Měření elektrických spotřebičů při revizích (4)

Měření elektrických spotřebičů při revizích (4)

Ing. Leoš Koupý,
Illko s. r. o.

4. Proud protékající ochranným vodičem

Proud tekoucí ochranným vodičem je takový proud, který „prosákne„ (unikne) přes izolace spotřebiče do částí spojených s jeho ochranným vodičem a odtéká jím přes obvod vodiče PE elektrické instalace do uzemnění. Je-li spotřebič spojen se zemí ještě jiným způsobem než přes ochranný vodič, tedy náhodně uzemněn, část unikajícího proudu odtéká do země tímto náhodným uzemněním. Ovšem i tuto část unikajícího proudu je třeba při měření zjistit. Je tomu tak proto, že je nutné počítat s možností přerušení náhodného uzemnění; celý unikající proud pak bude odtékat vodičem PE.

Měřením se ověřuje schopnost izolací spotřebiče zabránit úniku nežádoucího proudu ze síťové části na části spotřebiče přístupné dotyku. Kdyby jejich vodivé spojení s uzemněním nebylo dostatečně kvalitní, na odporu tohoto vodivého spojení vznikne dotykové napětí, které může způsobit úraz elektrickým proudem. Unikající proud v tomto případě totiž teče částečně nebo úplně osobou dotýkající se přístupné části spotřebiče.

Proud tekoucí ochranným vodičem také může ovlivnit činnost jisticích prvků v elektrické instalaci, ke které je spotřebič připojen. Je totiž poruchovým proudem tekoucím např. přes proudové chrániče instalace. A je-li dostatečně veliký nebo sečtou-li se unikající proudy několika spotřebičů, způsobí vybavení jisticího prvku v instalaci.

4.1 Měření proudu protékajícího ochranným vodičem – požadavky ČSN
Měření se vykonává u spotřebičů tř. I, které spadají do kategorií podle ČSN 33 1600 a ČSN 33 1610, i u strojů podle ČSN EN 60204-1 shodným způsobem. Výsledky se vyhodnocují podle ČSN 33 1610. V jiných normách toto měření totiž není popsáno.

4.1.1 Schéma a popis zapojení
Na obr. 16 je schéma zapojení pro přímé měření proudu protékajícího ochranným vodičem u spotřebičů tř. I (tzv. přímá metoda).

Spotřebič je připojen přes měřicí přístroj k napájecímu napětí a sepnutím síťového vypínače je uveden do provozu. Proud, který uniká ze síťové části přes izolace spotřebiče na jeho vodivé části přístupné dotyku, odtéká ochranným vodičem přes měřicí přístroj, kde je do obvodu ochranného vodiče vřazen miliampérmetr měřící velikost proudu.

Měřicí přístroj je vybaven přepínačem polarity pracovních vodičů. Díky němu lze měřit unikající proud v obou možných provozních stavech spotřebiče, tzn. kdy je tentýž pracovní vodič připojen jednou k fázovému a podruhé k neutrálnímu pólu napájení.

Pozn.: Nutnost prověřit unikající proud spotřebiče v obou provozních stavech je dána skutečností, že případná závada na izolaci síťové části spotřebiče zpravidla nevznikne symetricky k oběma pracovním vodičům. Je-li např. jeden z pracovních vodičů spotřebiče připojen k neutrálnímu pólu napájení, a nachází se tedy na stejném potenciálu jako vodič PE, i při poruše jeho izolace z něj neteče do vodiče PE žádný proud. Je-li ovšem spotřebič připojen do jiné napájecí zásuvky, která má fázový a neutrální vodič zapojen opačně, může z pracovního vodiče s porušenou izolací téci do vodiče PE poměrně značný proud.

Podmínkou správného změření unikajícího proudu je tzv. izolované uložení spotřebiče. Budou-li některé vodivé, s vodičem PE spojené části spotřebiče uzemněny ještě jinak než přes vodič PE, měřicí přístroj tu část unikajícího proudu, která odtéká náhodným uzemněním, nezměří.

Aby bylo možné u náhodně uzemněných spotřebičů zjistit obě části unikajícího proudu, je nutné měřit takzvaný rozdílový proud podle schématu na obr. 17. Výsledný unikající proud se zjistí tak, že měřicí přístroj porovná napájecí proud, který teče do spotřebiče s proudem, jenž se ze spotřebiče vrací. Uniká-li ve spotřebiči část napájecího proudu mimo pracovní vodiče a síťovou část, projeví se jako rozdíl proudů v pracovních vodičích. Tento rozdíl proudů v měřicím přístroji vyhodnotí miliampérmetr připojený k toroidnímu měřicímu transformátoru, skrz nějž procházejí pracovní vodiče napájející spotřebič.

Požadované parametry měřicího zařízení
Jedním z požadavků normy je, že pokud uživatel měří proud protékající ochranným vodičem tzv. přímou metodou, musí jej přístroj prokazatelně upozornit na nutnost izolovaného uložení spotřebiče, např. nápisem na displeji, na štítku přístroje apod.

Další požadavky na měřicí zařízení pro měření proudu protékajícího vodičem PE jsou uvedeny v příloze E normy ČSN 33 1610.

4.1.2 Vyhodnocení naměřených hodnot
Proud protékající ochranným vodičem je třeba měřit dvakrát při záměně polarity napájení pracovních vodičů. V nyní platném znění ČSN 33 1610 sice zmíněný měřicí postup není stanoven, ovšem toto opominutí napraví návrh změn normy, kde je již povinnost dvojího měření zakotvena.

Pro vyhodnocení měření je třeba vzít v úvahu vyšší z obou naměřených hodnot a porovnat ji s maximálním povoleným proudem uvedeným v tab. 4.

Tab. 4. Maximální hodnoty proudu protékajícího ochranným vodičem elektrického spotřebiče tř. I

Pozn.: Unikající proud se neměří u zařízení informační techniky specifikovaného v ČSN EN 60950 a vybaveného varovným návěstím upozorňujícím na velký zpětný proud a ukládajícím povinnost připojit ochranný vodič před zapojením přívodu napájení. U tohoto spotřebiče se kontroluje pouze ochranné pospojování, a to prohlídkou a měřením, přičemž odpor musí odpovídat předepsanému průřezu ochranného vodiče.

4.2 Problematika měření proudu procházejícího ochranným vodičem

4.2.1 Izolované uložení spotřebičů
Podmínkou správnosti přímého měření unikajícího proudu je izolované uložení spotřebiče. Znamená to, že není spojen se zemí jiným způsobem než přes ochranný vodič napájecího přívodu. Náhodným uzemněním může být např. vodovodní nebo plynové potrubí, vedení pro přenos dat, propojení s jiným spotřebičem či připevnění k vodivému nebo částečně vodivému podkladu (ke zdi, k podlaze apod.). Toto náhodné uzemnění nemusí být stabilní nebo trvalé. Nastane-li jeho zhoršení nebo přerušení, může proud unikající PE vodičem spotřebiče vzrůst nad přípustnou mez.

Proto použije-li se k měření unikajícího proudu metoda přímého měření, je nutné od spotřebiče odpojit veškerá náhodná uzemnění a položit jej na izolační podložku dostatečné tloušťky. Tím se zabrání přímému dotyku vodivých částí spotřebiče s uzemněným podložím, ale i případné kapacitní vazbě mezi nimi. Doporučená tloušťka podložky je minimálně 50 až 100 mm. Uvedenou podmínku např. položení spotřebiče na nevodivý pracovní stůl splňuje.

Nelze-li izolované uložení spotřebiče zajistit, není možné metodu přímého měření proudu ochranným vodičem použít. Je pak třeba unikající proud spotřebiče změřit jinou metodou (nejčastěji měřením rozdílového proudu).

Pozn.: Vliv na případnou změnu proudu procházejícího vodičem PE spotřebiče může mít jen náhodné uzemnění těch částí spotřebiče, které jsou vodivé a jsou spojeny s jeho vodičem PE. Pokud jsou náhodně uzemněny jeho nevodivé části nebo části nespojené s obvodem ochranného vodiče, lze metodou přímého měření proudu spotřebič ověřit. Je ovšem třeba zvážit, zda se nemůže uplatnit případný vliv kapacitní vazby mezi obvodem ochranného vodiče spotřebiče a těmito náhodně uzemněnými díly.

4.2.2 Měření spotřebičů obsahujících elektronické prvky
Na obr. 16 a obr. 17 je též znázorněno, že unikající proud může být střídavý, stejnosměrný, usměrněný pulsní nebo může jít i o různé jejich kombinace či zkreslení vyššími harmonickými, způsobené polovodičovými spínacími prvky ve spotřebiči. To vše ovlivní naměřený výsledek. Záleží na konstrukci měřicího přístroje, jakým způsobem měřený proud zpracuje a vyhodnotí.

Značná část měřicích přístrojů pro revize spotřebičů je obvykle nastavena tak, že předpokládá ideální sinusový průběh proudu o kmitočtu 50 Hz. Veškeré odchylky od tohoto průběhu tedy mají vliv na naměřený výsledek. Vzhledem k tomu, že metodika měření unikajících proudů není upravena řadou evropských norem EN 61557, mohou přístroje různých evropských i neevropských výrobců reagovat na zkreslující složky proudu produkované elektronikou spotřebičů různě. U některých spotřebičů je tudíž možné různými typy měřicích přístrojů naměřit odlišné hodnoty unikajícího proudu. V návrhu změn nejnovější verze ČSN 33 1610 jsou zahrnuty alespoň základní požadavky na zpracování měření unikajících proudů, aby bylo možné u spotřebičů dosáhnout srovnatelných výsledků měření různými přístroji. Vzhledem k tomu, že tyto změny dosud nejsou platné a nelze vyloučit, že ještě projdou úpravami, nebudou zde rozebírána a informace o nich bude zveřejněna, až začne nové znění normy platit. Na výsledek měření může mít značný vliv také DC složka unikajícího proudu a vzhledem k tomu, že schopnost měřicího přístroje registrovat tuto složku hraje roli při rozhodování o volbě měřicí metody při revizi spotřebiče, je vhodné tento problém rozebrat podrobněji.

Usměrňovače nebo elektronické obvody produkující stejnosměrné nebo usměrněné pulsní průběhy obsahuje velký počet spotřebičů. A technicky jednoduše uskutečnitelné měření stejnosměrného proudu je možné pouze při tzv. přímém měření proudu protékajícího vodičem PE. Měření rozdílového proudu měřicím transformátorem stejnosměrnou složku nezaregistruje nebo usměrněné průběhy měří zkresleně. Proto je vhodné při měření izolovaně uložených spotřebičů přednostně používat metodu přímého měření unikajícího proudu.

Pozn.: Ne každý měřicí přístroj, který je vybaven tzv. přímou metodou měření proudu ochranným vodičem, měří i stejnosměrnou složku. Existují přístroje, které i při tomto měření ke snímání proudu tekoucího ochranným vodičem využívají měřicí transformátor, a proto stejnosměrnou složku nezaregistrují.

4.2.3 Měření spotřebičů obsahujících filtrační kapacity
Další problematickou částí spotřebiče z hlediska měření unikajícího proudu jsou jeho filtrační prvky. Ty často obsahují poměrně velké kapacity zapojené mezi ochranný vodič a pracovní vodiče.

Uvedené kapacity propouštějí do ochranného vodiče relativně velký střídavý proud. Celkový proud tekoucí ochranným vodičem je pak tvořen proudem unikajícím přes izolace spotřebiče a proudem tekoucím přes filtrační kapacity. Překročí-li unikající proud spotřebiče normou povolenou hodnotu 3,5 mA, nastává dilema, jak posoudit elektrickou bezpečnost spotřebiče. Nemusí totiž jít o závadu na izolaci, ale o jeho konstrukční vlastnost.

Přísně vzato, proud unikající do ochranného vodiče přes filtrační kapacity může být pro obsluhu spotřebiče stejně nebezpečný jako proud unikající přes závadu na izolaci. Naproti tomu ovšem tento proud obvykle významně nepřekračuje normou povolenou hodnotu. Je tedy na revizním technikovi, aby jeho případnou nebezpečnost posoudil.

Pozn.: Určitým vodítkem při posuzování může být zjištění, jak velká část celkového unikajícího proudu se do vodiče PE dostává přes filtrační kapacity. K tomu lze využít metodu měření náhradního unikajícího proudu (podrobnější popis bude uveden v části věnované měření náhradního unikajícího proudu). Pokud se převážná část proudu do vodiče PE dostává přes filtrační kapacity, není tedy porušena izolace spotřebiče a celkový unikající proud jen nevýznamně překračuje povolenou hodnotu, je možné (byť s určitou výhradou) spotřebič považovat za bezpečný. Dostává-li se ovšem většina proudu do vodiče PE přes izolaci síťové části spotřebiče, již se pravděpodobně jedná o závadu, která se postupem času může zhoršovat a ohrozit bezpečnost.

4.2.4 Vliv stavu elektrické instalace na měření
Správnost měření proudu protékajícího ochranným vodičem může být ovlivněna i stavem elektrické instalace, ke které je měřicí přístroj připojen. Aby přístroj dokázal změřit proud ochranným vodičem, musí tento proud mít možnost odtékat přes měřicí přístroj a vodič PE elektrické instalace do země. Jestliže je impedance ochranné smyčky v zásuvce, ke které je přístroj připojen, příliš velká, unikající proud se zmenší nebo v případě přerušení ochranné smyčky vůbec neteče.

Vyskytne-li se na kolíku PE zásuvky jakékoliv napětí, ovlivní naměřený výsledek do kladných nebo záporných hodnot podle toho, zda je ve fázi či v protifázi k měřenému proudu. Nebezpečné dotykové napětí může také z kolíku PE zásuvky proniknout přes měřicí přístroj na spotřebič a způsobit úraz. Proto je dosti důležité mít jistotu, že přístroj je při měření připojen do zásuvky splňující požadavky norem pro bezpečnost elektrické instalace.

Některé moderní měřicí přístroje tento problém řeší obvodem kontrolujícím správnost zapojení obvodu PE v instalaci a indikujícím přítomnost napětí. Jestliže přístroj pro revize spotřebičů vodič PE nekontroluje nebo kontroluje pouze nebezpečné napětí na kolíku PE zásuvky, je vhodné instalaci zkontrolovat měřičem impedance a napětí (např. Zerotestem 46 N).

4.3 Měření proudu tekoucího ochranným vodičem v praxi
Pro měření proudu protékajícího ochranným vodičem lze spotřebiče tř. I podle způsobu připojení k napájecímu zdroji (elektrické síti) rozdělit na spotřebiče:

• s pohyblivým přívodem zakončeným jednofázovou vidlicí,
• s pohyblivým přívodem zakončeným trojfázovou vidlicí,
• pevně připojené.

Podle způsobu spojení jejich vodivých částí přístupných dotyku se zemí je lze rozdělit na spotřebiče:

• izolovaně uložené, spojené se zemí pouze přes vodič,
• neizolovaně uložené, náhodně uzemněné i jinak než přes vodič PE.

4.3.1 Volba měřicí metody
Jestliže měřicí přístroj umožňuje měřit proud ochranným vodičem oběma metodami, je třeba se rozhodnout, kterou z nich u ověřovaného spotřebiče použít.

Dokáže-li přístroj měřit i stejnosměrnou složku unikajícího proudu, je vhodné přednostně volit metodu přímého měření proudu. Výhodou této metody u některých přístrojů je i vyšší odolnost proti vnějším rušivým vlivům a tím i vyšší přesnost měření. Jestliže je pro přímou metodu snímání proudu použit měřicí transformátor, a stejnosměrná složka se tedy neměří, je v podstatě lhostejné, která metoda je k měření zvolena.

Před měřením přímou metodou je zapotřebí nejprve ověřit, zda všechny vodivé části, které jsou spojeny s ochranným vodičem, jsou dostatečně izolovány od vodivých objektů spojených se zemí.

Pozn.: Vodivými objekty může být např. i zeď nebo betonová podlaha, k nimž je spotřebič přišroubován a které podle materiálu a své vlhkosti vykazují větší či menší vodivost. Dostatečnou izolací se myslí nejen dostatečný izolační odpor, ale i taková vzdálenost od vodivých uzemněných částí, která zaručí, že nemůže dojít k toku proudu do těchto částí vlivem velké kapacity mezi nimi (viz kap. 4.2.1).

Nelze-li izolované uložení spotřebiče zajistit, je nutné volit metodu měření rozdílového proudu. Měřicí postup je stejný jako u přímé metody, ale není třeba zajišťovat izolované uložení spotřebiče.

4.3.2 Spotřebiče s pohyblivým přívodem zakončeným jednofázovou vidlicí
Na obr. 18 je uveden příklad měření unikajícího proudu spotřebiče tř. I, počítače.

Vidlice napájecího přívodu se zapojí do měřicí zásuvky přístroje a zvolí se měřicí metoda podle kap. 4.3.1.

Dále je třeba zachovat tento postup měření:

• Přivede se napětí do měřicí zásuvky přístroje buď stiskem tlačítka zahajujícího měření, nebo jestliže to měřicí přístroj dovoluje, zaaretováním napětí v zásuvce.

• Síťovým vypínačem se zapne spotřebič a je třeba vyčkat, až se uvede do provozního stavu.

Pozn.: Provozní stav je takový, ve kterém je spotřebič běžně provozován. Například u tepelných spotřebičů je třeba počkat, až se ohřejí na provozní teplotu, u počítače je zapotřebí počkat, až proběhnou testy paměti a počítač čeká na další pokyny obsluhy, apod. Vodítkem pro určení provozního stavu může být i údaj o velikosti unikajícího proudu na displeji měřicího přístroje. Pokud se hodnota unikajícího proudu nemění, pracuje spotřebič v ustáleném provozním stavu. Nemusí to ovšem platit ve všech případech.

• Změří se unikající proud (přečtením údaje na displeji).
• Spotřebič se vypne postupem pro něj stanoveným (síťovým vypínačem, prostřednictvím klávesnice počítače apod.).
• Odpojí se napětí z měřicí zásuvky přístroje.
• Změní se polarita pracovních vodičů v měřicí zásuvce přístroje (záměna L a N).
• Popsaným postupem se znovu zapne spotřebič a přečte se hodnota unikajícího proudu při opačné polaritě napájecích vodičů.
• Popsaným způsobem se spotřebič vypne a odpojí se napětí z měřicí zásuvky.
• Pro vyhodnocení unikajícího proudu spotřebiče se použije vyšší z obou naměřených hodnot.

Uvedený postup zapínání a vypínání spotřebiče při měření je vhodné zachovat, neboť měřicí, a tedy i provozní napětí pro spotřebič je v přístroji spínáno pomocí relé. Kdyby byl nejprve sepnut síťový vypínač spotřebiče a teprve potom přivedeno napětí do měřicí zásuvky přístroje, proudový odběr při zapnutí spotřebiče způsobí jiskření mezi spínacími kontakty relé. To jednak zkracuje jejich životnost a jednak vysokonapěťové špičky, které při jiskření vznikají, mohou poškodit elektroniku spotřebiče. Totéž platí pro vypínání spotřebiče.

4.3.3 Spotřebiče s pohyblivým přívodem zakončeným třífázovou vidlicí
Měření proudu procházejícího ochranným vodičem u třífázových spotřebičů tak, aby nebyla ohrožena bezpečnost osob, je možné jen pomocí třífázového adaptéru. To je speciální příslušenství, které neobsahuje každý měřicí přístroj. Adaptér je v podstatě třífázový prodlužovací přívod, v němž jsou vestavěny dva měřicí transformátory. Jedním z nich prochází ochranný vodič „prodlužováku„, a měří tedy proud ochranným vodičem. Druhým prochází pracovní vodiče a měří rozdílový proud. Přepínačem lze volit, který z transformátorů má snímat unikající proud.

Měření s využitím třífázového adaptéru je znázorněno na obr. 19. Spotřebič je k síti připojen přes adaptér. Přepínačem na adaptéru je možné volit měřicí metodu. Je-li spotřebič náhodně uzemněn, je třeba využít metodu měření rozdílového proudu, je-li uložen izolovaně, je možné zvolit kteroukoliv z obou metod. Je tomu tak proto, že proud je v adaptéru snímán pomocí měřicích transformátorů a případnou stejnosměrnou složku proudu stejně nezaregistruje. Spotřebič se uvede do chodu a po ustálení údaje na displeji měřicího přístroje se přečte hodnota unikajícího proudu.

4.3.4 Pevně připojené jednofázové spotřebiče
Měřit proud procházející ochranným vodičem u pevně připojených spotřebičů lze dvěma způsoby. Nejvhodnějším způsobem je měření klešťovým ampérmetrem (obr. 20), neboť je nejjednodušší a bezpečné. Druhá metoda pracuje s odpojeným ochranným vodičem. Pro možné ohrožení měřicího přístroje a bezpečnosti obsluhy ji není vhodné používat. Proto zde není popsána.

Unikající proud pevně připojeného spotřebiče lze klešťovým ampérmetrem měřit přímo na ochranném vodiči nebo na pracovních vodičích jako rozdílový proud. Předpokladem přímého měření proudu procházejícího ochranným vodičem je skutečnost, že spotřebič je izolovaně uložen. Rozdílový proud je možné měřit u izolovaně uložených i náhodně uzemněných spotřebičů. Volba měřicí metody není důležitá, neboť klešťový transformátor případnou stejnosměrnou složku i při přímém měření proudu tekoucího ochranným vodičem nezaregistruje.

Spotřebič se uvede do chodu a klešťovým transformátorem se obemkne jeho vodič PE nejlépe v místě připojení do svorkovnice napájení nebo jeho pracovní vodiče (s výjimkou vodiče PE), měří-li se rozdílový proud. Na displeji přístroje se přečte hodnota unikajícího proudu. Druhé měření při opačné polaritě pracovních vodičů není u pevně připojených spotřebičů nutné, neboť lze předpokládat, že náhodná záměna fázového a neutrálního vodiče nehrozí.

Pozn.: Pro měření unikajícího proudu je třeba použít takový klešťový přístroj, který dokáže s dostatečným rozlišením a přesností měřit alespoň jednotky miliampérů (mezní hodnota bezpečného unikajícího proudu u většiny spotřebičů je 3,5 mA). Nelze tedy k tomuto měření použít jakýkoliv klešťový ampérmetr.

4.3.5 Pevně připojené třífázové spotřebiče
Unikající proud třífázových spotřebičů se měří podobným způsobem jako u jednofázových. Znamená to, že se klešťovým ampérmetrem obemkne buď ochranný vodič, nebo všechny pracovní vodiče (obr. 21), spotřebič se uvede do chodu a měří se proud vodičem PE nebo rozdílový proud.

Také v tomto případě platí, že měření proudu přímo ve vodiči PE je možné pouze u izolovaně uložených spotřebičů.

4.4 Shrnutí
Měření proudu tekoucího ochranným vodičem (unikajícího proudu) je jeden ze způsobů, jak prověřit stav izolací spotřebiče z hlediska elektrické bezpečnosti. V současné době, kdy spotřebiče jsou ve stále větší míře vybavovány elektronikou a ověřování stavu izolací měřením izolačního odporu se stává problematickým (viz kap. 3.2.1), získává toto měření na důležitosti. Měření unikajícího proudu je popsáno pouze v normě ČSN 33 1610, ovšem lze je vykonávat i u spotřebičů spadajících do kategorií ručního nářadí podle ČSN 33 1600 a strojů podle ČSN EN 60204-1.

Existují dvě metody měření proudu tekoucího ochranným vodičem – přímé měření a měření rozdílového proudu. Problematika měření a výběr měřicí metody jsou popsány v kapitole 4.2. Obecně lze říci, že metoda měření rozdílového proudu je univerzálněji použitelná, neboť není třeba zkoumat způsob uzemnění vodivých částí spotřebiče přístupných dotyku. Ovšem obsahuje-li unikající proud usměrněnou složku, může být výsledek měření zkreslený.

Unikající proud pevně připojených a třífázových spotřebičů lze při zachování bezpečnosti měřit pouze s využitím speciálních třífázových adaptérů nebo klešťovým miliampérmetrem.

Postup měření proudu tekoucího ochranným vodičem je takovýto:

1. Před započetím měření je třeba zvolit měřicí metodu (viz kap. 4.3.1).
2. Spotřebič se připojí k napájecímu napětí.
3. Spotřebič se uvede do chodu za dodržení všech bezpečnostních a provozních pokynů pro provoz spotřebiče.
4. Poté, co spotřebič dosáhne provozního stavu (viz kap. 4.3.2.), změří se (přečtením z displeje) unikající proud.
5. Spotřebič se vypne.
6. U jednofázových spotřebičů s pohyblivým přívodem je nutné zaměnit pracovní vodiče napájení (viz kap. 4.3.2).
7. Zopakuje se měření postupem uvedeným v bodech 2 až 5.

(pokračování)