sluiten

Inloggen

Log hieronder in met uw gebruikersnaam en wachtwoord.

Deze ontvangt u van ons bij het afsluiten van een (proef)abonnement.

Nog geen inlog? meld u gratis aan


Vragen?
Kunt u niet inloggen of heeft u vragen over een (proef)abonnement?.
Neem dan contact op met BIM Media Klantenservice:

sluiten

Welkom bij de Kennisbank NEN 1010

Om de uitgebreide informatie op de kennisbank te kunnen lezen heeft u een inlogcode nodig. Deze ontvangt u bij het afsluiten van een abonnement.

Waarom Kennisbank NEN 1010 kennisbank

  • Kennis van experts altijd beschikbaar
  • Antwoorden, oplossingen en tools
  • Toevoegen van eigen notities mogelijk
  • Praktijkcases, veelvuldig aangevuld
  • Handige formules en interactieve berekeningen
Neem nu een abonnement >


Abonnement € 350,- per jaar, ieder moment opzegbaar. Meer over een abonnement op NEN 1010

“ De norm is soms lastig te begrijpen. De kennisbank bevat de  complete norm NEN 1010 met links naar de praktische uitleg, waardoor achtergronden van de norm duidelijk worden. ”
 

Jaap Jansen,
Installatie Service Bureau

Inloggen voor abonnees


Vragen?
Kunt u niet inloggen of heeft u vragen over een abonnement?
Neem dan contact op met Vakmedianet Klantenservice: 088 58 40 888

Of stuur een e-mail naar: klantenservice@vakmedianet.nl

Kabels en aanleg: bescherming door stalen kabeldraagsystemen

De meeste kabeldraagsystemen zijn niet gemaakt van aluminium maar van plaatstaal. Het belangrijke verschil met aluminium is dat plaatstaal een magnetisch materiaal is. Dat wil zeggen dat de weerstand voor de magnetische veldlijnen lager is: het magnetische veld zal ‘liever’ via het metaal lopen dan door de lucht. De relatieve permeabiliteit (vrij vertaald: magnetische geleidbaarheid) µr van magnetische materialen is hoger dan 1. In geval van twijfel kunnen we met een magneetje gemakkelijk testen of een goot van magnetisch materiaal is gemaakt. Een magneetje blijft er dan op kleven.

 

De transferimpedantie van open stalen goten is groter dan die van gelijkgevormde aluminium goten. Dit hebben we al eerder gezien bij buizen met een sleuf. Het verloop van de transferimpedantie als functie van de frequentie is bij deze plaatstalen goten moeilijker af te schatten en is alleen geldig voor stoorstromen kleiner dan enkele tientallen ampères. Het gedrag voor grotere stromen bespreken we in het volgende artikelen. Hier gaan we achtereenvolgens in op:

  • open goten;
  • deksels;
  • kabels met mantels in goten;
  • constructie-elementen.

 

Bron: Dr.ir. M.J.A.M. van Helvoort en Ing. M.J.E. Melenhorst, EMC van installaties, BIM Media, 2013.

Open goten

Voor onze testen zijn twee goten gemaakt van staalplaat (Staal-37).

Uit een plaat met een breedte van 270 mm en een dikte (d) van 1 mm, is een ondiepe en een diepe goot gemaakt.

 

We bedoelen met een:

  • ondiepe goot: verhouding h/w < 0,8;
  • diepe goot: verhouding h/w > 0,8.

 

waarbij:

  • h = de hoogte;
  • w = de halve breedte.

 

We laten de meetresultaten zien in de volgende afbeelding en vergelijken ze met de metingen aan de aluminium goten in het artikel Bescherming door aluminium kabelgoten.

Zoals verwacht hebben de stalen goten een hogere transferimpedantie dan de aluminium goten. Bij heel hoge frequenties zien we de onafhankelijkheid van de materiaaleigenschappen terug. Dan is er geen verschil meer tussen staal en aluminium.

 

In dit artikel gaan we verder in op:

 

  • lage frequenties;
  • hoge frequenties;
  • praktijkbenadering;
  • perforaties;
  • bodemprofilering;
  • kabelbanen;
  • kabelladders;
  • draadgoten.

 

Transferimpedantie van een stalen plaat, een ondiepe en een diepe goot voor een draad op de bodem in het midden van de goot. De streeplijnen zijn metingen aan de aluminium goten (overgenomen uit de afbeelding uit het artikel Bescherming door aluminium kabelgoten.)

 

Lage frequenties

Bij heel lage frequenties is de transferimpedantie gelijk aan de gelijkstroomweerstand van de goot:

waarbij:

  • f = de frequentie;
  • RDC = de gelijkstroomweerstand van de plaat of goot;
  • σ = de elektrische geleiding;
  • h = de hoogte van de gootwand (= 0 voor een plaat);
  • w = de halve breedte van de goot;
  • d = de dikte van het plaatmateriaal.

 

Deze formule is een goede benadering totdat de indringdiepte kleiner wordt dan de materiaaldikte:

Voor een kabelgoot met een dikte van 0,8 mm ligt deze grens bij een frequentie van 390 Hz en voor een kabelgoot met een dikte van 1,0 mm bij 250 Hz. De dikte van de goot uit afbeelding 10.1 is 1 mm. De term ‘laag’ houdt hier dus het frequentiegebied tot 250 Hz in.

 

Boven deze grens is er een verschil tussen de ondiepe en diepe goot. De transferimpedantie van de plaat en ondiepe goot nemen meteen toe, omdat de weerstand door de kleinere indringdiepte toeneemt. De diepe goot gedraagt zich meer als een buis met een spleet. De transferimpedantie laat eerst een dip zien tussen 250 en 6000 Hz. In dit frequentiegebied dringt het veld van buiten niet langer door de plaat heen.De frequentie 250 Hz komt overeen met d > δ en 6000 Hz is afgeleid van d > δ /5. Deze laatste waarde is vastgesteld via een groot aantal computersimulaties.

 

Hoge frequenties

Bij heel hoge frequenties wordt ook de transferimpedantie van de stalen goten onafhankelijk van de materiaaleigenschappen.

We zien dan geen verschil meer met de aluminium goten en dezelfde formule is geldig:

waarbij:

  • f = de frequentie [Hz];
  • Zt= de transferimpedantie;
  • Mgoot,HF = de mutuele inductie van een plaat of goot bij heel hoge frequenties;
  • w = de halve breedte van de plaat of goot [m];
  • h = de hoogte van de goot [m];
  • ∆y = de hoogte van de meetdraad boven de bodem [m];
  • µ0= de magnetische permeabiliteit van het vacuüm (4 π · 10–7) [ Vs/Am];
  • g = de vormfactor (zie onderstaande tabel).

 

Vormfactor (g) van kabelgoten.

 

De frequentie waarboven deze formule geldig is, moet aan twee voorwaarden voldoen:

Voor draden hoog in de goot is de eerste formule bepalend, voor draden op de bodem de tweede. Voor ondiepe goten (h/w < 0,8) kunnen we de tweede formule vereenvoudigen tot:

Typisch liggen deze frequenties in het hoge kHz- of lage MHz-bereik.

 

Praktijkbenadering

Hiervoor hebben we formules voor de transferimpedantie gegeven voor heel lage en hoge frequenties.

Voor het tussenliggende gebied kunnen we alleen voor ondiepe stalen goten (h/w < 0,8) een afschatting  maken:

Deze afschatting lijkt op onderstaande formule voor niet-magnetische goten (zie ook: Bescherming door aluminium kabelgoten > Open goten).

 

We moeten echter de interne impedantie van de stalen goot meenemen. Deze drukken we uit met een weerstand R(f) en een interne zelfinductie L(f).

Beide zijn afhankelijk van de frequentie in onderstaande tabel.

 

Interne impedantie van een stalen kabelgoot.

 

Indien we dit invullen in de vorige vergelijking, dan krijgen we de formules van de volgende tabel.

 

Transferimpedantie van een stalen kabelgoot.

 

Voor deze formules geldt:

  • Zt = de transferimpedantie;
  • f = de frequentie [Hz];
  • δ = de indringdiepte [m];
  • w = de halve breedte van de plaat of goot [m];
  • h = de hoogte van de goot [m];
  • y = de hoogte van de meetdraad boven de bodem [m];
  • µ0 = de magnetische permeabiliteit van het vacuüm (4π · 10–7) [Vs/Am];
  • σ = de elektrische geleiding [1/Ωm];
  • g = de vormfactor .

 

In de volgende afbeelding zien we dat deze formules een goede benadering geven. Zelfs voor de diepe goten krijgen we een redelijke indicatie, met uitzondering van het frequentiegebied tussen 1 en 10 kHz.

 

Transferimpedantie van een stalen plaat, een ondiepe en diepe goot voor een draad op de bodem in het midden van de goot. De stippellijnen zijn de berekeningen.

 

Perforaties

Commercieel verkrijgbare goten hebben vaak perforaties, zodat ze gemakkelijk kunnen worden vastgeschroefd en kabels er gemakkelijk in kunnen worden vastgezet. Deze gaten verhogen de transferimpedantie:

  • Er is minder geleidend materiaal, dus de weerstand neemt toe.
  • Het magneetveld dringt door de gaten heen.

 

Dit laten we zien in de volgende afbeelding. We hebben twee goten van dezelfde serie en leverancier: de ene goot zonder perforaties, de andere met. De afmetingen staan in onderstaande tabel.

 

Overzicht van geteste goten die in de handel verkrijgbaar zijn.

 

De verschillen tussen beide goten zijn niet erg groot en beide goten worden goed benaderd met de formule (b) hieronder.

 

De stippellijn in de afbeelding (a) laat dit zien. De verzinkte goot heeft een iets lagere transferimpedantie dan we hebben berekend, doordat zink een hogere geleiding heeft.

 

De afbeelding (a) toont de transferimpedantie van een verzinkte stalen goot zonder (C1) en met (C2) perforaties. De stippellijn is berekend met formule (b).

 

Bodemprofilering

Bredere kabelgoten hebben vaak een bodemprofiel om te zorgen voor mechanische stevigheid. Hierdoor ligt de kabel niet overal op de bodem. De magnetische koppeling wordt zo hoger. In onderstaande afbeelding vergelijken we deze goot (C3) met onze benaderingsformule. We zien dat we de transferimpedantie bij hoge frequenties inderdaad iets te laag inschatten.

 

In dezelfde afbeelding hebben we ook de gemeten curve van C1 herhaald. Voor lage frequenties heeft de geprofileerde goot een lagere transferimpedantie, want deze is twee keer zo breed bij gelijkblijvende hoogte. Voor hoge frequenties zien we dat C3 met h/w = 0,3 een hogere transferimpedantie heeft dan C1 met h/w = 0,6, ondanks dat C3 twee keer zo breed is.

 

Transferimpedantie van een verzinkt stalen goot met bodemprofiel. De stippellijn is berekend met de formule hierboven (b). De streeplijn is goot C1 uit de vorige afbeelding (a).

 

Kabelbanen

Kabelbanen zijn heel ondiepe kabelgoten met erg veel gaten. Onze benaderingsformule houdt hier geen rekening mee. Dit zien we terug in de volgende afbeelding, waar de meting een stuk hoger ligt dan we hadden geschat. Dat wil echter niet zeggen dat een kabelbaan de EMC-kwaliteit van een installatie niet kan verbeteren. De transferimpedantie is nog steeds laag in vergelijking met de meeste kabelmantels.

 

Transferimpedantie van een verzinkt stalen kabelbaan (C3). De stippellijn is berekend met de formule hierboven (b). De streeplijn is goot C1 uit de vorige afbeelding (a).

 

Kabelladders

Een veel gebruikt alternatief voor kabelgoten en kabelbanen zijn kabelladders. Vanuit EMC-oogpunt zijn dit twee parallel lopende platen. De verbindingen, tredes, tussen deze platen spelen nauwelijks een rol. Voor een goede bescherming van bekabeling moet deze dicht tegen een van beide platen liggen. We kunnen dan de formule (b) gebruiken. In de praktijk worden er ook kabels in het midden van een kabelladder gemonteerd. In onderstaande afbeelding laten we de transferimpedantie zien voor een draad op die positie.

 

Transferimpedantie van twee verzinkt stalen kabelladders (C4 en C5). De streeplijn is goot C1 uit afbeelding (a).

 

Draadgoten

Naast kabelgoten, kabelbanen en kabelladders zijn draadgoten de laatste jaren in opkomst. Ook deze kunnen bijdragen aan de EMC-kwaliteit van de installatie. Door de kleine hoeveelheid materiaal en het grote aantal gaten is de transferimpedantie natuurlijk wel hoger dan van een dichte goot, zoals te zien is in de volgende afbeelding. De beste positie om een kabel te monteren in een kabelkorf, is dicht bij een draad van de korf.

 

Transferimpedantie van een kabelkorf (C6). De streeplijn is goot C1 uit afbeelding (a).

 

 

 

Deksels

Sommige kabelgoten kunnen worden geleverd met een deksel. Als we deze toepassen, kunnen we de transferimpedantie verder verlagen (zie onderstaande afbeelding). In tegenstelling tot voor aluminium goten is voor verzinkte goten de transferimpedantie bij lage frequenties iets lager. Het deksel maakt elektrisch contact met de goot. De in de afbeelding getrokken lijnen zijn metingen. De gestreepte lijnen zijn metingen aan goten zonder deksel. Met behulp van de metingen aan de deksels met goot, de deksels zonder goot en onderstaande formules, kunnen we ook het hoogfrequente gedrag afleiden. Dit hebben we weergeven met gestippelde lijnen.

 

Transferimpedantie van stalen goten (C1 en C2) met een deksel vergeleken met de aluminium wandgoot met deksel (C8). De streeplijnen zijn de goten zonder deksel. De stippellijnen zijn afgeleid uit de metingen en gegeven formules.

 

Bij hoge frequenties (in dit geval boven 10 kHz) halen we een factor 10 voor de dichte goot (C1). Voor de goot met perforaties (C2) halen we een factor 6. Hieruit kunnen we afleiden, dat de magnetische velden liever door het deksel gaan lopen dan aan de binnenkant van de goot. De curve van stalen goten met een deksel heeft een soortgelijke vorm als de stalen buis met een spleet.

Kabels met mantels in goten

De transferimpedantie van een kabel met mantel in een goot wordt gegeven door:

Ook voor een stalen goot is deze formule geldig. In de meeste gevallen kunnen we hier eveneens volstaan met de formule:

Voor kabels op de bodem van de goot, moet ook de impedantie van de goot worden meegenomen (zie onderstaande afbeelding). Helaas bestaat hier geen eenvoudige uitdrukking voor. In Van Helvoort (1995) is wel een benadering gegeven.

 

Afgeschermde kabels in een ondiepe stalen goot (getrokken lijnen). De stippellijnen zijn berekeningen, de zwarte lijn is uit Helvoort (1995). De streeplijnen zijn de metingen aan kabels in een aluminium goot.

Constructie-elementen

Als er maar een enkele kabel nodig is, willen we hiervoor meestal geen aparte goot aanleggen. Vaak kunnen we deze kabel toch beschermen door gebruik te maken van metalen constructie-elementen van gebouwen of machines.

 

We denken daarbij aan (zie onderstaande afbeelding):

  • U-balken;
  • H-balken;
  • I-balken;
  • T-ijzers;
  • hoekijzers;
  • strips.

 

Constructie-elementen kunnen ingezet worden als alternatieve kabelgoot.

 

Strips gedragen zich als de vlakke plaat die we eerdere hebben beschreven en U-balken gedragen zich als kabelgoten. De H- en I-balken gedragen zich hetzelfde als U-vormige kabelgoten die met de ruggen tegen elkaar aan liggen.

De mutuele inductie van een constructie-element kunnen we uitdrukken als:

In deze formule staat O voor de omtrek. Merk op dat de omtrek van een U-vormige kabelgoot 4(h + w) is. Als we dat invullen, vinden we de formule hieronder. De factor g is afhankelijk van de hoogte/breedte-verhouding (zie onderstaande tabel). Deze benadering is alleen geldig zolang de materiaaldikte klein is ten opzichte van de omtrek.

Vormfactor (g) van kabelgoten.

 

In de volgende afbeelding hebben we de mutuele inductie van een aantal constructie-elementen getekend. In de tabel daaronder staan voorbeelden van in de handel gangbare elementen.

 

Berekende mutuele inductie van enkele constructie-elementen. De blauwe lijn geeft aan dat M = 20 nH/m, de groene M = 50 nH/m en de roede M = 100 nH/M.

 

Berekende gelijkstroomweerstand en mutuele inductie van gangbare constructie-elementen. De meetdraad ligt op 2,5 mm hoogte.

Gerelateerd aan Kabels en aanleg: bescherming door stalen kabeldraagsystemen