Aardingsinstallaties, beschermingsleidingen, potentiaalvereffening

IP02 Impuls 4:IP02 Impuls 4
06-02-2007
15:06
Pagina 1
Katern voor scholing, her- en bijscholing
04
Een uitgave van Intech Elektro & ICT en OTIB
februari 2007
inHoud
1
Aardingsinstallaties,
beschermingsleidingen, potentiaalvereffening
(deel 2)
4
Stroomdichtheid,
elektrische
spanning
6
Fotowedstrijd
6
Otib in 2007
Elektrotechniek
Aardingsinstallaties,
beschermingsleidingen,
potentiaalvereffening (deel 2)
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 542.4.1 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
413.1.2 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
(U0 = 230 V). Een dergelijke isolatiefout is
zeer gevaarlijk als die optreedt in een schakeldraad van een schakelleiding. De foutspanning treedt dan namelijk alleen zo nu en
1. Optredende spanningen veroorzaakt door een
isolatiefout in de scha-
waterleiding
kelleiding bij een instal-
cv toevoer- en
retourleiding
isolatiefout
latie in een oude woning
zonder potentiaalvereffe-
230 V
ning.
230 V
lichtschakelaar
vloer
onbedoelde aarding
(door de verbinding
met het waterleidingnet)
04 1
IP02 Impuls 4:IP02 Impuls 4
06-02-2007
15:06
Pagina 2
aardingsinstallaties
beschermingsleidingen
potentiaalvereffening
dan op, waardoor de plaats van de fout lastig is te lokaliseren.
toevoer- en retourleiding cv
waterleiding
Doel van de hoofdpotentiaalvereffening
isolatiefout
0V
0V
lichtschakelaar
vloer
naar de hoofdgasgeleiding,
metalen rioleringsbuizen
enzovoort
naar de antennemast
potentiaalvereffeningsleiding
naar PEN van de
huisaansluiting
potentiaalvereffeningsrail
(hoofdpotentiaalvereffening)
keldervloer
aardleiding
fundatieaarding
2. Optredende spanningen veroorzaakt door een isolatiefout in de schakelleiding bij een installatie met hoofdpotentiaalvereffening.
3. Schematische weergave van de hoofd-
4 x (YMvK 3x2,5 mm2)
1 x (YMvK 5x2,5 mm2)
verdeelinrichting
woningen
TN-stelsel
3 x (5 x 10 mm2 NYM-I)
kWh
kWh
kWh
meterbordopstelling 3
kWh-meters
stroomvoorziening van
een woongebouw.
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
VD
4x25 mm2
huisaansluitkast
huisaansluitkabel
4x25 mm2
YMvK-as
04 2
Voor de potentiaalvereffenings- en aardleidingen in afbeelding 2 en de aardelektroden (fundatieaarding) moet volgens NEN
1010 - 542.3 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
IP02 Impuls 4:IP02 Impuls 4
06-02-2007
15:06
Pagina 3
beschermingsleidingen
• 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). Hoofdpotentiaalvereffeningsleidingen mogen geen kleinere doorsnede dan
S = 6 mm2 hebben en hoeven bij toepassing van koper geen grotere waarde dan
S = 25 mm2 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. Huisaansluitkast (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
mm2 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 mm2 kabels tussen meterbord en
woningverdeelinrichtingen dienen echter
potentiaalvereffening
opgave
kleinste doorsnede
nominale kerndoorsnede
van fasen
S
S
S
S
≤
=
=
=
10
16
25
50
mm2
mm2
mm2 of 35 mm2
mm2
S ≥ 70 mm2
beschermingsleiding
SPE
SPE
SPE
SPE
=
=
=
=
S
16 mm2
16 mm2
25 mm2
S
SPE = –
2
potentiaalvereffeningsleiding
SPV
SPV
SPV
SPV
=
=
=
=
6 mm2
10 mm2
10 mm2
16 mm2
SPV = 25 mm2 Cu
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 mm2 Cu => SPE =
S = 10 mm2 Cu => SPV = 6 mm2 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.
en uitgevoerd als enkeladerige massieve
draad. Ook de doorsnede van de aardleiding tussen potentiaalvereffeningsrail en
fundatieaarding moet ten minste aan
bovenstaande eisen voldoen.
Let op: Voor de verbindingsleiding tussen
antennemast en potentiaalvereffeningsrail
is volgens de norm een kleinste doorsnede
nodig van 16 mm2 Cu, geïsoleerd of blank,
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 netspanning U0 = 230
V een veelvoud van de nominale stroom
van de automaat of de patroon (meestal
In = 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
IP02 Impuls 4:IP02 Impuls 4
06-02-2007
15:06
Pagina 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):
04 4
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 installatiemethode nader bepaald. Afhankelijk 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
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 Alessandro Volta legt Napoleon Bonaparte het
natuurkunde aan het stedelijk gymnasium in principe uit van zijn elektrische zuil, 1801.
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.
IP02 Impuls 4:IP02 Impuls 4
06-02-2007
15:06
Pagina 5
stroomdichtheid
kerndoorsnede [mm2]
1.5
2.5
4
6
10
16
25
toelaatbare stroom koper [A]
21
29
38
49
67
90
119
Toelaatbare stromen en stroomdichtheid van geïsoleerde
PVC-leidingen
elektrische spanning
stroomdichtheid [A/mm2]
14,0
11,6
9,5
8,2
6,7
5,6
4,8
volgens
NEN 1010:5
hoofdstuk 523 -
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
- 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. Brandstofcellen 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). Zaklantaarnbatterijen hebben meestal een spanning
van 1,5 V, bij elektrische bliksem in de
atmosfeer worden spanningen bereikt tot
100 MV.
effect
04 5
IP02 Impuls 4:IP02 Impuls 4
06-02-2007
15:07
Pagina 6
fotowedstrijd
otib in 2007
Fotowedstrijd ‘Zo moet het niet!’
Direct aanrakingsgevaar in de meterkast.
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
tech-
Wandcontactdoos rechtsreeks op hout gemonteerd.
Draden uit de muur.
nisch 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!’
[email protected]
Postbus 188
2700 AD Zoetermeer
Prijswinnaar
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. 0800 – 885 58 85
(gratis), of u kunt kijken op www.otib.nl. 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.
04 6
De winnaar van deze maand is Robert
Hendriks van Hendriks Elektrotechniek,
Rhenoy. Van harte gefeliciteerd!
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.