Aarding met beide benen op de grond

Lijken de ontelbare regels over aarding u soms wat te veel van het goede? Laten problemen met de implementatie van aarding je soms verdwaasd en verward achter, terwijl de juiste oplossing je een beetje boven het hoofd lijkt te hangen?

Ondanks de uitgebreide literatuur over aarding lijken sommige belangrijke concepten te ontbreken in de mondelinge overlevering en de dagelijkse praktijk van de elektrotechnische industrie – en sommige misvattingen over aarding lijken stevig in hun plaats te zijn verankerd. Het gevolg is dat veel ontwerpen en installaties niet zo betrouwbaar of veilig zijn als ze zouden kunnen zijn.

Maar u kunt de verwarring voorkomen als u de concepten achter de regels begrijpt. Met een beter begrip kunt u er meer vertrouwen in hebben dat uw aardingssysteem zal functioneren zoals u het bedoeld heeft.

Terug naar de basis. Het eerste wat u moet begrijpen is dat aardlekstroom – net als alle elektriciteit – probeert terug te keren naar de stroombron. Dit principe zorgt er in de eerste plaats voor dat elektrische circuits werken. Wat is de bron van aardlekstroom? Hij ontstaat niet in de aarde, maar in de transformator. De Wet van Kirchoff zegt dat de stroom omgekeerd evenredig loopt met de impedantie van de paden die hij aflegt. De relatieve impedanties van de verschillende paden bepalen dus hoe de foutstroom terugkomt bij de bron.

De impedantie van het pad tussen de aardelektrode en de bron is bijna altijd aanzienlijk hoger dan de impedantie van het pad door de aarding/geaarde geleider.

Als u hier in uw installatie niet zeker van bent, meet dan de impedantie van een koperdraad van de elektrode naar de bron en vergelijk deze met de impedantie door de aarde.

Dit verschil in impedantie betekent dat slechts een minieme hoeveelheid foutstroom door de aardelektrode stroomt. De fout loopt meestal langs de aarding van de apparatuur (geleiders en metalen leidingsystemen), door de nulleider-aarde verbinding, en terug naar de bron via de geaarde (nulleider) geleider. Het is de hoge foutstroom door het pad met lage impedantie die een overstroomapparaat doet uitschakelen – niet de verwaarloosbare hoeveelheid stroom die door het vuil stroomt via een aardingsstaaf (Fig. 1).

Als dat het geval is, wat is dan de functie van de aardingselektrode? Geloof het of niet, het heeft er verschillende, waaronder de volgende:

• Het beperken van spanningen opgelegd door bliksem, pieken, of toevallig contact met hoger voltage lijnen.

• Stabiliseren van de spanning naar de aarde tijdens normaal bedrijf, helpen om de spanning binnen voorspelbare grenzen te houden.

• Help van het nutsbedrijf bij het opheffen van zijn eigen fouten door in feite deel uit te maken van het meerpunts aardingssysteem van het nutsbedrijf.

• Het verschaffen van een weg naar de aarde voor statische dissipatie.

Ruimte tussen de grondpennen. Stel dat u de eerste aardstaaf voor een systeem aanbrengt. Als deze een aardweerstand van 25 ohm of meer heeft, vereist 250.56 van de NEC 2005 dat u een tweede staaf aanbrengt. Maar veel aannemers nemen niet de moeite om de aardingsweerstand te meten. Ze plannen gewoon twee staven omdat ze dan voldoen aan de vereisten van 250.56, ongeacht de werkelijke aardingsweerstand. Installaties met twee staven komen dus vaak voor, maar zijn ze per se correct?

De code vereist dat de staven ten minste 2 meter uit elkaar staan. Deze afstand is echter een minimum – en verre van ideaal. Bij gebruik van een typische grondpen van 8 of 10 voet krijgt u de beste resultaten als u de pennen respectievelijk minstens 16 of 20 voet uit elkaar plaatst. Dit is veel groter dan de Code minimum 6-voet spacing.

Grondstaven minder dan twee staaflengtes uit elkaar zullen interfereren met elkaar omdat hun effectieve weerstandsgebieden zullen overlappen (Fig. 2a hierboven). Voor referentie, zie IEEE-142 en Soares Book on Grounding. De overlapping verhoogt de netto weerstand van elke staaf, waardoor het aardelektrodesysteem minder effectief wordt dan wanneer de staven verder uit elkaar zouden liggen (Fig. 2b hierboven).

Hoofdverbindingsdraad. De hoofdverbindingsdraad is de verbinding tussen de nulleider en de aardingsstaven van de apparatuur binnen de dienst. Deze verbinding is van vitaal belang voor de terugkeer van de aardlekstroom naar de bron. Zonder de hoofdbrug zou de fout door aarde met hoge impedantie gaan in plaats van door koper met lage impedantie. Dit hoge impedantie pad zou waarschijnlijk de stroom beperken en voorkomen dat de stroomonderbrekers uitschakelen – of in ieder geval voorkomen dat ze snel genoeg uitschakelen om schade aan apparatuur te voorkomen.

Dimensioneer de hoofdaardingsbrug volgens Tabel 250.66. Veel mensen nemen aan dat deze tabel aangeeft dat de maximale grootte van de hoofdbrug 3/0 AWG is, maar dat is een veel voorkomende misvatting. De aardingsbrug moet ten minste 12,5% van het equivalent oppervlak van de fasegeleiders zijn. Als u 11 sets van 500 kcmil geleiders gebruikt (een 4.000 A dienst, bijvoorbeeld), zou de hoofdbrug minimaal 700 kcmil moeten zijn, niet 3/0 AWG.

Deze kwestie is minder van belang bij de aardbruggen voor secundaire afgeleide systemen, zoals transformatoren en generatoren, omdat de foutstromen in die systemen doorgaans veel lager zijn.

De dimensionering van aardingsgeleiders voor apparatuur. Ontwerpers gebruiken meestal tabel 250.122 voor de dimensionering van aardingsgeleiders voor apparatuur. In de meeste gevallen zal de grootte voldoende zijn, vooral voor kleine aftakkingscircuits. Maar wanneer de beschikbare foutstroom hoog is – zeg 100.000 A – en wanneer een stroomopwaartse stroomonderbreker is ingesteld om zijn uitschakeling gedurende een aantal cycli uit te stellen, moet u de aardgeleiders zorgvuldiger dimensioneren.

Metalen toevoerkanalen, die doorgaans meer stroom dragen dan aardgeleiders voor apparatuur, worden soms niet correct geïnstalleerd of kunnen na verloop van tijd uit elkaar vallen. Als gevolg daarvan kan de aardingsgeleider de enige beschikbare weg naar de aarde zijn. Ondermaatse aardingsgeleiders kunnen tijdens een storing smelten voordat ze hun doel bereiken, namelijk het leveren van een continu laagohmig stroompad terug naar de bron tijdens een storing.

Het is belangrijk om te begrijpen dat geleiders weerstandswaarden hebben. De Insulated Cable Engineers Association heeft een norm, genaamd Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable, nummer P 32-382 (1994). Deze norm zegt dat voor een periode van 5 seconden, de weerstandsclassificatie van een geleider 1A per 42,25 cirkelvormige mils.

Bij voorbeeld, een 3/0 AWG geleider kan veilig 3.972A gedurende 5 seconden dragen. De I2T, 5-seconden weerstandsvermogen is dus 78.883.920A. Stel nu dat een stroomonderbreker is ingesteld om in 30 cycli te openen – een vertraging die u bij de service zou kunnen zien. U kunt snel bepalen dat de maximale stroom die een 3/0 AWG gedurende 30 cycli (0,5 sec) kan dragen:

I2T = 78.883.920

I= √ (78.883.920÷T)

I= √ (78.883.920÷0.5)

I=12.560A

Maar als de beschikbare foutstroom 65.000A of 100.000A is aan de belastingzijde van de aardgeleider, zal de aardgeleider snel worden vernietigd in geval van een fout, ervan uitgaande dat de stroomonderbreker 30 cycli nodig heeft om te openen. U moet rekening houden met de beschikbare foutstroom en met de openingstijd van de automaten, vooral de hoofd- en voedingsautomaten in het hoofdschakelbord. Voer I2T-berekeningen uit zoals hierboven beschreven, vooral wanneer de beschikbare foutstroom hoog is. U ziet dat het correct dimensioneren van aardingsgeleiders voor apparatuur niet zo eenvoudig is als het toepassen van NEC-minima.

Aardingsysteemstromen. Stroom is aanwezig in het aardingssysteem tijdens normale bedrijfsomstandigheden, niet alleen tijdens een foutconditie. Dit verklaart waarschijnlijk waarom de Code toestaat dat aardfout sensoren worden ingesteld tot 1.200A om hinderlijke tripping te voorkomen.

Naast aardfouten, kunnen verschillende dingen stroom produceren in het aardingssysteem, waaronder de volgende:

• Geïnduceerde stromen van aangrenzende stroomvoerende draden.

• Geïnduceerde stromen van motoren (in het bijzonder eenfasig).

• Capacitieve koppeling tussen de fase- en neutrale draden naar de aardingsgeleiders. Van dit verschijnsel is bekend dat het in lange circuits kan leiden tot storende aardlekschakelaars.

• Elektrostatische ontlading door apparatuur.

Aardlussen. U kunt aardlussen vormen door de wisselwerking tussen voedingsaarding en laagspanningsbekabeling. Laagspanningsbekabeling bevat vaak een signaalaardingsgeleider die in wezen de interne signaalaarding tussen verschillende elektronische apparaten met elkaar kan verbinden. Als er ook een interne verbinding bestaat tussen de voedingsaarde en de signaalaarde binnen de elektronische apparatuur, kan er stroom door deze lus vloeien. Hoewel afgeschermde laagspanningskabels gewoonlijk slechts aan één uiteinde worden geaard om aardlussen te voorkomen, kan een afzonderlijke signaalaardedraad binnen de afscherming nog steeds een verbinding tot stand brengen.

Voor een voorbeeld van waar dit vaak voorkomt, denk aan een computernetwerk en de afschermingen op apparaten zoals printers, routers, en werkstations. Als je verschillende apparaten met elkaar verbindt, verbind je apparaten met elkaar die een potentiaal hebben tussen hun respectievelijke aardpennen (Fig. 3). Als je een compleet circuit door de signaaldraden hebt, heb je een aardlus. Aardstromen zullen vloeien als gevolg van dit potentiaal, en zullen elektrische ruis veroorzaken die de werking van het systeem kan verstoren. Elektromagnetische velden die door deze lus gaan, kunnen ook stroom veroorzaken.

Om dit verschijnsel te minimaliseren, moet u de potentiaal tussen deze verschillende aardingspunten beperken. TIA/EIA J-STD-607-A beveelt een maximum potentiaal van 1V tussen aardingspunten aan. Interessant genoeg beveelt het ook één grote aardlus aan voor het aarden van gebouwen met meerdere verdiepingen (Fig. 4). In computernetwerken heeft het beperken van de potentiaal tussen aardingspunten duidelijk voorrang boven bezorgdheid over circulerende lussen van aardstromen. Audiovisuele apparatuur is echter veel gevoeliger.

Een willekeurig gebouw heeft honderden, zo niet duizenden laagspanningskabels, en elk daarvan kan zijn eigen aardlus vormen in combinatie met het voedingsaardingssysteem. Helaas is er in een standaardgebouw geen praktische manier om overal een gelijkmatig aardingsvlak te garanderen.

Het beste wat u kunt doen is de belangrijkste apparaten goed aarden. Dit betekent dat alle telecommunicatie- en audio/video-ruimtes moeten worden voorzien van aardrails, en dat alle apparatuur in deze ruimtes aan deze aardrails moet worden gekoppeld. Dit zorgt voor een vrij gelijkmatig aardingsvlak in de ruimte – althans in het lagere frequentiebereik.

Een veelgebruikte remedie voor dit soort aardingsproblemen is het aanbrengen van equipotentiaal aardingsvlakken over een breed frequentiebereik. Methoden hiervoor zijn onder meer het gebruik van aardingsroosters in vloerplaten en signaalreferentieroosters onder verhoogde vloeren. Gezien de kosten van dergelijke maatregelen, zijn deze methoden meestal voorbehouden aan de meest gevoelige communicatievoorzieningen – niet aan typische commerciële of institutionele voorzieningen. Een equipotentiaal grondvlak is echter slechts één stap. Het is geen wondermiddel voor aardlussen, omdat stromen altijd kunnen worden geïnduceerd door elektromagnetische velden die door geleiders gaan.

Wees niet overweldigd door de enorme hoeveelheid minutia met betrekking tot aarding. Als je een paar basisbegrippen van aarding kent, kun je de zaken op een rijtje zetten. Een goede aarding is de sleutel tot het operationele succes van elke faciliteit, dus hoe beter geïnformeerd uw ontwerpen, hoe betrouwbaarder de installatie zal zijn en hoe minder problemen met de stroomkwaliteit zullen opduiken.

Janof, P.E., is een medewerker en senior projectmanager bij Sparling, een elektrotechnisch en technologisch adviesbureau met kantoren in Seattle en Portland.