Hoe systeemtoebehoren bijdragen aan veiligheid door aarding

In schakel- en besturingspanelen worden uit oogpunt van veiligheid verdelingen van en voor elektrische componenten ondergebracht. De associatie met elektrische veiligheid en veiligheidsaarde is snel gemaakt. Of wordt potentiaalvereffening bedoeld? En wat is de relatie tussen functionele aarding en elektromagnetische compatibiliteit (EMC)? Welke verantwoordelijkheid heeft de fabrikant van een lege schakel- of besturingskast, als het gaat om het waarborgen van veiligheid? In deze blog geven we voorbeelden van gebruik van systeemtoebehoren, in relatie tot aarding. Of was het toch potentiaalvereffening?

Potentiaalvereffening, (veiligheids)aarding en functionele aarding

Het primaire doel van een aardingsinstallatie is het waarborgen van de veiligheid van personen en de bescherming van installaties tegen schade.

• Potentiaalvereffening is het op eenzelfde potentiaal brengen van geleidende delen binnen een ruimte, gebouw, schakel-of besturingskast. Hierdoor ontstaan geen spanningsverschillen. Geleidende delen kunnen veilig aangeraakt worden, er gaat geen stroom vloeien. Bij een schakel-of besturingskast betekent dit, dat alle kastdelen geleidend met elkaar verbonden worden. Later meer over het hoe.
• Veiligheidsaarding is een samenstel van goed geleidende elektrische verbindingen tussen aarde en aanraakbare metalen delen, die bij een defect onder spanning kunnen komen te staan. Bij een isolatiedefect zal hierdoor een stroom door deze aardverbinding gaan lopen. Dit zorgt ervoor dat het beveiligingstoestellen aanspreekt (zoals een zekering) en voorkomt dat de stroom door het lichaam van de gebruiker naar de aarde vloeit. Er wordt dan ook vaak gesproken over beschermende leidingen. De (aard)verbindingen bestaan doorgaans uit aarddraden. De aardleiding is een geleider die een geleidend pad of een deel van een geleidend pad tot stand brengt tussen een bepaald punt in een systeem, een installatie of materieel en een aardelektrode of aardnet.
• Functionele aarding is aarding van een punt of punten in een systeem, een installatie of materieel om andere redenen dan elektrische veiligheid. Het gaat hierbij veelal om het voorkomen en verminderen van elektromagnetische verstoringen. Stromen door blikseminslag, schakelhandelingen, kortsluiting en andere elektromagnetische verschijnselen, kunnen overspanningen en elektromagnetische interferentie veroorzaken.

Soms worden de beschermende en functionele aarding gecombineerd. 

Verantwoordelijkheid van de producent

De fabrikant van een lege behuizing heeft zijn verantwoordelijkheid als het gaat om potentiaalvereffening. Norm NEN-EN-IEC 62208:2011 beschrijft dat ‘de geleidende delen van een metalen behuizingen een doorgaande elektrische verbinding’ moeten hebben. Door het losnemen van een deel, mag die verbinding voor de andere delen niet onderbroken worden.

Een mooi voorbeeld hiervan is de VX25 aanbouwkast. De deur, -dak, en -bodemplaten en de zij- en achterwanden, worden allemaal elektrisch geleidend verbonden met het kastframe. Bij het wegnemen van één deel, blijft de verbinding van de andere delen gewoon intact. Dit komt door maatregelen in de bevestigingen.

Ook bij de wand-/vloerkasten AX is dit het geval. De metalen wartelplaat wordt door de manier van vastschroeven automatisch potentiaal vereffend. Dit moet getest zijn; de weerstand tussen de verschillende delen die potentiaal-technisch met elkaar verbonden zijn, mag niet groter zijn dan 0,1 Ohm (Ω). Door ondertekening van de conformiteitsverklaring geeft de fabrikant aan dat de kast aan de op dat moment geldende richtlijn en norm voldoet.

Ook moet aangegeven worden in de montagehandleiding hoe de potentiaalvereffening tot stand gebracht wordt. Deze potentiaalvereffening is bijvoorbeeld bij de aanbouwkast VX25 niet altijd zichtbaar. Bij de zij- en achterwanden is het contact aan de binnenzijde van het kastframe gemaakt. De kunststof ring van de dakschroeven is voorzien van een tandring die contact maakt met de dakschroef én die door de lak van de dakplaat snijdt. Dit staat helder beschreven in de montagehandleiding.

Maar niet alleen op het gebied van potentiaalvereffening heeft de fabrikant een verantwoordelijkheid. Er moeten namelijk ook voorzieningen aanwezig zijn, om zowel de veiligheidsaarding (beschermende aardaansluiting) als de functionele aardaansluiting te kunnen monteren. De punten waar de veiligheidsaarding aangesloten wordt, moeten in de montagehandleiding duidelijk aangegeven zijn. De norm IEC 60204:2018, paragraaf 11.2.1 geeft hierin nog een aanvulling: ‘Waar de elektrische uitrusting is gemonteerd op deksels, deuren of panelen moet het ononderbroken en gewaarborgd zijn van de beschermingsketen. Het gebruik van een beschermingsleiding wordt aanbevolen.’ Waar niet in een beschermingsleiding is voorzien, moeten bevestigingsmiddelen, scharnieren of glijcontacten met een lage weerstand worden gebruikt. Deze aanbeveling is ook opgenomen in de speciale aardleiderbrochure voor de kasttypen AX en VX25.

De dikte, lengte en de maat van de beschermleiding moet afgestemd zijn op de toegepaste veiligheid in het circuit en kastuitvoering. Het is niet toegestaan om de aansluiting aan te passen, bijvoorbeeld door een M6 aansluiting te vergroten naar een M8. IEC norm 60204:2018 verlangt dat de doorsnede van stroomgeleiders niet te klein is, of dat bijvoorbeeld een beschermslang voor voldoende mechanische sterkte zorgt. De norm wil dat ‘aan de goede werking geen afbreuk wordt gedaan.’ 

Duurzaam contacterend

Om een goede veiligheidsaansluiting te kunnen maken, moeten de voorzieningen daarvoor sterk genoeg zijn. Ook moeten ze geschikt zijn om een goed geleidende duurzame verbinding te kunnen maken. De draadstiften die hier vaak voor worden gebruikt, moeten dus de kracht aankunnen waarmee de bevestiging wordt aangedraaid. Het aandraaimoment is opgegeven in de montagehandleiding.

Voorbeelden hiervan zijn de aardpunten van de AX wand-/vloerkast. Deze worden in de montagehandleiding met M8 aangegeven voor zowel behuizing, deur als montageplaat, elk met een eigen montage-instructie en aandraaimoment. Omdat de aardbevestiging vanuit de productie schoon is, hoeft hier geen aanvullende actie te volgen om de niet goed geleidende lak te verwijderen. Dat geeft een groot voordeel, omdat daarmee een door de lak snijdende ring niet gebruikt hoeft te worden. Bij veel fabricaten kasten is dat wel het geval en moet ook altijd de corrosiebestendigheid en de duurzaamheid van de verbinding worden gecontroleerd.

Voor verbindingen waar geen schone metalen oppervlakken kunnen worden verkregen, is het mogelijk sluitringen te gebruiken die door de niet-geleidende lagen heendringen. Voor de aanbouwkasten VX25 zijn speciale insteek-kooimoeren beschikbaar, voor de bevestiging in het gelakte kastframe. Met de vertanding brengen deze de geleiding tot stand. Gevaar voor corrosie is er niet, omdat deze kooimoeren binnen het IP-beschermde gebied worden toegepast.

De praktijkrichtlijn NPR-IEC/TR 61000-5-2:2004 geeft aan dat aardverbindingen goed contact tussen schone metalen oppervlakken vereisen. Verf of andere niet-geleidende beschermlagen behoren van het contactvlak te worden verwijderd. Het schone gebied dient groter te zijn dan het contactvlak zelf. Na verbinding van de contactoppervlakken moet een beschermende laag worden aangebracht, zoals verf of vet. Dit dient om corrosie van het gereinigde oppervlak buiten het contactvlak te voorkomen, want dat is blootgesteld aan diverse omgevingsinvloeden. Eventueel kan het blank gemaakte montagevlak worden afgeschermd met een speciale contactlak.

Geel-groen of blank

De beschermingsleiding of beschermende vereffeningsleiding moet door vorm, plaats, markering of kleur, gemakkelijk te onderscheiden zijn van andere geleiders. Wanneer identificatie alleen op grond van kleur plaatsvindt, moet de tweekleurige combinatie groen-geel over de gehele lengte van de stroomgeleider worden gebruikt. De identificatie met deze tweekleurige combinatie is strikt voorbehouden aan beschermingsleidingen of beschermende vereffeningsleidingen.

Elk aansluitpunt voor beschermende geleiders moet als zodanig worden gemerkt met het symbool Veiligheidsaarding of met de letters PE. Hierbij wordt de voorkeur gegeven aan het grafische symbool of met de tweekleurige combinatie groen-geel, of met een combinatie van deze mogelijkheden. De kleurcombinatie geldt niet voor beschermende geleiders die gemakkelijk door vorm, plaats of constructie kunnen worden geïdentificeerd, zoals gevlochten stroomgeleiders of niet-geïsoleerde geslagen stroomgeleiders. Gevlochten stroomgeleiders zoals de vlakke aardlitze kunnen dus ook als beschermleiding worden gebruikt, mits goed gecodeerd. Zo staat het in diverse normen beschreven.

Er wordt geen kleur voorgeschreven voor functionele aardleidingen. Ze mogen alleen niet groen-geel zijn. Het wordt aanbevolen om in de gehele installatie dezelfde kleur te gebruiken, om de functionele aardleidingen aan elk uiteinde te markeren.

In de plaatdelen (zijwand-achterwand of dakplaat) van de standaard aanbouwkasten VX25 kan elektrisch aangedreven Rittal toebehoren uit het klimatiseringsprogramma worden gemonteerd. Door de standaard bevestiging is dan al een adequate PE verbinding tot stand gebracht, waardoor een aparte aardleiding niet nodig is. Uiteraard moet er bij één van de bevestigingen wel de juiste aanduiding veiligheidsaarding of PE aangebracht worden. Dit is door Rittal getest en staat beschreven in de specifieke aardleiderbrochure van de VX25.

EMC-eisen

Functionele potentiaalvereffening wordt bereikt door middel van een verbinding met de beschermingsketen. Waar het niveau van elektrische stoorsignalen op de beschermingsketen niet laag genoeg is voor de goede werking van elektrische uitrusting, kan het noodzakelijk zijn gebruik te maken van aparte geleiders voor beschermende en functionele potentiaalvereffening.

De aardingsinstallatie heeft tot taak een pad naar aarde te bieden aan stromen, terwijl tegelijkertijd de spanningsverschillen tussen twee willekeurige punten van een installatie zo laag mogelijk worden gehouden. In het algemeen zijn PE-leidingen niet voldoende om aan de EMC-eisen te voldoen. Bepaalde soorten elektronisch materieel hebben een referentiespanning nodig om correct te functioneren. Die wordt geleverd door de functionele aardleiding, op ongeveer aardpotentiaal.

Verschillende materialen en uitvoeringen van leidingen kunnen dienen voor het verkrijgen van functionele aarde. Denk hierbij aan metalen strips, platgeslagen vlechtwerk maar ook kabels met een ronde kern. Bij hoge frequenties gaat de voorkeur uit naar metalen strips of platgeslagen vlechtwerk die voor de verbinding zo kort mogelijk worden gehouden.