Pomiar prądów upływu przy użyciu urządzeń przenośnych

Pomiar prądów upływu przy użyciu urządzeń przenośnych

Pomiar prądów upływu przy użyciu urządzeń przenośnych

Dobrym sposobem na wykrycie przyczyny częstego działania wyłącznika różnicowoprądowego jest skorzystanie z przenośnych urządzeń pomiarowych.

Zastosowanie wyłączników instalacyjnych różnicowoprądowych znacznie podnosi bezpieczeństwo użytkowania instalacji elektrycznych zarówno w zakresie ochrony przeciwporażeniowej, jak i ochrony przeciwpożarowej. Wyłączniki te wykonują detekcję przekroczenia maksymalnej wartości mierzonego prądu upływu. Pozwala to wykryć problemy z izolacją lub generalnie izolowaniem przewodów roboczych, które mogą prowadzić do porażenia lub pożaru. Pomimo wielu zalet stosowanie tych urządzeń bywa uciążliwe dla odbiorców energii elektrycznej. Ma to związek z możliwością występowania częstych włączeń, których powód jest nieznany. Wtedy z pomocą przychodzą przenośne urządzenia pomiarowe.

Wykrywanie problemów z prądami upływu przy pomocy pomiaru rezystancji izolacji

W celu zbadania przyczyny występowania problemów z częstym działaniem wyłącznika różnicowoprądowego posługujemy się podstawowym środkiem diagnostycznym, jakim jest pomiar rezystancji izolacji. Pomiar tego typu wykonywany jest przy wykorzystaniu różnego typu urządzeń. Można posłużyć się miernikiem induktorowym rezystancji izolacji, który jest miernikiem analogowym. Urządzenie takie zaprezentowane jest na rysunku 1. Induktorowe mierniki rezystancji mają możliwość dokonywania wyboru napięcia probierczego, przy jakim zostanie wykonany pomiar. Nie wymagają one zasilania, ponieważ wyposażone są we własny generator napięcia, który uruchamiany jest przy pomocy kilku dynamicznych ruchów pokrętła.

Rys. 1. Induktorowy miernik rezystancji izolacji (źródło: http://www.chauvin-arnoux.com)

Kolejnym urządzeniem, które może być wykorzystane do przeprowadzenia testu jakości izolacji, jest analogowy miernik rezystancji izolacji zaprezentowany na rysunku 2. Urządzenia tego typu są tożsame z miernikami induktorowymi, z tą różnicą, że zasilane są z akumulatora/-ów, zamiast z ręcznie wzbudzanego generatora napięcia.

Rys. 2. Analogowy miernik rezystancji izolacji (źródło: http://www.chauvin-arnoux.com)

Podobnie jak w wielu innych obszarach techniki pomiarowej, tak i w przypadku pomiarów rezystancji izolacji obecnie prym wiodą urządzenia cyfrowe. Są to zarówno mierniki dedykowane pomiarom rezystancji izolacji (przykład urządzenia zaprezentowano na rysunku 3), jak i mogą być to urządzenia wielofunkcyjne, nazywane testerami instalacji elektrycznych (patrz rysunek 4). Testery mogą wykonywać, oprócz pomiaru rezystancji izolacji, także np. pomiar impedancji pętli zwarcia; pomiar rezystancji uziemienia; pomiar poziomu oświetlenia (w przypadku wyposażenia ich w specjalną sondę). Urządzenia te mogą także wykonywać pomiary walidacyjne dla wyłączników różnicowoprądowych, mowa tu o pomiarze czasu zadziałania wyłączników różnicowoprądowych, a także pomiarze prądu zadziałania wyłączników różnicowoprądowych.

Rys. 3. Cyfrowy miernik rezystancji izolacji (źródło: http://www.chauvin-arnoux.com)

Rys. 4. Wielofunkcyjny tester parametrów instalacji elektrycznej (źródło: http://www.chauvin-arnoux.com)

Wykrywanie możliwych uszkodzeń wyłączników nadprądowych

W celu sprawdzenia działania samych wyłączników różnicowoprądowych można posłużyć się sprawdzeniami walidacyjnymi, takimi jak pomiary oferowane przez testery parametrów instalacji elektrycznej. W tym celu należy sprawdzić szczególnie, czy prąd zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego jest zgodny lub mniejszy od jego prądu nominalnego. Innym możliwym pomiarem jest sprawdzenie czasu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego. Schemat takiego pomiaru zaprezentowano na rysunku 5.

Rys. 5. Pomiar czasu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego przy wykorzystaniu miernika MPI-525 (źródło: https://www.sonel.pl)

Gdy pomiar rezystancji izolacji jest zgodny z wymogami normatywnymi oraz badanie parametrów wyłączników różnicowoprądowych nie wykazuje problemów, należy szukać innych metod diagnostycznych, które umożliwiałyby detekcję przyczyny uciążliwego odłączania odbiorników. W takim przypadku można wykorzystać pomiar prądów różnicowych wykonywany przy użyciu urządzeń przenośnych.

Standardowe techniki pomiarowe wykorzystywane do pomiaru prądów upływu

Wiele urządzeń pomiarowych zaliczanych do grupy mierników jakości energii elektrycznej jest w stanie wykonać pomiar prądu upływu. Przykładem takiego urządzenia jest Hioki 3196 (zaprezentowany na rysunku 6).

Rys. 6. Analizator jakości energii elektrycznej Hioki 3196

Patrząc na schemat podłączenia tego analizatora jakości energii elektrycznej zaprezentowany na rysunku 7, można zauważyć, że urządzenie wykorzystuje aż cztery przekładniki prądowe. Oznacza to, że po matematycznym zsumowaniu tych prądów w trójfazowym systemie zasilania otrzymana wartość powinna być równa zero, gdy w obwodzie nie obserwuje się żadnych prądów upływu. Analogiczną sytuację możemy osiągnąć w obwodzie jednofazowym przy wykorzystaniu jedynie dwóch sond pomiarowych. Tego typu pomiary są jednak obarczone błędem wywodzącym się od błędów pomiarowych wszystkich czterech (ewentualnie dwóch) sond pomiarowych prądu. W przypadku gdy używamy przekładników pomiarowych o znacznych wartościach prądu nominalnego, dokładne zmierzenie wartości oraz charakteru prądu różnicowego jest w praktyce niemożliwe.


Rys. 7. Schemat podłączenia urządzenia Hioki 3196 w trójfazowej sieci TN-S

Wykorzystanie opisywanej tu metody ewaluacji prądów upływu ma większy sens w obwodach o niskim prądzie roboczym. Wtedy prąd różnicowy może mieć znaczącą wartość w porównaniu z prądami roboczymi. W przypadku gdy prąd roboczy po podłączeniu napięcia do badanej sieci nie przekracza 5 A, można wykorzystać niskoprądowe cęgi pomiarowe, takie jak te zaprezentowane na rysunku 8.

Rys. 8. Cęgi pomiarowe Hioki 9694 o prądzie nominalnym 5 A (źródło: www.hioki.com)

W przypadku zastosowanie cęgów pomiarowych o prądzie do 50 A można jeszcze mówić o dość dokładnym pomiarze prądów upływu (w przypadku zastosowania urządzeń pomiarowych wysokiej klasy). Trzeba jednak pamiętać, że im wyższy jest prąd roboczy badanego obwodu, a tym samym czym wyższy jest prąd nominalny sond pomiarowych, tym wyższy będzie błąd pomiaru i obniży się jego wartość diagnostyczna. Może okazać się bowiem, że błąd będzie na tyle duży, iż wykaże wartość prądu upływu na poziomie niższym niż poziom wyzwalania wyłącznika różnicowoprądowego, co nie będzie prawdą. Duży błąd pomiarowy w tym zakresie może wprowadzić także duży błąd w zakresie oceny charakteru prądu na podstawie jego przebiegu. Kluczowe znaczenie ma tu fakt, czy prąd upływu jest sinusoidalny lub zbliżony do sinusoidy w sposób analogiczny do napięcia sieci, lub prąd upływu ma charaktery odkształcony. W dalszej części artykułu będzie to jeszcze wyjaśnione dokładniej.

Pomiar prądów upływu przy wykorzystaniu multimetru cęgowego

Zastosowanie multimetru cęgowego do pomiaru prądu upływu posiada pewną analogię do działania samego wyłącznika różnicowoprądowego. Mowa tu o zasadzie działania przekładnika Ferrantiego, który jest de facto układem wzbudzającym wyłączenie w sytuacji wykrycia znacznej wartości prądu upływu. Przekładnik Ferrantiego wykonuje przy wykorzystaniu pola elektromagnetycznego sumowanie prądów płynących w przewodach fazowych oraz w przewodzie neutralnym. Możliwe jest to dzięki spięciu wszystkich tych przewodów poprzez rdzeń magnetyczny, który właśnie dokonuje sumowania prądów roboczych. Z sumy tej wypadają jedynie prądy upływu, które wyzwalają wyłączenie, jeśli mają odpowiednią wartość.

Jeśli sondę prądową multimetru cęgowego założymy w sposób zaprezentowany na rysunku 9 – dla układu trójfazowego czteroprzewodowego, na rysunku 10 – dla układu trójfazowego trzyprzewodowego oraz na rysunku 11 – dla układu jednofazowego, wykorzystamy to urządzenie do zsumowania prądów roboczych i doprowadzenia ich sumy do wartości równej zeru, natomiast pozostały prąd mierzony będzie właśnie prądem upływu. Podobnie jak w przypadku zastosowania analizatora jakości energii elektrycznej, w przypadku multimetru istnieje obostrzenie dla tego pomiaru. Związane jest ono oczywiście ze znacznym błędem pomiarowym w sytuacji, gdy zastosujemy multimetr o znacznym prądzie maksymalnym, jaki może mierzyć przy wykorzystaniu cęgów pomiarowych. Gdy błąd pomiarowy jest niewielki, wykorzystanie multimetru pozwala na szybki pomiar prądów upływu w wielu obwodach analizowanej instalacji, co z kolei powinno pozwolić na szybką detekcję przyczyny pojawiania się włączeń. W trakcie takiego pomiaru należy pamiętać także o tym, żeby użyć multimetru typu True RMS, czyli takiego, który mierzy wartość skuteczną przebiegów odkształconych. Jedynie wtedy będziemy mieli pewność poprawnie wykonanego pomiaru.

Innym wariantem umożliwiającym pomiar prądów upływu przy wykorzystaniu multimetru cęgowego jest pomiar prądu płynącego przez przewód ochronny zgodnie z tym, co zaprezentowano na rysunku 12. Taki pomiar będzie miarodajny, jeśli badana upływność dotyczy obudów urządzeń przyłączonych do przewodu ochronnego. W przypadku gdy prąd „upływa” do innych elementów infrastruktury, pomiar okaże się bezskuteczny.

Pomiar prądów upływu przy wykorzystaniu cęgów pomiarowych analizatorów jakości energii lub oscyloskopów

Wykorzystanie analizatorów jakości energii elektrycznej do pomiaru prądów upływu nie kończy się jedynie na opisanej wcześniej metodzie standardowej. Można wykorzystać analizator lub nawet oscyloskop wyposażony w cęgi pomiaru prądu. Pomiaru dokonujemy wtedy w sposób analogiczny do pomiaru przy wykorzystaniu miernika cęgowego. Sposób połączenia analizatora jest analogiczny do zaprezentowanych na rysunkach 9 do 12 sposobów używanych przy urządzeniach cęgowych z tą różnicą, że wykorzystujemy wtedy cęgową sondę pomiarową analizatora. Pozwala ono nie tylko na poznanie wartości prądu upływu, ale także na poznanie jego charakteru na bazie przebiegu. Daje to znaczną przewagę w ocenie problemu w porównaniu z pomiarem multimetrem.

Rys. 9. Schemat pomiaru prądów różnicowych przy wykorzystaniu multimetru cęgowego APPA 39MR w systemie trójfazowym czteroprzewodowym

Rys. 10. Schemat pomiaru prądów różnicowych przy wykorzystaniu multimetru cęgowego APPA 39MR w systemie trójfazowym trzyprzewodowym

Rys. 11. Schemat pomiaru prądów różnicowych przy wykorzystaniu multimetru cęgowego APPA 39MR w systemie jednofazowym

Rys. 12. Schemat pomiaru prądów różnicowych przy wykorzystaniu multimetru cęgowego APPA 39MR w systemie trójfazowym poprzez bezpośredni pomiar prądu przewodu ochronnego

Analiza charakteru prądu upływu na podstawie pomiaru przebiegu tego prądu

Określenie charakteru prądu upływu na podstawie przebiegu tego prądu obserwowanego przy pomocy analizatora jakości energii elektrycznej lub np. oscyloskopu daje dość ważną informację dla oceny powodów nieprawidłowego działania wyłączników różnicowoprądowych. Mierzony prąd może mieć charakter sinusoidalny lub odkształcony (niesinusoidalny). W pierwszym przypadku możemy domniemywać, że przyczyną pojawiania się prądów upływu, a tym samym włączeń, są złe parametry izolacji sieci zasilającej (jeśli nie zostało to sprawdzone wcześniej) lub prądy upływu występujące w odbiornikach o charakterze liniowym (w związku np. z pogorszeniem się ich izolacji). Powtarzając pomiar w kilku miejscach instalacji i/lub w różnych konfiguracjach podłączenia odbiorników, można stwierdzić, które urządzenie odpowiada za pojawiające się problemy, a co za tym idzie – można przekazać je do dalszej diagnostyki lub do wymiany.

W przypadku gdy mierzony prąd upływu okaże się silnie odkształcony, możemy się spodziewać, że pochodzi on od urządzeń o charakterze nieliniowym. Mowa tu szczególnie o: sprzęcie komputerowym, zasilaczach impulsowych, elektronice użytkowej, nowoczesnych urządzeniach AGD, nowoczesnych źródłach światła, zmienoobrotowych układach napędowych. Tego typu urządzenia mają tendencję do wykazania przepływu prądów różnicowych, co jest związane nie z ich uszkodzeniem, a jedynie z naturalnymi właściwościami, takimi jak obecność pojemności pasożytniczych oraz przebiegów wysokiej częstotliwości, które powodują przepływ prądu wysokiej częstotliwości przez te właśnie pojemności. W takiej sytuacji, zamiast wymiany urządzenia powodującego przepływ prądów upływu, należy rozważyć wymianę wyłącznika różnicowoprądowego na wyłącznik posiadający większy prąd wyzwolenia.

 

Podsumowanie

Zastosowanie urządzeń przenośnych do pomiarów prądów upływu jest doskonałą i tanią metodą diagnostyczną pozwalającą na dokonanie oceny pojawiającego się coraz częściej w technice problemu z częstymi włączeniami napięcia powodowanymi przez wyłączniki różnicowoprądowe. Wykonanie tego typu pomiarów pozwala nie tylko na detekcję źródła problemu, ale także na wybór odpowiedniego środka zaradczego, który może rozwiązać problem. Co ważne, pomiary tego typu można w łatwy sposób wykonywać przy użyciu powszechnie dostępnych urządzeń pomiarowych, takich jak multimetry czy analizatory jakości energii elektrycznej.

 

Autor: dr inż. Łukasz Rosłaniec Politechnika Warszawska
Słowa kluczowe:
prąd różnicowy