Walstroom, hoe zit het nu echt?

Op deze pagina's zal ik proberen de achtergronden te verklaren over het "waarom" van bepaalde veiligheidsmaatregelen van elektrische installaties aan boord van pleziervaartuigen. Een complete uitleg is onmogelijke zonder een studie te volgen, bepaalde zaken zal ik dus niet al te diep op in gaan.

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

Stroom (Ampere)= Spanning (Volt) gedeeld door Weerstand (Ohm)

Het eenvoudigste schema;

Op de polen van de accu staat een (gelijk)spanning van 12Volt. 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 = 5Ampere. 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 = 60Watt

Om verderop in het verhaal alles goed te kunnen begrijpen, 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 12V en de minpool van de accu heeft een potentiaal van 0V. Er zal bij een gesloten stroomkring stroom gaan vloeien 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.

Gelijkstroom/wisselstroom

In ons voorbeeld hadden we te maken met een accu, hier komt gelijkstroom (DC) uit. De polariteit + en - wisselt niet.Wisselstroom (AC) wordt opgewekt door een magneet die ronddraait langs een spoel (generator) De magneet draait 50x per seconde langs de spoel. 50x per seconde komt de noordpool langs de spoel en 50x per seconde komt de zuidpool langs de spoel. Gevolg is dat er spanningen worden opgewekt in de spoel, 50x per seconde een positieve spanning en 50x per seconde een negatieve spanning. Sluiten we nu op de spoel een lamp aan zoals in schema 1 dan hebben we weer een gesloten stroomkring. De berekeningen voor spanning, stroom, weerstand en vermogen blijven hetzelfde.

Het elektriciteitsnet en de rol van randaarde.

Zo ziet ons electriciteitsnet eruit. G = electriciteitscentrale, middelste blokje is onze groepenkast, rechts is een lamp. Bruin en blauw komen bekend voor uit het schema van de vorige pagina. Bruin noemen we Faseleider (fase) en blauw noemen we nulleider (nul). Het zwarte blokje om de bruine draad in de groepenkast stelt een zekering voor met de waarde 16A. Deze 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 onze draad warm wordt Bepaalde draaddiameters kunnen bepaalde stromen hebben voordat ze warm worden. Bij een 16A 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.

Kortsluiting kan ook ontstaan. In dit geval komen 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=2200A 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 optreed in het apparaat dan kan de metalen behuizing onder spanning komen te staan. De Fasedraad (bruin) maakt kontakt met metalen behuizing. Als we nu de metalen behuizing aanraken hebben we een serieus probleem. De zwarte pijl stelt een menselijk lichaam voor.

Er loopt nu stroom van spoel van generator electriciteitscentrale - door bruine draad - door zekering - door bruine draad - metalen behuizing - menselijk lichaam - aardkorst - aardpen elektriciteitscentrale - klein stukje blauwe draad - spoel van generator electriciteitscentrale. 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 25m. diep in de grond geslagen. Verdere uitleg over aardpen voert te ver).

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 (in orde van grootte 0,1 s.). De zekering zal doorgesmolten zijn voordat wij ge-elektrocuteerd zijn. Of (beter nog) de zekering zal doorgesmolten zijn voordat wij de metalen behuizing aanraken.

De aardlekschakelaar

De aardlekschakelaar is het grote blok links en 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 mA (milliAmpere) dan schakelt de aardlekschakelaar af. In een normale situatie vloeit de stroom van generator - door bruin - door aardlekschakelaar door zekering - door lamp - door blauw - door aardlekschakelaar - naar generator. Gesloten stroomkring en de aardlekschakelaar meet 0 mA verschil tussen bruin en blauw. We nemen nu even aan dat er 10 A 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 mA vloeit in deze tweede stroomkring.

Door de bruine draad in de aardlekschakelaar vloeit nu 10A + 0,04A = 10,04A
Door de blauwe draad in de aardlekschakelaar vloeit alleen 10A

De aardlekschakelaar meet nu een verschil tussen bruin en blauw van 40 mA en zal de spanning afschakelen omdat zijn waarde van 30 mA overschreden wordt.

De waarde van 30 mA is een heel bewuste keuze, meer dan 40 mA stroom door ons lichaam is dodelijk. Zouden we de waarde 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.

3x veiligheid

We hebben nu 3 veiligheden in ons systeem ingebouwd
1) Fundamentele 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 vertrouwd 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 man!

De werking van de accu

Een galvanisch element (cel) bestaat principieel uit twee geleidende platen (elektroden) uit verschillende materiaal die, zonder dat ze elkaar raken, in een elektrolyt (geleidend zout- of zuuroplossing) geplaatst zijn.

Scheikundige werking

Onmiddelijk 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 bekomen. De ene plaat heeft b.v. een hogere spanning t.o.v. het elektrolyt dan de andere plaat waardoor tussen beide platen een potentiaalverschil bestaat. Zo is bij de cel van Volta de spanning tussen de twee platen ca. 1V met de koperplaat positief t.o.v. de zinkplaat.

"Stroom" is een elektronenstroom van negatieve plaat naar positieve plaat. De elektronenstroom is dus tegengesteld aan wat we aanduiden met elektrische stroom. De elektronenstroom loopt van het minst edele metaal (in het plaatje Zink) naar het edelere metaal (in het plaatje 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.

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 creeeren.

De stalen damwand is, elektrisch gezien, rechtstreeks verbonden met de aardpen van de jachthaven en is het edele metaal. Het elektrolyt is het (zee)water. Ons schip is het minder edele metaal. Voor verdere uitleg zie het verhaal over de accu. Ons schip zou wegrotten!

Veiligheid op ons schip

Op de vorige pagina's is de theorie behandeld, we gaan ons nu richten op de praktijk. Bedoeling is om de materie helder te krijgen, adviezen over hoe e.e.a. uit te voeren op uw schip laten we.

In de volgende plaatjes is een rcd "residual current device" = aardlekschakelaar. De trafo rechts in het plaatje is de hoogspannings trafo van het energiebedrijf bij jouw in de buurt (een in ster geschakelde trafo met het sterpunt aan de daar plaatselijke aarpen). Dit zogenaamde sterpunt of nulleider wordt samen met de 3 fasen door het energie bedrijf aangevoerd.

De eenvoudigste oplossing om 220V aan boord te hebben. Dit is de situatie zoals we die tegenkomen in elk woonhuis in Nederland. De veiligheid is goed en we hebben geen last van galvanische corrosie mits metalen behuizingen van apparaten geen contact maken met het scheepsijzer. Voor de veiligheid zijn we aangewezen op de niet zichtbare kwaliteit van de elektrische installatie van de jachthaven.

-------------------------------------------------------------------------------------------

Maar bij het aan boord brengen van een verlengsnoer moet toch even stilgestaan worden bij de mogelijke gevaren en geldende normen (ISO 13297). Hierboven hezelfde 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 ons 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 geisoleerd 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 voldoet niet aan de CE- en ISO-normen.

----------------------------------------------------------------------------------------------

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 komen er niet uit of dit systeem voldoet aan de CE- en ISOnormen.

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 geisoleerd staat opgesteld t.o.v. de aardkorst.

-----------------------------------------------------------------------------------------------

Dit schema 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 norm;

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 shore- power 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 a) nog steeds last van galvanische corrosie via de nulleider van de walstroomkabel, b) in de praktijk blijkt 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.

-------------------------------------------------------------------------------------------

Een veilige oplossing met corrosieproblemen. Deze oplossing voldoet aan de CE- en ISO-normen. In dit systeem hebben we potentiaalvereffening.

--------------------------------------------------------------------------------------------

De oplossing van alle mogelijke problemen is het plaatsen van een (dure) scheidingstransformator. De scheidingstransformator zorgt voor een galvanische scheiding met het lichtnet. 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. Dit schema is volgens de CE- en ISO-normen. We moeten er alleen wel aan denken om naast de scheidingstransformator ook zekeringen en een aardlekschakelaar toe te passen. Zonder twijfel is dit de meest veilige oplossing.

Link naar ISO 13297 A.C.-installaties aan boord van kleine schepen

Link naar ISO 10133 D.C.-installaties met lage spanning aan boord van schepen

Iso normen

Iso normen

For consumers:
Conformity of products and services to International Standards provides assurance about their quality, safety and reliability.

For everyone:
International Standards can contribute to the quality of life in general by ensuring that the transport, machinery and tools we use are safe.

How it all started:
International standardization began in the electrotechnical field: the International Electrotechnical Commission (IEC) was established in 1906. Pioneering work in other fields was carried out by the International Federation of the National Standardizing Associations (ISA), which was set up in 1926. The emphasis within ISA was laid heavily on mechanical engineering. ISA's activities came to an end in 1942. In 1946, delegates from 25 countries met in London and decided to create a new international organization, of which the object would be "to facilitate the international coordination and unification of industrial standards". The new organization, ISO, officially began operations on 23 February 1947.

En nu we bijna tegen het 60 jarig jubileum van deze organisatie aan zitten, kunnen we ze danken, hulde, hulde, we hebben nog steeds normen die aan alle kanten rammelen. En als er dan the “Commission of the European Commities te Brussel” in het leven wordt geroepen om een éénheid en kwaliteit controle systeem op te zetten, denk dan niet dat mensen van deze tijd met woorden als milieu en veiligheid in het vaandel er eens even voor gaan zitten en doordachte normen voor ons elektriciteitsnet aan boord bedenken. Nee hoor, er worden C.E-normen gepubliceerd met de eerste zin dat, deze ten grondslag liggen aan de al bekende I.S.O. normen.

Hiermee is het dus echt onmogelijk een eensluidende slotconclusie aan onze discussie te maken.

Gebruikte 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 heeft niet veel te vertellen over het te installeren kabeltype. De kabel moet een beproevingsspanning kunnen hebben van 500V. Buiten de motorkamer moet de isolatie een temperatuur kunnen weerstaan van 60 gr. 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 VMvL-kabeltje. Binnen de motorkamer moeten we oliebestendige kabel gebruiken die een temperatuur kan weerstaan van 70gr.

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 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.

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 12V of 24V installaties gaat de factor spanningsverlies ook nog een rol spelen. Probeer om deze redenen dus niet een paar euro te bezuinigen op de oppervlakte van de kabel.

Aderkleuren

Fasedraad - bruin
Nulleider - blauw
Aarde - groen/geel
Schakeldraad - zwart (van schakelaar naar lamp)

De scheiding van AC en DC kabels.

Volgens CE:
AC en DC kabels in aparte compartimenten van kabelgoot b.v. scheidingswandje.
AC en DC kabels in aparte kabelgoten (of buizen)
AC en DC kabels 10cm uit elkaar leggen.