Elektrická bezpečnostní měření

Současné předpisy vyžadují měření elektrického systému během kontroly po montáži a po každé změně nebo rozšíření systému, a pravidelně během provozu. Rozsah kontroly nebo periodických kontrol je specifikován v normě HD 60364-6. Požadavky stanovené pro měřicí přístroje jsou uvedeny na jednotlivých listech normy EN 61557. V závislosti na požadavcích, elektrická bezpečnostní měření zahrnují: měření zdánlivého odporu smyčky nakrátko, izolačního odporu, spojitosti ochranných přípojů a vyrovnávání potenciálu, odporu uzemnění, parametrů proudových chráničů.

Měření zdánlivého odporu smyčky nakrátko

Nejčastěji používaná metoda ochrany před úrazem elektrickým proudem – ochrana před přímým kontaktem v obvodech, vybavených prvky nadproudové ochrany – se opírá o automatické vypnutí výkonu v případě nebezpečného dotykového napětí na přístupných prvcích elektrického zařízení, jimiž protéká proud. K průtoku tzv. zkratového proudu dochází v obvodu mezi fází a ochrannými vodiči; tento proud vypne nadproudový jistič a odpojí výkon. Protože přístupné prvky nemohou být pod nebezpečným dotykovým napětím příliš dlouho, ochrana musí reagovat v dostatečně krátké době, kterou definují normy. Podmínka správné ochrany je popsána vzorcem:

kde: Z_S = zdánlivý odpor smyčky nakrátko, I_A = pracovní proud, jenž vypne nadproudový jistič v požadované době (v závislosti na charakteristikách času-proudu jističe a na požadované době sepnutí), U_n = jmenovité napětí fáze vůči zemi.

Je třeba změřit hodnotu impedance Z_S, nutnou k určení, zda je ochrana správná či nikoliv. Při měření proudu smyčky nakrátko pomocí technické metody se vytvoří "umělé krátké spojení". Přístroj měří napětí v podmínkách bez zátěže, a pak při krátkodobé zátěži s rezistorem nakrátko. Zdánlivý odpor smyčky nakrátko se vypočte na základě rozdílu úbytku napětí. Toto měření se provádí pomocí měřičů zdánlivého odporu smyčky nakrátko: MZC-304, MZC-305, MZC-306 a MZC-310S, jakož i pomocí vícefunkčních přístrojů: MPI-502, MPI-505, MPI-508, MPI-520, MPI-525 – všechny tyto přístroje současně indikují složky impedance, tj. odpor a reaktanci.

Měřiče zdánlivého odporu smyčky nakrátko (s výjimkou MZC-310S) rovněž umožňují měření obvodů L-PE v systémech, chráněných proudovými chrániči bez jakýchkoliv interferencí v obvodu. Toto měření, prováděné s proudem menším než 15 mA, je časově delší, přičemž rozlišení výsledku je 0,01 Ω, stejně jako u ostatních měření. Měřič vysokého proudu MZC310S umožňuje provádět měření s rozlišením 0,1 mΩ (body rozvodu výkonu, rozvaděče, rozvodny) s maximální měřicím proudem 280 A. To dovoluje měření v souladu s normou EN 61557, a to i u obvodů s miliohmovými hodnotami zdánlivého odporu smyčky nakrátko.

Měřiče MZC-305 a MZC-306 se liší svojí schopností provádět měření libovolných napětí až do 750 V, včetně průmyslových systémů.

Měřiče smyčky nakrátko je možno používat k měření odporu uzemnění pomocí přídavného zdroje napětí (fázového vodiče). Měřená hodnota je proto nadsazená – výsledek měření je součtem měřeného odporu vůči zemi, pracovního odporu uzemnění a odporu pracovního vodiče. Je-li však menší, než hodnota přípustná pro zkoumané uzemnění, lze ji považovat za správnou a není nutno použít přesnější měřicí metody.

Měření izolačního odporu

Stav izolace je klíčovým faktorem provozní bezpečnosti a správné funkce elektrických zařízení a systémů; kromě toho se jedná o ochranu před přímým kontaktem.

Systematické kontroly stavu izolace jsou nezbytné pro zjištění jakéhokoliv zhoršení izolace, a jsou trvalou složkou kontrolních a měřicích činností. V případě měření průmyslového zařízení má sklon ke změnám hodnoty odporu klíčovou důležitost, protože může indikovat postupné zhoršování stavu izolace. Základní prvky, ovlivňující zhoršování izolace, jsou: elektrické a mechanické vlivy, chemické vlivy, vlivy tepla a znečištění životního prostředí; výsledkem jejich působení během normálního provozu elektrického zařízení je stárnutí izolace. Měření izolačního odporu se provádí pomocí stejnosměrného proudu, aby se vyloučil vliv kapacitního odporu.

Metoda měření izolačního odporu a požadovaná měřicí napětí jsou definovány v normách: HD 60364-6, E-04700, EN 61557-2. Po přivedení měřicího napětí dojde v izolaci k fyzikálnímu jevu, jehož následkem je průtok proudu. Během měření odporu lze rozlišit tyto složky proudu, protékajícího izolací (1):

• kapacitní nabíjecí proud (2) – závisí na kapacitním odporu (např. délce měřeného kabelu),
• absorpční proud (3) – je výsledkem pohybu náboje a dipólu v elektrickém poli,
• svodový proud izolace (4) – součet proudů, protékajících materiálem a povrchem materiálu.

Díky povaze proudu protékajícího izolací je měřená hodnota ovlivňována dobou měření, jakož i vlhkostí, teplotou, měřicím napětím a čistotou povrchu izolačního materiálu.

Metoda tří vývodů, používaná ve všech moderních přístrojích, dovoluje vyloučit vliv povrchového svodového proudu. V případě kabelů musí být izolace jádra obalena kovovou fólií, spojenou s koncovkou stínění přístroje – měří se pouze svodový proud, protékající izolací. Měření metodou tří vývodů se doporučuje pro velké povrchy vystavené znečištění (kabely o velkém průměru, transformátory, vysokonapěťové spínače):

Použití metody tří vývodů je relevantní v případě měření objektů s velmi vysokými hodnotami odporu (více než 100 MΩ).

Přístroje MIC-5000, MIC-2510, MIC-30 a MIC-2505, jakož i vícefunkční měřič MPI-525 umožňují měření izolace v definovaném časovém intervalu (maximálně 600 s), jakož i výstup dat v časových intervalech stanovených uživatelem. Na základě výsledků se vypočítá jeden nebo dva absorpční koeficienty, což současně poskytne informace o stavu izolace. Před vlastním měřením zkontrolujte, zda je měřený objekt odpojen od napájecího zdroje. Je-li na měřeném objektu zjištěno napětí (nebo se napětí objeví během měření), přístroj měření přeruší a vyšle akustické signály abnormality. V průběhu měření se zobrazuje hodnota momentálního odporu, nebo aktuální hodnota svodového proudu. Po skončení měření se hodnoty naměřené na konci časových intervalů definovaných uživatelem (volitelných v rozsahu 1 ÷ 600 s) uloží, a přístroj měřený objekt vybije.

Měření parametrů proudového chrániče

Hlavní funkcí proudového chrániče (RCD) je přídavná ochrana před úrazem elektrickým proudem odpojením chráněného obvodu od napájecího zdroje v případě nadměrného zemnícího proudu v tomto obvodu.

Nejsou-li v obvodu chráněném pomocí RCD (zbytkový proud I_Δ = 0) žádné závady, vstupní proud I₁ se rovná proudu výstupnímu I₂. V případě nějaké závady (např. průrazu izolace) začne protékat poruchový proud I_Δ a hodnota I₂ je menší než I₁. Proudový chránič odpojí napájecí zdroj, jestliže naměřený rozdíl mezi hodnotami I₁ a I₂ převyšuje stanovenou předpokládanou hodnotu RCD. Během průtoku poruchového proudu se na pouzdru chráněného zařízení objeví napětí U_B podle Ohmova zákona:

Je třeba zvolit jmenovitou hodnotu I_Δn proudu RCD, aby dotykové napětí, jež je výsledkem průtoku poruchového proudu, nemohlo překročit maximální dlouhodobé dotykové napětí U_L:

Z bezpečnostních důvodů musí být instalace vybavena ochranným vodičem PE. Proudové chrániče (RCD) tudíž nemohou být instalovány v systémech, jež nejsou vybaveny samostatným ochranným vodičem. Proudový chránič neomezuje hodnotu poruchového proudu, nýbrž dobu trvání jeho průtoku. Protože však se překročení hodnoty jmenovitého proudu RCD poruchovým proudem používá jako kritérium sepnutí RCD, je třeba proudový chránič vybírat podle typů chráněných zátěží. Podle doby sepnutí se proudové chrániče dělí na: obecné s krátkodobým zpožděním - určené pro zátěže a obvody s malými okamžitými hodnotami svodového proudu, a selektivní - charakterizované minimální dobou nečinnosti, tj. doby, kdy RCD nesepne, ačkoliv je rozdíl mezi hodnotami vstupního a výstupního proudu v obvodu. V závislosti na tvaru poruchového spínacího proudu, RCD je možno dále dělit takto: Typ AC - - reagující na zbytkový střídavý proud sinusového průběhu; typ A - - reagující na zbytkový střídavý sinusový proud, zbytkový pulzující jednosměrný proud, zbytkový pulzující jednosměrný proud se stejnosměrnou odchylkou 6 mA; a typ B - - reagující na zbytkový sinusový střídavý proud, zbytkový pulzující jednosměrný proud, zbytkový pulzující jednosměrný proud se stejnosměrnou odchylkou, a na stejnosměrný proud. Možnost provádět měření proudových chráničů poskytují přístroje MRP-201, dále MPI-502, MPI-505, MPI-508, MPI-520 a vícefunkční měřič MPI-525.

Při každém měření (s výjimkou napětí střídavého proudu) přístroj kontroluje, zda výsledné dotykové napětí převyšuje stanovenou hodnotu přípustného dlouhodobého dotykového napětí. Dojde-li k překročení této hodnoty, měření se automaticky přeruší (tj. proud měření rozdílu se vypne). Hodnotu přípustného dlouhodobého dotykového napětí je možno nastavit na 25 V nebo 50 V, navíc pak na 12,5 V u selektivních RCD. Doba sepnutí RCD se měří od začátku průtoku zbytkového proudu až do okamžiku sepnutí RCD; je možno volit kladnou nebo zápornou počáteční fázi (nebo polarizaci). Maximální naměřené hodnoty doby sepnutí jsou 300 ms u přístrojů pro obecné použití, a 500 ms u RCD pro selektivní měření. Pracovní proud RCD se měří pomocí vynuceného, lineárně stoupajícího zbytkového proudu ve zkoumaném obvodu. Proud se zvyšuje od ca 30 % I_Δn do okamžiku sepnutí RCD, nebo do překročení I_Δn v případě AC (140 % u RCD typu A a 200 % u RCD typu B).

Díky použití dotykové elektrody je možno měřicí přístroje RCD používat ke kontrole správnosti zapojení síťových zásuvek. Jestliže napětí mezi dotykovou elektrodou a ochranným vodičem (PE) připojeným do zásuvky přesáhne 500 V, bude tento stav signalizován.

Měření odporu uzemnění

Měření odporu uzemnění slouží ke kontrole elektrických systémů a splňuje požadavky na ochranu před úrazem elektrickým proudem. Vedle ochrany před bleskem má uzemnění další funkce, související s bezpečností (např. vybíjení elektrických nábojů v zařízeních ohrožených výbuchem).

Uzemnění je možno měřit pomocí vícefunkčních měřičů, vybavených vhodnou funkcí, jakož i pomocí specializovaných měřičů řady MRU. K měření odporu uzemnění se nejčastěji používá technická metoda – měřič vypočítává hodnotu odporu změřením napětí na vývodech po vynucení měřicího proudu. K měření systémů s jediným uzemněním se používá třípólová metoda poklesu potenciálu. Tato metoda je založena na vynuceném průtoku proudu v obvodu: měřič – zkoumané uzemnění – proudová elektroda – měřič. Vzdálenosti mezi elektrodami by měly být případně velké; je třeba, aby proudová elektroda byla umístěna ve vzdálenosti, která se rovná nejméně 10násobku fyzické délky měřeného uzemnění; v praxi je přijatelná vzdálenost ca 40 m mezi zkoumaným uzemněním a proudovou elektrodou.

Napěťová elektroda je spojena se zemí mezi měřeným uzemněním a proudovou elektrodou v oblasti tzv. nulového potenciálu. V praxi se doporučuje provést tři měření, s napěťovou elektrodou posunutou o 6 metrů směrem ke zkoumanému uzemnění a směrem od něho. Jsou-li výsledky stejné, místo pro upevnění napěťové elektrody bylo zvoleno správně. Měření se provádí pomocí proudu, jehož kmitočet umožňuje vyloučení poruch a šumu síťového kmitočtu (50 Hz nebo 60 Hz) a jeho harmonických. Před zahájením měření, moderní měřiče uzemnění řady MRU kontrolují a signalizují velikosti rušivých napětí. Tyto měřiče kromě toho vypočítávají dodatečnou chybu, související s příliš vysokým odporem měřicí sond.

Moderní přístroje dokáží měřit metodou čtyř vývodů, což dovoluje vyloučit vliv vývodu, propojujícího přístroj a zkoumané uzemnění.

Nesnáze spojené s nutností odpojení jednotlivých zemnicích systémů v průběhu několika měření systému uzemnění je možno překonat použitím technické metody s přídavnou svorkou (MRU-105, MRU-120, MRU-200). Proudové a napěťové elektrody se umístí stejně jako u metody tří pólů, avšak proud se měří svorkou, připevněnou ke zkoumanému uzemnění. Měřič vypočítává odpor na základě proudu, protékajícího zkoumaným uzemněním. Tuto měřicí metodu však nelze použít ve vícenásobných systémech uzemnění, kde jsou jednotlivé zemnicí systémy vzájemně propojeny pod zemí.

Metoda dvou svorek (MRU-120, MRU-200) dovoluje měřit odpor několika zemnicích systémů, aniž by bylo nutno umístit do země pomocné sondy. Při tomto měření proud generovaný vysílacími svorkami protéká do obvodu: zkoumané uzemnění + paralelní systém zbývajícího uzemnění, a je měřen přijímací svorkou; na základě tohoto měření se vypočítává odpor obvodu. Protože paralelní zapojení několika odporů tvoří čistý odpor daleko nižší hodnoty, je výsledek ve srovnání se zkoumaným odporem nadsazen. Rozdíl je menší, protože počet zemnicích systémů v měřeném objektu stoupá.

Metoda dvou svorek se používá při měření vícenásobných zemnicích systémů, jež nejsou propojeny pod zemí. Jsou-li zemnicí systémy propojeny pod zemí, tato metoda umožňuje měření spojitosti obvodu pouze v zemnicím systému, určeném k ochraně před úrazem elektrickým proudem; chování nízkofrekvenčních proudů je důležité (50, 60 Hz). Účelem uzemnění bleskojistkové ochrany je přenést bleskový impuls do země. Impulsní povaha takového výboje znamená, že se indukční složka zkoumaného uzemnění stane důležitou; pouze ta část systému uzemnění, která je nejblíže bodu zásahu bleskem, je účinně využita k přenosu proudu blesku.

Z toho důvodu nízký statický odpor, zaručující dobrou základní ochranu, nemusí poskytovat dostatečné parametry ochrany před bleskem; to platí zvláště v případě rozsáhlých zemnících systémů, jež mají impedanci několikrát vyšší, než je jejich nízký statický odpor. Měření pomocí impulsní metody (MRU-200) podle normy EN 62305 dovoluje diagnostikovat dynamické parametry bleskové ochrany zemnicích systémů. Díky impulsové povaze měření není odpojení v případě několikanásobného zemnícího systému nebo objektů pod napětím nutné, protože měřicí proudový impuls pracuje pouze v omezené vzdálenosti, stejně jako úder blesku. Měření probíhá v souladu s definicí normy EN 62305. Tato metoda umožňuje stanovit konvenční hodnotu, popisovanou jako rázová impedance (Z_E), což je poměr hodnoty špičkového napětí a hodnoty špičkového proudu.

Impedance specifikovaná normou je konvenční hodnota, protože napěťová a proudová špička se zpravidla nevyskytují současně. Impedance se bere jako ukazatel účinnosti uzemnění v podmínkách přísnější nebo speciální ochrany.

Parametry měřicího impulsu (simulujícího tvar bleskového výboje) jsou definovány dvěma čísly: dobou čela impulsu T1 a dobou týlu impulsu T2. Měřič MRU-200 umožňuje výběr jednoho ze tří tvarů impulsu: 10/350 µs, 8/20 µs, nebo 4/10 µs.

Podle normy EN 62305 je impuls tvaru 10/350 µs typický pro první úder proudu blesku. Stejný impuls je normou EN62305-1 stanoven jako kalibrační impuls.

Při měření vícenásobného uzemnění pomocí impulsní metody, kdy jsou jednotlivá uzemnění spojena jak nad zemí, tak pod zemí, působí měřicí impuls jen v těsné vzdálenosti od daného uzemnění, takže je možno provádět měření uzemnění bez nutnosti odpojení zkušebních přípojů a odpojení ekvipotenciálního propojení, tzn. bez nutnosti odpojení napájecího zdroje od objektu.

Impulsní metodu lze rovněž použít k měření uzemnění vysokonapěťových stožárů; dovoluje stanovit impedanci uzemnění celého stožáru včetně systému kovových kruhů, jakož i odpor nohou stožáru. Navíc ji je možno použít bez vypnutí zkoumaného vysokonapěťového vedení a dílčí demontáže uzemnění.

Znalost měrného odporu uzemnění (MRU-105, MRU-120, MRU-200) má význam ve fázi návrhu uzemnění. Známe-li průřez půdou, je možno zvolit typ uzemnění – např. pro nízké hodnoty měrného odporu, vyskytující se v určité hloubce, vybereme jednoduchou, svislou uzemňovací elektrodu zapuštěnou do hloubky, zatímco v případě půdy s nízkým měrným odporem v mělčí hloubce a skálou ve větší hloubce zvolíme sadu zemnících systémů, složenou z několika kratších, svislých zemnících elektrod, spojených kovovým kruhem.

Měření měrného odporu uzemnění se provádí pomocí čtyř tyčí, umístěných v jedné lince ve stejné vzdálenosti (Wennerova metoda). Měrný odpor uzemnění se měří v hloubce, rovnající se 0,7násobku vzdálenosti mezi tyčemi.

Měřicí zařízení

Při měřeních, prováděných na systémech pod napětím (zdánlivý odpor smyčky nakrátko, parametry proudového chrániče, napětí, sled fázi) je třeba používat zkušební vodiče, zakončené zkušebními sondami nebo krokodýlky (vyhovující požadavkům relevantní kategorie měření, jejichž tvar chrání před sklouznutím prstu), nebo adaptéry vhodné pro zásuvky, v nichž se provádí měření.

Měřiče připojené k systému vybavenému zásuvkami pomocí šňůry zakončené motorovou vidlicí, nebo pomocí šňůry v jiných případech, automaticky kontrolují správnost a signalizují jakékoliv abnormality zapojení. Měření v jednofázových zásuvkách lze provádět pomocí adaptérů, zakončených zástrčkou UNI-Schuko. Tato měření se provádějí také v případě prohození fázového a nulového vodiče (bez nutnosti změny zapojení nebo použití pomocných adaptérů).

Adaptéry WS-01 a WS-03 mají kromě toho tlačítka k zapnutí měření a pro uložení výsledků do paměti. U třífázových měření a měření vysokých proudů je možno případně použít jeden z těchto adaptérů: adaptéry pro třífázové zásuvky AGT-16P, AGT-32P, AGT-63P, AGT-16C, AGT-32C, nebo adaptéry pro zásuvky s vysokým proudem AGT-16T a AGT-32T.

Skupina adaptérů AutoISO, používaných společně s příslušným přístrojem, dovoluje provádět měření izolačního odporu šňůr se 2, 4 a 5 žilami bez nutnosti ruční volby dvojic a kombinací měřených žil. Vývody vyčnívající z adaptéru jsou zakončeny krokodýlky (podle situace: třemi, čtyřmi nebo všemi pěti) a připevněny k žilám měřené šňůry. Pak se spustí měření a adaptér připojený k měřiči provede všechny požadované posloupnosti měření. Adaptér AutoISO-2500 používaný s měřičem MPI-525 nebo MIC-2510 dovoluje také provádět taková měření kabelů (s napětím 2500 V).

Adaptér TWR-1J umožňuje kontrolu parametrů proudového chrániče před jeho instalací do systému.

Přístroje k měření odporu uzemnění se dodávají s bohatou sadou ergonomického příslušenství, usnadňujícího měření. Kvůli délce zkušebních vodičů, používaných k měření uzemnění (50, 30, 25, 15 m), jsou tyto vodiče navinuty na plastových cívkách odolných vůči mrazu a nárazům, umožňujícím rychlé odvíjení i navíjení.
 

Společnost Sonel je schopna dodat měřicí sadu s tyčemi dlouhými 80 cm, opatřenými vhodným pláštěm, vysoce citlivou a přesnou svorku (C-3, N-1), umožňující měření proudu nebo měření uzemnění bez nutnosti odpojení zkušebních přípojů, jakož i speciální skobu, zaručující bezpečný kontakt.

Měřicí přístroje se dodávají v měkkých nebo tvrdých pouzdrech, jejichž tvary odpovídají jednotlivým přístrojům a jež jsou vybavena oddíly a vnitřními držáky, umožňujícími přepravu měřicího příslušenství.