Выбор мультиметра с точки зрения условий измерения и безопасности его применения

Выбор мультиметра с точки зрения условий измерения и безопасности его применения

Шиганов А.А. ЗАО «ПриСТ». По материалам бюллетеня «Основы техники безопасности
при обращении с мультиметром» корпорации Fluke

Выбор мультиметра похож на выбор мотоциклетного шлема – если вы оцениваете свою голову в десять долларов, то и выбираете десятидолларовый шлем. Но если вы оцениваете своё здоровье и жизнь выше, то покупаете не только красивый, но и безопасный шлем. Опасности, связанные с гонками на мотоцикле очевидны, но что с точки зрения безопасности можно сказать о мультиметрах, и что надо знать, чтобы почувствовать себя защищённым?

Специалисты, занимающиеся вопросами повышения безопасности мультиметров, часто замечают, что причиной неисправности приборов явился тот факт, что реальные напряжения оказывались гораздо выше пределов измерений, которые выбрал пользователь. Прибор с номинальным напряжением, например, до 1000 В применялся для измерения больших напряжений. Налицо пресловутый человеческий фактор.  Другой общей причиной повреждения, не связанной с нарушениями правил эксплуатации прибора, является мгновенный высоковольтный выброс(переходный процесс) или  наводка, которые на входе прибора могут появиться внезапно.

Риск возникновения импульсного перенапряжения возрастает по мере того, как системы электроснабжения и потребители нагрузки становятся более сложными, энергоёмкими. Основными источниками опасных импульсов напряжения могут быть мощные электродвигатели, накопительные конденсаторы, преобразователи, оборудование и приводы с регулируемой скоростью вращения. Удары молний также могут вызвать предельно опасные высокоэнергетические переходные процессы в линиях электропередач. При проведении измерений в электрических системах эти переходные процессы неизбежны и что более опасно — зримо не проявляются, но они регулярно возникают в низковольтных цепях электропитания, а их пиковые значения могут достигать порядка несколько тысяч вольт. В подобных случаях всё зависит от запаса электрической прочности и степени безопасности измерительного прибора. Указанное на корпусе номинальное напряжение ничего не говорит о том, сможет ли прибор выдержать высоковольтные выбросы  напряжения во время переходных процессов.

Первые свидетельства об опасности импульсов напряжения были получены при проведении измерений на шине питания в пригородных электропоездах. Номинальное напряжение на шине составляло ~600 В, но мультиметры с номинальным напряжением 1000 В выходили из строя уже через несколько минут при проведении измерений во время движения поезда. Было  обнаружено, что во время разгона и торможения электропоезда в цепи формировались выбросы напряжения амплитудой до 10 000 В. Переходные напряжения такой величины «расправлялись» с входными цепями и приводили мультиметры в негодность. Знания, полученные в результате исследования этих процессов, привели к серьёзным конструктивным улучшениям во входных цепях мультиметров.

Тезис о том, что защита от переходных процессов должна быть предусмотрена внутренней схемой измерительного прибора – не вызывает сомнений. Возникает вопрос, какие технические характеристики подлежат проверке, с учётом возможности их применения в высокоэнергетических цепях? Задача формулирования новых стандартов безопасности для измерительного оборудования была решена Международной электротехнической комиссией (МЭК/IEC). В течение нескольких лет в области разработки оборудования использовался стандарт IEC 348. Ему на смену пришёл  стандарт IEC61010 (EN61010). Несмотря на то, что разработанные и изготовленные по стандарту IEC 348 приборы успешно эксплуатировались специалистами в течение многих лет, EN61010 обеспечивает гораздо более высокую степень защиты низковольтного  (Low Voltage) измерительного оборудования (до 1000 В).

Процедуры испытаний измерительных приборов на  соответствие МЭК/EN61010 учитывают три главных критерия: установившееся напряжение, пиковое импульсное переходное напряжение и импеданс источника. Эти три критерия в совокупности дадут истинное значение показателя защиты по напряжению.

Реальная проблема состоит не только в защите цепей от максимального рабочего напряжения в допустимом диапазоне измерений, но и в способности мультиметра выдержать суммарное воздействие стационарных и переходных перегрузок по напряжению. Защита от переходных перегрузок имеет без преувеличения — жизненно важное значение. Переходные процессы наиболее опасны в мощных и энергоёмких объектах, цепи в которых рассчитаны на протекание больших токов. В случае образования электрической дуги из-за переходного процесса в цепи с мощной индуктивной нагрузкой она обладает способностью поддерживать плазменный разряд. При этом окружающий воздух мгновенно ионизируется и становится проводником электричества. В результате, возникает дуговой разряд — катастрофическое явление, приводящее к пробою или взрыву элементов ЭУ.

Наиболее важным аспектом для понимания стандартов и оценке безопасности является «категория электрооборудования по перенапряжению». В стандарте МЭК определены категории I — IV, часто обозначаемые CAT I, CAT II и т.д. (см. рис. 1). При структурировании системы электроснабжения на категории подразумевается, что опасные импульсы высокого напряжения, например из-за удара молнии, будут ослаблены или демпфированы по мере их прохождения через импеданс системы  (полное сопротивление переменному току). Больший номер категории относится к электрической среде с более высоким значением доступной мощности и, соответственно, более мощными бросками напряжения. Следовательно, прибор, разработанный по нормам CAT III, выдерживает более мощные выбросы напряжения, чем мультиметр по стандарту CAT II.  Категории электрооборудования по защите от перенапряжения приведены в таблице 1.

Рисунок 1. Схема категорирования электрооборудования<br />
(по удалённости от ввода питания)
Рисунок 1. Схема категорирования электрооборудования
(по удалённости от ввода питания)

 

Таблица 1
Категория Описание Примеры
Категория IV
(CAT IV)
Точка соединения к трёхфазной сети, любые наружные линии 0,4 кВ
  • Относится к “начальной точке”; т.е. к точке присоединения низковольтной сети к энерговводу (разграничения).
  • Электросчётчики, первичное оборудование защиты от перегрузки по току.
  • Наружный и технологический вводы, технологический отвод от столба к зданию, шина между счётчиком и щитом.
  • Воздушная ЛЭП к отдельно стоящему зданию, подземная линия к насосу в колодце.
Категория III
(CAT III)
Трёхфазное энергоснабжение, в том числе однофазные линии освещения
  • Установочное коммутационное оборудование и трёхфазные двигатели.
  • Шины и питающие фидера на заводах.
  • Линии питания и короткие отводы, щитовые распределительные устройства.
  • Системы освещения в больших зданиях.
  • Розетки для бытовых электроприборов на небольшом расстоянии от технологического входа.
Категория II
(CAT II)
Нагрузки, подключаемые к
однофазным розеткам
  • Бытовые электроприборы, переносные электроинструменты и другие потребители (нагрузки).
  • Розетки и длинные отводы:
  • Розетки более чем в 10 метрах от источника категории III.
  • Розетки более чем в 10 метрах от источника категории IV.
Категория I
(CAT I)
Электроника, оргтехника и бытовые приборы
  • Защищённое электронное оборудование.
  • Оборудование, присоединённое к питающим цепям, в которых имеется схема ограничения переходных напряжений до сравнительно низкого уровня.
  • Любой высоковольтный маломощный источник, использующий  трансформатор с высокоомной  обмоткой, например, высоковольтный блок копировального аппарата.

В пределах одной категории более высокое номинальное напряжение означает стойкость к воздействию более мощных выбросов (импульсов с большей амплитудой в пике). Например, прибор категории CAT III-1000 В имеет более высокую степень защиты по сравнению с прибором категории CAT III-600 В. Недоразумения начинаются тогда, когда пользователь выбирает прибор категории CAT II-1000 В, будучи убеждённым, что он превосходит по защите  прибор CAT III-600 В. На рисунке 1 техник, работающий с офисным оборудованием в помещении категории I (CAT I), подвергается опасности поражения напряжением постоянного тока гораздо более высокого уровня по сравнению с напряжением сети переменного тока, которое измеряет техник, обслуживающий двигатель в подвальном помещении категории III (CAT III). При этом переходные явления в электрических цепях категории I, представляют явно меньший риск, так как энергия, необходимая для образования дуги, достаточно ограничена. Это не означает, что оборудование категорий I или II не представляет никакой опасности. Основной риск обусловлен только поражением электрическим током, а не потенциальными импульсами напряжения и дуговым разрядом.

Другим примером может служить воздушная ЛЭП, проведённая из здания к отдельно стоящей постройке, которая даже при номинальном напряжении 240 В всегда является объектом категории IV. Почему? Любые наружные линии электропередачи подвержены риску возникновения высокоэнергетических переходных процессов из-за удара молнии. По этой причине даже подземные кабели относятся к категории IV, хотя они не подвержены опасности прямого удара молнии, но такой удар поблизости КЛС и растекание заряда в землю может индуцировать выброс напряжения (наведённый импульс перенапряжения).

Основное правило на практике заключается в следующем: чем ближе вы находитесь к вводу электропитания, тем выше риск, связанный с переходными процессами и соответственно выше номер категории. Из этого следует, что чем больше вероятный ток петли короткого замыкания в данной точке, тем выше номер категории. Это правило можно сформулировать также следующим образом: чем больше импеданс в цепи источника, тем ниже номер категории (т.к. импеданс гасит выбросы напряжения).

Рассмотрим случай, когда техник производит измерения с помощью мультиметра (см. рис. 2) на действующем трёхфазном электродвигателе без применения необходимых мер безопасности.

Рисунок 2. Хронология образования дуги и её последствия
Рисунок 2.  Хронология образования дуги и её последствия
  1. Удар молнии создаёт выброс напряжения в подводящей линии электропитания, который, в свою очередь, становится причиной возникновения дугового разряда между входными гнёздами внутри прибора. Цепи или устройства, которые должны были предотвратить это, дают сбой или вовсе отсутствуют. Возможно также предположить, что использовался прибор, не соответствующий категории III. Результат — короткое замыкание через входные гнёзда прибора и измерительные провода.
  2. Через только что созданную цепь пробоя протекает ток короткого замыкания величиной, возможно, в несколько тысяч ампер. Всё это происходит в тысячную долю секунды. При формировании и развитии дуги создаётся ударная волна высокого давления, сопровождающаяся характерным громким звуком, похожим на выстрел из ружья или хлопок в глушителе автомобиля при детонации. В этот момент техник увидит ярко синие вспышки на наконечниках измерительных щупов прибора; при прохождении тока короткого замыкания наконечники начинают обгорать, создавая плазменную дугу между щупом и точкой контакта.
  3. Человек рефлексивно отскакивает назад, чтобы прервать контакт с опасной цепью. Но когда он притягивает руки к себе, возникают две дуги между контактными зажимами двигателя и каждым из измерительных щупов. Если эти две дуги соединяются и формируют одну дугу, то возникает другая цепь межфазного короткого замыкания, на этот раз между контактными зажимами двигателя.
  4. Температура дуги ~6 000 °C, что выше температуры пламени ацетиленокислородной сварки! По мере разрастания дуги, которая формируется громадным током короткого замыкания, происходит мгновенный разогрев окружающего воздуха, образуется сгусток плазмы и происходит взрыв.

В самом благоприятном варианте развития аварийной ситуации фронт ударной волны откинет техника далеко от места образования дуги, при этом возможны травмы, но без серьёзной угрозы жизни и здоровью. В худшем же случае, при стечении определённых условий, он может получить обширные ожоги от высокотемпературной плазмы или газодинамической  ударной волны  — вплоть до летального исхода.

Импульсные переходные процессы не являются единственной причиной возникновения коротких замыканий или дуговых разрядов. Другой причиной вышеперечисленных  событий может стать ошибка применения портативных мультиметров, как одна из наиболее распространённых предпосылок аварий. Рассмотрим пример использования прибора для измерения тока в сигнальных цепях. Обычная процедура состоит из следующих последовательных шагов: выбор функции измерения тока (режим «амперметр»), подключение измерительных проводов ко входным гнёздам измерения тока (мА или А), разрыв цепи и подключение щупов к объекту. Входное сопротивление в цепи измерения должно быть достаточно малым, чтобы не оказывать существенного влияния на величину тока. Входное сопротивление на входе 10 А для мультиметров АРРА и Fluke составляет 0,01 Ом. Сравните это значение с входным сопротивлением 10 МОм (10.000.000 Ом) при измерении напряжения.

Рисунок 3. Неправильное использование мультиметра для измерения силы тока (положение «А»)
Рисунок 3. Неправильное использование мультиметра для измерения силы тока (положение «А»)

Если измерительные провода остались в токовых входах, а затем случайно или ошибочно щупы соединяются с источником напряжения, то низкое входное сопротивление становится коротким замыканием! Даже последующий перевод переключателя режимов в положение для измерения напряжения не будет иметь значения, т.к. провода по-прежнему остаются физически подключёнными к низкоомной цепи. По этой причине входы, предназначенные для измерения тока, должны быть защищены специализированными предохранителями. Они являются единственной преградой на пути развития аварийных событий, обеспечивая в качестве итога  перегоревшие предохранители, а не возможный несчастный случай. Вывод: необходимо пользоваться мультиметрами, у которых токовые входы защищены быстросгораемыми, специально разработанными для больших мощностей предохранителями. Они рассчитаны на требуемое номинальное напряжение и обладают способностью прерывания коротких замыканий при большой мощности, что гарантирует защиту пользователя. По этой причине запрещается заменять перегоревший предохранитель изделием несоответствующего типа, номинала и размера.

В качестве примера можно привести некоторые модели мультиметров Fluke и АРРА с защитной функцией звукового предупреждения, которая включает сигнал тревоги при ошибке коммутации (т.е. при несоответствии положения переключателя  и фактического  подключения измерительных проводов). Сигнал может быть в виде постоянного или прерывистого тонального зуммера. В мультиметре АРРА 91 данная защитная функция именуетсяBeepGuard.

Для моделей APPA 300-серии и 107N/109N в дополнение к звуковой сигнализации, предусмотрена индикация на дисплее контекстного сообщения «Probe» (пробник).

Аналогичным порядком функционирует сигнализация об опасности в мультиметрах Fluke 87V, 287/289 и др. Причём в самой совершенной серии 287/289, имеющей дисплей на базе графической матрицы (? VGA), на экране появляется предупреждающая надпись с конкретным указанием ошибочной операции (рис. 4). Эта функция, кстати, активна даже для случая  расхождения выбранного диапазона измерений по току («мА/?А» или «А») и некорректно используемых входных гнёзд прибора.

Рисунок 4. Предупреждение о некорректном подсоединении щупов на дисплее мультиметра Fluke 287 / 289
Рисунок 4. Предупреждение о некорректном подсоединении щупов на дисплее мультиметра Fluke 287 / 289

Предохранители защищают прибор от перегрузок по току. Высокий импеданс входов для измерения напряжения и сопротивления гарантирует защиту по току, поэтому на этих гнёздах предохранители не нужны. Однако, здесь  требуется защита от перенапряжения. Такая защита обеспечивается специальной схемой, которая фиксирует высокие входные напряжения на допустимом уровне. Кроме того, имеется схема тепловой защиты, которая также обнаруживает состояние превышения напряжения, защищает прибор путём его автовыключения до устранения причины превышения, затем восстанавливает нормальное состояние.

Иногда на практике могут возникнуть трудности с категорированием реального оборудования. В одном устройстве часто могут присутствовать  несколько различных категорий. Например, офисное оборудование от ввода 220 В до сетевой розетки относится к категории II. Электронный блок этого же оборудования относится к категории I. В системах управления зданиями — например, панели управления освещением, или контроля промышленного оборудования — например, в программируемых контроллерах, электронные схемы (категория I) и мощные цепи (категория III) очень часто находятся в непосредственной близости друг от друга.

Как поступить в подобных случаях? В реальной жизни необходимо руководствоваться здравым смыслом и в данном конкретном примере необходимо пользоваться прибором более высокой категории безопасности. Такой выбор настоятельно рекомендуется специалистами — необходимо выбрать мультиметр наивысшей категории безопасности для данной области применения. Другими словами, если уж ошибаться, то в безопасную сторону.

В ответе на вопрос «Когда 600 В больше, чем 1000 В?» и определении истинного значения электрической стойкости прибора по перенапряжению поможет таблица 2. В ней указаны значения переходных импульсных напряжений для различных категорий электрооборудования.

  1. Внутри категории более высокое рабочее (установившееся) напряжение сочетается с более высоким переходным напряжением, что неудивительно. Например, измерительный прибор категории III 600 В проверяется переходным напряжением 6000 В, а измерительный прибор категории III 1000 В проверяется переходным напряжением 8000 В.
  2. Что не так очевидно, это разница между переходным напряжением 6000 В для прибора категории III-600 В и переходным напряжением 6000 В для прибора категории II-1000 В. Это не одно и то же.
    Здесь в дело вступает импеданс источника. Закон Ома (I = U/R) показывает, что испытательный источник с внутренним сопротивлением 2 Ом для категории III имеет вшестеро больший допустимый ток (!!!), чем испытательный источник с внутренним сопротивлением 12 Ом для категории II.

Таки образом измерительный прибор категории III 600 В заведомо имеет более эффективную защиту от переходных явлений, чем измерительный прибор категории II 1000 В, несмотря на то, что его так называемый “класс по напряжению” может восприниматься как более низкий. Действительно, только сочетание установившегося напряжения (называемого рабочим напряжением) и категории определяет полную стойкость прибора по напряжению, включая самый важный параметр — стойкость к воздействию выбросов напряжения.

Таблица 2
Категория
электрооборудования
по перенапряжению
Рабочее
напряжение
(пост. / ср. кв. зн.)
Пиковое импульсное
переходное напряжение
(20 повторений)
Испытательный
источник
(R = U/I)
Категория I 600 В 2500 В Источник с Rвн = 30 Ом
Категория I 1000 В 4000 В Источник с Rвн = 30 Ом
Категория II 600 В 4000 В Источник с Rвн = 12 Ом
Категория II 1000 В 6000 В Источник с Rвн = 12 Ом
Категория III 600 В 6000 В Источник с Rвн = 2 Ом
Категория III 1000 В 8000 В Источник с Rвн = 2 Ом
Категория IV 600 В 8000 В Источник с Rвн = 2 Ом
* Примечаниедля наглядности и  краткости представления данных в таблице взяты только рабочие напряжения 600 В и 1000 В.