Inhoudstafel INHOUDSTAFEL 1 HOOFDSTUK 1: VERMOGENELEKTRONICA... 3 1 INLEIDING... 3 2 HAKKERS... 3 3 DIODEGELIJKRICHTERS... 3 4 GESTUURDE GELIJKRICHTERS OF MUTATOREN... 3 4.1 Principe... 3 4.2 Driefasig volle brug gestuurde gelijkrichter... 3 HOOFDSTUK 2: ELEKTRISCHE VEILIGHEID... 4 1 GEVAREN VAN ELEKTRICITEIT... 4 1.1 Gevaren voor personen... 4 1.2 Gevaren voor installaties... 5 2 REGLEMENTERING... 6 2.1 Wetten en normen... 6 2.2 Kwaliteitsmerken... 6 2.3 Isolatie... 7 2.4 Conventionele grensspanning... 10 3 BEVEILIGING TEGEN OVERSTROOM... 12 3.1 Smeltzekeringen... 12 3.2 Automaten... 13 3.3 Motorbeveiliging... 16 4 BEVEILIGING TEGEN ELEKTRISCHE SCHOKKEN... 16 4.1 Rechtstreekse / onrechtstreekse aanraking... 16 4.2 Zeer lage veiligheidsspanning (ZLVS)... 17 4.3 Aarding... 17 4.4 Differentieelschakelaar... 18 4.5 Soorten netten... 19 5 SAMENVATTING... 26 HOOFDSTUK 3: ELEKTRISCHE INSTALLATIES... 27 1 SCHAKELMATERIEEL EN KABELS... 27 1.1 Schakelaars... 27 1.2 Kabels... 29 2 HUISHOUDELIJKE INSTALLATIES... 32 3 INDUSTRIËLE LAAGSPANNINGSINSTALLATIE... 33 3.2 Bepaling toegelaten stroom door de kabel I z... 33 3.3 Toegelaten thermische belasting in bedrijfstoestand... 34 3.4 Maximale spanningsval... 38 3.5 Bescherming tegen indirect contact... 39 3.6 Thermische belasting bij kortsluiting... 41 3.7 Berekening van de kortsluitstroom... 41 Tiene Nobels 1
4 COS ϕ COMPENSATIE... 43 4.1 Reactief vermogen... 43 4.2 Waarom is een kleine cos φ slecht?... 45 4.3 Berekening van de compensatie... 46 4.4 Compensatiemethodes... 48 4.5 Slotopmerkingen... 51 4.6 Oefeningen... 51 HOOFDSTUK 4: POWER QUALITY... 53 1 ELEKTROMAGNETISCHE COMPATIBILITEIT EN POWER QUALITY... 53 1.1 PQ fenomenen: spanningskwaliteit... 54 2 SPANNINGSDIPS... 57 2.1 Oorzaken van spanningsdips... 58 2.2 Gevolgen... 59 2.3 Remedies... 60 2.4 Uninteruptable Power Supplies... 61 3 HARMONISCHEN... 63 3.1 Definitie... 63 3.2 Oorzaken en gevolgen van harmonischen... 66 3.3 Remedies... 66 3.4 Implicaties van vervormingen op vermogendefinities... 67 4 ONEVENWICHTIGE SYSTEMEN... 70 4.1 Inleiding: Evenwichtige systemen... 70 4.2 De methode van de symmetrische componenten... 70 4.3 Onevenwichtige belastingen... 79 4.4 Oefeningen... 84 HOOFDSTUK 5: OPWEKKING EN DISTRIBUTIE... 87 1 OPWEKKING... 88 1.1 Fossielgestookte centrales... 88 1.2 Nucleaire centrales... 92 1.3 Hernieuwbare energie... 93 2 TRANSPORT... 97 2.1 Hoogspanningsnet... 98 2.2 Vraag en aanbod... 99 3 DISTRIBUTIE... 100 3.1 Algemeen... 100 3.2 Elektriciteitsmetingen... 101 Tiene Nobels 2
Hoofdstuk 1: Vermogenelektronica In dit hoofdstuk wordt vermogenelektronica besproken. Dit is de techniek om elektrische energie te controleren, gebruik makende van elektronische componenten. De tekst van dit hoofdstuk vind je in het boek "Aandrijfsystemen" van J. Boekema. Hoofdstuk 9 beschrijft, enigszins oppervlakkig, vermogenelektronica (p 289-305). Een grondiger behandeling van deze materie staat in: "Elektronische vermogencontrole" van J. Pollefliet. De laatste uitgave bestaat uit twee delen, waarvan het eerste de vermogenelektronica behandelt en het tweede de aandrijvingen. Deze boeken worden ook gebruikt in de master Elektromechanica voor het vak Aandrijvingen (inleiding: hoofdstuk 1 tot 4 (zeer kort); gelijkrichters: hoofdstuk 7 en 8; hakkers: hoofdstuk 12 en 13) Hét referentiewerk over vermogenelektronica is: "Power electronics: convertors, applications and design" van Mohan, Undeland, Robbins, Wiley, 2003. 1 Inleiding Wat is vermogenelektronica? Componenten: diode, thyristor, TRIAC, transistor (bipolaire, vermogen-mosfet, IGBT) Snubbers: Beveiligen van vermogenschakelaars in inductieve ketens 2 Hakkers eenkwadrants: buck, boost, buck-boost twee- en vierkwadrantswerking 3 Diodegelijkrichters eenfasig en driefasig halve brug en volle brug resistief belast en inductief belast 4 Gestuurde gelijkrichters of mutatoren 4.1 Principe Gelijkrichten met thyristoren eenfasig en driefasig, halve brug en volle brug, resistief belast en inductief belast 4.2 Driefasig volle brug gestuurde gelijkrichter resistief belast en inductief belast mutator als lijngecommuteerde wisselrichter Tiene Nobels 3
Hoofdstuk 2: Elektrische veiligheid Elektrische energie levert gevaren op voor personen en installaties. Een goed ontwerp beperkt fouten en voorkomt gevaarlijke situaties. Om de gepaste beveiligingen te voorzien, bestuderen we eerst de mogelijke gevaren. Vervolgens komen beveiligingen tegen overstromen en tegen elektrische schokken aan bod. In deze cursus wordt enkel laagspanning (<1 kv) behandeld. 1 Gevaren van elektriciteit 1.1 Gevaren voor personen Personen die in aanraking komen met onder spanning staande delen (bvb een naakte geleider) krijgen een elektrische schok. Zij kunnen zware letsels oplopen elektrisering of zelfs gedood worden elektrocutie. Effecten op het menselijk lichaam zijn o.a.: spiercontracties: spieren reageren op de elektrische stroom als op een signaal van de hersenen dat de spieren beveelt samen te trekken. hartritmestoornissen: ook het hart is een spier! hartfibrillatie: wanneer het hart ongecontroleerd en snel samentrekt (bvb 350/min), wordt het bloed niet langer rondgepompt, wat zuurstoftekort veroorzaakt. ionisatie: gelijkspanning veroorzaakt ionisatie van de zoute oplossingen in het lichaam (bvb bloed). brandwonden: zowel inwendig als uitwendig. Verschillende factoren beïnvloeden de ernst van de schok: Waarde van de stroom Gevolgde weg door het lichaam (hart!) Tijdsduur Frequentie Waarde van de spanning Impedantie van het lichaam Conditie van het lichaam Van deze invloeden is de stroomsterkte de belangrijkste factor (Figuur 2.1). Figuur 2.2 geeft de risico s weer in functie van tijdsduur en stroomsterkte. 4
Figuur 2.1: Invloed van stroomsterkte op het menselijk lichaam. 1.2 Gevaren voor installaties Figuur 2.2: Veiligheidscurve tijd-stroom. Elektrische installaties worden voornamelijk beschadigd door te hoge stromen. Deze overstromen zijn het gevolg van een fout / kortsluiting in het circuit of van een overbelasting 5
in een machine. Overspanningen of vervormingen (zie hoofdstuk EMC en Power Quality) kunnen de werking van schakelapparatuur of aangesloten toestellen verstoren. Meestal zijn de problemen echter thermisch van aard. Jouleverliezen genereren immers warmte (Q) in kabels, schakelaars (2.1). 2 Q= RI t (2.1) Hierin is I de foutstroom en R de weerstand van bijvoorbeeld de kabel of van de elektrische boog bij een fout ( kortsluiting in de volksmond). Bij zeer hoge stromen zijn bovendien de elektrodynamische krachten op de geleiders zeer groot, wat tot aanzienlijke mechanische schade (vervorming) kan leiden. 2 Reglementering Bescherming tegen de gevaren van elektriciteit is noodzakelijk. Verschillende wetten en normen geven de reglementen betreffende elektrische veiligheid. 2.1 Wetten en normen Nationale wetgeving betreffende elektrische installaties is terug te vinden in: AREI: Algemeen Reglement op de Elektrische Installaties ARAB: Algemeen Reglement op Arbeidsbescherming Deze wetgeving is gebaseerd op (inter-)nationale normen: IEC: International Electrotechnical Commission CEB of BEC: Belgisch Elektrotechnisch Comité CENELEC: European Committee for Electrotechnical Standardization (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) ISO: International Organization for Standardization BIN: Belgisch Instituut voor Normalisatie Op vele toestellen is aangegeven aan welke normen zij conform zijn. 2.2 Kwaliteitsmerken Kwaliteit van elektrische toestellen wordt gewaarborgd door keurmerken. Voor België is dit het CEBEC (Figuur 2.3). Het kwaliteitsmerk heeft tot doel de degelijkheid en de veiligheid van het elektrisch materiaal en van de elektrische toestellen te garanderen. Niet alleen nationaal, maar ook internationaal zijn er overeenkomsten die bepalen aan welke voorwaarden een product of een toestel moet beantwoorden. Eens die voorwaarden vervuld zijn, wordt een kwaliteitsmerk toegekend. Het is het bewijs dat het product of het toestel voldoet aan de eisen gesteld in dat bepaalde land. Zo kan een product of een toestel meerdere kwaliteitsmerken dragen. 6
Figuur 2.3: Belgisch keurmerk. Het materiaal wordt onderworpen aan een reeks elektrische, thermische en mechanische proeven. Daarenboven wordt het toestel nog gekeurd uit het oogpunt van doelmatigheid bij normaal gebruik. Eens het kwaliteitsmerk voor een bepaald voorwerp toegekend, vergewist het BEC er zich van, door bestendige controle bij de producent en bij de verdelers, dat de voorwerpen wel aan de aangenomen modellen gelijkwaardig en gelijkvormig blijven. Tabel 2.1: Nationale keurmerken: enkele voorbeelden. Naam Land Symbool Naam Land Symbool CEBEC België KEMA Nederland VDE Duitsland ÖVE Oostenrijk UTE Frankrijk SEMKO Zweden CENELEC Europa UL NEC OSHA V.S.A CE-markering Een CE-markering is geen keurmerk. Het duidt enkel op een productaansprakelijkheid van de fabrikant. Het staat de fabrikant vrij om bestaande nationale of Europese normen te volgen. De CE-markering heeft niet alleen betrekking op de elektrische veiligheidsvoorschriften, die terug te vinden zijn in de zogenaamde laagspanningsrichtlijn, maar ook op de elektromagnetische compatibiliteit (EMC-richtlijn). 2.3 Isolatie Isolatie is meestal de eerste beschermingsmaatregel. Naargelang hun isolatie worden toestellen onderverdeeld in categorieën. De belangrijkste indelingen zijn de IP-nummers (beschermingsgraden) en de isolatieklassen (zie bvb IEC-normen). 2.3.1 Beschermingsgraden Uit veiligheidsoverwegingen wordt elk toestel, dus ook elektrische apparaten beschermd door een omhulsel. De aanduiding van de beschermingsgraad, verkregen door het omhulsel, bestaat 7
uit de letters IP (Index of protection) gevolgd door twee (eventueel drie) cijfers. Figuur 2.4 geeft de definities van de IP-code. eerste cijfer: bescherming tegen aanraking van onder spanning staande delen of tegen indringen van vaste voorwerpen tweede cijfer: bescherming tegen indringing van vloeistoffen derde cijfer: schokbestendigheid van het omhulsel (dit cijfer is facultatief) Figuur 2.4: Beschermingsgraden (IP-codes). 2.3.2 Isolatieklassen De isolatieklasse van elektrisch materiaal duidt aan hoe dit materiaal geïsoleerd is. Bij elke klasse horen eigen beveiligingsmaatregelen. Klasse 0: Elektrisch materieel met enkel een basisisolatie. Klasse I: De aanraakbare elektrisch geleidende delen (metalen omhulsels) zijn voorzien van een aardingsklem die via de beschermgeleider met de aarde verbonden wordt. Strijkijzer, wasmachine en oven zijn voorbeelden van klasse I toestellen. 8
Klasse II: De bescherming tegen elektrische schokken wordt bekomen met dubbele of versterkte isolatie. De toestellen bezitten geen aardingsklem, het voedingssnoer is niet voorzien van beschermgeleider. Boormachine, mixer en stereo-installatie zijn voorbeelden van klasse II toestellen. Klasse III: Toestellen gevoed op een zeer lage veiligheidsspanning, en waarin geen andere dan zeer lage veiligheidsspanningen voorkomen. Een draaglamp met een gewoon gloeilampje, dat gevoed wordt uit batterijen is een klasse III toestel. 2.3.3 Eex markering Op apparatuur die gebruikt wordt in omgevingen waar gevaar bestaat voor explosies, dienen gegevens betreffende de explosiebeveiliging vermeld te staan. Enerzijds is er het Ex-symbool, wat aanduidt dat het toestel gekeurd is volgens de norm ATEX 137 (Figuur 2.5). Anderzijds verplicht de Europese norm (CENELEC) het aanbrengen van een code die bestaat uit volgende merktekens (Figuur 2.6): EEx: Symbool voor apparatuur die in overeenstemming met de Europese normen is gebouwd Aanduiding van de beveiliging tegen ontsteking: d = drukvaste inkapseling, e = verhoogde veiligheid, q = zandinkapseling Toestelgroep en explosiegroep: II C Temperatuurklasse: hoogst toegelaten oppervlaktetemperatuur (T1 = 450 C, T6 = 85 C) Figuur 2.5: Ex-symbool. Figuur 2.6: Voorbeeld Eex. 9
2.4 Conventionele grensspanning Ook de omgeving van een elektrische installatie heeft invloed op de goede werking ervan. Het AREI beschrijft deze uitwendige invloedsfactoren, bijv. de aanwezigheid van vegetatie of de bekwaamheid van personen die in contact komen met de installatie. Eén van deze invloeden is de toestand van het menselijk lichaam. Afhankelijk van de toestand van de huid (droog of nat) varieert de weerstand van het lichaam immers in sterke mate. Een zelfde spanning kan ongevaarlijk zijn wanneer de huid droog is, maar wel een gevaarlijke stroom veroorzaken in een natte omgeving. Figuur 2.7 toont de veiligheidscurves. De codering BB1 staat voor een droge huid, BB2 voor een vochtige huid en BB3 voor de ondergedompelde toestand (bvb. zwembaden). Let op de logaritmische schaal. Uit deze grafiek leest men de absolute en relatieve conventionele grensspanning af. De absolute conventionele grensspanning is de contactspanning die als volkomen veilig beschouwd mag worden, en wordt bepaald door de aard van de spanningsbron en door de omgevingstoestand (Tabel 2.2). De relatieve conventionele grensspanning is de toelaatbare contactspanning in relatie tot de blootstellingduur en wordt weergegeven door de veiligheidscurven. Tabel 2.2: Absolute conventionele grensspanning. Wisselspanning Gelijkspanning met rimpel BB1 droog 50 V 75 V 120 V BB2 nat 25 V 36 V 60 V BB3 doorweekt 12 V 18 V 30 V Gelijkspanning 10
Figuur 2.7: Uitwendige invloeden: toestand van het menselijk lichaam BB1: droge huid, BB2: vochtige huid, BB3: ondergedompeld. 11
3 Beveiliging tegen overstroom Een beveiliging is steeds de zwakste schakel in de keten: het is de plaats waar een overstroom het eerst gedetecteerd wordt. Hierdoor kan de beveiliging de kring onderbreken voordat er elders in de kring schade optreedt. Overstromen worden onderverdeeld in overbelastingsstromen enerzijds en kortsluitstromen anderzijds. Kortsluitstromen zijn vele malen groter dan de toegelaten / nominale stroom van de installatie en veroorzaken zeer snel problemen (2.1). Zij dienen dan ook zo snel mogelijk afgeschakeld te worden. Overbelastingsstromen veroorzaken pas problemen na enige tijd. Een stroom van bijvoorbeeld twee maal de nominale stroom kan gedurende korte tijd toegelaten worden. Beveiligingen tegen overstromen zullen zowel overbelastingsstromen als kortsluitstromen onderbreken, echter met een verschillende snelheid. Karakteristieken van beveiligingen worden dan ook gegeven als tijd-stroom grafieken. In het beveiligingstoestel wordt de kring op gecontroleerde wijze onderbroken (bvb zonder risico op brand). Een belangrijke parameter om veiligheid te garanderen is dan ook het onderbrekingsvermogen. Dit is de maximale stroom die de beveiliging kan onderbreken zonder zelf beschadigd te worden. Terminologie De belastingsstroom I b is de stroom die effectief door de leiding loopt. I z is de toelaatbare stroom van de leiding. Om de installatie te beschermen wordt een beveiligingstoestel met nominale stroom I n gebruikt. I nf is de conventionele niet-aanspreekstroom van deze beveiliging, I f de conventionele aanspreekstroom. Bij I nf zullen deze beveiligingen net niet onderbreken, bij I f zullen zij zeker onderbreken. De marge tussen beide is te wijten aan statistische verdeling. 0 I b I z I n Beveiliging tegen overstromen kan gebeuren met smeltzekeringen of met automaten. Beide toestellen worden hieronder besproken. 3.1 Smeltzekeringen Smeltzekeringen bestaan in vele uitvoeringsvormen (Figuur 2.8), hun werkingsprincipe echter is steeds hetzelfde. De werking is gebaseerd op de Jouleverliezen in de smeltdraad. Bij langdurige overbelastingsstromen of bij kortsluitstromen zal deze draad door de lokale warmteontwikkeling doorsmelten vóór er elders problemen optreden. Hierdoor wordt de kring onderbroken en de fout uitgeschakeld. Na een fout dient een smeltzekering steeds vervangen te worden. Overbruggen van zekeringen is ten strengste verboden! Figuur 2.9 toont de karakteristiek van een aantal smeltzekeringen. Op elke karakteristiek is de nominale waarde I n van de zekering aangeduid. Merk op dat de nominale stroom van de zekering nooit onderbroken wordt door deze zekering. Let ook op de logaritmische schaal! I nf I f 12
Figuur 2.8: Smeltzekeringen: miniatuur zekeringen, schroefzekering, doorsnede van een schroefzekering. 3.2 Automaten Figuur 2.9: Karakteristiek van een reeks smeltzekeringen. Het belangrijkste nadeel van een smeltzekering is dat zij na een fout vervangen dient te worden. In huishoudelijke installaties is de smeltzekering bijna volledig vervangen door automaten. Automaten bevatten een schakelaar die in staat is kortsluitstromen te onderbreken (onderbrekingsvermogen). Na een fout kan deze schakelaar weer gesloten worden (in de veronderstelling dat de fout weggenomen is). Net zoals smeltzekeringen onderbreken automaten zowel overbelastingsstromen als kortsluitstromen. Beide fouten worden echter 13
door verschillende elementen gedetecteerd, namelijk door een thermisch en door een magnetisch gedeelte respectievelijk (Figuur 2.10 en Figuur 2.11). Een kortsluiting wordt door de automaat gemeten met behulp van een spoel met ijzeren kern. Het werkingsprincipe is gebaseerd op de wet van Ampère en de Maxwellse trekkracht. Indien de stroom door de installatie en dus ook de spoel te groot wordt, wordt de ijzeren kern in de spoel getrokken en de schakelaar verplaatst (cfr. relais). De waarde van de stroom waarbij de automaat op kortsluiting reageert, noemt men de proefstroom of de magnetische drempelstroom I m. Overbelasting wordt net als bij de smeltzekeringen thermisch gemeten, doch niet destructief. Een bimetaal bestaat uit twee metalen met verschillende uitzettingscoëfficiënten die op elkaar bevestigd zijn. Wanneer er stroom door het bimetaal loopt, warmt het op. Door de verschillende uitzetting van beide plaatjes zal het bimetaal buigen. Hoe meer de temperatuur stijgt, hoe verder het bimetaal ombuigt, tot het uitschakelmechanisme aangesproken wordt. 1 Omhulsel 2 Uitgangsklem 3 Vonkenkamer 4 Elektromagneet 5 Bedieningshendel 6 Vast contact 7 Beweegbaar contact 8 Boogafleider 9 Bimetaal 10 Ingangsklem 11 Railhaak Figuur 2.10: Doorsnede van een automaat. Op de uitschakelkarakteristiek (Figuur 2.11) ziet men enerzijds de reactie van het bimetaal op overbelastingsstromen (thermisch) en anderzijds de reactie van het relais op kortsluitstromen (magnetisch). Afhankelijk van de te beveiligen toepassing worden er verschillende types automaten gebruikt. Tabel 2.3 en Figuur 2.11 geven de definitie van de verschillende types. 14
Tabel 2.3: Soorten automaten. Type Proefstroom Uitschakeltijd Toepassing B 3 I n t u 0.1s 5 I n t u < 0.1s Resistieve belasting C 5 I n t u 0.1s Verlichting, stopcontacten 8 I n t u < 0.1s Kleine motoren D 10 I n t u 0.1s Hoge inschakelstromen 20 I n t u < 0.1s Zware motoren Figuur 2.11: Karakteristieken van automaten. Tabel 2.4: Conventionele (niet-)aanspreekstroom van beveiligingen. I nf / I n I f / I n tijdsduur smeltzekeringen gi, I n 4 A 1.5 2.1 1 uur gi, I n 10 A 1.5 1.9 1 uur gi, I n 25 A 1.4 1.75 1 uur gi, I n 63 A 1.3 1.6 1 uur gi, I n 100 A 1.3 1.6 2 uur gg, I n 63 A 1.25 1.6 1 uur gg, 63 A< I n 160 A 1.25 1.6 2 uur 15
I nf / I n I f / I n tijdsduur gg, 160A < I n 400A 1.25 1.6 3 uur gg, 400A < I n 1.25 1.6 4 uur am 4 3.6 1 min automaten B,C,D, I n 63 A 1.13 1.45 1 uur L,U,G, I n 63 A 1.05 1.35 1 uur vermogenschakelaars I n < 63 1.05 1.35 I n > 63 1.05 1.25 3.3 Motorbeveiliging Voor middelgrote vermogens op laagspanning is het niet altijd mogelijk om de meting van een overstroom en de schakelaar die de kring onderbreekt in één component te integreren. Daarom worden detectie en actie losgekoppeld van elkaar. De actie gebeurt steeds met een vermogenschakelaar, dit is een schakelaar die ook in staat is kortsluitstromen te onderbreken. De detectie gebruikt dezelfde mechanismen als de automaat. De aansturing van de vermogenschakelaar gebeurt meestal met relaisschakelingen. Ook voor hoogspanningstoepassingen zijn detectie en actie gescheiden. De details vallen echter buiten het bereik van deze cursus. 4 Beveiliging tegen elektrische schokken 4.1 Rechtstreekse / onrechtstreekse aanraking Contact met een gevaarlijke spanning kan op twee manieren optreden. In het eerste geval raakt men onder spanning staande, actieve delen van een installatie aan. Dit noemt men rechtstreekse aanraking. Uit Figuur 2.7 blijkt duidelijk dat de nominale netspanning (230 V) een gevaar betekent voor de mens. Beveiliging tegen rechtstreekse aanraking is dus noodzakelijk. Onrechtstreekse aanraking gebeurt wanneer massa s 1 door een isolatiefout contact maken met de actieve delen. Wanneer een persoon de massa aanraakt, krijgt hij een elektrische schok indien er geen veiligheidsmaatregelen getroffen werden. In beide gevallen ontstaat er een gevaarlijke situatie die ofwel voorkomen, ofwel zo snel mogelijk uitgeschakeld dient te worden (Figuur 2.7). Beveiliging tegen de gevaren van rechtstreekse aanraking kan gebeuren door: Voorkomen van rechtstreekse aanraking door isolatie, verwijdering of hindernissen. Gebruik van zeer lage veiligheidsspanning in het hele circuit. Snel uitschakelen van de gevaarlijke situatie met een differentieelschakelaar kan gebruikt worden als aanvullende veiligheidsmaatregel. Beveiliging tegen de gevaren van onrechtstreekse aanraking kan gebeuren door: Isolatie: dubbele isolatie / isolatieklasse II, verwijdering,... 1 Een massa is een geleidend onderdeel van een toestel dat normaal gezien niet onder spanning staat, bijvoorbeeld de metalen behuizing. 16
Aarding: voorkomen van een potentiaalverschil (= spanning) tussen het omhulsel van het toestel en de aarde door een elektrische verbinding tussen beide punten te maken. De aarde is het referentiespanningsniveau, op dit niveau staat ook de persoon die in aanraking komt met het omhulsel. Equipotentiaalverbindingen: voorkomen van een potentiaalverschil tussen twee gelijktijdig bereikbare massa s. Gebruik van zeer lage veiligheidsspanning in het hele circuit, beschermingsklasse III. Snel uitschakelen van de gevaarlijke situatie met een differentieelschakelaar. 4.2 Zeer lage veiligheidsspanning (ZLVS) Zeer lage veiligheidsspanning is de zeer lage spanning waarvan de waarde beperkt blijft tot deze van de conventionele absolute spanningsgrens: in normale bedrijfsomstandigheden, en in foutomstandigheden, met inbegrip van aardfouten in andere stroombanen. In een droge omgeving is dit een spanning onder 50 V (zie Figuur 2.7). De ZLVS is steeds galvanisch gescheiden van andere stroombanen en mag evenmin geaard worden. Zo kan er ook in het geval van een fout elders in het net, geen gevaarlijke situatie ontstaan. 4.3 Aarding Een aarding is een elektrische verbinding met de aardpotentiaal. Een aarding wordt bekomen door ofwel een koperen geleider van minimaal 35 mm 2 onder de fundering van het gebouw te plaatsen (zonder contact met de fundering), ofwel door een aantal metalen pinnen diep in de grond te drijven (Cadweld aardstaven). Een goede aarding heeft een aardingsweerstand die kleiner is dan 30 Ω. Het AREI beschrijft hoe de meting van deze weerstand uitgevoerd dient te worden. De uiteinden van de aardingslus of van de aardingsstaven worden verbonden met de hoofdaardingsklem (Figuur 2.12). Van deze klem vertrekken alle beschermgeleiders en equipotentiaalverbindingen van het gebouw. Beschermgeleiders verbinden de aarding met de massa s van toestellen, bvb via de aardingspinnen in stopcontacten. Figuur 2.12: Hoofdaardingsklem van een installatie. 17
4.4 Differentieelschakelaar Een differentieelschakelaar of verliesstroomschakelaar (Figuur 2.13) detecteert of alle stroom die naar een belasting loopt, ook terugkeert via de normale weg. Indien dit niet het geval is, onderbreekt hij de kring. De normale weg zijn de fasegeleiders en eventueel de neutrale geleider. Figuur 2.13: Differentieelschakelaar: bouw. Figuur 2.14 stelt de werking van een differentieelschakelaar voor. De sensor is een transformator: de fase- en neutrale geleiders vormen samen de primaire, de torus is de ijzeren kern, de meetspoel is de secundaire kring. In normale omstandigheden is de som van de stromen in de drie fasegeleiders gelijk aan nul. In geval van onevenwicht zal er ook een stroom door de neutrale geleider lopen, maar dit houdt nog geen gevaar is. Steeds is de netto flux die opgewekt wordt in de torus gelijk aan nul en wordt de meetspoel dus niet bekrachtigd. Wanneer er echter een aardfout optreedt, kan de stroom ook via de aarde lopen. In dit geval is de som van de stromen in fase- en neutrale geleiders niet langer nul. De van nul verschillende opgewekte flux wordt gedetecteerd door de meetspoel (want het is een wisselflux!) die de schakelaar van de differentieel bedient. De gevoeligheid of de aanspreekstroom van een differentieelschakelaar is de waarde van de kleinste verliesstroom waarbij de differentieelschakelaar de kring onderbreekt. Dit betekent dat kleinere verliesstromen geen gevaarlijke situatie mogen veroorzaken, of nog, het product van de aardingsweerstand en de verliesstroom mag niet hoger zijn dan de toelaatbare (veilige) contactspanning. 18
Contactor Torus Meetmodule I Tijd Net Figuur 2.14: Werking van de differentieelschakelaar. LET OP! De beschermgeleider (PE-geleider) mag nooit door de differentieelschakelaar gaan! Stroom hierdoor betekent immers een reëel gevaar en dient dus gedetecteerd te worden. 4.5 Soorten netten Om elektrische energie op een veilige manier te verdelen zijn drie netsystemen in voege (IEC 60364). Netsystemen worden ingedeeld volgens de aarding en de verdeling van de beschermgeleiders. Men onderscheid TT-netten, TN-netten en IT-netten (Figuur 2.15 tot Figuur 2.19). De eerste letter heeft telkens betrekking op de aarding van het verdeelnet. T staat voor een rechtstreekse aarding van een punt van het verdeelnet, meestal het sterpunt van de transformator. I staat voor een geïsoleerde toestand tov de aarde. Meestal is het sterpunt van de transformator via een grote impedantie verbonden met de aarde. De tweede letter stelt de aardingstoestand van de massa s van de verbruikers voor. De verbinding van een massa van een toestel met een aarding gebeurt via een beschermgeleider of PE-geleider. T staat voor een rechtstreekse verbinding van de massa s van de toestellen met een aarding die onafhankelijk is van de aarding van het net. N staat voor een verbinding van de massa s van de toestellen met de aarding van het verdeelnet. TN-netten komen voor in drie varianten: TN-C: beschermgeleider en nulgeleider zijn één geleider (PEN-geleider) (Figuur 2.17). TN-S: beschermgeleider en nulgeleider zijn aparte geleiders (5-draads-systeem) (Figuur 2.18). TN-C-S: een TN-C net verandert stroomafwaarts van de transformator in een TN-S net. Omgekeerd is verboden! (Figuur 2.19) 19
L1 L2 L3 N Verbruiker Verbruiker PE Aarde Figuur 2.15: TT-net. L1 L2 L3 N Verbruiker Verbruiker Z PE Aarde Figuur 2.16: IT-net. L1 L2 L3 PEN PE Verbruiker Verbruiker Aarde Figuur 2.17: TN-C-net. 20
L1 L2 L3 N PE Verbruiker Verbruiker Aarde Figuur 2.18: TN-S-net. PEN L1 L2 L3 N PE Verbruiker Verbruiker Aarde Figuur 2.19: TN-C-S-net. 4.5.1 Beveiliging in TT-net Beschouwen we onderstaande situatie (Figuur 2.20). Een isolatiefout op L2 veroorzaakt een foutstroom I fout die beperkt wordt door de weerstand van de geleiders en van de aardingen. Ten opzichte van de aardingen is de weerstand van de geleiders verwaarloosbaar. Het gevolg hiervan is dat de foutstroom relatief klein is (t.o.v. kortsluitstromen) (2.2). I U 230 V f fout = = R a1 + R a2 10 + 12 Ω 10.5 A (2.2) 21
Differentieelschakelaar L1 L2 L3 N I fout R a1 10 Ω R a2 12 Ω U z Aarde Figuur 2.20: Isolatiefout in een TT-net. Deze foutstroom zal de overstroombeveiliging niet aanspreken, zodat de kring ononderbroken blijft. Een persoon die de massa van het toestel aanraakt ervaart tussen handen en voeten de contactspanning U z (2.3). Uz = R2 Ifout = 126V (2.3) Op Figuur 2.7 is te zien dat deze spanning een reëel gevaar betekent voor de persoon indien de kring niet binnen 20 ms afgeschakeld wordt. Aangezien de overstroombeveiliging deze fout niet onderbreekt, is een bijkomende beveiliging nodig, de differentieelschakelaar. Om een goede werking van de differentieelschakelaar te garanderen, dienen volgende voorwaarden vervuld te zijn: Het net is geaard. De massa s zijn geaard. De gevoeligheid van de differentieelschakelaar Is kleiner dan de foutstroom. De differentieelschakelaar staat stroomopwaarts van de fout. De nulgeleider mag stroomafwaarts niet meer geaard worden. 4.5.2 Beveiliging in TN-net Een isolatiefout in een TN-net (Figuur 2.21) veroorzaakt, in tegenstelling tot in het TT-net, wel een grote foutstroom. Deze stroom wordt immers enkel beperkt door de weerstand van de geleiders en de fout. Om de spanningsval in het net ten gevolge van de kortsluiting in rekening te brengen, gebruiken we de correctiefactor 0.8. I fout = R 0.8 Uf + R geleiders fout (2.4) Deze foutstroom ligt in de grootteorde van ka en zal dus uitgeschakeld worden door de overstroombeveiliging. Hoe snel de overstroombeveiliging reageert, hangt af van de grootte van de foutstroom. Indien deze relatief klein is, zal de beveiliging te traag reageren (Figuur 2.9). Daardoor is het mogelijk dat er toch een gevaar voor de persoon ontstaat (cfr. Figuur 2.7). 22
I fout L1 L2 L3 N PE U z Aarde Figuur 2.21: Isolatiefout in een TN-net. Voorbeeld Figuur 2.22 geeft de situatieschets van een rekenvoorbeeld. De soortelijke weerstand van koper bij 70 C bedraagt 0.0225 10-6 Ωm. Dit levert de foutstroom op van (2.5). 0.8 Uf Ifout = = 1.3kA (2.5) ρcu f ρcu PE + S S f PE 230 V I fout l = 50 m S = 16 mm 2 U z Figuur 2.22: Voorbeeld foutberekening. De contactspanning bedraagt in dit geval 92 V (2.3). Om geen gevaar op te leveren dient deze spanning binnen 0.5 s uitgeschakeld te worden (Figuur 2.7). Of dit gebeurt, is afhankelijk van de karakteristiek van de zekering. Uz = RPE Ifout = 92V (2.6) Het is wettelijk toegestaan dat de beschermingsgeleider een kleinere doorsnede heeft dan de fasegeleiders. Tabel 2.5 geeft de toegestane secties aan. Hiermee rekening houdende geeft (2.7) de werkelijke aanraakspanning. 23