Pomiary instalacji elektrycznych
Przenośny analizator sieci typu AS-3diagnoza firmy Twelve Electric
Instalacja elektryczna w budynku oraz innych obiektach budowlanych pełni funkcję krytyczną, od jej stanu technicznego zależy bowiem funkcjonowanie wielu urządzeń. Dlatego konieczne jest przeprowadzanie regularnych przeglądów oraz okresowych pomiarów instalacji w celu sprawdzenia, czy jej stan pozwala na utrzymanie poziomu i jakości zasilania budynku lub obiektu budowlanego. Drugim powodem przeprowadzania pomiarów eksploatacyjnych jest bezpieczeństwo. Niesprawnie działająca instalacja może być przyczyną porażeń prądem elektrycznym i/lub pożarów, w konsekwencji prowadzących do poważnych obrażeń lub śmierci użytkowników.
Zobacz także
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
Anna Kuziemska Nowe źródła, nowe wymagania: rozdzielnice SN w projektach OZE i magazynów energii
Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, magazynów energii oraz nowych przyłączeń przemysłowych zmienia sposób projektowania infrastruktury elektroenergetycznej średniego napięcia. Rozdzielnica SN...
Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, magazynów energii oraz nowych przyłączeń przemysłowych zmienia sposób projektowania infrastruktury elektroenergetycznej średniego napięcia. Rozdzielnica SN nie jest już wyłącznie elementem klasycznej stacji transformatorowej – coraz częściej staje się węzłem, który musi obsłużyć dwukierunkowy przepływ energii, współpracę z automatyką zabezpieczeniową, systemami telemechaniki, układami pomiarowymi, magazynami energii oraz rozproszonymi źródłami wytwórczymi.
Ze względu na pojawianie się coraz bardziej zaawansowanych systemów zasilanych prądem elektrycznym (czego przykładem może być idea inteligentnego budynku), jakość energii dostarczanej przez instalację ma coraz większe znaczenie. W artykule przedstawiono zasady wykonywania pomiarów instalacji elektrycznych oraz normy określające sposoby postępowania w takich sytuacjach.
Konfiguracje instalacji elektrycznej
Energia elektryczna doprowadzana jest do budynku z sieci elektroenergetycznej poprzez złącze kablowe lub napowietrzne. Od niego rozpoczyna się instalacja elektryczna wewnątrz budynku, ograniczona również rozdzielnicą główną. Na rysunku 1. zostały przedstawione symbolicznie poszczególne elementy zasilania instalacji elektrycznej budynku. Wyróżnia się trzy rodzaje instalacji niskiego napięcia (za [1]):
- instalacje niskonapięciowe (nn) w budynkach, zasilane napięciem 230/400 V. Są to instalacje stosowane w budynkach mieszkalnych, obiektach handlowych oraz użyteczności publicznej,
- instalacje niskonapięciowe w obiektach przemysłowych, zasilane napięciem 600 lub 900 V w przypadku napięcia stałego. Wykorzystywane są one najczęściej w fabrykach do zasilania silników, dużych grzejników itp.,
- instalacje zasilane napięciem Un≤120 V, wykorzystywane do zasilania aparatów telefonicznych, zewnętrznych zestawów głośnikowych, itp.
Na rysunku 2. przedstawiono układy sieci zasilających nn:
- TN (charakteryzuje się tym, że punkt neutralny transformatora jest bezpośrednio uziemiony),
- TN-C jest to układ 4-przewodowy (trzy przewody liniowe L1, L2 i L3 oraz przewód ochronno-neutralny PEN). Ochrona przeciwporażeniowa jest realizowana przez połączenie wszystkich dostępnych części przewodzących instalacji z przewodem PEN,
- TN-S jest to układ 5-przewodowy (trzy przewody liniowe L1, L2 i L3 oraz przewód ochronny PE i neutralny N). Ochrona przeciwporażeniowa jest realizowana przez połączenie wszystkich dostępnych części przewodzących instalacji z przewodem PE,
- TN-C-S układ jest połączeniem układów TN-C i TN-S. Punkt rozdziału funkcji przewodu na PE i N następuje w złączu kablowym lub rozdzielnicy. Punkt ten powinien być uziemiony,
- TT jest to układ sieci 4-przewodowy (L1, L2, L3 i N), w którym punkt neutralny transformatora jest bezpośrednio uziemiony. Ochronę przeciwporażeniową realizuje się przez uziemienie indywidualne lub grupowe dostępnych części czynnych przewodzących,
- IT jest to układ 3- lub 4-przewodowy. Punkt neutralny transformatora jest izolowany lub uziemiony przez dużą rezystancję. Ochronę przeciwporażeniową realizuje się przez uziemienie dostępnych części czynnych przewodzących.
Należy podkreślić, że części przewodzące dostępne to te elementy instalacji, których człowiek lub zwierzę może dotknąć (np. obudowy), a które w normalnych warunkach przy sprawnej izolacji podstawowej nie są pod napięciem.
Każda instalacja elektryczna powinna być badana:
- przed przyłączeniem jej do sieci elektroenergetycznej i oddaniem do eksploatacji, należy dokonać oględzin, badań oraz prób odbiorczych, zgodnie z wymaganiami PN-EN 60364-6-61 [5],
- w całym okresie użytkowania instalacji elektrycznej, zgodnie z Ustawą Prawo budowlane [4] nie rzadziej niż co 5 lat (pozostałe terminy przedstawiono w tabeli 1.).
Każde oględziny i badania instalacji mają na celu niedopuszczenie do takiego stanu, w którym ludzie lub zwierzęta ulegną porażeniu prądem elektrycznym, oraz wyeliminowanie zagrożeń pożarowych stwarzanych przez instalację.
Metody ochrony przeciwporażeniowej i przeciwpożarowej w instalacji elektrycznej
Normy określają trzy główne rodzaje ochrony przed porażeniem. Są to:
- ochrona przed dotykiem bezpośrednim (tzw. ochrona podstawowa),
- ochrona przed dotykiem pośrednim (ochrona przy uszkodzeniu),
- ochrona uzupełniająca.
Elementami ochrony podstawowej są: izolacja podstawowa, przegroda lub obudowa ochronna, bariera lub przeszkoda ochronna oraz umieszczenie poza zasięgiem ręki. Środkami realizującymi ochronę przy uszkodzeniu są: samoczynne wyłączenie zasilania, separacja elektryczna, zastosowanie urządzeń II klasy ochronności lub izolacji równoważnej, zastosowanie układów SELV lub PELV. Natomiast ochrona uzupełniająca jest realizowana z wykorzystaniem wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych oraz połączeń wyrównawczych.
Samoczynne wyłączenie zasilania i/lub uziemienie są jednymi z najważniejszych środków ochrony przy uszkodzeniu. Normy wymuszają stosowanie uziemień na końcu każdej linii, na końcu przyłącza oraz co pięćset metrów w elektroenergetycznych liniach napowietrznych nn. Normy określają również wymagania dotyczące wartości rezystancji uziemienia. Istnieje przy tym podział na uziemienie robocze oraz ochronne, w zależności od tego, czy do uziomu podłączony jest przewód neutralny (wówczas mówi się o uziemieniu roboczym), czy też części przewodzące (co jest charakterystyczne dla uziemienia ochronnego).
Ochrona przeciwporażeniowa realizowana przez samoczynne wyłączenie polega na połączeniu dostępnych części przewodzących z przewodem ochronno-neutralnym (PEN) lub przewodem ochronnym (PE) w zależności od przyjętego układu sieci zasilającej. Jego zadaniem będzie wówczas odłączenie zasilania w przypadku zwarcia w zasilanym urządzeniu. W przewodzie neutralnym nie wolno wówczas instalować zabezpieczeń, zamiast tego zaleca się stosowanie łącznika wielobiegunowego, służącego do przerywania ciągłości (rozłączania) przewodu neutralnego. Odłączenie zasilania musi nastąpić w dostatecznie krótkim czasie, określanym w zeszycie 41. normy PN-IEC 60364 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, w zależności od przyjętego układu zasilania.
Jako ochronę uzupełniającą w przypadku, gdy ochrona podstawowa (izolacja) okaże się nieskuteczna, stosuje się wyłącznik różnicowoprądowy wysokoczuły o znamionowym prądzie różnicowym ΔIn≤30 mA. Wyłącznik różnicowoprądowy jest aparatem elektrycznym składającym się z elementu pomiarowego (dla pomiaru prądu różnicowego) oraz elementu wyłączającego zasilanie. Tor pomiarowy mierzy różnicę prądów wpływających i wypływających z instalacji. Gdy suma ta jest równa zero, oznacza to, że:
- rezystancja izolacji chronionego układu zasilania oraz urządzeń do niej przyłączonych nie wykazuje nadmiernego zużycia (prądy upływu w instalacji są nie większe niż ½ΔIN),
- przewód fazowy i/lub neutralny nie jest zwarty z przewodem PE (z obudową chronionego urządzenia).
Najczęstszą przyczyną powstania niezerowego prądu różnicowego jest uszkodzenie izolacji (przewodu lub odbiornika). Aby wyłącznik działał prawidłowo, obudowy chronionych urządzeń muszą zostać uziemione. Wyłączniki stanowią bardzo dobre uzupełnienie ochrony przed dotykiem bezpośrednim (ΔIn≤30 mA), a wyłączniki o znamionowym prądzie różnicowym nie większym od – ΔIn≤300 mA, chronią instalację przed pożarami wywołanymi prądami upływowymi.
W zależności od rodzaju prądu, na który reagują, wyłączniki dzielą się na trzy grupy: typu AC (reagujące na sinusoidalny prąd przemienny), typu A (reagujące na prąd przemienny oraz pulsujący, co ma miejsce np. w przypadku zasilania silnika prądu stałego) oraz typu B (reagujące na prąd przemienny, pulsujący i stały; ze względu na niewielką liczbę urządzeń zasilanych takim prądem, zastosowanie takich wyłączników jest niewielkie).
Wymagania odnośnie przewodów ochronnych i uziomów wynikają z dążenia do zapewnienia maksymalnej ich skuteczności. Stąd dokładne określenie minimalnego przekroju przewodu ochronnego oraz uziomowego, a także wyspecyfikowanie, które przewody mogą być wykorzystane do tego celu (np. jedna z żył przewodu wielożyłowego). W przypadku uziomów w największym stopniu powinny zostać wykorzystane elementy naturalne, np. konstrukcje metalowe znajdujące się na miejscu przed położeniem instalacji, urządzenia mające bezpośredni kontakt z ziemią itp. Uziomy muszą również charakteryzować się minimalnymi rozmiarami, które zależą głównie od ich charakteru (pionowy lub poziomy) oraz typu (taśma, pręt, blacha itp.). Duży nacisk jest również kładziony na wartość maksymalną rezystancji uziemienia (która może ulegać zmianie, np. w wyniku oddziaływania zjawisk atmosferycznych, jednak nie może być większa od wartości określonej w normie).
Wymienione sposoby zapobiegania porażeniom mają za zadanie eliminować powstawanie niebezpiecznego napięcia dotykowego, tzn. takiego, które powstaje w części przewodzącej (np. na obudowie urządzenia) i powoduje przepływ tzw. prądu zakłóceniowego przez przewód ochronny PE do ziemi. W przypadku, gdy człowiek dotknie części przewodzącej, może przez niego również popłynąć część prądu zakłóceniowego. Prąd ten nazywany jest prądem rażeniowym. Ze względów bezpieczeństwa napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale w zależności od warunków środowiskowych nie może być większe niż:
- UL≤50 V AC lub UL≤120 V DC dla warunków normalnych,
- UL≤25 V AC lub UL≤60 V DC dla warunków zwiększonego zagrożenia porażeniowego,
- UL≤12 V AC lub UL≤30 V DC dla warunków szczególnego zagrożenia porażeniowego (bezpośredni kontakt ciała z wodą).
Metody pomiarów parametrów instalacji elektrycznej
Weryfikacja poprawnego działania instalacji elektrycznej składa się z dwóch etapów. Pierwszym są wstępne oględziny, pozwalające stwierdzić, czy nie występują widoczne uszkodzenia mechaniczne, jaki jest stan przewodów oraz połączeń. Wszystkie czynności wykonywane podczas odbioru instalacji powinny zostać opisane w protokole, przy czym nie jest on wymagany podczas doraźnych przeglądów już działającej instalacji (jest on natomiast wymagany podczas oględzin przed wprowadzeniem instalacji do użytku). Dokładny zakres czynności pomiarowych zależy od charakteru instalacji oraz urządzeń do niej podłączonych (szczegóły można znaleźć w [1]). W artykule położono nacisk na najważniejsze pomiary dotyczące ochrony przeciwporażeniowej.
Pomiar rezystancji izolacji
Izolacja jest podstawowym środkiem chroniącym człowieka przed bezpośrednim kontaktem z przewodzącymi żyłami przewodów. Badana jest nie tylko izolacja mająca separować obwód od otoczenia, ale również poszczególne elementy obwodu między sobą. W tym drugim przypadku chodzi o zapobieganie zwarciom, prądom upływu itp. Zastosowanie odpowiednich materiałów izolacyjnych (spełniających wymagania odnośnie minimalnej rezystancji) pozwala zminimalizować zarówno ryzyko porażenia, jak i zwarcia. Pomiar rezystancji izolacji należy wykonywać miernikiem na prąd stały przy obciążeniu prądem 1 mA, po wcześniejszym wyłączeniu zasilania oraz odłączeniu odbiorników.
Pomiar rezystancji izolacji należy wykonywać pomiędzy przewodami czynnymi a przewodem ochronnym, przyłączonym do układu uziemiającego. W celu pomiarów przewody czynne można połączyć ze sobą. W pomieszczeniu, w którym występuje zagrożenie pożarowe, pomiar rezystancji izolacji powinien być wykonany pomiędzy przewodami czynnymi. W takim przypadku rezystancję izolacji można mierzyć: między kolejnymi parami przewodów czynnych lub między każdym przewodem czynnym a ziemią. Przewody ochronne PE i ochronno-neutralne PEN mogą służyć jako połączenie z ziemią izolacji między przewodami stanowiącymi część instalacji, co wymaga pomiaru rezystancji. Jeśli otrzymana wartość rezystancji izolacji jest zgodna z wymaganiami przedstawionymi w tabeli 2., test uważa się za udany. W przeciwnym wypadku konieczna jest naprawa lub modyfikacja instalacji.
W przypadku pomiaru rezystancji izolacji kabli elektroenergetycznych o napięciu znamionowym powyżej 1 kV, pomiar należy wykonywać za pomocą miernika o napięciu 2,5 kV, a w przypadku kabli o napięciu mniejszym od 1 kV – miernikiem o napięciu 1 kV. Rezystancja powinna wynosić – względem pozostałych żył: zwartych ze sobą i uziemionych – przeliczona na temperaturę 20°C na każdy 1 km długości linii nie mniej niż:
- 20 MΩ – dla kabli o izolacji papierowej,
- 20 MΩ – dla kabli o izolacji polwinitowej,
- 75 MΩ – dla kabli o izolacji gumowej,
- 100 MΩ – dla kabli o izolacji polietylenowej.
Dla kabli o długości większej niż 1 km, w celu przeliczenia rezystancji kabla na 1 km należy skorzystać ze wzoru:
Wzór 1
gdzie:
Ri/T=20°C/km – rezystancja kabla przeliczona na 1 km długość, w [Ω],
Rzm – zmierzona rezystancja kabla, w [Ω],
l – długość kabla, w [km],
K20 – współczynnik przeliczeniowy według tabeli 3.
Badanie ciągłości przewodów ochronnych, uziemiających i roboczych
Podstawową funkcją przewodów ochronnych jest niedopuszczenie do powstania na częściach przewodzących napięcia o wartości większej niż dopuszczalne długotrwale. Z tego powodu zadaniem osoby wykonującej pomiary jest sprawdzenie, czy spełniają one swoją funkcję (w szczególności, czy zachowują ciągłość). Pomiary wykonuje się przy użyciu źródła prądu stałego lub przemiennego o wartości 4 V≤U≤24 V i natężeniu prądu nie mniejszym niż 0,2 A. W praktyce stosuje się następujące metody pomiarowe: za pomocą miliomomierza (rys. 3a), metodą techniczną (rys. 3b), za pomocą latarki (rys. 3c).
Pomiar rezystancji uziemienia
Uziemienie lub układ uziomowy służy do połączenia z ziemią części przewodzących poprzez instalację uziemiającą. Instalacja uziemiająca składa się z uziomu lub elementów metalowych wykorzystywanych do tego celu (np. zbrojenie fundamentów, powłoki kabli itp.), przewodów uziemiających i wyrównawczych.
Układ systemu uziomowego zależy od rezystywności gruntu, konfiguracji instalacji elektrycznej, położenia obiektu i jego budowy. Na całkowitą rezystancję związaną z systemem uziemiającym składa się zarówno rezystancja uziomu (części przewodzącej umieszczonej w gruncie), jak i rezystywność samego gruntu. Wartość rezystywności gruntu bardzo zależy od warunków atmosferycznych i pory roku (np. w lutym jest największa, a najmniejsza przypada na sierpień). W tabeli 4. przedstawiono średnie wartości rezystywności różnych rodzajów gruntu.
Pomiaru rezystancji uziemienia dokonuje się induktorowym miernikiem uziemienia (IMU) w układzie przedstawionym na rysunku 5. Rozmieszczenie sond pomocniczych zależy od układu systemu uziomowego (tab. 5.).
Zmierzoną wartość rezystancji należy podstawić do wzoru (2) przy uwzględnieniu współczynnika poprawkowego kp (tab. 5.).
Wzór 2
gdzie:
Robl – rezystancja uziemienia obliczona, w [Ω],
Rzm – rezystancja uziemienia zmierzona, w [Ω],
kp – współczynnik poprawkowy uwzględniający stan wilgotności gruntu według tabeli 6.
Otrzymana wartość nie powinna być większa niż wytyczne zawarte w N SEP-E001 Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia. Ochrona przeciwporażeniowa.
Pomiar napięcia dotykowego i dotykowego rażeniowego
W pewnych warunkach uzyskanie skuteczności samoczynnego wyłączenia w wymaganym przez normy [8] czasie nie jest możliwe. W takiej sytuacji jedynym sposobem zapewnienia skuteczniej ochrony przeciwporażeniowej będzie obniżenie spodziewanego napięcia dotykowego do wartości dopuszczalnej długotrwale.
Do pomiaru najlepiej wykorzystać miernik z funkcją pomiaru napięcia dotykowego i dotykowego wrażeniowego, np. MZC-310S firmy SONEL. Przyrząd ma wbudowany rezystor 1 kΩ symulujący rezystancję wewnętrzną człowieka. Napięcia mierzy się wykorzystując dodatkowy piąty przewód w metodzie czteroprzewodowej (rys. 5.).
Pomiary składowych harmonicznych
Wzrost urządzeń o charakterystyce nieliniowej doprowadził do tego, że w systemie elektroenergetycznym pojawiła się duża zawartość wyższych harmonicznych napięć i prądów. Jest to zjawisko bardzo groźne, gdyż może doprowadzić do: niekontrolowanych zadziałań aparatury zabezpieczającej, nieprawidłowej pracy odbiorników energii elektrycznej, przegrzewania się elementów instalacji, a w efekcie do pożarów. Parametry jakościowe energii elektrycznej zostały zapisane w Prawie energetycznym.
Detekcja oraz identyfikacja składowych harmonicznych możliwa jest przy użyciu osobnego urządzenia nazywanego analizatorem widma. W praktyce znacznie częściej spotyka się urządzenia zwane analizatorami sieci, które mają bardziej rozbudowane funkcje pomiarowe:
- napięcia fazowe i międzyfazowe oraz asymetrii napięć,
- prądy fazowe i obliczanie prądu w przewodzie neutralnym,
- cosinus i tangens, dla każdej fazy i trójfazowo,
- częstotliwość,
- harmoniczne, ich zawartość i współczynnik mocy dla każdej harmonicznej oraz THD (dla napięć i prądów), współczynnik K dla transformatora,
- moce (czynne, bierne, pozorne, modułowe, odkształcone) czterokwadrantowo, w każdej fazie i trójfazowo,
- energie (czynne, bierne) czterokwadrantowo,
- przekroczenia nastawionych progów maksymalnych minimalnych mierzonych parametrów, wartości średnie z 200 ms,
- przekroczenia nastawionych 2 poziomów tolerancji napięcia średniego z jednoczesną rejestracją stanów liczydeł energii,
- zaniki i skoki napięcia (rozdzielczości 1/2 okresu sieci),
- zaniki zasilania lub restarty przyrządu,
- modyfikacje konfiguracji.
Przenośny analizator sieci został przedstawiony na fotografii 1.
Podsumowanie
Wykonywanie pomiarów eksploatacyjnych instalacji elektrycznej ma znaczenie nie tylko dlatego, że wadliwie działająca instalacja może być przyczyną obrażeń użytkowników lub nawet ich śmierci. W typowym budynku nieustannie rośnie liczba coraz bardziej skomplikowanych odbiorników, których poprawna praca zależy m.in. od jakości zasilającego je prądu. Należy spodziewać się, że przy rosnącym zapotrzebowaniu na energię elektryczną, projektowanie oraz weryfikacja instalacji elektrycznych zyskają na znaczeniu, co będzie miało odbicie w liczniejszych i bardziej wymagających normach.
