Veilig circuitontwerp

Zoals we eerder zagen, is een elektriciteitssysteem zonder veilige verbinding met de aarde onvoorspelbaar vanuit veiligheidsperspectief. Er is geen manier om te garanderen hoeveel of hoe weinig spanning er zal zijn tussen een punt in het circuit en de aarde.

Door één kant van de spanningsbron van het voedingssysteem te aarden, kan er zeker van zijn dat ten minste één punt in het circuit elektrisch gemeenschappelijk is met de aarde en daarom geen gevaar voor schokken oplevert. In een eenvoudig tweedraads elektrisch voedingssysteem wordt de geleider die met aarde is verbonden de neutrale . genoemd , en de andere dirigent heet de hete , ook bekend als de live of de actieve :

Wat de spanningsbron en belasting betreft, maakt aarding helemaal niets uit. Het bestaat puur voor de persoonlijke veiligheid, door te garanderen dat ten minste één punt in het circuit veilig kan worden aangeraakt (nulspanning naar aarde).

De "hete" kant van het circuit, genoemd naar zijn potentieel voor schokgevaar, zal gevaarlijk zijn om aan te raken, tenzij de spanning wordt gegarandeerd door de juiste ontkoppeling van de bron (idealiter met behulp van een systematische lock-out/tag-out-procedure).

Deze onbalans van gevaar tussen de twee geleiders in een eenvoudig stroomcircuit is belangrijk om te begrijpen. De volgende reeks illustraties is gebaseerd op gangbare bedradingssystemen voor huishoudens (voor de eenvoud wordt gebruik gemaakt van gelijkspanningsbronnen in plaats van wisselstroom).

Als we kijken naar een eenvoudig, huishoudelijk elektrisch apparaat zoals een broodrooster met een geleidende metalen behuizing, kunnen we zien dat er geen gevaar voor schokken zou moeten zijn als het goed werkt. De draden die de stroom naar de verwarmingselementen van de broodrooster geleiden, zijn door rubber of plastic geïsoleerd zodat ze de metalen behuizing (en elkaar) niet raken.

Als een van de draden in de broodrooster echter per ongeluk in contact zou komen met de metalen behuizing, wordt de behuizing elektrisch gemeenschappelijk gemaakt voor de draad en is het aanraken van de behuizing net zo gevaarlijk als het blootleggen van de draad. Of dit al dan niet een schokgevaar oplevert, hangt af van welke draad raakt per ongeluk:

Als de "hete" draad in contact komt met de behuizing, brengt dit de gebruiker van de broodrooster in gevaar. Aan de andere kant, als de nuldraad contact maakt met de behuizing, is er geen gevaar voor schokken:

Om ervoor te zorgen dat de eerste storing minder waarschijnlijk is dan de laatste, proberen ingenieurs apparaten zo te ontwerpen dat het contact van de warme geleider met de behuizing tot een minimum wordt beperkt.

In het ideale geval wilt u natuurlijk niet dat een van beide draden per ongeluk in contact komt met de geleidende behuizing van het apparaat, maar er zijn meestal manieren om de lay-out van de onderdelen zo te ontwerpen dat onbedoeld contact minder waarschijnlijk is voor de ene draad dan voor de andere.

Deze preventieve maatregel is echter alleen effectief als de polariteit van de stekker kan worden gegarandeerd. Als de stekker kan worden omgekeerd, is de kans groter dat de geleider in contact komt met de behuizing de "hete" geleider:

Apparaten die op deze manier zijn ontworpen, worden meestal geleverd met "gepolariseerde" stekkers, waarbij de ene uitsteeksel van de stekker iets smaller is dan de andere. Stroomaansluitingen zijn ook zo ontworpen, waarbij de ene sleuf smaller is dan de andere.

Bijgevolg kan de stekker niet "achterwaarts" worden ingestoken en kan de identiteit van de geleiders in het apparaat worden gegarandeerd. Houd er rekening mee dat dit geen enkele invloed heeft op de basisfunctie van het apparaat:het is strikt voor de veiligheid van de gebruiker.

Sommige ingenieurs pakken het veiligheidsprobleem eenvoudig aan door de buitenkant van het apparaat niet-geleidend te maken. Dergelijke apparaten worden dubbel geïsoleerd genoemd aangezien de isolerende behuizing dient als een tweede isolatielaag boven en buiten die van de geleiders zelf. Als een draad in het apparaat per ongeluk in contact komt met de behuizing, bestaat er geen gevaar voor de gebruiker van het apparaat.

Andere ingenieurs pakken het veiligheidsprobleem aan door een geleidende behuizing te behouden, maar een derde geleider te gebruiken om die behuizing stevig met de grond te verbinden:

Het derde uitsteeksel van het netsnoer zorgt voor een directe elektrische verbinding van de behuizing van het apparaat naar de aarde, waardoor de twee punten elektrisch gemeenschappelijk zijn met elkaar. Als ze elektrisch gemeenschappelijk zijn, kan er geen spanning tussen hen vallen.

Tenminste, zo hoort het te werken. Als de hete geleider per ongeluk de metalen behuizing van het apparaat aanraakt, zal dit een directe kortsluiting veroorzaken naar de spanningsbron via de aardingsdraad, waardoor eventuele overstroombeveiligingen worden uitgeschakeld. De gebruiker van het apparaat blijft veilig.

Dit is de reden waarom het zo belangrijk is om nooit de derde steker van een stekker af te knippen wanneer u deze in een tweepolige stopcontact probeert te passen. Als dit wordt gedaan, zal de behuizing van het apparaat niet worden geaard om de gebruiker(s) te beschermen.

Het apparaat zal nog steeds naar behoren functioneren, maar als er een interne fout is waardoor de hete draad in contact komt met de behuizing, kunnen de gevolgen dodelijk zijn. Als een tweepolige contactdoos moet worden gebruikt, kan een twee-naar-drie stekkerdoosadapter worden geïnstalleerd met een aardingsdraad die is bevestigd aan de geaarde afdekschroef. Hierdoor blijft de veiligheid van het geaarde apparaat behouden wanneer het is aangesloten op dit type stopcontact.

Elektrisch veilige engineering eindigt echter niet noodzakelijk bij de belasting. Een laatste beveiliging tegen elektrische schokken kan worden aangebracht aan de voedingszijde van het circuit in plaats van aan het apparaat zelf. Deze beveiliging heet grondfoutdetectie , en het werkt als volgt:

In een goed werkend apparaat (hierboven weergegeven), moet de stroom gemeten door de hete geleider exact gelijk zijn aan de stroom door de neutrale geleider, omdat er maar één pad is voor elektronen om in het circuit te stromen. Zonder storing in het apparaat is er geen verbinding tussen circuitgeleiders en de persoon die de behuizing aanraakt, en dus geen schok.

Als de hete draad echter per ongeluk in contact komt met de metalen behuizing, zal er stroom zijn door de persoon die de behuizing aanraakt. De aanwezigheid van een schokstroom zal zich manifesteren als een verschil van stroom tussen de twee stroomgeleiders bij het stopcontact:

Dit verschil in stroom tussen de "hete" en "neutrale" geleiders bestaat alleen als er stroom door de aardverbinding loopt, wat betekent dat er een storing in het systeem is. Daarom kan zo'n stroomverschil worden gebruikt als een manier om detecteren een foutconditie.

Als een apparaat is ingesteld om dit stroomverschil tussen de twee stroomgeleiders te meten, kan detectie van stroomonbalans worden gebruikt om het openen van een scheidingsschakelaar te activeren, waardoor de stroom wordt uitgeschakeld en ernstige schokken worden voorkomen:

Dergelijke apparaten worden Ground Fault Current Interrupters genoemd , of kortweg GFCI's. Buiten Noord-Amerika staat de aardlekschakelaar ook wel bekend als veiligheidsschakelaar, aardlekschakelaar (RCD), RCBO of RCD/MCB indien gecombineerd met een miniatuurstroomonderbreker, of aardlekschakelaar (ELCB).

Ze zijn compact genoeg om in een stopcontact te worden ingebouwd. Deze contactdozen zijn gemakkelijk te herkennen aan hun kenmerkende "Test" en "Reset"-knoppen. Het grote voordeel van deze benadering om de veiligheid te garanderen, is dat deze werkt ongeacht het ontwerp van het apparaat.

Natuurlijk zou het nog beter zijn om naast een GFCI-recipiënt een dubbel geïsoleerd of geaard apparaat te gebruiken, maar het is geruststellend om te weten dat er iets kan worden gedaan om de veiligheid te verbeteren die verder gaat dan het ontwerp en de staat van het apparaat.

De boogfout circuitonderbreker (AFCI) , een stroomonderbreker die is ontworpen om brand te voorkomen, is ontworpen om te openen bij intermitterende resistieve kortsluitingen. Een normale stroomonderbreker van 15 A is bijvoorbeeld ontworpen om het circuit snel te openen als hij ver boven de nominale waarde van 15 A wordt belast, en langzamer iets boven de nominale waarde.

Hoewel dit beschermt tegen respectievelijk directe kortsluiting en enkele seconden overbelasting, beschermt het niet tegen bogen - vergelijkbaar met booglassen. Een boog is een zeer variabele belasting, met herhaaldelijk pieken van meer dan 70 A, open circuit met wisselstroom nuldoorgangen.

Hoewel de gemiddelde stroom niet genoeg is om een ​​standaard stroomonderbreker uit te schakelen, is het voldoende om een ​​brand te starten. Deze boog kan worden gecreëerd door een metalen kortsluiting die het metaal openbrandt, waardoor een resistief sputterplasma van geïoniseerde gassen achterblijft.

De AFCI bevat elektronische schakelingen om deze intermitterende resistieve kortsluiting te detecteren. Het beschermt tegen zowel hete tot neutrale als hete tot aardende bogen. De AFCI biedt geen bescherming tegen gevaren voor persoonlijke schokken zoals een GFCI dat doet. Er moeten dus nog steeds GFCI's worden geïnstalleerd in de keuken-, bad- en buitencircuits.

Aangezien de AFCI vaak struikelt bij het starten van grote motoren, en meer in het algemeen bij motoren met borstels, is de installatie ervan beperkt tot slaapkamercircuits door de Amerikaanse National Electrical Code. Gebruik van de AFCI moet het aantal elektrische branden verminderen. Hinderlijke storingen bij het laten draaien van apparaten met motoren op AFCI-circuits is echter een probleem.

BEOORDELING:

• Voedingssystemen hebben vaak één kant van de voedingsspanning aangesloten op aarde om de veiligheid op dat punt te garanderen.
• De "geaarde" geleider in een voedingssysteem wordt de neutrale genoemd geleider, terwijl de ongeaarde geleider de hete . wordt genoemd .
• Aarding in energiesystemen bestaat omwille van persoonlijke veiligheid, niet voor de werking van de belasting(en).
• De elektrische veiligheid van een apparaat of andere belastingen kan worden verbeterd door goede techniek:gepolariseerde stekkers, dubbele isolatie en driepolige "aardings"-stekkers zijn allemaal manieren waarop de veiligheid aan de belastingszijde kan worden gemaximaliseerd.
• Aardlekstroomonderbrekers (GFCI's) werken door een verschil in stroom waar te nemen tussen de twee geleiders die stroom leveren aan de belasting. Er mag helemaal geen verschil in stroom zijn. Elk verschil betekent dat de stroom de belasting op een andere manier dan de twee hoofdgeleiders moet binnenkomen of verlaten, wat niet goed is. Een aanzienlijk stroomverschil zal automatisch een ontkoppelingsmechanisme openen, waardoor de stroom volledig wordt uitgeschakeld.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Veiligheidsaarding
• Overstroombeveiligingswerkblad