Optimale bekabeling in gebouwen en installaties (EMVT 02301)

Titel
Optimale bekabeling in gebouwen en installaties

Geen schade bij blikseminslag
De bekabeling in een gebouw of installatie kan bijdragen aan storingen van elektrische apparatuur. Voor het berekenen van stoorstromen door deze kabels, bijvoorbeeld veroorzaakt door magnetische inductie of blikseminslag, is echter geen goede methode voorhanden. Eindhovense en Delftse onderzoekers werken aan een model hiervoor.

Aan elektrische apparaten worden eisen gesteld met betrekking tot de elektromagnetische compatibiliteit (EMC), ofwel het veroorzaken van en de gevoeligheid voor stoorstromen. Voor bekabeling, die ook als koppelpad voor storingen fungeert, zijn daarentegen nauwelijks EMC eisen. Toch heeft bekabeling een grote invloed op de uiteindelijke EMC prestatie van een apparaat of hele installatie. Dat blijkt uit het feit dat als apparaten niet voldoen aan de eisen, de problemen vaak worden opgelost door de bekabeling aan te passen. ‘Steeds weer komt het voor dat een blikseminslag schade veroorzaakt, bijvoorbeeld aan de pc’s in een kantoor. Met betere bekabeling is er minder of zelfs geen schade. Ook de NS kampt regelmatig met storingen door blikseminslag, wat eigenlijk niet nodig hoeft te zijn. Door de kabels in één keer goed aan te leggen, wordt de kans op storingen veel kleiner’, zegt Lex van Deursen.

Het berekenen van de mogelijke storingen is een complexe opgave. Behalve blikseminslag kunnen er tal van interne storingsbronnen zijn. Een steeds vaker voorkomende bron is bijvoorbeeld een apparaat met een geschakelde voeding, dat zonder nadenken op het bestaande netwerk wordt aangesloten. Ook de gevolgen kunnen divers zijn. Zo is het mogelijk dat communicatie, die steeds vaker via het lichtnet verloopt, wordt verstoord. Er zijn nog geen goede methodes om al deze complexe effecten te berekenen.

Het doel van het project ‘Optimale bekabeling in gebouwen en installaties’ is om een theoretisch model te ontwikkelen dat de stoorstromen door de bekabeling kan voorspellen. Daarbij gaat het om de vaste bedrading in een huis, kantoor of industriële installatie. Het bijzondere aan dit project is dat alle elementen die een rol spelen worden meegenomen. Dit zijn de elektromagnetische apparaten, maar ook al het metaal in de omgeving, zoals een staalskelet, betonijzer en verwarmingsbuizen. Daarnaast hebben ook datanetwerken een grote invloed, die tot dusver is onderbelicht. ‘Er zijn meer onderzoeksgroepen die de stoorstroming in bekabeling bestuderen, maar zij richten zich op details. Wij bekijken het globale plaatje’, licht Van Deursen toe.

In het onderzoek wordt een model gemaakt van de bekabeling en alle andere relevante objecten. Enerzijds zal het model globaal rekenen aan het elektromagnetisch gedrag van een grote installatie, en anderzijds gedetailleerd kijken dichtbij een apparaat. Daarvoor is het nodig om grote metaalobjecten als betonwapening en skeletten elektromagnetische te karakteriseren over een breed spectraal gebied. Het model wordt gevalideerd door metingen aan testopstellingen.

De moeilijkheid is dat het onmogelijk is om alles mee te nemen in het model. Dat levert zoveel vergelijkingen op dat een computer weken bezig is om ze op te lossen. Het gaat erom het model dusdanig te simplificeren, dat de berekeningen goede resultaten opleveren terwijl er nog wel snel gerekend kan worden.

Een tweede probleem is dat er altijd onzekerheid is over de gegevens die als input voor het model worden gebruikt. Van Deursen: ‘Voor wapeningsmatten in beton is het bijvoorbeeld van belang of ze elektrisch zijn doorgelast of niet. Dat kun je aan de buitenkant niet zien. Zo zijn er veel onderzekerheden en het is belangrijk hoe het model daar mee omgaat.’

Uiteindelijk is het de bedoeling om het model in commercieel beschikbare software op te nemen, die bijvoorbeeld eenvoudig door installateurs gebruikt kan worden. Dat maakt vroegtijdige integratie mogelijk van elektrotechniek, constructietechniek en gebouwontwerp. Door van tevoren na te denken kan het oplossen van problemen achteraf worden voorkomen. Bovendien kan het economische optimum worden gevonden. ‘De bekabeling of apparatuur kan zó worden gemaakt dat er nooit storingen optreden, maar daar hangt een prijskaartje aan. Het gaat erom de balans te vinden’, vertelt Van Deursen.

De commerciële software is er voorlopig nog niet. Het doel van dit onderzoek is om een module te maken die goede rekenresultaten geeft. In een vervolgonderzoek willen de twee vakgroepen deze module verder ontwikkelen tot een ontwerptool.

In deze onderzoeksperiode zullen daarnaast ook maatregelen worden ontwikkeld om stoorstromen door de bekabeling tegen te gaan.

In het project werken de TU Eindhoven en TU Delft samen. Bij beide universiteiten werkt een AIO aan het project. De Eindhovense AIO houdt zich voornamelijk bezig met modelleren, de Delftse AIO met meten.

De resultaten van de eerste metingen komen binnen een factor twee overeen met wat het model berekent. Die nauwkeurigheid is momenteel state-of-the-art. Een belangrijk doel van de twee AIO’s is om het model efficiënter te maken. Nu kost het een dag om het systeem door te rekenen. Dat moet worden gereduceerd tot minuten om ook complexere situaties te kunnen berekenen.

Uitvoerders
G. Bargboer
T. Steenstra