Veiligheidsaarding HS. Quercus Technical Services B.V.

Transcriptie

1 Veiligheidsaarding HË

2 nhoudsspgav& 1. Inleiding 5 2. Aanraakspanning en stroomstelsels IT Stelsel TT-stelsel TN-stelsel Aard- en vereffeningsleidingen Aardverspreidingsweerstand Aarding tijdens werkzaamheden 15 "s x 6. Opgaven 17 \/

3 Inleiding Het sterpunt van een voedende transformator kan op verschillende manieren met aarde worden verbonden. Dit noemt men de bedrijfsaarding. Hiernaast heeft men ook te maken met de veiligheidsaarding Het doel van deze laatste aarding is het beschermen van het menselijk lichaam tegen gevaarlijke aanraakspanningen. De Nederlandse norm NEN zegt dat installaties zodanig moeten zijn ingericht, dat door automatische uitschakeling, een aanraakspanning niet langer aanwezig kan zijn dan vermeld in onderstaande Figuur U n«lvl ,01 0, rls >- Figuur 1.1 Toelaatbare aanraakspanning UT als functie van de uitschakeltijd tf bron: NEN Voor langere uitschakeltijden als vermeld in bovenstaande figuur stelt de NEN dat er dan een toelaatbare aanspanning van 80 V gekozen kan worden. Voor de automatische uitschakeling kan gebruik worden gemaakt van bcveiligingsmiddclen tegen een te hoge stroom ofaardfoutstroom in combinatie met beschermingsleidingen. Deze leidingen verbinden de metalen gestellen, die door een defect onder spanning kunnen komen, met de veiligheidsaarding. Behalve beschermingsleidingen zijn in bepaalde gevallen ook extra vereffeningsleidingen nodig. De in deze module genoemde NEN is de opvolger van de vroegere NEN De NEN gaat alleen over het aarden van hoogspannìngsinstallaties. De NEN 1041 ging over veiligheidsbepalingen in hoogspannìngsìnstallatìes en ging verder als alleen het aarden. Om dit aan te vullen wordt de NEN genoemd in combinatie met de IEC Algemene bepalingen voor hoogspannìngsinstallaties.

4 Aanraakspanning en stroomstelsels De aanrakingspanning, die bij een isolatiedefect ontstaat, is afhankelijk van de aardfoutstroom en de som van de impedanties in het aardfoutcircuit. Deze aardfoutstroom is weer afhankelijk van de behandeling van het sterpunt. l Iet voorschrift NEN noemt in relatie tot dit laatste drie stelsels van aarding De stelsels worden aangeduid met twee letters die de onderstaande betekenis hebben: Eerste letter: voedingsbron Tweede letter: metalen gestellen T _ rechtstreeks geaard of T : afzonderlijk of groepsgewijs geaard over lage ter plaatse geaard impedantie I : niet geaard of geaard N : rechtstreeks verbonden met over hoge impedantie het geaarde punt van de voedingsbron Figuur 2.1 Betekenis letters in de aanduiding van stroomstelels De voorkomende stroomstelsels zijn het lt stelsel en het TN-stelsel. Bij deze stelsels wordt de optredende foutspanning mede bepaald door de aardverspreidingsweerstand van de aardelektrode(n). 2.1 IT-Stelsel Eenfasesluiting (capacitieve aardsluitstroom) Mits de capacitieve aardsluitstroom bij een eenfasesluiting in een niet-geaard ofgecornpenseerd net een maximaal toelaatbare waarde (meestal 100A) niet overschrijdt, vindt geen afschakeling van het defecte deel plaats. Voor de foutspanning UF moet daarom de waarde van < 80 V worden aangehouden. Dit houdt in, dat de totale weerstand R \ moet voldoen aan: l RA:RQ+p-X [2.1] waarin: RA : de som van de aardverspreidingsweerstand en de weerstand van de ermee verbonden aardleiding (Q); Ra : de aardverspreidingsweerstand (Q); p - specifieke weerstand van de aardleiding (QmmZ/m); l lengte van de aardleiding (rn); A : doorsnede van de aardleiding (mma).

5 L2 L3 T1 H H PE RA Figuur 2.2 Aanraakspanning UF bij een lt-stelsel In Figuur 2.2 is het een en ander weergegeven. De beide toestellen Ti en T2 zijn met de aardleiding (PE) verbonden. Hierin is RA de som van de aardverspreidingsweerstand R van de aardelektrode (PE-leiding). De volgende voorwaarde geldt: RA 80V 1d [ 2.2 ] waarin: RA : Id de som van de aardverspreidingsweerstand en de weerstand van de ermee verbonden aardleiding (Q); is de capacitieve aardsluitstroom ofbij een gecompenseerd net de aardsluitreststroom (A)- Indien in bovenstaande situatie niet aan voorwaarde [2. 2l kan worden voldaan moeten: a. alle gelijktijdig aanraakbare metalen gestellen (toestellen) en de b. niet tot de elektrische installatie behorende geleidende delen (b.v. het metalen omhulsel van een pomp) met elkaar worden verbonden door een vereffeningsleiding (zie Figuur 2.3).

6 L1 1.2 l.3 verefieningsleidingen d1 ' --»-- _-> \ I Figuur 2.3 Aanraakspanning U en toepassing van een vereffeningsleiding in een IT-stelsel De impedanties van deze vereffeningsleidingen moeten voldoen aan de formule: 80 V ZV 5 [2.3] Id waarin: Zv de som van de impedanties van de verefi'eningsleidingen (Q); Id : een deelstroorn van de totale capacitieve aardsluitstroorn Id (A).

7 2.2 TT-stelsel In Figuur 2.4 is een direct oflaagohmig geaard net schematisch weergegeven. Een aardfout is in dit geval een kortsluiting (lm), waardoor door de beveiliging afgeschakeld zal worden. Doordat er twee aardelektroden in het circuit zitten en er een grote kortsluitstroom ontstaat, zal niet aan de eis van een veilige aanraakspanning kunnen worden voldaan. Het is vrijwel onmogelijk te voldoen aan de onderstaande vergelijking: U R A :4 [2.4] Ik Voorbeeld: De kortst mogelijke uitschakeltijd is 0,1 5 > UF : 650 V l ): k-a U 650 V A = F=Î=O,OÖSQ [ k(l) 10 ka Dit is een in de praktijk niet te halen aardverspreidingsweerstand. Dit systeem wordt dan ook zeer zelden toegepast. la : _1. L2 _ryw\ la L3 T1 T2 PE_ In 2 /f/ /. % Ê Rb Fla Ì 1 Figuur 2.4 Aanraakspanning UF bij een "it-stelsel

8 2.3 TN-stelsel De nadelen van het TTstelsel met betrekking tot beperking van de aanraakspanníng worden voorkomen in het TN stelsel (schematisch weergegeven in Figuur 2.5). l i _JWY\ L1 mm L2 13 L3 T1 T2 PE Ia ] Rb Figuur 2.5 Aanraakspanning U; bij een TN-stelsel ( a : ) Omdat nu in het foutcircuit de aardverspreidingsweerstanden Ra ontbreken, kan de foutspanning lager gehouden worden, terwijl de impedantie van het foutcircuit zich ook exacter laat bepalen. De voorwaarde, waaraan het foutcircuit bij het optreden van een aardfout moet voldoen, luidt: UF si -RPE :ä RPE [2.5] ZS waarin: Ik : stroom waarbij het beveiligingstoestel uitschakelt binnen de in Figuur 1.1 aangegeven tijd; RPE : de weerstand van de PE-leicling tussen het gestel en de aarde (Rb); U0 : fasespanning ten opzichte van aarde; Z> : impedantie van de stroomketen, die door een defect tot stand komt. Indien niet aan de voorwaarde kan worden voldaan kan de eenfasekortsluitstroorn worden beperkt door een kleine weerstand in de verbinding sterpunt-aarde opte nemen. Door deze extra impedantie zal de eenfase kortsluitstroom afnemen, waardoor de foutspanning onder de aanraakspanning komt te liggen, hetgeen een veilige situatie zal opleveren. -10

9 \_/ In Figuur 2.6 is een andere situatie weergegeven. Als niet kan worden voldaan aan de eis van de minimale aanraakspanning (formule 2.5), dan worden alle metalen delen met elkaar verbonden via verelïenìngsleidingen waardoor spanningsverschillen verdwijnen. la L3 vereffeningsleiding T1 _ UF T2 L1 L2 pe l i \_/ / / A Rx,IJ Figuur 2.6 Aanraakspanning UF tussen twee gestellen in één ruimte bij een TN-stelsel \

10 Aard- en vereffeningsleidingen Als aardleiding mogen de onderstaande verbindingen gebruikt worden: aders van kabels en van buigzame rubbermantelleidingen; draden in een beschermingsbuis; aardingschermen; metalen mantels van kabels; afzonderlijk gelegde koperen of gelijkwaardige leidingen, Ook staat de NEN50522 toe. dat ook: metalen gestellen; vreemde geleidende delen zoals: 0 skeletten van gebouwen, O constructies van hefwerktuigen, O silo's, O tanks, O schoorstenen als aardleidingen dienst doen. Een en ander wel onder de voorwaarde dat: de elektrische verbindingen tegen mechanische beschadiging en chemische aantasting volledig beschermd zijn en de elektrische geleiding gelijkwaardig is aan de onder de gegeven omstandigheden vereiste aardleiding. De aardleidingen dienen naast de eisen met betrekking tot de aanraakspanningen ook te worden gedimensioneerd naar de thermische kortsluitvastheid. Hierbij zijn van belang: de grootst mogelijke aardsluitstroom, en; 0 de uitschakeltijd van het beveiligingsmiddel. 12

11 Doorsnede van aardleidingen Voor afzonderlijk gelegde aardleidingen kan de doorsnede worden bepaald uit de betrekking: s:i<-im-\fi [3.1] waarin: S : doorsnede van de geleider (mmz); I : de te verwachten thermische aardsluitstroom (ka); t : de afschakeltijd (5); K : een constante die onder aanname van een begintemperatuur van 50 C bedraagt: voor koperen geleiders en een hoogste temperatuur van 200 C K : 5,6 voor aluminium geleiders en een hoogste temperatuur van 180 C Kal: 11,2. Voor deze afzonderlijk gelegde aardleidingen dient volgens NEN50522 de doorsnede tenminste te bedragen:. 16 mmz bij koperen geleiders*;. 35 mm2 bij aluminium geleiders;. 50 mm2 staal. voor het aarden van de secundaire wikkelingen van meettransforrnatoren wordt minimaal 2,5 mm2 en bij mechanische onbeschermde leidingen 4 mm2 voorgeschreven. Als aardleiding kan ook de metalen mantel of het aardscherm van een kabel worden gebruikt. De controle ofhet scherm of de mantel beschermd is tegen de te verwachten aardfoutstroom wordt elders behandeld. Doorsnede van vereffeningsleidingen Geadviseerd wordt dezelfde minimale doorsneden als voor aardleidingen aan te houden. 13

12 Aardverspreidìngsweerstand De aardfoutstroom verspreidt zich via de aardelektrode in de aarde. De weerstand, die de stroom ondervindt bij het uittreden uit de aardelektrode in de aarde, wordt de aardverspreidingsweerstand genoemd. indien de aardverspreidingsweerstand bv 0759 bedraagt, zal bij een aardfoutstroom van 100 A bij de elektrode een spanning van 75 V ontstaan. Doordat de weerstand om de elektrode snel met de afstand afneemt, zal deze spanning bijvoorbeeld op 0,5 m afstand reeds gedaald zijn tot 20 V en op een afstand van 1 m tot 3 V. In Figuur 4.1 is deze spanning grafisch uitgezet als functie van de afstand. Deze kromme noemt men wel de spanningstrechter. Het spanningsverschil wordt ook wel schredespanning ofpasspanning genoemd. paslengte «> ;, ; 0 0,25 0,5 0,75 1,0m I_I_J_J J % ; Volt. ï : Figuur 4.1 Spanningstrechter bij een aardelektrode Zoals uit deze kromme blijkt, kan bij de aardstroom een aanzienlijk spanningsverschil heersen op twee punten van het aardoppervlak. Over een afstand van 0,75 rn, wat overeenkomt met één paslengte, slaat hier reeds een spanningsverschil van 65 V. Deze spanning, schredespanning, passpanning ofstap-spanning genaamd, kan gevaarlijk zijn voor mens en dier. Een methode om deze toepassing te verlagen, is het ingraven van een ringvormige geleider rond de aardelektrode. Deze geleider wordt op enkele plaatsen met de elektrode verbonden. 14

13 Aarding tijdens werkzaamheden In een installatie dienen voorzieningen aanwezig te zijn om bij werkzaamheden installatiedelen tijdelijk te kunnen kortsluiten en aarden. De wijze waarop dit kan worden gedaan is afhankelijk Van de uitvoeringsvorm van de schakelinstallatie. Het toe te passen kortsluit- en aardingsgarnituur moet in ieder geval bestand te zijn tegen de kortsluitstroom en aardfoutstroom, die op de plaats van aarding gedurende de kortsluitduur kunnen optreden. De soepele geleiders, waaruit het garnituur is opgebouwd, moeten een doorsnede hebben zoals aangegeven in Figuur 5.1. De klemmen, waarmee de verbinding met de geleiders van de installatie en de aardleiding wordt gemaakt, moeten een hiermee overeenkomstige kortsluitvastheid bezitten. Doorsnede toelaatbare kortsluitstromen Ik (A) bij een tijdsduur t sec. 5 mm2 " , Koperfactor K=5 Figuur 5.1 toelaatbare kortsluitstromen bij diverse uitschakeltijden voor een kortsluit- en aardingsgarnituur Aan de zijde van de aardleiding worden vaak kogelkoppen toegepast, waar de aardgeleider van het garnituur door middel van een speciale klem doelmatig op kan worden aangesloten. Bij open- en semi open installaties voorziet men ook de geleiders van de schakelinstallatie van dergelijke kogelkoppen. Voorbeelden zijn afgebeeld in Figuur 5.2. In plaats van de kogelkoppen kan men ook schroeiklemmen toepassen. 15

14 JB à] 3% Figuur 5.2 Een aardingsgarnituur met aansluitingen door middel van kogelkoppen (DEHN)

15 \/ 6. Opgaven 1. Hoe noemt men de aardverbinding van het sterpunt naar aarde? 2. Welke stroomstelsels onderscheiden we in de hoogspanning, noem er drie? 3. Wat betekenen de twee letters in het TT-stelsel 4. Waarvoor wordt een vereffeningsleiding gebruikt? 5. Hoe wordt een leiding genoemd waarmee metalen delen worden geaard? 6. Wat is de minimale doorsnede van een beschermingsleiding? 7. Een aardingsgarnituur moet thermisch en dynamisch kortsluitvast zijn, wat wil dat zeggen? 8. Wat is een werkaarde?