(Wal)stroom, hoe zit het nu echt? 1. Inleiding en theorie In dit verhaal heb ik (vanuit mijn kennis en technische achtergrond) gepoogd de inhoudelijkheden op een voor een leek begrijpelijke wijze te verklaren over het "hoe en waarom" van bepaalde veiligheidsmaatregelen van elektrische installaties aan boord van plezier-vaartuigen. NB: Een complete uitleg is eigenlijk onmogelijk te volgen zonder hiervoor een studie te hebben gevolgd. Op bepaalde zaken zal ik daarom dus niet al te diep in gaan. Wat is stroom eigenlijk? Heel kort en eenvoudig gezegd is dat de verplaatsing (stroom) van onzichtbareelektronen door een geleider of halfgeleider (meestal een metaal/-kabel) onder invloed van een potentiaalverschil. Dit wordt meestal uitgedrukt als de verplaatsing van de positieve lading. (zie ook hfdst. 3) Dit is te meten en te berekenen volgens de onderstaande basisprincipes. Basisbegrippen; De basis voor de hele elektrotechniek is de Wet van ohm. Met deze wet kunnen we zo'n beetje alles uitrekenen. I = U/R ofwel I-Stroom (Ampère)= U-Spanning (Volt) gedeeld door R-Weerstand (Ohm) Het eenvoudigste schema hieronder weergegeven; Op de polen van de accu staat een gelijkspanning van 12 Volt. De weerstand van de lamp is 2,4 ohm. We kunnen nu de stroom uitrekenen die gaat lopen door de lamp, draden en accu. I=U/R > I=12/2,4 > I = 5 Ampère. De stroom loopt dus rond in het circuit, we spreken van een gesloten stroomkring. Als we 1 van deze onderdelen weghalen loopt er geen stroom en de lamp brand niet. Een stroom kan alleen lopen als er een gesloten stroomkring is. Met de formule P = U x I kunnen we het vermogen van de lamp uitrekenen. Het vermogen drukken we uit in Watt. In dit voorbeeld; P = 12 x 5 > P = 60 Watt Gelijkstroom/wisselstroom In ons voorbeeld hadden we te maken met een accu (zie verder hfdst. 3), hier komt gelijkstroom DC (During Current) uit. De polariteit + en - wisselt niet. Wisselstroom AC (Alternating Current) daarentegen wordt opgewekt door een magneet die ronddraait langs een spoel (=Generator). Ook wel de rotor (draaiend deel) en de stator (stilstaand deel) genoemd. De magneet draait in NL 60x per seconde langs de spoel. 60x per seconde komt de noordpool langs de spoel en 60x per seconde komt de zuidpool langs de spoel. Gevolg is dat er spanningen worden opgewekt in de spoel, 60x per seconde een positieve spanning en 60x per seconde een negatieve spanning. De aanduiding hiervoor in NL = 60 Hz (Hertz) bij
230 Volt. Een aantal jaren geleden was dit nog 220 Volt bij 50 Herz. In feite ging/gaat het lampje 50/60 maal per seconde aan en uit. De verandering had 2 oorzaken; 1. Betere transportresulaten (voltage) en 2. betere ergonomische gevolgen (Hertz). Sluiten we nu op de spoel een lamp aan zoals in onderstaand schema dan hebben we een gesloten stroomkring. De berekeningen voor spanning, stroom, weerstand en vermogen blijven voor zowel gelijkstroom als voor wisselstroom hetzelfde. Voor de liefhebbers/kenners is een rekentool beschikbaar op: http://faq.tweakers.net/cme/wetvanohm.html kon geen plaatje van 230 V vinden! 2. De werking van een accu Om in het verhaal alles beter te kunnen begrijpen, even tussendoor het volgende; In het geval van de accu is er een potentiaalverschil tussen de +pool en de -pool van de accu. De +pool heeft een potentiaal van 12 Volt en de minpool van de accu heeft een potentiaal van 0 Volt. Er zal bij een gesloten stroomkring stroom gaan vloeien/lopen van het punt met de hoogste potentiaal naar het punt met de laagste potentiaal. Denk maar aan de waterval waar het water stroomt van het punt met het hoogste waterniveau naar het punt met het laagste waterniveau. Hieronder de verdere (technische) uitleg Een galvanisch element (-accu- cel) bestaat principieel uit twee geleidende platen (elektroden in dit geval Koper en Zink-) uit verschillend materiaal die, zonder dat ze elkaar raken, in een elektrolyt (geleidend zout- of zuuroplossing) geplaatst zijn. schematisch voorbeeld accu
Scheikundige werking Onmiddellijk na het inbrengen van een metaalplaat in het elektrolyt ontstaat door de scheikundige werking een spanningsverschil tussen die plaat en het elektrolyt. Tussen een tweede plaat uit het zelfde materiaal en het elektrolyt ontstaat hetzelfde spanningsverschil, zodat tussen beide platen geen spanningsverschil bestaat. Als twee platen uit verschillend materiaal worden geplaatst, dan brengt het elektrolyt de twee platen in een verschillende elektrische toestand t.o.v. het elektrolyt, waardoor tussen de twee platen een potentiaalverschil wordt veroorzaakt. De ene plaat heeft bv. een hogere spanning t.o.v. het elektrolyt dan de andere plaat waardoor tussen beide platen een potentiaalverschil bestaat. Zo is bij de bovenstaande Cel van Volta de spanning tussen de twee platen ca. 1 Volt met de koperplaat positief t.o.v. de zinkplaat. Zoals we inmiddels al weten is "Stroom" een elektronenstroom van negatieve plaat naar positieve plaat. Deze elektronenstroom is dus tegengesteld aan wat we aanduiden met elektrische stroom. De elektronenstroom loopt van het minst edele metaal (in het voorbeeld Zink) naar het edelere metaal (in het voorbeeld Koper). Na verloop van tijd zullen de elektronen in het Zink "op" zijn en allemaal zijn gestroomd naar het Koper. In de dagelijkse praktijk is onze accu leeg en aan vervanging toe. Proeven hebben aangetoond dat het opgewekte potentiaalverschil tussen de twee platen afhankelijk is van het soort elektrolyt en het soort metaal waaruit de platen vervaardigd zijn. Zo zijn, naargelang de gebruikte materialen, verschillende typen van cellen gebouwd om aan de nodige spanning (Volt) en/of vermogen (Ampere) te komen. 3. Het elektriciteitsnet en de rol van randaarde. Zo ziet ons elektriciteitsnet eruit. G = elektriciteitscentrale (Generator). Het middelste blokje is onze groepenkast, rechts is een verbruiker, bv. een lamp. Bruin en blauw komen bekend voor uit het schema van het vorige hoofdstuk. Bruin noemen we fasegeleider (fase) en blauw noemen we nulgeleider (nul). Het blokje om de bruine draad in de groepenkast stelt een zekering voor met de waarde 16 Amp. Dit is in NL de meest en vaak als max. gebruikte zekeringwaarde. Een zekering heeft 2 functies; beveiligen tegen overbelasting en beveiligen tegen kortsluiting Als nu we nu fouten maken en een te zware lamp ophangen zal door fase en nul een te grote stroom gaan lopen. Gevolg kan zijn dat de draden te warm gaan worden en de draadisolatie zal smelten. Door nu een zekering van 16A op te nemen in de bruine draad zal
de zekering eerder doorsmelten dan dat de draad warm wordt. Bepaalde draaddiameters kunnen bepaalde stromen hebben voordat ze warm worden. Bij een 16 Amp. zekering hoort 2,5mm² draaddikte, dikkere draad kan ook gebruikt worden. Bij dunnere draden dan de aanbevolen 2,5mm² kan de draad eerder warm worden dan dat de zekering doorsmelt. Gevolg kan zijn dat de draadisolatie kan smelten en mogelijk brand veroorzaken. Kortsluiting kan ook ontstaan. In dit geval komen bv. bruin en blauw tegen elkaar tussen groepenkast en lamp. De weerstand van de gesloten stroomkring wordt nu erg laag, stel 0,1 ohm. Formule van de vorige pagina I=U/R > I=220/0,1 > I=2200Amp De zekering smelt binnen no-time door. De rol van randaarde Lampen zitten in armaturen. Armaturen kunnen van metaal zijn, evenals veel andere apparaten zoals wasmachines, broodroosters en noem het maar op. Als er nu een defect optreedt in het apparaat dan kan de metalen behuizing onder spanning komen te staan. De Fasedraad (bruin) maakt contact met metalen behuizing. Als we nu de metalen behuizing aanraken hebben we een serieus probleem. De zwarte pijl hieronder stelt een menselijk lichaam voor. Er loopt nu stroom van de spoel van de generator van de elektriciteitscentrale door de bruine draad - door de zekering - door de bruine draad de metalen behuizing het menselijk lichaam de aardkorst de aardpen elektriciteitscentrale - klein stukje blauwe draad naar de spoel van de generator van de elektriciteitscentrale. We hebben dus een gesloten stroomkring via het menselijk lichaam, de gevolgen voor het menselijke lichaam laten zich raden. Een aardpen is een metalen pen ongeveer 25 mtr. diep in de grond geslagen. Verdere uitleg over de aardpen etc. voert te ver, maar onthoud het woord/begrip aarding.
Kunnen we elektrocutie via metalen behuizingen voorkomen? De groen-gele draad rechts in de tekening is een verbinding tussen metalen behuizing en onze (huis)aardpen. Nu treedt er weer sluiting op tussen fasedraad (bruin) en metalen huis van de lamp. Ook nu weer hebben we een gesloten stroomkring; spoel van generator - door bruine draad en zekering - metalen behuizing - groen/gele draad - aardpen huis - aardkorst - aardpen elektriciteitscentrale - klein stukje blauwe draad - spoel van generator. De weerstand van deze gesloten stroomkring moet van de wetgever (NEN-normen) erg laag zijn. In de orde van grootte van 3 ohm. Weer de wet van ohm; I=U/R = 220/3 = 73A De zekering in onze groepenkast zal zeer snel doorsmelten (zo rond de 0,1 s.). De zekering zal doorgesmolten zijn voordat wij geëlektrocuteerd zijn. Of (beter nog) de zekering zal doorgesmolten zijn voordat wij de metalen behuizing aanraken. De aardlekschakelaar is het grote blok links en de groepenkast, het kleinere blok rechts in de groepenkast is nog steeds de zekering. De aardlekschakelaar De aardlekschakelaar is het grote blok links in de groepenkast, het kleinere blok rechts in de groepenkast is nog steeds de zekering. De aardlekschakelaar meet het verschil in stroom tussen faseleider (bruin) en nulleider (blauw). Is het verschil in stroom groter dan 30 milliampêre, dan schakelt de
aardlekschakelaar af. In een normale situatie (plaatje 1 van de vorige pagina) vloeit de stroom van de generator - door bruin - door aardlekschakelaar door zekering - door lamp - door blauw - door aardlekschakelaar - naar generator. Gesloten stroomkring en de aardlekschakelaar meet 0 milliamp. verschil tussen bruin en blauw. We nemen nu even aan dat er 10 Amp. vloeit in deze stroomkring. Komt het menselijk lichaam (vierkantje links naast lamp) toch onder spanning te staan door bijv. een defecte stekker of een inkeping in een snoer dan vloeit er door het menselijk lichaam stroom van bruin - menselijk lichaam - aardkorst - aardpen - klein stukje blauw - generator - bruin - aardlekschakelaar - bruin (tweede gesloten stroomkring). Het grootste stuk blauwe draad (incl. aardlekschakelaar) doet niet mee in deze tweede stroomkring. We nemen nu even aan dat er 40 milliamp. vloeit in deze tweede stroomkring. Door de bruine draad in de aardlekschakelaar vloeit nu 10Amp. + 0,04Amp. = 10,04Amp. Door de blauwe draad in de aardlekschakelaar vloeit alleen 10Amp. De aardlekschakelaar meet nu een verschil tussen bruin en blauw van 40 milliamp. en zal de spanning afschakelen omdat zijn waarde van 30 milliamp. overschreden wordt. De waarde van 30 milliamp. is een heel bewuste keuze, want meer dan 40 milliamp. stroom door ons lichaam is dodelijk. Zouden we de waarde echter lager kiezen dan komt de bedrijfszekerheid van onze stroomvoorziening in gevaar omdat de aardlekschakelaar teveel zou aanspreken t.g.v. allerlei kleine lekstroompjes in met name warmwatertoestellen (boilers, wasmachines) en computerapparatuur. Voor de liefhebbers/hobbyïsten onder u, hieronder een werkingsschema van een aardlekschakelaar. werkingsschema v/d aardlekschakelaar 3x veiligheid We hebben nu 3 veiligheden in ons systeem ingebouwd: 1. Fundamentele/primaire isolatie (snoerisolatie, het kunststof van een stekker of kroonsteen), 2. Zekering in combinatie met randaarde in geval van metalen omhulsels 2a: Bij klasse2 apparatuur het tweede kunststof omhulsel, 3: De aardlekschakelaar in geval we toch onder spanning komen. Elk woonhuis in Nederland vertrouwt op deze 3 veiligheden tesamen. Gezien het feit dat er weinig ongelukken gebeuren met elektriciteit is ons systeem veilig te noemen. Als er toch nog ongelukken gebeuren zal dit komen door ofwel verouderde apparatuur, ofwel alle 3 van de veiligheden zijn niet in orde geweest. Mijn dagelijkse praktijk leert dat vaak de randaarde niet in orde is of compleet ontbreekt. U bent een gewaarschuwd mens!
4. Wat is het verband met ons schip? In het verhaal over randaarde lijkt het veilig om de romp van ons metalen schip rechtstreeks te verbinden aan de aardedraad die meegeleverd wordt in de walstroomstekkerdoos. Echter, als we dit zouden doen dan zouden we een heel grote accu creëren. De stalen damwand is, elektronisch gezien, rechtstreeks verbonden met de aardpen van de jachthaven en vormt het edele metaal. Het elektrolyt is in dit geval het omringende (zee)water. Ons schip is het minder edele metaal. Voor verdere uitleg zie het verhaal over de accu. Ons schip zou heel snel wegrotten! 5. De veiligheid op ons schip In de vorige hoofdstukken is de theorie behandeld, we gaan ons nu richten op de praktijk. De bedoeling hiervan is om de materie helder/begrijpelijk te krijgen. Adviezen over hoe e.e.a. uit te voeren op uw schip laat ik aan u of uw installateur over. En let op 230 Volt x 16 Amp. is en blijft DODELIJK ook met een zekering! In de volgende plaatjes zien we 2 x een zgn. RCD -"Residual Current Device"- (= technisch Engelse term voor de aardlekschakelaar). De trafo rechts in het plaatje is de hoogspanningstrafo van het energiebedrijf bij jou in de buurt (een in ster geschakelde trafo met het sterpunt aan de daar plaatselijke aardpen). Dit zgn. sterpunt of nulleider wordt samen met de 3 fasen door het energie bedrijf aangevoerd. De eenvoudigste oplossing om 230 Volt aan boord te hebben is de situatie zoals we die tegenkomen in elk woonhuis. De veiligheid is goed en we hebben geen last van galvanische
corrosie mits de metalen behuizingen van apparaten geen contact maken met het scheepsijzer/casco. Voor de veiligheid zijn we aangewezen op de niet zichtbare kwaliteit van de elektrische installatie van de walaansluiting/jachthaven. Maar bij het aan boord brengen van een verlengsnoer moet toch even stilgestaan worden bij de mogelijke gevaren en geldende normen (in Nederland o.a. ISO 13297, NEN1010, NEN3140). Hierboven hetzelfde schema als in plaatje A, echter nu met de mogelijke foutstroom getekend. Door de relatief hoge (lucht)vochtigheid in combinatie met het scheepsijzer geven we onszelf een hoge kans om zelf onderdeel te worden van een gesloten stroomkring. De hoge vochtigheid stelt hoge eisen aan de isolatie van de gebruikte apparaten, kabels, schakelmateriaal etc. Het scheepsijzer vormt een goede verbinding met de aardkorst (volg het rode lijntje). In dit systeem hebben we geen potentiaalvereffening. Als we dit systeem toepassen dienen we ervoor te zorgen dat metalen apparaten geïsoleerd staan opgesteld t.o.v. het scheepsijzer. Als aan deze voorwaarde is voldaan hebben we met dit systeem geen last van galvanische corrosie. Deze oplossing is, galvanisch gezien, afdoende, maar voldoet echter niet aan de geldende CE- en ISO-normen. Hierboven een technisch verantwoorde oplossing zonder corrosieproblemen. Nadeel van deze oplossing is dat de zwemmers, visjes en eendjes naast onze boot gevaar lopen als er een storing optreedt in ons systeem. In dit systeem hebben we potentiaalvereffening. We zijn er hiermee (nog) niet helemaal uit of dit systeem voldoet aan de CE- en ISOnormen, hierover in de volgende alinea meer. Als we dit systeem toepassen en onze boot staat op de wal voor onderhoud dan kunnen we niet zonder nadenken de walstekker erin prikken, we zullen dan moeten nadenken over een tijdelijke en deugdelijke aardeverbinding met het walstroomkastje. Zouden we de verbinding weglaten dan kan de aardlekschakelaar zijn werk niet doen omdat ons schip geïsoleerd staat opgesteld t.o.v. de aardkorst.
Schema D is een rechtstreeks interpretatie van ISO13297 punt 4.8; De nulleider moet geaard worden zo dicht mogelijk bij de bron. (Geen probleem in geval van generator, hulpmotor of polarisatietrafo). Maar dan nu de volgende zin uit de geldende CE-norm; (voor de duidelijkheid originele Quote). Voor de liefhebbers: The neutral conductor shall be grounded (earthed) only at the source of power, i.e. at the onboard generator, the secondary of the isolation or polarization transformer, or the shorepower connection. The shore-power neutral shall be grounded through the shore-power cable and shall not be grounded on board the craft. In ieder geval is deze oplossing waardeloos voor ons. In dit schema hebben we: nog steeds last van galvanische corrosie via de nulleider van de walstroomkabel, en blijkt in de praktijk de aardlekschakelaar van het walstroomkastje in de jachthaven aan te spreken Dit omdat er een stroom gaat lopen van nulleider naar aarde t.g.v. een (zeer klein) spanningsverschil tussen nulleider en aarde. E = een veilige oplossing, echter wel weer met corrosieproblemen. Deze oplossing voldoet aan de CE- en ISO-normen. In dit systeem hebben we potentiaalvereffening. Het schip is verbonden met de nulleiding (ge-aard). Zie ook hierboven. De oplossing van alle mogelijke problemen is het plaatsen van een (dure) scheidingstransformator (zie F). De scheidingstransformator zorgt voor een galvanische scheiding met het lichtnet d.m.v. communicerende gescheiden spoelen. Door de scheidingstransformator lopen zwemmers geen gevaar, er kan in geval van storing geen stroom lopen van de secundaire kant van de transformator naar de aardpen van de energiecentrale. De scheidingstransformator laat alleen wisselstromen door, gelijkstroom die voor galvanische corrosie zorgt heeft geen kans. In dit systeem hebben we potentiaalvereffening of was het nou verevening? Dit schema is volgens de CE- en ISOnormen. Zonder twijfel is dit de meest veilige, maar wel de duurste, oplossing. We moeten er alleen wel aan denken om naast de scheidingstransformator evenzeer ook zekeringen en een aardlekschakelaar toe te passen. Via zekeringen kun je z.g.n. groepen maken en niet alle gebruikers op 1 zekering aansluiten. Dan kun je die groepen ook lichter (zekering van lagere waarde) afzekeren. Het beste gebruik je zekeringautomaten. Die hoef je niet te vervangen na kortsluiting. En dan alles nog in een waterdichte behuizing en je hebt een redelijk goede installatie.
6. De (in 2011 geldende) normen Te gebruiken kabels De scheepskabel, sinds mensen heugenis gebruikt in de offschore, zeevaart en binnenvaart, was F.U.S.K. kabel en is nu de H.U.S.K kabel geworden. Goedgekeurd door loyds, veritas, enz. De ISO 13297-norm heeft niet veel te vertellen over het te installeren kabeltype. De kabel moet een beproevingsspanning kunnen hebben van 500 Volt. Buiten de motorkamer moet de isolatie een temperatuur kunnen weerstaan van 60 graden Celsius en de aderoppervlakte dient minimaal 1 mm² te zijn. Als we dus de ISO13297-norm interpreteren, en niet de Loyds-norm, dan kunnen we volstaan met een simpel VMvLkabeltje (ongekeurd kabeltje van de doe het zelfwinkel etc.). Maar of je verzekering
daarmee achteraf akkoord gaat is/blijft een vraag. Persoonlijk wil ik er niet mee gezien worden! De NL normen NEN1010 en NEN3140 zijn daar veel duidelijker in. Binnen de motorruimte moeten we oliebestendige kabel gebruiken die een temperatuur kan weerstaan van 70 graden Celsius Er wordt minimaal een aderoppervlakte van 1 mm² verlangd. Deze aderoppervlakte is afhankelijk van de zekering die de kabel beveiligd! Beveiligen we ons schip of eindgroep met een 16A zekering, dan is een bedrading van minimaal 1,5 mm² vereist. Andere normen gaan nog iets verder en verlangen bij een 16A zekering een kabel met een aderoppervlakte van 2,5mm². Bij 12/24 Volt is dit sowieso het minimum overigens! Zouden we een te kleine aderoppervlakte kiezen bij een te grote zekeringwaarde dan zou, in geval van overbelasting of kortsluiting, de kabel eerder doorsmelten dan de zekering. Of erger, de kabelisolatie kan te warm worden en brand veroorzaken. Bij 12 of 24 Volt installaties gaat de factor spanningsverlies ook nog een rol spelen. Probeer om deze redenen dus niet een paar euro te bezuinigen op de oppervlakte(dikte) van de kabel. Weerstand-/Verlies-/Kabeldikte-berekeningen kun je maken op: www.eclectricsite.be/calc/voltagedrop.html Aderkleuren vgl NEN-norm (NEN-1010 en NEN-3140) Fasedraad bruin; Nulleider blauw; Aarde - groen/geel; Schakeldraad - zwart (van schakelaar naar gebruiker!). De scheiding van AC (wisselstroom) en DC (gelijkstroom) kabels. Volgens CE-norm: a) AC en DC kabels moeten in aparte compartimenten van een kabelgoot worden gelegd door bv. Scheidingswandje óf b) AC en DC kabels in aparte kabelgoten (of buizen) óf c) AC en DC kabels ten minste 10cm uit elkaar leggen. Onthouden: = 230 volt, ook al is deze (meestal 6-16 ampère) gezekerd is DODELIJK! = 12 of 24 Volt van uw accu heeft meer dan voldoende vermogen om zonder de juiste zekering(en) brand te veroorzaken bij kortsluiting! = NEN-norm 1010 en 3140 is NL voorschrift = CE-norm is Europees voorschrift = Leg antenne en zendkabels uit de buurt van elektrakabels en gebruikers en zet de voeding van zend en ontvangapparatuur op een aparte (e.v.t. ontstoorde) groep. M.v.g. J.A. Burger (Ing., RSE en ex 3 e wtk GHV) Noot Aan dit stuk kunnen geen rechten of aansprakelijkheden worden gehecht. Het betreft een overzicht naar beste weten en onderzoek, maar fouten kunnen nimmer worden uitgesloten en/of (recentelijk)gewijzigde normen niet zijn verwerkt. De schema s/plaatjes zijn gescand uit de van toepassing zijnde vakliteratuur.