10 Veiligheid 10.1 De huisinstallatie De bedoeling van een elektrische huisinstallatie is de elektrische energie op doelmatige en vooral veilige wijze naar de plaats te brengen waar ze nodig is. De huisinstallatie bestaat uit éénfasige kringen die gevoed worden door een driefasig net.
10.1.1 VOORBEELD VAN EEN EENVOUDIGE INSTALLATIE Op figuur 52 hebben we een zeer eenvoudige elektrische installatie getekend, bestaande uit twee geleiders (fase en nul), een wandcontactdoos en een lamp met schakelaar. Omdat het elektriciteitsbedrijf graag wil weten hoeveel elektriciteit we hebben verbruikt, is een kWh-meter opgenomen.
FIG.51
In de schakeling zijn smeltveiligheden opgenomen. Deze schakeling laat zien dat zo’n eenvoudige installatie met ~n vaste aansluiting (de lamp) en één aansluiting voor “losse” toestellen (de wandcontactdoos) er toch tamelijk ingewikkeld uitziet, ondanks het gebruik van schema symbolen. Je kan je wel voorstellen hoe het schema van een echte huisinstallatie met tientallen schakelaar, lichtpunten en wandcontactdozen eruit zou zien als we dezelfde manier gebruiken.
10.1.2 EENDRAADSCHEMA Voor het tekenen van de elektrische installatie gebruiken we een vereenvoudigde tekenwijze en speciale symbolen, daardoor kunnen ingewikkelde installaties toch op een overzichtelijke manier getekend worden. In figuur 53 hebben we het zogenaamde “één draadschema” getekend van de schakeling van figuur 52.
Meettechniek Hoofdstuk 10
1
Vanbilsen Y.
FIG. 53 Je zal merken dat de geleiders bij deze tekenwijze niet meer afzonderlijk zijn getekend. In de praktijk worden de draden in kunststof buizen getrokken en deze manier van tekenen sluit daarop aan. In feite zijn in figuur 53 alleen die buizen getekend, en is door middel van schuine dwars streepjes of een cijfer aangegeven hoeveel geleiders er op die plaats door de buis lopen. De betekenis van de belangrijkste symbolen die worden gebruikt voor het tekenen van elektrische installatie vind je in de bijlage “symbolen”. In de schakeling van figuur 52 en 53 is nog geen rekening gehouden met de beschermingsgeleider die noodzakelijk is bij de praktische uitvoering (zie 10.1.7). Gok zullen stopcontacten en lichtpunten meestal op verschillende stroombanen aangesloten worden (zie figuur 62).
10.1.3 STROOMBANEN De stroomkring van de figuren 52 en 53 noemen we een stroombaan. Een stroombaan kan bestaan uit een aantal aansluitpunten (lichtpunten, stopcontacten) die op een gemeenschappelijk punt van de verdeelkast zijn aangesloten. Als er bijvoorbeeld kortsluiting optreedt in de wandcontactdoos, zal de smeltveiligheid doorbranden. Het gevolg daarvan is dat ook alle andere aansluitpunten van deze stroombaan spanningsloos worden omdat ze aangesloten zijn op dezelfde smeltveiligheid. De stroomkring van figuur 52 kan je nog uitbreiden met meer stopcontacten en lichtpunten. Het aantal aansluitpunten per stroombaan kan je echter niet blijven uitbreiden. Omdat de leidingen van koperdraad enige weerstand hebben wordt de leiding een beetje warm door het joule effect. Het vermogen dat in de geleiders omgezet wordt in warmie kan je berekenen met de formule P = I²x. Rleiding (W). Schakelen we steeds meer verbruikers opéén stroombaan dan zal de warmteontwikkeling toenemen omdat de stroomsterkte I door de leiding groter wordt. Bij overbelasting worden de leidingen zo warm. dat er gevaarlijke situaties ontstaan. • Er kan brand uitbreken. • De isolatie van de leidingen kan verbranden, met als gevolg kortsluiting. Dit kan ook leiden tot brand. • De leiding kan doorbranden.
Meettechniek Hoofdstuk 10
2
Vanbilsen Y.
Om die redenen is het aantal aansluitpunten op een stroombaan beperkt tot 8 enkelvoudige of meervoudige stopcontacten per kring. De voorschriften vind je terug in bet “Algemeen Reglement op de Elektrische Installaties” (afgekort A.R.E.1.). Indien op een stroombaan zowel lichtpunten als stopcontacten liggen, telt elk verlichtingspunt voor één stopcontact. Het mengen van verlichtingspunten en stopcontacten wordt echter afgeraden, omdat bij bet uitschakelen van de beveiliging zowel lichtpunten en stopcontacten spanningsloos worden. Een elektrische installatie van een normaal woonhuis bestaat uit meerdere stroombanen. Meer over bet indelen van stroomkringen vind je in de cursus “De elektrische huisinstallatie’.
10.1.4 SMELTVEILIGHEID (ZEKERING) Het beperken van het aantal aansluitpunten per stroombaan is niet voldoende. Zet je bijvoorbeeld op alle stopcontacten van een stroombaan een straalkachel met een vermogen van 2000 W dan wordt de stroombaan overbelast. Een overbelasting is een abnormaal grote stroom in de geleiders, die meestal te wijten is aan bet inschakelen van teveel verbruikers op hetzelfde ogenblik, een te groot vermogen van een apparaat of een fout van bet toestel die geen kortsluiting of isolatiefout is (vb. blokkeren van een motor). Wanneer er in de installatie een verbinding ontstaat tussen twee fasedraden, één fasedraad en nulleider of één fasedraad en aarding zonder dat er een verbruiker tussen geschakeld is, spreken we van een kortsluiting. Bij een kortsluiting ontstaat een grote kortsluitstroom in de geleiders. De stroombaan verhit door een overbelasting of kortsluiting: wat brand kan veroorzaken. Daarom moet elke stroombaan uitgerust zijn met een aangepaste smeltveiligheid in elke voedingsdraad. Een smeltveiligheid (figuur 54) is een kunstmatige zwakke plek in de stroombaan, die doorbrandt als de stroombaan dreigt verhit te raken door overbelasting of kortsluiting. De elektrische stroom wordt bierdoor onderbroken voordat er schade aan de installatie of brand kan ontstaan.
Een doorgesmolten zekering mag je niet herstellen!
Meettechniek Hoofdstuk 10
3
Fig. 54
Vanbilsen Y.
Aan de hand van de toegekende (nominale) waarde van de stroom van de smeItvei1igheid kan je berekenen met welk vermogen een stroombaan mag belast worden: • We weten dat het vermogen (schijnbaar) kan berekend worden met S = U. 1 (VA). Bij een cosφ =1 is P = S (ohmse verbruikers). • Als één stroombaan beveiligd is met een smeltveiligheid van 10 ampère bij een netspanning van 230 V is het aan te sluiten vermogen maximaal S = 10 A x 230 V = 2300 VA of 2300W als cosφ,1.
10.1.5 AUTOMAAT
Fig. 55 Er zijn ook “automatische smeltveiligheden”, die automaat worden genoemd. De werking berust niet op het doorsmelten van een draadje waardoor de stroomkring wordt verbroken, maar op andere principes. De automaten (figuur 55) kunnen telkens opnieuw worden gebruikt. Bij een te grote stroomsterkte verbreekt zo’n automaat de stroomkring, net als een gewone smeltveiligheid. De automaat kan echter door de schakelaar te bedienen weer ingeschakeld worden. Je vergeet natuurlijk hierbij niet eerst na te gaan wat de oorzaak was van het uitschakelen van de automaat. Met de schakelaar op de automaat kan je altijd een stroombaan onderbreken. Automaten zijn er voor verschillende nominale stroomsterkten. De werking van een automaat berust op een combinatie van een spoel en een bimetaalelement. Bij een kortstondige stroom van meer dan 3 a 4 maal de nominale waarde zorgt de spoel ervoor dat de automaat zichzelf uitschakelt. Dit is in het algemeen het geval bij kortsluiting. Is de stroomsterkte gedurende langere tijd te groot, dan trekt het bimetaal element krom, waardoor de stroomkring ook wordt onderbroken. De automaat reageert dus zowel op kortstondige grote overbelastingen of kortsluitingen als op langdurige kleine overbelastingen.
10.1.6 HET VERBAND TUSSEN DRAADDOORSNEDE VAN DE LEIDINGEN, VERBRUIKERS EN SMELTVEILIGHEID De doorsnede van de geleiders van de stroombaan is bepaald door de stroomsterkte door de draad en dus door bet voorziene vermogen van de aangesloten verbruikers.
Meettechniek Hoofdstuk 10
4
Vanbilsen Y.
Voor verlichting mag de geleider van een stroombaan 1,5 mm2 bedragen, voor gemengde stroombanen of stroombanen met uitsluitend stopcontacten is minstens een 2,5 mm2 vereist. Voor het aansluiten van bijvoorbeeld kookplaten en oven is nog een grotere doorsnede verplicht. Smeltveiligheden en automaten worden gekozen in overeenkomst met de doorsnede van de gebruikte installatiedraad. Wanneer we een stroombaan met installatiedraad van minimaal 1,5 mm2 doorsnede beveiligen met een automaat van 16 A dan kan je deze stroombaan bij 230 V maximaal belasten met: S=UxI=230Vx16A=3680VA of 3680 W(cosφ=1). Wil je een groter vermogen kunnen aansluiten. dan zal de een installatiedraad van 2,5 mm2 moeten worden gebruikt. Deze draad is geschikt voor stromen tot 20A. De waarde van de automaat is dan 20 A.
10.1.7 HET NUT VAN EEN AARDVERBINDING Figuur 56 toont een straalkachel die door middel van een tweepolige contactstop verbonden is met het net (contactstop is de officiële benaming voor stekker). De straalkachel is voorzien van een metalen behuizing met metalen pootjes en rubber voetjes. Door een defect maakt de verwarmingsspiraal contact met de metalen behuizing.
Fig. 56
Wat kan er gebeuren? Zolang je de metalen mantel niet aanraakt zal er niets gebeuren. Op de mantel staat een spanning die afhankelijk is van de plaats waar de sluiting tussen verwarmingsspiraal en de mantel ontstaat. Is dat aan de faseleiding L1, dan is die spanning ongeveer 230 V. is bet aan de kant van de nulleiding N, die in de elektriciteitscentrale verbonden is met de aarde, dan is
Meettechniek Hoofdstuk 10
5
Vanbilsen Y.
die spanning zelfs veel lager of zelfs nul volt. Is dat laatste het geval en je steekt de volgende keer de contactstop andersom in de contactdoos, dan kan er een spanning van 230 V op de behuizing komen te staan. Hieruit kan je besluiten dat bij een sluiting tussen de metalen mantel en een onderdeel van een het toestel dat onder spanning staat, er op de mantel een gevaarlijke hoge spanning kan komen te staan. Doordat de straalkachel op isolerende poot es staat, vloeit er geen stroom van verwarmingsspiraal naar de mantel. Er ontstaat geen kortsluiting, dus de smeltveiligheid zal niet doorbranden. Staat de mantel onder hoge spanning en raak je hem aan (figuur 56), dan kan er plots wel stroom gaan vloeien via je vingers en je lichaam naar de aarde. De stroomkring is dan gesloten omdat de verwarmingsspiraal langs ~n kant langs de persoon met de aarde is verbonden en aan de andere kant bet nulpunt van de generator verbonden is met de aarde. Om deze levensgevaarlijke situatie te vermijden geven we de metalen mantel een extra verbinding met aarde, waardoor de situatie van figuur 57 ontstaat. Treedt er nu aan de kant van de faseleiding een sluiting op tussen de mantel en de verwarmingsspiraal, dan maakt de faseleiding kortsluiting met de geaarde mantel en brandt onmiddellijk de smeltveiligheid door. De mantel van de verwarming is een goede geleider en met de aarde verbonden. Er kan dus geen spanningsverschil ontstaan met de aarde zodat je ook nooit een elektrische “schok” kan krijgen.
Fig. 57 Deze extra verbinding noemen we beschermingsgeleider of aardingsdraad en wordt aangeduid door PE (van het Engels Protection Earth). Wanneer de ohmse weerstand van de aarding niet op optimaal is (>1OOΩ) zal de stroom door de beschermingsgeleider onvoldoende groot zijn om de smeltveiligheden te laten doorbranden. Dit probleem wordt opgelost door bet plaatsen van een differentiaal schakelaar. Alle toestellen met een metalen omhulsel die bij een defect “onder spanning” kunnen komen te staan , moeten uitgerust zijn met een drie-aderig snoer en een contactstop met drie
Meettechniek Hoofdstuk 10
6
Vanbilsen Y.
aansluitingen zoals in figuur 28 weergegeven. Dat geldt voor was- en afwasmachines, boormachines met een metalen huis, straal- en ventilatorkachels en dergelijke. Opmerking: Symbool dubbele isolatie
Veel moderne toestellen, zoals stofzuigers, scheermachines. mixers en handboormachines, hebben een omhulling in kunststof. De omhulling kan dus bolt onder spanning komen te staan. Omdat de motor in zo’n apparaat zelf ook geïsoleerd is, spreken we van dubbele isolatie. Er zijn ook toestellen met een metalen omhulling, die zo zijn geconstrueerd dat de behuizing nooit onder spanning kan komen te staan. Deze zijn dus eveneens dubbel geïsoleerd. Dergelijke toestellen zijn niet voorzien van een aardingsdraad en zijn met een twee-aderig snoer verbonden met de contactstop.
10.1.8 DIFFERENTIEELSCHAKELAAR De differentieelschakelaar is verplicht voor alle nieuwe elektrische installaties in woningen. Ben differentieelschakelaar, ook wel verliesstroomschakelaar of aardlekbeveiliging genoemd. “voelt” lekstromen die naar de aarde vloeien. Hij beschermt ons tegen risico’s op elektrocutie en tegen energieverspilling door lekstromen.
We leggen hier de werking van dit apparaat in het kort uit.
a. Lekstroom Beschouwen we de eenvoudige stroomkring met het straalkacheltje van figuur 55 dan is bij normale werking de stroomsterkte in de fasedraad L1 op elk ogenblik gelijk aan de stroomsterkte in de nulgeleider (I1 = I2). We kunnen deze stroomkring voorstellen zoals weergegeven in figuur 58.
Meettechniek Hoofdstuk 10
7
Vanbilsen Y.
FIG. 58 Als de stroom I1 in de fasedraad niet meer geluk is aan de stroom I2 in de nulgeleider dan is iets fout. Dit is het geval als in figuur 56 een sluiting ontstaat tussen de mantel en het verwarmingselement en een persoon het straalkacheltje aanraakt. We krijgen dan de situatie van figuur 59.
Fig. 59 I1 en I2 zijn nu niet meer gelijk omdat er door de persoon een stroom I3 gaat vloeien die langs de aarde en niet door de verwarmingsweerstand (verbruiker) en de nulgeleider terug keert naar de generator in de elektriciteitscentrale. Een stroom die langs de aarde vloeit noemt lekstroom, verliesstroom of aardlekstroom.
Meettechniek Hoofdstuk 10
8
Vanbilsen Y.
b. Werking Een differentieelschakelaar is nu zo geconstrueerd dat hij voortdurend nagaat of de stroom in de faseleiding van de installatie wel precies gelijk is aan de stroom via de nulgeleider. Hoe dat gebeurt toont figuur 60
Een differentiaalschakelaar bestaat uit een transformator, een gelijkrichter (V1) en een elektromagneet.
Fig. 60
De transformator heeft twee primaire wikkelingen L1 en L2 met weinig wikkelingen van dikke draad, zodat de gelijkstroomweerstand laag is. De twee wikkelingen zijn precies aan elkaar gelijk. De fasestroom b die door de wikkeling L1 vloeit, zal een magnetisch veld opwekken. Dat veld is in normale omstandigheden even groot als het magnetisch veld dat door de stroom 12, die door de nulgeleider vloeien wordt opgewekt in L2. Die twee magnetische velden zijn echter tegengesteld gericht. Ze heffen elkaar op elk moment op. Daardoor zal in de secundaire wikkeling L3 geen spanning worden opgewekt. Treedt nu ergens in de installatie een verliesstroom of lekstroom op. dan zullen de twee stromen en daarmee de twee magnetische velden niet meer even groot zijn. Door het resulterende veld wordt dan in de secundaire wikkeling L3 een spanning opgewekt. De elektromagneet wordt bekrachtigd, bet anker van de elektromagneet trekt een pen uit het slot en de drukveer drukt de knop naar buiten waardoor de schakelaar zich opent. Een moderne, praktisch differentieelschakelaar zoals weergegeven in figuur 61 bevat een elektronische schakeling, die de gevoeligheid vergroot. Daardoor reageert zo’n differentiaalschakelaar al wanneer het verschil tussen de stroom in de fasedraad bijvoorbeeld 60 mA verschilt van de stroom in de nulgeleider. Dat wil zeggen dat bij een lekstroom van slechts 30 mA, wat een “veilige” waarde is, het differentiaal de netspanning uitschakelt.
Meettechniek Hoofdstuk 10
9
Vanbilsen Y.
FIG. 61 10.1.9 BEVEILIGING TEGEN OVERSPANNING Overspanning is elke spanning die, soms slechts gedurende een heel korte tijd, waarden bereikt die een veelvoud kunnen zijn van de normale netspanning. Vooral elektronische schakelingen en componenten zijn gevoelig voor overspanning. Dus toestellen met deze componenten, zoals computers, TV, wasmachine, telefax enz. kunnen aanzienlijke schade oplopen bij overspanning. Overspanning wordt veroorzaakt door: • Door blikseminslag op een gebouw, op bovengrondse leidingen (telefoon, kabeldistributie) of voedingskabels. • Door het inschakelen van een inductieve belasting (een motor), waardoor een grote tegenspanning op het net ontstaat. • Door kortsluiting tussen de hoog- en laagspanningsnetten. • Door een grote ophoping van statische elektriciteit. Overspanning kan niet worden voorkomen. Het enige watje kan doen is beveiligen tegen de gevolgen ervan.
10.1.10 AANSLUITING OP HET NET Nadat de elektrische installatie is aangelegd en goedgekeurd door een keuringsorganisme, kan hij worden aangesloten op bet net. Om te worden goedgekeurd moet de installatie voldoen aan de voorschriften van het A.R.E.I. Het is de stroomleverancier die bepaalt hoe de elektrische installatie zal worden “gevoed”. In principe wordt door de elektriciteitsmaatschappij de voorkeur gegeven aan een éénfasige (monofasige) voeding.
Meettechniek Hoofdstuk 10
10
Vanbilsen Y.
In bepaalde gevallen kan ook een driefasige aansluiting verkregen worden. Bij een driefasige aansluiting moet je er voor zorgen dat de drie fasen zo gelijk mogelijk worden belast. Figuur 33 toont een ééndraadschema van een huisinstallatie waarbij de verschillende éénfasige verbruikers zo gelijkmogelijk verdeeld worden over de drie fasen L1, L2 en L3.
FIG. 62
Meettechniek Hoofdstuk 10
11
Vanbilsen Y.
BIJLAGE:
TEKENSYMBOLEN
Meettechniek Hoofdstuk 10
12
Vanbilsen Y.
Meettechniek Hoofdstuk 10
13
Vanbilsen Y.
Meettechniek Hoofdstuk 10
14
Vanbilsen Y.
