5.7 De huisinstallatie

Alle elektrische apparaten in huis worden voorzien van energie. Hoe zijn de apparaten verbonden? Hoe is ervoor gezorgd dat je apparatuur veilig kunt gebruiken?

Figuur 5.75

Bedrading

De meeste elektrische bedrading in een woning is weggestopt in plastic buizen in muren en plafonds. Die bedrading bestaat uit koperen draden met gekleurd isolatiemateriaal. Zie figuur 5.76. De kleur van het isolatiemateriaal van de draad geeft aan wat de functie van de draad is:

▪ De blauwe draad heet de nuldraad. Deze draad staat ver van je huis in verbinding met het grondwater en is daarmee geaard. De spanning van de nuldraad ten opzichte van de aarde is 0 V. ▪ De bruine draad heet de fasedraad. Deze draad heeft de netspanning van 230 V ten opzichte van de nuldraad. ▪ De geelgroene draad heet de aarddraad. Deze draad is geaard vlakbij de woning. ▪ In figuur 5.76 zie je een lichtpunt dat via een schakelaar is verbonden met de nuldraad en de fasedraad. De draden die direct verbonden zijn met de fasedraad en de nuldraad hebben de overeenkomstige kleur: bruin of blauw. Bij die draden hoort een vaste spanning. De spanning van de draad tussen de schakelaar en het lichtpunt is onduidelijk. Daarom is een zwarte draad gebruikt, die schakeldraad heet.

Figuur 5.76

De energiemeter

Opwekken van elektrische energie kost geld en gebruik van elektrische energie is dan ook niet gratis. Om te meten hoeveel elektrische energie een huishouden gebruikt, zit in de meterkast een energiemeter. Zo’n meter noem je ook wel een kilowattuurmeter. In figuur 5.77 zie je een oudere en een nieuwe kWh meter.

Figuur 5.77

De eenheid kilowattuur, afgekort kWh, is een andere eenheid voor energie. Je krijgt deze eenheid voor energie als je in de formule E = P ∙ t het vermogen P invult in kilowatt en de tijd t in uren.

Voorbeeld 12 Rekenen met kWh

De opa van René heeft boven de eettafel een halogeenlamp van 60 W. De lamp brandt gemiddeld 4,0 uur per dag. René gebruikt liever ledlampen. Een ledlamp van 9,0 W geeft dezelfde hoeveelheid licht als een halogeenlamp van 60 W. a Toon aan dat opa 74 kWh per jaar kan besparen als hij een ledlamp gebruikt in plaats van de halogeenlamp. René vervangt de halogeenlamp door een ledlamp. De ledlamp kost € 9,70. De kosten van een kWh zijn 24 eurocent. b Bereken na hoeveel maanden de kosten van de ledlamp zijn terugverdiend.

Uitwerking a De energiebesparing bereken je met: Ebesparing = P ∙ t.

De besparing is 60 − 9 = 51 W = 0,051 kW. t = 4,0 uur × 365 dagen = 1460 uur

Ebesparing = 0,051 × 1460 = 74,4 kWh

Afgerond: Ebesparing = 74 kWh per jaar. b De kostenbesparing op jaarbasis is 74 × 0,24 = € 17,76.

Per maand is dat 17,76 _____ 12 = € 1,48.

De lamp kost € 9,70. 9,70

____ 1,48 = 6,55 Dus na 7 maanden zijn de kosten terugverdiend.

Groepen

De elektriciteitsdraden door de muren en plafonds verbinden lampen en stopcontacten via de kWh-meter in de meterkast met het elektriciteitsnet van het energiebedrijf. Dit netwerk van draden in huis heet de huisinstallatie. Omdat alle lampen en stopcontacten dezelfde spanning van 230 V moeten hebben, zijn zij parallel aangesloten.

De huisinstallatie voorziet alle elektrische apparaten in huis van energie. Sluit je te veel apparaten aan, dan wordt de stroomsterkte in de bedrading erg groot. Daardoor wordt de draad warm en kan de isolatie rondom een draad smelten. Daarom is de huisinstallatie verdeeld in groepen. Een groep voorziet slechts een gedeelte van de apparaten in huis van energie. Zo blijft de stroomsterkte in de aansluitdraden van een groep beperkt. Iedere groep is beveiligd met een zekering.

Zekeringen

Kortsluiting ontstaat als de fasedraad en de nuldraad van een elektrisch apparaat elkaar raken. De elektrische stroom ondervindt dan slechts de kleine weerstand van de draad zelf. Ook nu wordt de stroomsterkte erg groot, waardoor zelfs brand kan ontstaan. Daarom zitten in de meterkast zekeringen. Een zekering schakelt de stroom door de groep uit als de stroomsterkte te groot wordt. Elke groep heeft zijn eigen zekering.

Figuur 5.78

In figuur 5.78 zie je een smeltzekering. In de zekering zitten twee parallelle, geleidende draden, een dunne smeltdraad en een nog dunnere verklikkerdraad. Als de stroomsterkte door de draden in de zekering te groot wordt, smelten de draden, waardoor de stroomkring wordt verbroken. Door het smelten van de verklikkerdraad zie je aan de buitenkant dat je de zekering moet vervangen. De draden zitten in een porseleinen behuizing zodat er geen brand kan ontstaan.

In figuur 5.79 zie je een aantal moderne zekeringen. Deze lijken meer op schakelaars. Als de stroomsterkte te groot wordt, slaat de schakelaar om en is de stroomkring verbroken. Wanneer de oorzaak van de te hoge stroomsterkte verholpen is, kun je de schakelaar terugzetten en dan werkt alles weer.

Figuur 5.79

Aarddraad en de aardlekschakelaar

Bij apparaten met een metalen behuizing, zoals wasmachines, kan de buitenkant van het apparaat onder spanning komen te staan. De bedrading maakt dan op een of andere manier elektrisch contact met de buitenkant. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren als de isolatie om de draad is weggesleten door beweging van het apparaat. Figuur 5.80 laat zien hoe een aarddraad een onveilige situatie voorkomt. Als een wasmachine normaal werkt, geeft de rode gestreepte lijn in 5.80a aan hoe de stroom door de motor loopt. Raak je het metalen omhulsel aan als een draad is beschadigd, dan loopt er stroom door jouw lichaam. Zie figuur 80b. Dit noem je het lekken van stroom, omdat de stroom uit de oorspronkelijke stroomkring verdwijnt. Om dat te voorkomen is een aarddraad verbonden met het metalen omhulsel. Zie figuur 80c. Deze draad maakt via het stopcontact weer contact met de aarde. Komt nu het metalen omhulsel in verbinding met een fasedraad, dan gaat de stroom via de aarddraad naar de aarde. De weerstand van de aarddraad is namelijk veel kleiner dan die van je lichaam. De stroomsterkte is dan zo groot dat de groepszekering doorslaat en het apparaat niet meer onder spanning staat.

a b c

Figuur 5.80

Een zekering onderbreekt de stroom pas bij een stroomsterkte van 16 A of meer. Een stroomsterkte van 30 mA door je lichaam kan echter al levensbedreigend zijn. Behalve de kWh-meter en de zekeringen zit er daarom ook een aardlekschakelaar in de meterkast. Zie figuur 5.81. Een aardlekschakelaar vergelijkt de stroomsterkte in de fasedraad met de stroomsterkte in de nuldraad. Als er niets aan de hand is, zijn die stroomsterktes even groot. Loopt er stroom naar de aarde, bijvoorbeeld via je lichaam, dan zijn die twee stroomsterktes niet precies gelijk. Is het verschil in stroomsterkte groter dan 30 mA, dan gaat in de aardlekschakelaar een dubbele schakelaar open waarmee zowel de stroom door de fasedraad als door de nuldraad wordt onderbroken. Figuur 5.81

41 Een plafondlamp is aangesloten op de fasedraad en de nuldraad. De schakelaar staat tussen de fasedraad en de lamp. Zie figuur 5.82a. In figuur 5.82b staat de schakelaar tussen de nuldraad en de lamp.

In beide situaties kun je de lamp aan- en uitschakelen met de schakelaar.

Leg uit waarom de situatie in figuur 5.82b gevaarlijk kan zijn.

42 Een huisinstallatie bestaat uit vijf groepen. Elke groep is beveiligd met een zekering van 16 A. De hoofdzekering bedraagt 75 A. a Bereken het maximale vermogen dat in het huis kan worden opgenomen.

De plafondlamp en alle stopcontacten in de keuken zijn op één groep geschakeld.

De plafondlamp heeft een vermogen van 75 W. Op de stopcontacten zijn aangesloten: een koelkast (150 W), een diepvrieskist (250 W), een afzuigkap (100 W) en een magnetron (850 W).

Henk heeft een vaatmachine (2300 W) gekocht en sluit die op dezelfde groep aan. b Laat met een berekening zien of alle apparaten in de keuken tegelijk kunnen functioneren.

43 Een tv vraagt een vermogen van 149 W. De prijs van 1,0 kWh elektrische energie bedraagt € 0,21. Jongeren kijken ongeveer 13 uur per week televisie. a Bereken de kosten als je een jaar lang 13 uur per week tv kijkt.

In de stand-bystand vraagt een tv een vermogen van 0,20 W.

Veel mensen laten een tv altijd in de stand-bystand staan. b Bereken hoeveel energie je dan per jaar verspilt. Geef je antwoord in joule.

44 Als je een niet geïsoleerde draad aanraakt, loopt er stroom door je lichaam.

De stroomsterkte hangt af van de weerstand van je lichaam en de spanning op de draad. In droge toestand kan de huidweerstand meer dan 30 kΩ bedragen. Bij een doornatte huid kan deze weerstand afnemen tot minder dan 600 Ω.

Het gevolg van de stroom door je lichaam hangt af van de stroomsterkte.

Stroomsterkten onder 0,5 mA voel je niet, terwijl je bij stroomsterkten boven 30 mA kunt overlijden.

In de arbeidsomstandighedenwet wordt een spanning van 50 V aangeduid als veilig onder droge omstandigheden. De spanning van 230 V in de huisinstallatie wordt als onveilig aangemerkt.

Figuur 5.82

a Leg met een berekening uit of je iets voelt als je contact maakt met de veilige spanning van 50 V.

De aardlekschakelaar schakelt de spanning in huis uit als er meer dan 30 mA aan stroom weglekt. b Leg uit of de aardlekschakelaar altijd de stroom uitschakelt als je ‘onder stroom’ staat.

Met een spanningzoeker kun je op een veilige manier testen of er spanning op een draad of contactpunt staat. Zie figuur 5.83.

Een spanningzoeker is een schroevendraaier met daarin een serieschakeling van een lampje en een weerstand. Aan de achterkant van de schroevendraaier zit een contactpunt. Als er spanning op de draad staat en je een duim op de Figuur 5.83 achterkant van de spanningzoeker houdt, dan gaat het lampje in de spanningzoeker branden.

De weerstand in de spanningzoeker heeft een waarde van 1,0 MΩ. Het lampje gaat pas branden als er een spanning van 80 V over staat. c Toon aan dat er nooit een gevaarlijke stroomsterkte kan ontstaan bij het gebruik van een spanningzoeker, zelfs niet onder natte omstandigheden. 45 De stroomdraden van de huisinstallatie bestaan uit een kern van koperdraad met daaromheen isolatie van kunststof. De doorsnede van de koperdraad is 1,5 mm2 .

Een draad met die doorsnede mag maximaal een stroom voeren van 16 A. a Bereken hoeveel warmte per seconde wordt ontwikkeld in 1 m stroomdraad bij de maximale belasting van 16 A.

Hoe groter de doorsnede van een draad, des te groter kan de maximale stroomsterkte zijn. De stroomdraad die naar de kWh-meter gaat heeft een koperkern met een doorsnede van 6,0 mm2 . b Leg uit waarom die doornede veel groter is dan die van de stroomdraden in de muren en de plafonds.

Door een stroomdraad met een doorsnede van 2,5 mm2 mag de stroomsterkte maximaal 27 A zijn. Is de doorsnede 10× zo groot, dan is de maximaal toegelaten stroom 105 A. De maximaal toegelaten stroom is dus niet recht evenredig met de doorsnede. c Geef hiervoor een natuurkundig argument.

Op een boot is de spanning van de accu 12 V. Je wilt een lamp met een vermogen van 20 W aansluiten op de accu. d Waarom zijn de stroomdraden naar de lamp in je boot dikker dan die in je huis?

Oefenen B

Oefen met hoofdstuk 5