April 2023
Capacitieve koppeling, wat is dat?
Hot topic
Regelmatig vallen aardlekschakelaars onbedoeld uit ook al is er geen sprake van een isolatiedefect. Capacitieve koppeling kan de oorzaak zijn. Maar wat is dat eigenlijk?
Aardlekschakelaars (RCD’s) schakelen uit als zij een verschilstroom waarnemen dat een bepaalde limiet te boven gaat, bijvoorbeeld bij een nominale verschilstroom van ΙΔn 30 mA of ΙΔn 300 mA. In de praktijk liggen de aanspreekwaarden tussen 0,5 – 1 x ΙΔn bij een sinusvormige verschilstroom en 0,35 – 1,4 x ΙΔn bij een pulserende verschilstroom.
Een verschilstroom waardoor een aardlekschakelaar uitschakelt, kan ontstaan door:
1. Een persoon raakt een deel aan dat onder spanning staat – Door ondeskundig gebruik van elektrische installaties of -toestellen kan bij een gebrek in de basis- en foutbescherming een ΙΔn ≤ 30 mA als ‘reddingsboei’ worden gezien. De aardlekschakelaar schakelt uit voordat elektrocutiegevaar ontstaat. In Nen 1010 worden ΙΔn ≤ 30 mA-aardlekschakelaars hiervoor toegepast als aanvullende beveiliging op de basis- en foutbescherming.
2. Een aardsluiting die optreed – Als een actief deel, zoals een fasegeleider, contact maakt met een metalen gestel of vreemd geleidend deel dat is verbonden met de aardingsinstallatie, dan zal een aardlekschakelaar de installatie automatisch uitschakelen. In Nen 1010 wordt dit foutbescherming genoemd.
3. Capacitieve koppeling – Elektrische installaties en toestellen gedragen zich als een condensator, waardoor er capacitieve stromen gaan lopen.
Verschilstroom.
Gedrag condensator
De definitie van een condensator is: ‘twee geleiders gescheiden door een isolator’. In een condensator bevinden zich bijvoorbeeld twee aluminium folies die door een kunststoffolie van elkaar zijn geïsoleerd. In een condensator, dat je als component kunt kopen, zijn deze folies vaak compact opgerold. Ook in een kabel bevinden zich geleiders die zijn gescheiden door een isolatie, bijvoorbeeld de koperen fasegeleider, nulgeleider en een beschermingsleiding die onderling zijn geïsoleerd door vinyl. Deze ‘verborgen condensatoren’ worden parasitaire condensatoren genoemd.
Stel een condensator wordt aangesloten op een gelijkspanningsbron. Bij de min-pool van de batterij (onderzijde) is een overschot aan elektronen, bij de plus-pool een gebrek aan elektronen. Wordt de schakelaar bediend, dan gaan er elektronen springend van koperatoom tot koperatoom bewegen door de draden (stromen). Van de min-pool (overschot aan elektronen) naar de neutrale plaat aan de onderzijde van de condensator en gelijktijdig van de neutrale plaat aan de bovenzijde naar de plus-pool van de spanningsbron. Daar was immers een gebrek aan elektronen. De stroming van elektronen vindt plaatst totdat er evenwicht ontstaat. De condensator is dan geladen; er staat dan dezelfde spanning tussen de platen van de condensator als op de spanningsbron.
Nu worden de aansluitingen (+ en -) van de spanningsbron omgedraaid. Als dan opnieuw de schakelaar wordt bediend, dan loopt de stroom de andere zijde op, totdat de spanning op de spanningsbron en de condensator gelijk zijn.
Condensator en symbool condensator.
Wisselspanning
Als nu de condensator wordt aangesloten op een wisselspanning in plaats van een gelijkspanning, dan wordt de condensator continue geladen en weer ontladen. Er stromen dan continue elektronen heen en terug. Er loopt dan een wisselstroom door de draden. Het lijkt nu net alsof de condensator geleidt. Immers, als in plaats van de condensator een weerstand zou zijn toegepast, dan loopt er ook een wisselstroom. Daarom spreken we bij een condensator aangesloten op een wisselspanning over de schijnbare weerstand (Xc (Ω)) van de condensator.
Een condensator op een wisselspanning gedraagt zich dus als een weerstand. Hoe goed deze geleiding (ofwel hoe laag de schijnbare weerstand) is, hangt af van de capaciteit van de condensator C en de frequentie van de spanning.
De capaciteit van een condensator: C = (ε x A) / S
Waarbij:
ε =
natuurkundige factor (die we hier buiten beschouwing laten)
A = gezamenlijke oppervlakte van de platen
S = afstand tussen beide geleiders
De schijnbare weerstand (Xc) kan worden berekend met:
Xc = 1 / (2πfC)
Waarbij:
Xc = schijnbare weerstand (Ω)
f = frequentie in (Hz)
C = capaciteit (F)
Ook in een kabel met daarin fase-, nulgeleider en beschermingsleiding vindt ‘condensatorwerking’ plaats tussen deze geleiders. De stroom die er ten gevolge van het condensatorgedrag gaat lopen wordt de capacitieve stroom genoemd. De capacitieve stroom kan worden berekend: i capacitief = u / Xc.
Waarde van de capacitieve stroom in enkele klasse I toestellen.
Hoogfrequent
Hoe langer een kabel, des te groter de oppervlakte van de ‘platen van de condensator’ en des te groter de capaciteit van de condensator. Hierdoor neemt de schijnbare weerstand (Xc) af, en daarmee de capacitieve stromen (i) toe. Het capacitief gedrag tussen de actieve delen ten opzichte van met PE-verbonden delen, veroorzaakt een stroom door de beschermingsleiding en daarmee een verschilstroom tussen L en N waardoor een aardlekschakelaar onbedoeld kan uitschakelen. Enkele voorbeelden van (parasitaire) condensatoren zijn bijvoorbeeld de aders ten opzichte van de afscherming van een kabel en de spoelen van een motor ten opzichte van het metalen blikpakket.
Als de frequentie toeneemt, dan wordt Xc ook lager. Toestellen die hoogfrequent werken, zoals frequentieregelaars (warmtepomp), schakelende voedingen, pv-omvormers en led-drivers, veroorzaken door hun condensator-gedrag een forse capacitieve stroom.
Te veel meters kabel en te veel aangesloten toestellen en/of hoogfrequente apparatuur veroorzaken een dermate grote capacitieve stroom door de PE, dat een ΙΔn 30 mA aardlekschakelaar onbedoeld zal uitschakelen. Sommige apparaten, zoals een frequentieregelaar, laten zelfs een ΙΔn 300 mA-aardlekschakelaar aanspreken.
In een woning zijn oriënterende metingen verricht om een idee te krijgen van de waarde van de capacitieve stroom in klasse I-toestellen.
In Nen 1010, 2020, moeten stroomketens over meerdere (eind)groepen worden verdeeld, zodat onbedoelde uitschakeling als gevolg van capacitieve stroom wordt voorkomen. Deze mag maximaal 0,3 x ΙΔn bedragen. In de praktijk is dat in de ontwerpfase lastig in te schatten voor eindgroepen. Aardlekautomaten per eindgroep is vaak een juiste keuze.
Tekst en afbeeldingen: Anton Kerkhofs, AK-Trainingen en projecten
In deze rubriek, tot stand gekomen in -samenwerking met de afdeling Techniek & Markt van Techniek -Nederland, behandelen wij actuele technische onderwerpen waar installateurs in hun vak mee te maken kunnen krijgen. Heeft u ook een Hot topic? Stuur hem dan naar media@technieknederland.nl.