Bij het ontwerpen van een elektrotechnische installatie is basiskennis van de elektriciteitsleer zeer belangrijk. Het gaat hierbij vooral om kennis van wiskunde en goniometrie (driehoeksmeetkunde). Maar ook elektrotechnische begrippen spelen een belangrijke rol zoals weerstand, reactanties, spanning, stroom, vermogen en arbeidsfactor.
In menige opleiding ontbreekt juist deze basiskennis waardoor het juiste inzicht ontbreekt en de essentie van het ontwerp lastig is te verwezenlijken. In dit artikel geven we een overzicht van aandachtspunten die als basiskennis elektrotechniek bij het ontwerpen van elektrische installaties van belang zijn.
Belastingen
Allereerst zijn de verschillende belastingen en de daarbij behorende stromen en vermogens van belang. De belasting die het meest voorkomt zijn ohms-inductieve belastingen waarbij de faseverschuiving tussen de 0° en 90° ligt. Voor het berekenen van de diverse vermogens is het inzicht waaruit de belasting bestaat van wezenlijk belang.
Netstelsel
Welk netstelsel voor de distributie en het gebruik van de elektrische energie wordt gebruikt is voor het ontwerp ook een van de aspecten waarbij moet worden stilgestaan. In een beperkt aantal gevallen wordt gelijkspanning gebruikt maar voor het overgrote deel wordt echter wisselspanning gebruikt als voedende spanning. Afhankelijk van het vermogen wordt er gebruikgemaakt van één fase of van drie fasen. Daarnaast is er nog de nul- en PE-geleider. Kijkend naar de verschillende netten kunnen we dan deze twee netten onderscheiden:
- gelijkspanningsnetten;
- wisselspanningsnetten.
De wisselspanningsnetten kunnen we weer onderverdelen in:
- tweegeleidernetten;
- driegeleidernetten;
- viergeleidernetten.
Met de diverse geleiders worden hierbij de actieve geleiders (fasen en nul) bedoeld. De PE-geleider wordt buiten beschouwing gelaten. Uiteraard wordt deze leiding wel meegenomen naar de meeste installatie-onderdelen, maar er vindt geen energietransport plaats via deze leiding.
Spannings- en vermogensverliezen
Voor het transport en de distributie van energie zijn leidingen nodig. Deze leidingen hebben een ohmse en inductieve weerstand. Als er een stroom door de leiding loopt zal er dus ook een spanningsverlies optreden. Voor de goede werking van elektrisch materieel is de juiste bedrijfsspanning vereist. Om deze reden worden er eisen gesteld aan het maximale spanningsverlies in een leiding.
Berekenen van kortsluit- en aardfoutstromen
Om kortsluit- of aardfoutstromen te kunnen berekenen moet worden gekeken naar de impedanties die in het kortgesloten circuit zijn opgenomen. Deze impedanties bepalen samen met de voedende spanning de grootte van de stroom.
Het berekenen van de kortsluitstroom kan nodig zijn voor:
- bescherming tegen elektrische schok;
- kortsluitbeveiliging van een leiding;
- kortsluitvastheid van componenten;
- het analyseren van selectiviteitsproblemen.
Kortsluitketen
Bij elke installatie zal de totale keten bestaan uit de elementen zoals het middenspanningsnet, de transformator en de leidingen.
Kortsluitstromen
Voor het nauwkeurig berekenen van mogelijk optredende kortsluitstromen moet eigenlijk de systematiek van de ‘symmetrische componenten’ worden toegepast. Dit betekent dat ook alle homopolaire impedanties bekend moeten zijn. In de praktijk blijken dergelijke gegevens nog moeilijk te verkrijgen te zijn. Daarnaast wordt ook bij deze berekeningen geen rekening gehouden met onzekere factoren als extra invoeding vanuit zelfopwekkers, overgangsweerstanden in componenten en impedanties in de fout zelf.
Om een goede indicatie te krijgen van mogelijk optredende foutstromen kan daarom met een eenvoudiger benadering worden volstaan. Bij de berekening van optredende kortsluitstromen moet de effectieve driefasenkortsluitstroom worden berekend (in verband met thermische belasting en bescherming tegen schok) en de topwaarde van de stroom (in verband met de dynamische belasting).
Aardfoutstromen
Voor de optredende aardfoutstroom kan de formule: Ik = U/Z worden toegepast. In deze formule is U de nominale fasespanning (230 V) en Z is de totale impedantie in het aardfoutcircuit.
Bescherming tegen overstroom
Bij de bescherming tegen overstroom is het van belang om te beoordelen of een leiding (of andere componenten in het circuit) bestand is/zijn tegen de optredende kortsluitstroom.
Voor de belangrijkste componenten (leiding, verdeelinrichting, automaat) zal dit aspect moeten worden bekeken.
Hogere harmonischen
Als de sinus wordt vervormd, dan blijft vrijwel altijd het signaal (spanning of stroom) toch periodiek. Elk periodiek signaal kan worden beschreven met de som van een gelijkstroomcomponent en meerdere sinussen of cosinussen met een frequentie die gelijk is aan of een veelvoud is van de grondfrequentie (50 Hz). Deze beschrijving of de analyse van het signaal heet de Fourier-analyse.
3e harmonischen
Harmonische stromen belasten de componenten in een installatie. Dit geldt in grote mate voor kabels waar de nulleider extra wordt belast door 3e harmonischen of veelvouden van hiervan (3e, 9e, 15e, enzovoort). Bij een symmetrische belasting is de nulstroom: 3xI3 (3e harmonische van elke fase loopt door de nulleider). Daarom moet een correctiefactor worden toegepast voor kabels waar harmonische stromen in lopen. Als de 3e harmonische stromen groter zijn dan 33 procent wordt de nulstroom groter dan de fasestroom. Dan moet de leiding worden gebaseerd op de nulstroom.
Als een transformator wordt belast met harmonische stromen moet ‘de-rating’ plaatsvinden.
Blindvermogen
Een aandachtspunt bij harmonische vervorming is het blindvermogen dat wordt veroorzaakt door de harmonische spanningen en stromen. De termen PF (Power Factor = arbeidsfactor) en DPF (Displacement Power Factor = verschuivingsblindvermogen) worden nu gebruikt om aan te geven welk deel van het blindvermogen wordt veroorzaakt door harmonischen en welk deel door de faseverschuiving tussen spanning en stroom.
Distortieblindvermogen
Door de aanwezigheid van harmonischen ontstaat er een tweede term voor het blindvermogen dat wordt weergegeven door D (distortieblindvermogen). De berekening van alle vermogens moet nu gebeuren met in begrip van alle harmonischen. Het blindvermogen is gesplitst in D (blindvermogen ten gevolge van de harmonischen) en Q (blindvermogen ten gevolge van de fundamentele component).
Q is dus het oorspronkelijke blindvermogen wat ontstaat bij de faseverschuiving tussen de fundamentele stroom en spanning. Het distortieblindvermogen D kan niet worden gecompenseerd met spoelen of condensatoren maar kan alleen worden verminderd door verlagen van de harmonische stromen en/of spanningen.
Uiteraard zijn er nog vele andere aspecten waarmee rekening moet worden gehouden voor een goed ontwerp van een elektrische installatie maar dit zijn de belangrijkste.