Основы техники безопасности при обращении с мультиметром

Безопасность мультиметров и Вы

Всплески напряжения являются неизбежным риском

По мере того, как системы энергоснабжения и нагрузки становятся более сложными, риск возникновения динамического перенапряжения возрастает. Основными источниками всплесков напряжения могут быть электродвигатели, конденсаторы и электропреобразующее оборудование наподобие двигателей с регулируемой скоростью вращения. Удары молний в линии электропередач также могут вызвать предельно опасные высокоэнергетические переходные процессы. При проведении измерений в электрических системах эти переходные процессы “невидимы” и зачастую неизбежны. Они регулярно возникают в низковольтных цепях электропитания и могут достигать пиковых значений в много тысяч вольт. В подобных случаях все зависит от запаса прочности и безопасности вашего измерительного прибора.Указанное номинальное напряжение ничего не говорит о том, как прибор выдержит высоковольтные всплески напряжения во время переходных процессов.
Первые свидетельства от угрозе безопасности от всплесков напряжения были получены при проведении измерений на шине питания в пригородных электричках. Номинальное напряжение на шине составляет всего 600 В, но мультиметры с номинальным напряжением 1000 В выходили из строя уже через несколько минут при проведении измерений во время движения поезда. При ближайшем рассмотрении было обнаружено, что во время торможения и разгона поезда создаются выбросы напряжения амплитудой 10 000 В. Переходные напряжения безжалостно расправлялись с входными цепями мультиметров. Знания, полученные в результате этого исследования, привели к серьезным улучшениям в цепях защиты входов мультиметров.

Новые стандарты безопасности

Защита от переходных процессов должна быть предусмотрена в собственной схеме измерительного прибора. Наличие каких технических характеристик нужно проверять, особенно если не исключена возможность работы на высокоэнергетических цепях? Задача определения новых стандартов безопасности для измерительного оборудования недавно была решена комиссией IEC (Международная электротехническая комиссия, МЭК). Данная организация создана для разработки международных стандартов безопасности для контрольно-измерительного электрооборудования.
В течение нескольких лет в области разработки оборудования использовался стандарт IEC 348. Этот стандарт был заменен стандартом IEC61010 (EN61010). Несмотря на то, что хорошо спроектированные по стандарту IEC 348 приборы верно служили специалистам в течение многих лет, стандарт EN61010 обеспечивает гораздо более высокую степень защиты. Посмотрим, как это осуществляется на деле.

Защита от переходных явлений

Реальная проблема состоит не только в защите цепей мультиметра от максимального стационарного напряжения в допустимом диапазоне измерений, но и в способности этих цепей выдержать суммарное воздействие стационарных и переходных перегрузок по напряжению. Защита от переходных перегрузок имеет жизненно важное значение. Переходные процессы в мощных цепях наиболее опасны, так как такие цепи рассчитаны на большие токи. Например, в случае образования дуги из-за переходного процесса, мощная цепь способна поддерживать дугу, приводя к плазменному пробою или взрыву, когда окружающий воздух ионизируется и становится проводником электричества. В результате, происходит дуговой разряд - катастрофическое явление, которое ежегодно приводит к большему количеству травм, чем более известные удары электрическим током. (См. раздел “Переходные процессы–скрытая опасность” на стр. 4.)

Категория превышения напряжения		Коротко		Примеры
Категория IV (CAT IV)		Точка соединения к трехфазной сети, любые наружные линии		- Относится к “начальной точке”; т.е. к точке присоединения низковольтной сети к энерговводу. - Электросчетчики, первичное оборудование защиты от перегрузки по току. - Наружный и технологический вводы, технологический отвод от столба к зданию, шина между счетчиком и щитом. - Воздушная линия к отдельно стоящему зданию, подземная линия к насосу в колодце.
Категория III (CAT III)		Трехфазное энергоснабжение, в том числе однофазные линии освещения		- Установочное оборудование наподобие коммутационного и трехфазных двигателей. - Шина и фидер 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 инструменты и другие домашние и подобные им нагрузки. - Розетки и длинные отводы. - Розетки более чем в 10 метрах (30 футах) от источника категории III. - Розетки более чем в 10 метрах (30 футах) от источника категории IV.
Категория I (CAT I)		Электроника		- Защищенное электронное оборудование. - Оборудование, присоединенное к (питающим) цепям, в которых введен контроль с целью ограничения переходных напряжений до сравнительно низкого уровня. - Любой высоковольтный маломощный источник, основанный на трансформаторе с высокоомной обмоткой, например, высоковольтный блок копировального аппарата.

Таблица 1. Категории электрооборудования по перенапряжению. Стандарт EN61010 относится к низковольтному (до 1000 В) измерительному оборудованию

Это не просто уровень напряжения

На Рис. 1 техник, работающий в помещении категории I (CAT I) с офисным оборудованием, подвергается опасности поражения напряжением постоянного тока гораздо более высокого уровня по сравнению с напряжением сети переменного тока, которое измеряет техник, обслуживающий двигатель в помещении категории III (CAT III). Однако переходные явления в электрических цепях категории I, независимо от напряжения, явно представляют меньший риск, так как энергия, необходимая для образования дуги, достаточно ограничена. Это не означает, что оборудование категорий I или II не представляет никакой опасности. Только основной риск обусловлен поражением электрическим током, а не выбросами напряжения и дуговым разрядом. При этом, как будет показано ниже, удар электрическим током так же смертельно опасен, как и дуговой разряд.
Другим примером может служить воздушная линия, проведенная из здания к отдельно стоящей хозяйственной постройке, при напряжении всего 120 В или 240 В технически всегда является объектом категории IV. Почему? Любые наружные линии электропередачи подвержены риску возникновения высокоэнергетических переходных процессов из-за удара молнии. Даже подземные кабели относятся к категории IV, так как при отсутствии опасности прямого удара молнии, такой удар поблизости может индуцировать выброс напряжения под воздействием сильного электромагнитного поля.
Когда речь идет о категориях электрооборудования по перенапряжению, действуют строительные нормы и правила: это - размещение, размещение, размещение...
(Подробный анализ категорий размещения см. в разделе “Применение категорий в работе” на стр. 6)

Независимое тестирование

Независимое тестирование является ключом к соответствию стандартам безопасности Поэтому ищите на приборе символ и списочный номер независимой испытательной лаборатории, например, UL, VDE, TUV или другого признанного агентства по аттестации. Берегитесь формулировок наподобие “Разработано в соответствии с требованиями ...”. Планы разработчиков никогда не заменяют результаты независимого тестирования. Как удостовериться, покупаете ли вы на самом деле измерительный прибор категории III или категории II? К сожалению, это не всегда просто. Производитель может самостоятельно сертифицировать свой прибор по категории II или категории III безо всякой независимой проверки. IEC (Международная электротехническая комиссия) разрабатывает и предлагает стандарты, но она не ответственна запридание законной силы стандартам. Поэтому ищите на приборе символ и списочный номер независимой испытательной лаборатории, например, UL, VDE, TUV или другого признанного агентства по аттестации. Этот символ может использоваться только в том случае, если продукт успешно прошел испытания по стандарту агентства, который основан на национальных и международных стандартах. Например, UL 3111 основан на стандарте EN61010. В нашем несовершенном мире это лучшая гарантия того, что выбранный вами мультиметр действительнопроверен на безопасность.

О чем свидетельствует маркировка CE?

Маркировка CE (Conformit? Europ?enne) на изделиях свидетельствует о соответствии данной продукции определенному набору основных требований, относящихся защите здоровья, безопасности, охране окружающей среды и защите потребителей, установленных Европейской комиссией и приводящихся в обязательное исполнение через “директивы”. Разработаны директивы для многих видов продукции; товары, произведенные за пределами Европейского союза, не могут быть импортированы, если они не удовлетворяют требованиям соответствующих директив. Соответствия требованиям директив можно достичь путем доказательства, что продукция соответствует требованиям действующего технического стандарта, например, EN61010 для низковольтного оборудования. Производителям разрешаетсясамостоятельно проверять соответствие своей продукции требованиям стандартов, выпускать собственную Декларацию о соответствии и маркировать продукцию символом “CE”. Поэтому маркировка CE не является свидетельством независимого тестирования продукта.

Защита от двух основных рисков при работе с электричеством

Переходные процессы – скрытая опасность

Рассмотрим наихудший сценарий, когда техник производит измерения на включенном трехфазном электродвигателе с помощью измерительного прибора без применения необходимых мер техники безопасности.

Вот, что может случиться:

1 Удар молнии создает выброс напряжения в линии электропитания, который, в свою очередь, становится причиной возникновения дугового разряда между входными зажимами нутри прибора. Цепи или устройства, которые должны были предотвратить это, дают сбой или вовсе отсутствуют. Возможно также, что использовался прибор, не соответствующий категории III. Результат - короткое замыкание между двумя измерительными зажимами через сам прибор и измерительные провода.

2 Через только что созданную цепь протекает ток короткого замыкания, возможно, величиной в несколько тысяч ампер. Все это происходит в тысячную долю секунды. При формировании дуги в приборе создается ударная волна высокого давления, сопровождающаяся характерным громким звуком, похожим на выстрел из ружья или хлопок в глушителе автомобиля. В этот же момент техник увидит ярко синие вспышки на наконечниках измерительных щупов; при прохождении тока короткого замыкания наконечники перегреваются и начинают сгорать, создавая 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, возникает другая цепь межфазного короткого замыкания, на этот раз между контактными зажимами двигателя.

4. Температура дуги равна приблизительно 6 000 °C (10 000 °F), что выше температуры в пламени ацетилено-кислородной сварки! По мере разрастания дуга, которая питается током короткого замыкания от имеющегося источника, приводит к перегреву окружающего воздуха. Создаются ударная волна и сгусток плазмы. Если технику повезет, ударная волна откинет его далеко от места образования дуги; возможны травмы, но ничего не будет угрожать его жизни. А если не повезет, он получит смертельные ожоги от высокотемпературной плазмы дуги или взрыва.

Кроме необходимости использования прибора соответствующей категории по перенапряжению при работе на цепях под напряжением необходимо защитить себя огнестойкой рабочей одеждой, защитными очками или, еще лучше, защитным щитком для лица и изоляционными перчатками.

Дуговой разряд и удар электрическим током

Используйте только указанные предохранители высокой энергии

Если щупы остаются подключенными к зажимам для измерения тока, а затем случайно вводятся в контакт с источником напряжения, низкое входное сопротивление становится коротким замыканием! Не имеет значение, что селекторный переключатель переводится в положение для измерения напряжения; провода по-прежнему остаются физически подключенными к низкоомной цепи.* По этой причине зажимы, предназначенные для измерения тока, должны быть защищены предохранителями. Эти предохранители являются единственной преградой между неприятностью – перегоревшие предохранители - и возможным несчастным случаем. Необходимо пользоваться мультиметрами, токовые входы которых защищены предохранителями высокой энергии. Никогда не заменяйте перегоревший предохранитель устройством несоответствующего типа. Используйте только предохранители высокой энергии, указанные изготовителем прибора. Эти предохранители рассчитаны на требуемое номинальное напряжение и обладают способностью прерывания коротких замыканий, достаточной для обеспечения защиты пользователя.

Защита от перегрузки

Предохранители защищают от перегрузок по току. Высокое входное сопротивление на зажимах, предназначенных для измерения напряжения и сопротивления гарантирует защиту от превышений тока, поэтому на этих зажимах предохранители не нужны. Здесь, однако, требуется защита от превышения напряжения. Такая защита обеспечивается специальной схемой, которая фиксирует высокие входные напряжения на допустимом уровне. Кроме того, имеется схема тепловой защиты, которая обнаруживает состояние превышения напряжения, защищает прибор до устранения причины превышения, затем автоматически восстанавливает нормальное состояние. Оптимальная защита прибора от перегрузок обеспечивается в режиме измерения сопротивления. В этом режиме защита от перегрузок с автоматическим восстановлением нормальной работоспособности обеспечивается для всех функций измерения при условии, что измерительные провода подключены к входным зажимам напряжения.

Удар электрическим током

Многие знают о последствиях удара электрическим током, но немногим известно, какие токи и напряжения достаточны для смертельного исхода. Токи порядка 30 мА могут стать причиной смерти (1 мА=1/1000 А). Рассмотрим последствия протекания электрического тока через организм “среднего” мужчины весом 68 кг (150 фунтов):
• При токе 10 мА имеет место паралич мышц рук, в результате чего он не может разжать их.
• При токе 30 мА возникает паралич органов дыхания. Он перестает дышать, что приводит к летальному исходу.
• При воздействии токов от 75 до 250 мА в течении более пять секунд начинается фибрилляция желудочков и нарушение ритма сокращений сердечных мышц; происходит остановка сердца. Большие токи приводят к фибрилляции спустя менее пяти секунд. Это часто приводит к смертельному исходу.
Теперь рассчитаем пороговый уровень “опасного” напряжения. Сопротивление тела человека под кожей между кистями рук приблизительно равно 1000 Ом. Под напряжением всего 30 В через сопротивление 1000 Ом протекает ток 30 мА. К счастью, сопротивление кожи гораздо больше. Именно сопротивление кожи, особенно наружного слоя мертвых клеток, называемого “роговым слоем”, обеспечивает защиту тела. Во влажном состоянии или при наличии порезов сопротивление кожи резко падает. При напряжении 600 В сопротивление кожи сходит на нет. Происходит пробой кожи под воздействием высокого напряжения. Для изготовителей и пользователей мультиметров важнейшей целью является исключение случайных контактов с проводниками под напряжением любой ценой.
Ищите:
• Приборы и измерительные провода с двойной изоляцией.
• Приборы с утопленными входными гнездами и измерительные провода с закрытыми разъемами.
• Измерительные провода с защитой для пальцев и нескользкой поверхностью.
• Приборы и измерительные провода, изготовленные из высококачественных и прочных непроводящих материалов.

Безопасная работа

За безопасность ответственны все, но ключ к ней - в ваших собственных руках.

Ни один инструмент сам по себе не гарантирует вашу безопасность. Именно сочетание правильного оборудования и навыков безопасной работы дает вам максимальную защиту. Вот несколько советов, помогающих в работе:

– Если возможно, работайте с обесточенными цепями. Отключайте и отсоединяйте должным образом цепи, с которыми работаете. Если это невозможно или не разрешено, считайте, что цепь находится под напряжением.

Применение категорий в работе

Краткие подсказки для лучшего понимания категорий

Ниже перечислены некоторые способы, которые позволяют применять понятия категорий в повседневной работе:

– Основное практическое правило заключается в следующем: чем ближе вы находитесь к источнику электропитания, тем выше номер категории и тем выше риск, связанный с переходными процессами.

– Из этого также следует, что чем больше доступный ток короткого замыкания в данной точке, тем выше номер категории.

– Это правило можно сформулировать также следующим образом: чем больше импеданс источника, тем ниже номер категории. Импеданс источника представляет полное сопротивление, включая сопротивление проводов между точкой измерения и источником питания. Импеданс гасит выбросы напряжения.

– И наконец, если вы обладаете опытом работы с устройствами подавления выбросов напряжения (Transient Voltage Surge Suppression - TVSS), вы знаете,что устройство TVSS в распределительном щите должно обеспечивать подавление импульсов большей энергии, чем устройство, расположенное рядом с компьютером. Используя терминологию категорий, можно сказать, что TVSS в распределительном щите является устройством категории III, а компьютер представляет нагрузку, подключаемую к сетевой розетке, поэтому он является устройством категории II.

Можно заметить, что понятие категорий не представляет собой ничего новое или экзотическое. Оно просто является выражением законов здравого смысла, которыми каждый день руководствуются люди, профессионально занимающиеся электричеством.

Одновременное действие нескольких категорий.

Существует сценарий, который иногда запутывает тех, кто хочет применять категории к реальному оборудованию. В одном устройстве часто могут сосуществовать несколько категорий. Например, офисное оборудование в участке от ввода 120 В/240 В в блоке питания 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 мощныецепи (категория III) очень часто находятся в непосредственной близости друг от друга.

Как поступить в подобных случаях? В реальной жизни необходимо руководствоваться здравым смыслом. В данном конкретном примере необходимо пользоваться измерительным прибором более высокой категории безопасности. На самом деле никто не думает, что люди будут целый день заниматься определением категорий оборудования. Решение - ближе к реальной жизни и настоятельно рекомендуемое - состоит в том, что необходимо выбрать мультиметр наивысшей категории безопасности для данной области применения. Другими словами, если ошибаться, то в безопасную сторону.

Оценка степени защиты мультиметра

Критерии стойкости прибора по напряжению

Процедуры испытаний на соответствие стандарту EN61010 учитывают три главных критерия: установившееся напряжение, пиковое импульсное переходное напряжение и импеданс источника. Эти три критерия вместе взятые дадут истинное значение стойкости по напряжению.

Когда 600 В больше, чем 1000 В?

Таблица 2 поможет в определении истинного значения стойкости прибора по напряжению:
1. Внутри категории более высокое “рабочее напряжение” (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. И дальше в том же духе.
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.

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.

Примечание о категории IV: Испытательные напряжения и стандартные схемы для испытаний приборов категории IV приведены во втором издании стандарта EN61010.

Заключение

Если вы столкнулись с необходимостью заменить свой мультиметр, перед покупкой решайте следующую несложную задачу: анализируйте наихудший сценарий в вашей работе и определите категорию для прибора, соответствующую вашей области применения.

Сначала выберите прибор наивысшей категории для вашей области деятельности. Затем выберите мультиметр данной категории с номинальным рабочим напряжением в соответствии с вашими требованиями. При этом нельзя забывать об измерительных проводах. Стандарт EN61010 применяется также к измерительным проводам: они должны быть сертифицированы по категории и напряжению, равным или выше, чем у прибора. Когда дело касается безопасности человека, нельзя допускать, чтобы измерительные провода были слабым звеном.