijfsopleidingsplan Fotowedstrijd Zo moet het niet! Verbindingen tussen oude en nieuwe leidingen. Bij deze speciale kabel heeft niemand er moeite mee om een verboden kleur voor de PE te gebruiken. Nog nooit van selectiviteit gehoord? Diverse leidingdoorsneden, allemaal voorgezekerd met 315 A. Onder het motto Zo moet het niet, gaat Intech Elektro en ICT op zoek naar foto s van slecht/foutief uitgevoerde installaties. Inzenders van wie de foto s worden geplaatst in Intech, maken maandelijks kans op een technisch handboek van Isso ter waarde van maar liefst 245 euro. Het handboek bestaat uit twee delen en bevat ruim pagina s aan technische kennis. Vermeld alstublieft kort en bondig welke fout(en) te zien zijn op de foto en uiteraard ook je naam en adres. Stuur de foto s naar: Redactie Intech Elektro en ICT Zo moet het niet! intech@groepvts.nl Postbus AD Zoetermeer Lespakket Inspecteren en Adviseren in gebruik op ROC s Inspecteren van gebouwinstallaties en geven van energieprestatieadvies worden steeds belangrijker voor de bedrijven in de installatie- en elektrotechniek. De vraag in de markt naar keuringen en energieprestatieadviezen neemt toe, door maatschappelijke ontwikkelingen en veranderingen in de Nederlandse en Europese regelgeving. neto-vni heeft daarom het initiatief genomen hierover een lespakket te maken voor de vakopleidingen in het mbo. Een groep van negen ROC s, negen bedrijven, Otib, Kenteq en neto-vni, hebben een module Inspecteren en Adviseren ontwikkeld. Mbo-leerlingen in de installatie- en elektrotechnische opleidingen op niveau 3 en 4 kunnen dit programma volgen in de vrije ruimte. Het lesprogramma wordt afgesloten met een centraal ontwikkelde toets en een bijbehorend, door de branche erkend bewijs van deelname. Het lespakket is gericht op de basisvaardigheden die nodig zijn voor keuringen en energieadviezen in woningbouw en kleine utiliteit. Het lespakket bestaat uit een interactief computerlesprogramma, praktijkoefeningen voor gebruik in de school en theoriemateriaal over de sociale en communicatieve vaardigheden die nodig zijn bij inspecteren en adviseren. De stof kent twee hoofdthema s. Ten eerste wordt het uitvoeren van veiligheidskeuringen voor elektra, water en gas behandeld. Ten tweede wordt het energieprestatieadvies behandeld. Daarbij komen items aan de orde, zoals verwarming, koeling, ventilatie, warmwatervoorziening, isolatie en elektra. Vanaf dit najaar wordt dit lespakket gebruikt in tien ROC s. Het materiaal is vanzelfsprekend ook beschikbaar voor andere ROC s. Voor meer informatie: Kees Hagens, projectleider, Investeer in uw werknemers Bij Otib kunt u een bedrag van 120 euro per werknemer aanvragen voor scholing en ontwikkeling. Hoe kunt u er gebruik van maken? Vul een bedrijfsopleidingsplan (BOP) in en vraag via de OSR (Ontwikkelingsstimuleringsregeling) de subsidie aan. Stel: heeft tien medewerkers in dienst en maakt gebruik van de OSR, dan kan deze subsidie oplopen tot euro! Otib heeft een speciale cd-rom ontwikkeld die u stap voor stap begeleidt bij het opstellen van een BOP. Aanvragen kan bij de Otib servicedesk, tel w OSR-aanvraag en BOP kunt u indienen via Vragen? Kijk op of neem contact op met uw regioadviseur via regioadviseur@otib.nl. 01 6