Aarden Voor EMC v.2

Aarden voor EMCInhoud1 2 3 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5 5.1 5.2 5.3 5.4 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.7.1 6.7.2 7. Inleiding Waarom aarden Normen Klassieke aarding Veiligheidsaarding Bliksemaarding Schone aarding Medische aarding Antistatische aarding Wat klopt er niet? Hoogfrequent effecten Aarde als riool voor storingen Scheiden van aardingssystemen Vermijden van aardlussen Moderne aarding Tweezijdig aarden van afschermingen Verbeteren kabeltrac Vermazing Hybride aarding Uitgestrekte systemen Praktische uitvoering Uitzonderingen Aarding voor medische ruimten Aarding voor statische elektriciteit Literatuur 2 2 2 3 3 3 4 5 5 5 5 5 6 7 7 7 8 9 10 11 11 11 11 11 12

1

Bliksembeveiliging +31 (0)511-45 40 40 [email protected] www.vanderheide.nl

Adtentie Reclame 7001122

1 InleidingAardingen voor technische installaties worden al toegepast zolang elektriciteit in huishoudens en industrie wordt gebruikt. De laatste jaren is er een flinke discussie op gang gekomen of de inzichten met oog op het aarden van installaties nog wel correct zijn. Met het toenemen van EMC-problemen en het zoeken naar oplossingen voor deze problemen blijkt dat de aardingsinstallatie daar een belangrijke bijdrage in levert. Zowel in het functioneren als storingsbron als in het bieden van een oplossing voor de storingen. Recent onderzoek leert dat het hoog tijd is om ons denken over aardingsinstallaties en hun functioneren aan te passen aan de moderne inzichten en de oude gedachten over aarden los te laten. We willen benadrukken dat de aardingsmaatregelen die in dit stuk worden beschreven een deel van het EMC-concept uitmaken, maar om tot een totaal EMC-concept te komen, heeft de ontwerper nog veel meer mogelijkheden tot zijn beschikking. In de literatuurlijst worden een aantal publicaties gegeven die hierin bij kunnen dragen.

toepassing, de tak van techniek die hem gebruikt en van gewoonten in een bepaalde branche. De eigenschappen die aan deze aardingssystemen worden toegedicht zijn echter steeds hetzelfde. Hier volgen een paar voorbeelden: functionele aarde meetaarde instrumentatieaarde procesaarde referentieaarde Statische elektriciteit is een hinderlijk verschijnsel voor mensen. In de industrie kan statische elektriciteit ronduit gevaarlijk zijn met oog op (stof en gas) explosiegevaar en i.v.m. schrikreacties van personeel dat een elektrostatische schok ondervindt. En van de eenvoudigste manieren om statische elektriciteit te controleren is het aarden van de systeemdelen van bijvoorbeeld een procesinstallatie. Hiermee wordt statische elektriciteit direct afgevoerd op het moment dat het wordt opgewekt.

2

3 NormenAardingsinstallaties moeten voldoen aan de nodige nationale en internationale normen. Voor verschillende toepassingsgebieden zijn er ook verschillende normen. De belangrijkste normen op het gebied van aarden zijn in Nederland: NEN 1010 Veiligheidseisen voor laagspannings installaties. Electrical Installations in Buildings Bliksembeveiliging Protection Against lightning Electromagnetic impulse Protection Against Lightning, opvolger van NEN 1014 en IEC 61312 Veiligheidsbepalingen voor laagspanningsinstallaties in medisch gebruikte ruimten

2 Waarom aarden?Van oudsher worden elektrische installaties en apparaten met de aarde verbonden met het oog op de veiligheid van de gebruikers. Het aansluiten op aarde geeft de mogelijkheid om bij een kortsluiting in het apparaat een veiligheid in de elektrische installatie (zekering, installatieautomaat, aardlekschakelaar) uit te laten schakelen. Hierdoor wordt het defecte apparaat spanningsvrij gemaakt. Hoewel er ook methoden zijn om met gesoleerde netten dezelfde veiligheid te bereiken heeft toch het gebruik van deze zogenoemde veiligheidsaarde de meeste verbreiding gevonden. Een bliksemontlading die op een gebouw terecht komt zal hoe dan ook naar aarde willen. Zonder maatregelen gaat die dwars door het gebouw heen. Dit gaat uiteraard met de nodige schade en veiligheidsrisicos gepaard. Om dat te voorkomen worden er op gebouwen bliksembeveiligingen genstalleerd. Zon bliksembeveiliging wordt met speciale bliksemaardingen met de aarde verbonden. Hiermee wordt de bliksemstroom op een veilige manier naar aarde geboden. Voor elektronische apparatuur wordt de aarde gebruikt als een referentievlak. Hiermee beoogt men spanningsverschillen en storende invloeden tussen apparaten onderling te voorkomen. De aarding die hiervoor wordt gebruikt is bekend als schone aarding. De schone aarde is bekend onder een veelheid van verschillende namen. De naam die aan een aarde wordt gegeven hangt af van de

IEC 60364 NEN 1014 IEC 61312

NEN-EN 62305

NEN 3134

NPR-CLC/TR 50404 Richtlijnen en aanbevelingen ter vermijding van gevaren als gevolg van statische elektriciteit. IEC 61000-5-2 EMC Installation and mitigation guidelines, section 2: Earthing and cabling



Opmerking: Het moderne aardingsdenken is gebaseerd op deze laatste norm. Anders dan de meeste normen is de IEC 61000-5-2 geen droge opsomming van maatregelen. Omdat men zich realiseert dat EMC een relatief jong en slecht begrepen vakgebied is heeft men ervoor gekozen de norm te voorzien van erg veel achtergrondinformatie. Dit heeft geleid tot een schat aan praktische informatie.

ImpedantieEen spoel met een aantal wikkelingen heeft een zeer lage gelijkstroomweerstand (R). Voor wisselstromen is een andere eigenschap belangrijk. Dat is de zelfinductie (L) van de spoel. Door de zelfinductie neemt de weerstand van de spoel toe met een toenemende frequentie. We spreken dan van de impedantie (Z). Het verband ziet er in formulevorm zo uit: Z = R + jL [Ohm] R is de gelijkstroomweerstand = 2f L is de zelfinductie De gelijkstroomweerstand van koperdraad is in verhouding met de zelfinductie verwaarloosbaar. Voor de impedantie houden we dan over: Z = jL [Ohm] Ook een ongesoleerde rechte draad heeft een zekere zelfinductie: L 0,2 r (ln (4l/D) 1) [H] l is de lengte van de draad in mm (1000 voor H/m) D is de diameter van de draad in mm Voor het meest gebruikte koperdraad komt dat neer op: L = 1,11 H/m voor 25 mm2 L = 1,04 H/m voor 50 mm2 De impedantie bij bliksemfrequenties met de meeste energie (ca. 150 kHz) wordt dan: Z = 1,04 /m voor 25 mm2 Z = 0,97 /m voor 50 mm2 Ofwel ongeveer 1 /m ongeacht de dikte van de draad. Voor hogere frequenties wordt de impedantie ook evenredig hoger. aarding gesteld met het oog op de plaats en de lengte van de bliksemaardingen. De aardelektroden van een bliksembeveiligingsinstallatie moeten zo dicht mogelijk bij de afgaande leidingen worden geplaatst. De verbindingsdraden moeten kort en zo recht mogelijk zijn om de impedantie (wisselstroomweerstand, zie kader op de volgende blz.) van de installatie te beperken. De aardelektroden zijn relatief kort (tussen de 6 en 15 m), waarbij de overgangsweerstand van minder belang is. De impedantie van de leidingen bepaalt vooral de opbouw van de spanning. In de tekening wordt als voorbeeld het Capronel aar Adtentie Reclame 7001122

4 Klassieke aardingVoor elke toepassing werd het daarbijbehorende aardingssysteem apart ontworpen. De eigenschappen werden per toepassing zo verschillend gevonden dat men aardingsinstallaties niet wilde combineren. Om interactie tussen de verschillende aardingssystemen te voorkomen moest met een aantal zaken rekening worden gehouden. Zo moest: elk aardingssysteem zo worden ontworpen dat de eigenschappen die voor de toepassing belangrijk zijn optimaal tot hun recht komen elk aardingssysteem gescheiden van de andere(n) worden uitgevoerd een aardingssysteem stervormig worden uitgelegd om inductielussen te voorkomen de afscherming van een kabel aan n zijde worden geaard en aan de andere kant worden gesoleerd. Deze maatregelen moest het overdragen van storingen van het ene naar het andere aardingssysteem voorkomen. Hiermee zou dan een storingsvrij functioneren van apparaten en processen worden bereikt. In dit deel laten we de eigenschappen die de verschillende aardingssystemen moeten bezitten de revue passeren. 4.1 Veiligheidsaarding Van de veiligheidsaarde wordt verwacht dat hij een zeer lage weerstand (aardverspreidingsweerstand) heeft bij de netfrequentie van 50 Hz. De aderdoorsnede van de aardleiding wordt bepaald door het voorhanden stroomstelsel, door de aard van de gebruikte beveiligingscomponenten en door de grootte van de te verwachten foutstromen in de installatie in het geval van een defect. De lengte van de aardleidingen en het traject waarlangs ze lopen zijn van ondergeschikt belang. 4.2 Bliksemaarding Bij een blikseminslag treden extreem hoge stromen met wat hogere frequenties (ruwweg van 25 kHz tot 2 MHz) op in vergelijking met het elektriciteitsnet. Om de hoge spanningen op de bliksembeveiligingsinstallatie enigszins te beperken worden er eisen aan de

3


dingssysteem van Van der Heide Bliksembeveiliging weergegeven. Deze aarding wordt in een 60 m diep boorgat neergelaten. De onderste 30 m van de aarding (2) is blank koper. De bovenste 30 m (4) is gesoleerd, waterdicht afgewerkt (3) en afgeschermd om zo min mogelijk invloed van de veiligheidsaarde te ondervinden. Dit is aanzienlijk meer dan de standaard gehanteerde 3 m om ook buiten de indringdiepte van radiogolven e.d. te blijven. Waar de aarding het gebouw binnenkomt wordt een overspanningsbeveiliging (5) geplaatst tussen schone en veiligheidsaarde om spanningsverschillen bij blikseminslag te voorkomen. Hier wordt ook de afschermmantel van de aardkabel op de veiligheidsaarde aangesloten (6). Vanuit een centrale plaats in het gebouw wordt een verdeling (8) geplaatst waarvandaan de schone aarding stervormig naar de apparatuur wordt gevoerd.Fig. 1, schone aarde

kathodische bescherming van de aarding te verzorgen. De aderdoorsnede gaat er vanuit dat de verzamelde stoorstromen met zo weinig mogelijk weerstand worden afgevoerd. Daarom hebben de aardkabel (4) en de opvoerkabel (7) een kerndoorsnede van 50 mm2. Dichter naar de computers kan de kabel dunner worden. Meestal wordt er in stappen afgebouwd als er meerdere onderverdeelkasten zijn. Dan worden respectievelijk 25, 16 en 6 mm2 gebruikt. Om de eigenschappen van een dergelijke schone aarding beter te kunnen beoordelen is een onderzoek gedaan naar het hoogfrequent gedrag van een Van der Heide Capronel aarding. In het aardingsproefveld van Van der Heide in Kollum is met een speciaal ontworpen meetopstelling de frequentiekarakteristiek van deze aarding opgenomen.

4

Fig. 2, frequentiekarakteristiek schone aarde

Figuur 3, fasekarakteristiek schone aarde

4.3 Schone aarding Een schone aarde hoeft slechts weinig stroom te voeren. Hij moet gesoleerd door het bovenste deel van het aardrijk worden gevoerd. In dit bovenste deel worden de meeste stoorstromen uit de veiligheidsaarde verwacht en daar moet de schone aarde dus ruim onder zitten (standaard een meter of drie). Verder moet de aardingsweerstand laag zijn (tussen de 0,5 en 5 Ohm). Bovengronds wordt de aardingsinstallatie stervormig uitgelegd om aardlussen te voorkomen. Onderaan de aarding zit een ijzeren anode (1) om een

De resultaten van deze metingen zijn ronduit schokkend te noemen. Tot 10 kHz (104 Hz) is de impedantie zoals verwacht aardig laag. Boven de 10 kHz zien we de impedantie echter snel toenemen. Bij 172 kHz bereikt de impedantie een topwaarde van 214 . Als de frequentie nog verder toeneemt zien we dat de impedantie weer lager wordt en zelfs weer in de richting van 0 gaat. Dit is te verklaren als er met een elektronisch achtergrond naar de frequentie- en fasekarakteristiek wordt gekeken. Dan blijken deze grafieken heel veel gelijkenis te vertonen met een zogenaamd sperfilter of parallelkring (zie fig. 4). In zon filter staan een Adtentie Reclame 7001122


spoel en een condensator parallel. Dit filter zal voor een bepaalde frequentie een hoge impedantie zijn. Bij lagere frequenties gedraagt het zich als een spoel en bij hogere frequenties als een condensator. Dit houdt in dat deze schone aarde een behoorlijk hoge impedantie heeft tot een frequentie van zon 3 MHz. Bij hogere frequenties doet de aarddraad helemaal niet meer mee maar is de capaciteit tussen aardingsinstallatie en de aarde bepalend.

omgeving met een explosierisico kan de vonk brandbare of explosieve gassen ontsteken. Als personen worden ontladen kan dat een schrikreactie teweeg brengen met ernstige gevolgen (denk aan het staan op een ladder, of het maken van een heftige beweging in een reflex). Om dit laatste te voorkomen moet in een elektrostatische aarde voor bewegende delen of personen een weerstand zijn ingebouwd. Dit zorgt voor een geleidelijke ontlading en voorkomt daarmee vonkvorming. Deze betrekkelijk hoge weerstand (tussen 100 k en 2 M, standaard 1 M) maakt de elektrostatische aarding bijzonder.

5

La + Lvb Ca-va

5 Wat klopt er niet?In het conventionele aardingsconcept zijn een paar problemen aan te geven: 5.1 Hoogfrequent effecten De aarding kan nog zon lage weerstand hebben, maar de impedantie neemt bij hogere frequenties schrikbarend toe. Hiermee is de verbinding met aarde lang niet zo goed als wordt gedacht. 5.2 Aarde als riool voor storingen De klassieke opvatting is dat je met een schone aarde stoorstromen kan laten afvloeien naar aarde waarbij de spanning op de aardingsinstallatie 0 V blijft. In de tekening is dit voorgesteld als een steeds breder wordend pad naarmate je dichter bij aarde komt. In de praktijk wordt dat vertaald in een toenemende doorsnede van de aardkabel in de richting van de aarde. Zo zou de aarde beschouwd kunnen worden als een soort riool voor storingen. Bij een beter beschouwing van dit concept blijkt er iets fundamenteel mis te zijn. Neem als voorbeeld een zeer eenvoudig circuit. Een batterij met een lampje. Als het lampje moet kunnen branden zijn er twee draden nodig om een gesloten kring te vormen. Pas dan kan er een stroom lopen en zal het lampje branden. Dit lijkt een vreselijke open deur. Maar waarom is dit logisch en wordt er toch gedacht dat een aardingsinstallatie een stroom kan laten lopen in een circuit met maar n aansluitdraad? Hoe werkt een aardingsinstallatie dan wel als bestrijder van storingen? Storingen worden uitgewisseld tussen apparaten via verbindende bekabeling. Dat kan de netvoeding zijn, maar ook n of meer data- of telecomkabels.

Ra

verre aarde

Fig. 4, parallelkring

La Lvb Ra Ca-va

zelfinductie aarding zelfinductie aansluitkabel aardverspreidingsweerstand Capaciteit tussen de aardkabel en de verre aarde

4.4 Medische aarding Binnen een medisch gebruikte ruimte van klasse S2 of S3 moet een aardings-/vereffeningssysteem zijn aangebracht. Dit systeem moet vanuit een centraal aardpunt stervormig binnen de ruimte zijn aangelegd. Verder moet in een S3 ruimte, als de relatieve vochtigheid niet boven 50% kan worden gehouden, de vloer halfgeleidend zijn (weerstand > 50 k en < 1 M) en zijn aangesloten op het centrale aardpunt van de ruimte om elektrostatische oplading te voorkomen. Binnen de ruimte fungeren de vereffeningsleidingen tevens als beschermingsleiding voor de veiligheidsaarde. 4.5 Antistatische aarde Om statische elektriciteit af te voeren moeten vaste systeemdelen met aarde worden verbonden. Delen of mensen die zich gesoleerd bewegen kunnen elektrostatisch worden opgeladen. Op het moment dat er een groot metalen deel (al dan niet geaard) wordt aangeraakt kan deze statische elektriciteit een vonk doen overslaan waarmee het object of de persoon wordt ontladen. De vorming van een vonk is in veel gevallen ongewenst. In een



norm dan ook duidelijk.

Fig. 5, aardstromen

Verkeerde (links) en goede (rechts) weergave van een aardingssysteem. De dikte van de lijnen correspondeert met de grootte van de stroom. De aarddraad tussen de apparaten zorgt voor een retourpad voor deze stromen zodat ze geen hoge spanningsopbouw veroorzaken. Dat wil zeggen dat de aardleidingen dus dikker moeten zijn tussen apparaten die veel storingen uitwisselen en dat in de richting van de aarde de kabel steeds dunner kan worden. Tussen het laagste knooppunt en de aarde loopt vrijwel geen stroom meer en is de verbinding alleen maar bedoeld om (DC) potentaalvereffening te krijgen tussen verschillende systemen die verschillende aardelektroden hebben. 5.3 Scheiden van aardingssystemen We willen aardingen graag gescheiden houden omdat we de storingen die we op de beschermingsaarde verwachten niet op de schone aarde terug willen zien. Aan de andere kant proberen we alle aardingssystemen zo laagohmig en laagimpedant mogelijk te maken. Dat wil zeggen dat we streven naar een zo klein mogelijke weerstand tussen de aardkabel en de zogenaamde verre aarde. Hierbij wordt de verre aarde gezien als een onuitputtelijk reservoir van elektronen. Technisch is dat te vertalen in: de verre aarde is een ideale geleider zonder weerstand of impedantie.

6

Fig. 7, volgens de IEC 61000-5-2 nog steeds niet geweldig

Fig. 8, volgens de IEC 61000-5-2 nog steeds niet geweldig

Fig. 6, gescheiden aardingssysteem?

Modernere aardingssystemen onderkennen dit probleem al. Er wordt dan gekozen voor n laagimpedant aardingssysteem, zoals een fundatieaarding. Deze aarde is dan beschikbaar op een hoofdaardrail bij de hoofdverdeelinrichting. Vanaf die aardrail worden zowel beschermingsaardingen als schone aardingen afgetakt. Hierbij geldt dezelfde filosofie als bij schone computergroepen van de netvoeding: de impedantie is bij de hoofdverdeling zo laag dat er geen spanningsopbouw plaats kan vinden. Op dat punt is de aarde dan per definitie schoon. Vanaf de hoofdaardrail worden de aardingen stervormig uitgelegd naar de verschillende apparaten. Dit is al een veel beter systeem dan het vorige. Toch zijn alle problemen hiermee niet opgelost. Vandaar dat de IEC 61000-5-2 norm dat op de wijze van figuur 8 illustratief weergeeft.

Als dat in een vervangingsschema wordt getekend is het meteen duidelijk dat het scheiden van aardingen helemaal niet mogelijk is. Ze zitten altijd met een lage weerstand via de verre aarde aan elkaar. Figuur 7, uit de norm IEC 61000-5-2, illustreert de opvatting van deze Adtentie Reclame 7001122


5.4 Vermijden van aardlussen Het aardingsconcept gaat er in de vorige opzet nog steeds van uit dat de aardingen maar op n plaats met elkaar zijn verbonden en dat er bij de apparaten geen verbindingen tussen de aarddraden zijn. Zoals er vroeger steeds op werd gehamerd: GIJ ZULT GEEN AARDLUSSEN MAKEN! Bij beschouwing van een eenvoudige praktijksituatie in figuur 9 zien we een installatie met twee computers, beide op het net met beschermingsaarde aangesloten en verbonden door een netwerkkabel. Dit lijkt inderdaad zowel voor de aarde als het net keurig stervormig aangelegd.

worden herkend zijn ze vaak erg groot en leveren ze veel problemen op.

6 Moderne aardingAls we aardlussen dan niet kunnen voorkomen, hoe kunnen we dan verhinderen dat ze storingsproblemen opleveren? De oplossing is het beheersen van aardlussen. Door aardlussen te herkennen en ze bewust klein te maken wordt ook de storing, die door de aardlus wordt veroorzaakt, verkleind. Het beheersen van aardlussen kan op een aantal manieren, die ook door elkaar kunnen worden gebruikt: door het tweezijdig aarden van afschermingen door verbeteren van de kabeltracs door vermazing van de aardingsinstallatie door het toepassen van een hybride aardings systeem

7

In dit hoofdstuk worden de verschillende manieren van omgaan met aardlussen verder toegelicht. 6.1 Tweezijdig aarden van afschermingen In het kader van het voorkomen van aardlussen is ons altijd geleerd dat een afscherming van een kabel maar aan n zijde met aarde mocht worden verbonden. In het vorige hoofdstuk is aangetoond dat voor hoge frequenties isolatie niet goed werkt. Er is altijd een parasitaire capaciteit aanwezig die de lus sluit. Verder zal een open lus hetzelfde veld omsluiten als een gesloten lus.

Fig. 9, geen aardlussen?

Wat gemakshalve wordt vergeten is dat alle geleiders die min of meer bij elkaar in de buurt komen samen een (kleine) condensator vormen. Dat geldt bijvoorbeeld voor de aardkabel en de datakabel, maar ook voor de datakabel en de netkabel en de aardkabel en de netkabel. Deze condensatortjes worden parasitaire capaciteiten genoemd en zijn een fysisch gegeven. Ze zijn niet te vermijden. Een condensator vormt een geleider voor hoogfrequent stromen. Hoe kleiner de condensator hoe hoger de minimale frequentie die er nog doorkomt. Dit effect houdt in dat voor hoge frequenties (waar de meeste storingen zitten) er gewoon een verbinding bestaat via elke parasitaire capaciteit. In de praktijk wil dat zeggen dat, zeker voor hogere frequenties inductielussen in het aardingssysteem en het elektriciteitsnet niet zijn te voorkomen. Doordat de lussen niet als zodanig

Fig. 10, geen aardlus?

Fig. 11, parasitaire capaciteit

Fig. 12, tweezijdig aarden



Hierdoor ondervindt een open lus ook een inductie. Er kan voor lagere frequenties weliswaar geen stroom lopen, maar er wordt over het open uiteinde van de afscherming wel een stoorspanning opgebouwd. In veel gevallen is deze stoorspanning veel hinderlijker dan een stoorstroom die door de afscherming van een goede afgeschermde kabel loopt. De enige manier om deze effecten in de hand te houden is de afscherming aan twee zijden te aarden. Afhankelijk van de kwaliteit van de afgeschermde kabel (de transferimpedantie) wordt een deel van de stoorstroom door de afscherming teruggevonden op de aders van de kabel. Wordt een dubbel afgeschermde kabel gebruikt, met tussen de gevlochten afscherming en de aders nog een afschermfolie, dan wordt de buitenmantel aan twee zijden geaard en de folie aan n zijde. Bij de afschermfolie geeft eenzijdig aarden geen probleem omdat het omvatte stoorveld binnen de kabel tussen afscherming en folie minimaal is. De afscherming werkt als een soort kooi van Faraday. Zitten er in een meeraderige kabel aders of aderparen die storingen kunnen veroorzaken in andere aderparen, dan kan het nodig zijn ook de afschermingfolies tweezijdig aan te sluiten.

de grond te leggen. In de praktijk zal dit zelden of nooit mogelijk zijn. Andersom lukt echter wel. De aarde kan naar de kabel toegebracht worden. De simpelste, maar al merkwaardig effectieve methode is die van de parallelle aarddraad (Parallel Earth Conductor, ofwel PEC). Dit is een draad die langs de kabel wordt gelegd en aan beide zijden met aarde wordt verbonden. Hiermee wordt de aardlus waar de kabel deel van uitmaakt aanmerkelijk verkleind (zie figuur 14). Het grootste deel van het stoorveld wordt nu omvat door de PEC en de aarde, zodat daar de stoorstroom gaat lopen. Hier heeft de apparatuur geen

8

last van.Fig. 14, parallelle aarddraad

Als de parallelle aarddraad nog dichter bij de kabel wordt gelegd verkleint het veld nog meer en zal de storing dus ook nog verder afnemen, zoals figuur 15 laat zien.

6.2 Verbeteren kabeltrac Een klassieke fout die bij de lay-out van de bekabeling van een gebouw wordt gemaakt is dat er gekozen wordt voor separate kolommen voor netvoedingskabels en voor signaalkabels. Het idee is dat die kabels elkaar bijten en dus zo ver mogelijk uit elkaar moeten worden gehouden. Wat hier echter mee wordt bereikt is dat er automatisch zeer grote lussen in de bekabeling worden aangebracht die onvermijdelijk stoorproblemen zullen opleveren. Haal de kabels die bij n systeem horen dus niet uit elkaar maar gebruik de onderstaande oplossingen om capacitieve storingen te voorkomen. Bij de simpele configuratie uit het vorige deel vormt de kabel met de aansluitingen en de aarde een aardlus die een elektromagnetisch veld omvat. Dit veld kan storingen in de lus opwekken. In figuur 13 is het omvatte veld gear-

Fig. 15, aarddraad nog dichterbij

De parallelle aarddraad hoeft niet altijd een aparte draad te zijn. Een kabelladder waarvan de segmenten elektrisch goed met elkaar worden doorverbonden kan heel goed als parallelle aarddraad dienen. In Nederland wordt deze PEC ook wel KAB-kabel genoemd: Kabel voor de Aardings Begeleiding. Als dit idee verder wordt doorgevoerd zou het mooi zijn als we de aarddraad als het ware om de kabel heen konden vouwen om zo het omvatte veld tot nul te reduceren. En ziedaar! Dat is dus een metalen kabelgoot. Net als bij de kabelladder moeten van een kabelgoot ook de segmenten goed met elkaar worden door verbonden. Dan vormt de kabelgoot een uitstekende extra afscherming van de kabel. Om het optimaal uit te voeren moet aan een aantal voorwaarden worden voldaan: de kabelgoten moeten (uiteraard) van metaal zijn alle segmenten moeten op ten minste twee plaatsen worden doorverbonden (meestal op de zij kanten), dit kan met litze draad, maar beter is het om de speciale verbindingsstukken te gebruiken die bij veel goten wor Adtentie Reclame 7001122

ceerd aangegeven.Fig. 13, omvat stoorveld

De belangrijkste manier om storingen door dit veld te verkleinen is het kleiner maken van de lus. Het zou de eenvoudigste oplossing zijn om de kabel over of zelfs in


den geleverd de bij de goten behorende deksels moeten worden gebruikt de deksels moeten elektrisch goed contact maken met de goot alle kabels in n goot of in goten die tegen elkaar liggen en elektrisch met elkaar zijn verbonden om capacitieve storingsoverdracht tussen netvoeding en signaalkabels te voorkomen kunnen EMC-kabelgoten worden gebruikt Een EMC-kabelgoot is een kabelgoot met een tussenschot in de langsrichting waardoor er twee compartimenten ontstaan (zie figuur 16). En compartiment is bedoeld voor de netvoedingskabels, het andere voor de signaalkabels. Zo zijn de kabels van elkaar gescheiden maar omvat-

Fig 17, ringleiding opgedeeld

Door het veld zal in de ringleiding een stroom ILUS worden genduceerd. Door de richting van het veld zal deze stroom rechtsom door de lus lopen. Als de lus halverwege wordt kortgesloten door een extra draad, zoals figuur 18 laat zien, dan treedt er een merkwaardig effect op. De lus wordt opgedeeld in twee kleinere lussen. Deze kleinere lussen omvatten de helft van het elektromagnetische veld, dat zelf niet verandert. Ten gevolge hiervan zal de stoorstroom in elke lus ook worden gehalveerd. Daar het veld niet verandert blijft ook de richting van de stoorstroom hetzelfde. In beide lussen zal dus de helft van de oorspronkelijke stoorstroom rechtsom lopen. Dat betekent dat in de toegevoegde draad voor de linkerlus de stoorstroom naar beneden loopt. Voor de rechterlus loopt een even grote stoorstroom door de verbindende draad naar boven. Het totale effect is dat er in de verbindende draad geen stroom gaat lopen maar dat toch de stoorstroom in

9

ten toch geen stoorveld.Figuur 16, EMC kabelgoot

6.3 Vermazing Als een grote lus onvermijdelijk is dan kunnen we stoorstromen beperken door de grote lus op te delen in kleinere. Zon grote lus kan gevormd worden door een kabeltrac dat over grotere afstand op een flinke hoogte boven de aarde loopt, maar het kan in het horizontale vlak ook een ringleiding in een technische ruimte of een computerruimte zijn. Om dit te illustreren wordt in het volgende voorbeeld uitgegaan van een computerruimte. Figuur 17 laat een computerruimte zien met een ringleiding. De stoorstroom in de ringleiding wordt bepaald door de snelheid waarmee het veld verandert en door de omvang van het veld. Het veld wordt gesymboliseerd door de cirkels

de ringleiding wordt gehalveerd.Fig. 18, ringleiding opgedeeld

Dit proces kunnen we een aantal keren herhalen. In figuur 19 zijn er nog een aantal extra verbindingsdraden

aangebracht.

Fig. 19, zes verbindingsdraden

met een kruis erin.

Het resultaat is dat er in de verbindingsdraden nog steeds geen stroom loopt en dat in de ringleiding de stoor Adtentie Reclame 7001122


stroom ten gevolge van het veld is gereduceerd tot een zestiende van de oorspronkelijke waarde. Een ander voordeel van zon vermaasd aardingssysteem is, dat door de vele verschillende stroompaden die parallel aan elkaar liggen, de impedantie tussen twee willekeurige punten van zon maasnet altijd erg laag is. Overigens maakt het voor de goede werking niet uit of de vermazing bovenop de kabels onder een computervloer ligt of er onderdoor loopt. Hier geldt gewoon wat de beheerder van de ruimte het meest praktische vindt.

6.4 Hybride aarding Uit het voorgaande blijkt dat het belangrijkste deel van een aardingsinstallatie boven de grond zit. De lay-out van de aardingsbekabeling bepaalt hoofdzakelijk de kwaliteit van het aardingssysteem. Een hybride aardingssysteem combineert de in dit hoofdstuk genoemde technieken tot n integraal aardingssysteem dat geschikt is voor alle toepassingen. Het toepassen van vermaasde aardnetten zorgt voor laagimpedante verbindingen tussen verschillende delen van een gebouw of installatie. Goede kabelgoten voorkomen storingen op

computerapparatuur en andere soortgelijke elektronica is een algemeen erkende (o.a. door de Kema) ervaringswaarde een maaswijdte van 1,2 x 1,2 m (een draad om het andere pootje van een computervloer en dat in twee richtingen). Als er extreem gevoelige apparatuur wordt gebruikt zien we zelfs wel een maaswijdte van 0,6 x 0,6 m. Schematisch is e.e.a. weergegeven in figuur 20. De verbinding met aarde kan worden verzorgd door de bliksemaardingen onder aan de afgaande leidingen of door een fundatie-aarding. Een vrijwel perfecte vermazing die in moderne gebouwen mogelijk is, wordt gevormd door de wapening van betonnen wanden, vloeren en kolommen. Als de verschillende wapeningsmatten door middel van lassen met elkaar worden verbonden ontstaat er een zeer fijnmazige structuur die uitstekend kan dienen als de basis EMC-aarde. Deze aarde kan bereikbaar worden gemaakt door op voldoende plaatsen in het gebouw aardplaten aan te brengen die met de wapening zijn verbonden. Hierop kunnen dan de metalen delen en systemen binnen het gebouw worden aangesloten. Het spreekt voor zich dat dit in bestaande gebouwen niet of nauwelijks meer te realiseren is. Bij nieuwbouw kan echter op deze wijze, tegen een minimum aan kosten, een zeer goed aardingssysteem worden gerealiseerd dat helpt tegen allerlei soorten van elektromagnetische storingen.

10

lange verbindingen tussen systeemdelen. Een goed hybride aardingssysteem is niet alleen in het horizontale vlak vermaasd, maar ook in het verticale vlak.Fig. 20, hybride aardingssysteem

De grootte van de mazen wordt bepaald door de gevoeligheid van de apparatuur ter plaatse en de verwachte stoorbronnen. De norm IEC 61000-5-2 geeft als basis een richtwaarden voor de maaswijdte aan van 5 x 5 m. Voor minder gevoelige apparatuur waarbij eigenlijk alleen rekening wordt gehouden met invloeden van blikseminslagen op of bij een gebouw, is dit voldoende. De aardingsinstallatie van een verdieping moet met alle afgaande leidingen van de bliksembeveiliging worden doorverbonden. Hiermee ontstaat de hiervoor genoemde verticale vermazing. In de norm wordt ook gemeld dat voor gevoelige apparatuur deze maaswijdte verkleind moet worden. Voor Adtentie Reclame 7001122


6.5 Uitgestrekte systemen Bij uitgestrekte systemen die meerdere gebouwen beslaan en bijvoorbeeld ook vrijstaande systeemdelen in het veld hebben staan is het niet voldoende om tussen die delen een aarddraad te trekken of de delen afzonderlijk te aarden. Ook hier is het belangrijk dat onder het totale systeem een vermaasd aardnet wordt aangehouden. De mazen mogen wat groter zijn dan in een gebouw. IEC 61000-5-2 houdt voor dit aardnet mazen van 20 x 20 m aan. De bekabeling tussen de systeemdelen moet dan wel afgeschermd zijn en in kabelgoten liggen die op elk kruispunt met een maas met die maas worden verbonden. De aardingsinstallatie van zon plant kan er bijvoorbeeld uitzien zoals in figuur 21. Overal waar afgeschermde kabels gebouwen binnengaan moeten de afschermingen op de gebouwgrens met het aardingssysteem worden verbonden.

en verbonden met vloeren en plafonds staalconstructie doorverbonden met wapening of doorgelaste betonconstructie metalen gevelpanelen rondom doorverbonden metalen dakbedekking, bliksembestendig alle inkomende bekabeling op gebouwgrens vereffend alle kabelgoten, -kanalen en ladders op elke steun elektrisch geleidend verbonden met de wapening of staalconstructie segmenten kabelgoten, -kanalen en ladders onderling geleidend doorverbonden

11

in elke technische ruimte een ringleiding alle poten computervloeren vermaasd doorverbonden alle kasten rechtstreeks op dit netwerk of de ringleiding aangeslotenFiguur 22, praktische aardingsinstallatie

6.7 Uitzonderingen6.7.1 Aarding voor medische ruimten Om te voorkomen dat er een stroom, hoe klein dan ook, door een patint kan lopen moet het aardings- en vereffeningssysteem in een medisch gebruikte ruimte met de classificatie S2 of S3 stervormig zijn uitgelegd. Integratie met een hybride aardingssysteem kan door n van de mazen zo te kiezen dat hij om de medisch gebruikte ruimte ligt. Het centrale aardpunt van de ruimte wordt met deze maas verbonden. 6.7.2 Aarding voor statische elektriciteit Statische elektriciteit blijft een apart geval. In een procesinstallatie met een vaste opstelling is het voldoende om alle systeemdelen (maar dan ook alle!) onderling en met aarde te verbinden om elektrostatische oplading te voorkomen. Als het personeel dan ook nog veiligheidsschoenen (halfgeleidend) draagt kan er weinig meer gebeuren. Een probleem zit dan nog in mobiele systeemdelen, voertuigen, personeel zonder veiligheidsschoeisel, enz. Als zon mobiel deel opgeladen in de buurt van de geaarde instal Adtentie Reclame 7001122

Fig. 21, aarding plant

6.6 Praktische uitvoering In een nieuwbouw is het mogelijk om zonder al te veel kosten een uitstekend aardingssysteem te maken. Het is dan vooral belangrijk dat al in de ontwerpfase van een gebouw of een systeem rekening wordt gehouden met de aardingsinstallatie. Bij een ideaal aardingssysteem zijn de volgende maatregelen genomen: aardstaven in alle heipalen wapening in betonnen vloer doorgelast wapening in betonnen kolommen of wanden door gelast


latie komt kan het met een flinke vonk ontladen. Denk hierbij aan een tankauto die op een vulopening wordt aangesloten. Deze vonk kan het begin van een explosie of een brand zijn. Een onderhoudsmonteur die een printplaat aanraakt kan door een vonkontlading een chip op de print verwoesten. Zo zijn er legio voorbeelden van schade die door een kleine vonk kan worden aangericht. Om dit te voorkomen moet er in de aardaansluiting van zon mobiel deel een zekere weerstand worden ingebouwd. Hierdoor wordt het mobiele deel of de persoon geleidelijk ontladen (nog altijd binnen een deel van een seconde) en vonkvorming voorkomen. Deze weerstand is in de orde van grootte van 100 kOhm tot 1 MOhm. Voor personen wordt deze weerstand ingebouwd in een geaarde polsbandjes en voor tankautos, big-bags, e.d. in bijvoorbeeld aardingscontrole-apparatuur.

12

7. LiteratuurIEC 61000-5-2 EMC Installation and mitigation guidelines, section 2: Earthing and cabling. Elektromagnetische compatibiliteit Dr. J.J. Goedbloed Uitgever: Kluwer Technische Boeken B.V., 1990 EMC-georenteerde bliksembeveiliging Dr. Ing. P. Hasse en Prof. Dr. Ing. J. Wiesinger Uitgever: Kluwer Bedrijfsinformatie B.V., 1995 EMV und Blitzschutz leittechnischer Anlagen Franz Pigler Uitgever: Siemens Aktiengesellschaft, 1990 Rerouting Lightning Currents in a communication tower Dr. A.P.J. van Deursen et al. Proceedings of the 8th International Zurich Symposium on EMC, 1989 The rationale of earthing and EMC requirements for the Swiss PTTs digital exchanges E. Montandon en B. Szentkuti Proceedings of the 7th International Zurich Symposium on EMC, 1987 Grounding structures for the EMC-protection of cabling and wiring Dr. M.J.A.M. van Helvoort Proefschrift Technische Universiteit Eindhoven Universiteitsdrukkerij, Technische Universiteit Eindhoven, 1995



Aarden Voor EMC v.2

Documents

Transcript of Aarden Voor EMC v.2