Al jaren ben ik aan het nadenken over het definitieve ontwerp van de 24 Volt elektrische installatie voor ons motorjacht Xanthiona. Het basisprincipe is nog steeds dat alle huishoudelijke apparatuur zoveel mogelijk 230 Volt is en alle typische scheepsaccesoires en navigatie-apparatuur is 24 Volt. Een aantal keren heb ik hier al wat over geschreven en met name over het idee om een ‘distributed power system’ via digitaal schakelen met modules van Czone, te installeren. Voordelen van zo’n systeem zijn o.a. veel minder kabels en geen fysieke schakelaars. Nadelen: de configuratie is enigszins gecompliceerd. Met de recente aanschaf van een Victron Quattro lader/omvormer en de komst van de 940 Ah accu set werd het nu echt tijd om het volledige 24 V systeem te installeren. Bij de 20ste wijziging op mijn ontwerp van het 24 V systeem moest ik me verder verdiepen in de dikte van de diverse kabels. Hieronder beschrijf ik wat ik tegenkwam en wat mijn overwegingen zijn.
Werkplank over de motor bij aanvang van de definitieve 24 V installatie
De tussenschakel tussen de accu set, de Quattro en het 24 V (Czone) systeem is een Victron DC Link box. Victron schrijft voor dat de Quattro wordt aangesloten met 2 x 50 mm2. Dit betekent dus 2 x 50 mm2 van de Quattro naar de DC Link box en van daar met 2 x 50 mm2 naar de accus. Het hart van het Czone systeem zijn de ‘output interface’ modules die met een lange dikke kabel op de 24 V wordt aangesloten en dan kunnen er 6 lokale verbruikers worden aangesloten met korte dunne kabel. Totaal 6 x 20 Ampere = 120 Ampere. Hoe dik moet dan de kabel zijn? Voor de ankerlier die 125 Ampere nodig heeft schreef Lofrans een kabeldikte voor van 50 mm2 als de afstand tot de accu minder is dan 3 meter. Dus heb ik 50 mm2 even als uitgangspunt aangenomen voor de Czone. Naarmate kabels langer worden, treed er meer spanningsverlies op. 1 van de Czone modules zit op ca. 15.5 meter van de accu. En nu? Dikkere kabel? Hoeveel dikker? Het antwoord daarop is niet eenduidig.
Qua spanningsverlies is een op het internet bij een kabelleverancier gevonden richtlijn dat dit max 5 % mag zijn. 5 % van 24 V is 1.2 Volt. Diezelfde kabelleverancier geeft de volgende berekening voor draaddikte:
lengte x 2 x benodigde stroom x 0,0175
(toelaatbaar verlies = 1.2)
De DC Link box tussen de 940 Ah accu set en verbruikers
Voor een apparaat dat 15 A verbruikt en op 8 meter afstand is bevestigd, is de draaddikte dus: 3.5 mm2. Voor de Czone module op 15.5 meter afstand en die in principe maximaal 120 A gebruikt zou de draaddikte dan 15.5 x 2 x 120 x 0,0175 gedeeld door 1.2 = 54.2 mm2 zijn. Maar!
Als ik even kijk naar de richtlijn van de American Boat and Yacht Council (ABYC), dan schrijven die voor 125 A een kabel van 4 AWG voor bij een omgevingstemperatuur van 75˚ C. Als de kabel in de motorruimte zit moet ie 2 AWG zijn. Handig die Amerikanen met hun niet-metrieke aanduiding. In sommige van de handleidingen van de apparatuur wordt ook vaak deze AWG dikte genoemd. Diezelfde 4 AWG is volgens de ABYC in het metrieke stelsel 21 mm2 en de 2 AWG is 34 mm2. Naarmate de omgevingstemperatuur omhoog gaat moet de kabel iets dikker zijn volgens de tabel van de ABYC. Overigens gelden de waardes voor een kabel die niet in een bundel van kabels is opgenomen. In het overzicht van de ABYC wordt echter geen rekening gehouden met lengte en spanningsverlies.
Bij een bundel van 3 kabels geldt volgens ABYC bij een omgevingstemperatuur van 75˚ C een kabeldikte van 35 mm2 voor diezelfde 125 A en in de motorruimte moet ie dan weer ca. 54 mm2 zijn. En ook hier geldt dat hogere omgevingstemperaturen leiden tot nog dikkere kabel. Zit de kabel in een bundel van 4 tot 6 kabels dan moet de dikte van de kabel zelfs berekend worden met een vermenigvuldigingsfactor van 0.857 volgens ABYC. Hoe groter de bundel, hoe kleiner de vermenigvuldigingsfactor en hoe dikker de kabel. Je ziet dat er dus nogal wat factoren zijn die invloed hebben op het bepalen van de dikte van de stroomkabel.
Volgens de Recreative Craft Directive van de CE is de ISO standaard 10133 voor gelijkstroom (DC) geldig en die spreekt over max 10 % spanningsverlies bij volledige belasting en bij 30˚ C omgevingstemperatuur. Zij geven een iets andere formule, die in dit geval meer uitgaat van het berekenen van het spanningsverlies bij een bepaalde draaddikte:
Spanningsverlies = 0.0164 x stroom x 2 x lengte kabel (kabel lengte gemeten heen en terug)
draaddikte in mm2
Voor hetzelfde voorbeeld van de Czone module met max 120 A op 15.5 meter bij gebruik van een kabel van 50 mm2 zou het spanningsverlies
Een deel van het Czone systeem op 24 V paneel
dan 0.0164 x 120 x 2 x 15.5 delen door 50 = 1.2 V zijn. Dit is ruim binnen de 10 %. Zouden we een kabel nemen van 35 mm2, dan is de waarde 1.75 V. Pas bij 26 mm2 kom ik op het max toegelaten 2.4 V spanningsverlies uit. De ISO gaat uit van een temperatuur van 60˚ C in een motorruimte. Waarbij er bij de ISO standaard weer vermenigvuldigingsfactoren worden gebruikt die afhankelijk zijn van de toegelaten temperatuur van de isolatiemantel van de draad. Zo geeft een draad met temperatuuraanduiding van 85-90˚ C een vermenigvuldigingsfactor van 0.89. De ISO schrijft tevens voor dat de te gebruiken draad altijd uit meervoudige aders moet bestaan en per dikte van de draad is de minimum hoeveelheid aders voorgeschreven. Voorbeeld een 10 mm2 draad moet minstens 19 aders zijn. Als de stroomdraad veelvuldig wordt bewogen moet ie zelfs uit 168 aders bestaan. En zo zijn er nogal wat meer richtlijnen in de ISO over afstanden tussen kabels, krimpkous, kabelschoentjes, zekeringen, etc.
De ene fabrikant houd wel rekening met de factoren (lengte, temperatuur, locatie, hoeveelheid stroom, gebundeld ja/nee), maar anderen niet. Even een voorbeeld. Simrad schrijft voor zijn autopilot (trekt nogal wat stroom) een 30 A zekering voor, maar in het aansluitschema staat voor 24 V een waarde van 15 A bij een draaddikte van 2.5 mm2 tot maximaal 6 meter. Simrad heeft het niet over temperatuur, bundeling en locatie. Thuis is 1.5 mm2 al genoeg voor zelfs 16 A. De fabrikant van de stuurpomp die door de autopilot wordt aangestuurd schrijft maar 13 A voor. Moet ik nou uitgaan van de 30 A, de 15 A of de 13 A? Ander voorbeeld. 1 van de Czone modules wordt 12 Volt, omdat er ook een paar 12 V apparaten zijn. Een omvormer zet de 24 V om naar 12 V. De omvormer kan maximaal 40 A (12 V) leveren. Hoe dik moet de kabel dan zijn? DE ABYC schrijft 10 AWG (5.3 mm2) voor bij 75˚ C. Komt de kabel uit de motorruimte dan is het 6 mm2 (75 C). Kijk ik naar de apparatuur die er daadwerkelijk aan de omvormer komt te hangen, dan kom ik totaal maar tot 26 A. Volgens de ABYC zou dan een kabel van 3.3 mm2 genoeg zijn. Volgens ISO is de 16 mm2 kabel (afstand ca. 8 meter, draad komt uit motorruimte) die ik hiervoor in gedachten heb goed genoeg. 0,0162 x 26 A x 2 x 8 meter delen door 16 mm2 = 0.43 V. Dit is binnen de 10 % maximale spanningsverlies. En nu? Welke dikte te kiezen?
Van links naar rechts: scheidingstrafo, 5000 W Quattro en 3000 W Multi
Je ziet het, het wordt eigenlijk toch allemaal een beetje koffiedik kijken. Ik gebruik een beetje gezond verstand en kijk naar het daadwerkelijke verbruik en daar stem ik de kabels grotendeels op af. Ik kijk ook naar wat de fabrikant voorschrijft en ga liever voor de zekerheid voor een dikkere dan voor een te dunne kabel. Zo is de kabel van 0.5 meter die van de DC Link box naar de hoofdschakelaar voor alle 24 V apparatuur loopt 70 mm2. Daar vandaan 70 mm2 kabel over een lengte van 5 meter naar een verdeelpunt. Van het verdeelpunt loopt een 50 mm2 kabel door naar een Czone module 8 meter verder. Voor het bereken van de totale lengte, komt de afstand van ca. 2 meter van de accu naar de DC Link box er nog bij. Dit is de eerder genoemde lengte van 15.5 meter, waarvoor een draaddikte van 54.2 mm2 was berekend. Van het verdeelpunt loopt ook nog een 35 mm2 voor een 2de Czone module op 1.5 meter op de flying bridge. De kabel van de verdeelpunt naar de genoemde 24 V/12 V omvormer wordt 10 mm2 (ca. 30 cm). De kabel vanaf de hoofdschakelaar die naar de 3de Czone module in de motorruimte loopt wordt 16 mm2 op een afstand van 90 cm.
Het lijkt misschien allemaal wat overbemeten, maar een deel van de kabels wordt weggewerkt en kan later moeilijk vervangen worden. Ik ga dus maar uit van de situatie dat een Czone maximaal belast kan worden, ook al is de praktijk dat er daadwerkelijk veel minder wordt gebruikt door de apparatuur die er aan hangt.
