Opublikowano: 8.04.2023

Poprawiono: 15.03.2025

 Błędy w pomiarach elektrycznych maszyn

 

 Prace kontrolno-pomiarowe są związane z dużą odpowiedzialnością i wymagają wysokich kwalifikacji. Osoby odpowiedzialne za kontrolę stanu technicznego (pomiary) powinny posiadać wiedzę, która umożliwi, nie tylko ocenę stanu technicznego urządzeń, ale również ustalenie błędów związanych z projektowaniem, montażem i oddaniem urządzeń do eksploatacji. Co jednak w sytuacji, gdy osoby oceniające stan techniczny urządzeń (i posiadające świadectwo kwalifikacyjne serii D), popełniają rażące błędy świadczące o nieznajomości podstawowych przepisów prawa i zasad wiedzy technicznej?

Czy taka sytuacja może dziwić, jeżeli świadectwo kwalifikacyjne można uzyskać tak łatwo, a dostęp do norm jest tak trudny, ze względu na ceny norm? Brakuje również dobrych publikacji na ten temat, pozostają fora internetowe, na których każdy może napisać cokolwiek. Pomiarowcy, czerpiący wiedzę z forów internetowych powinni pamiętać o ewangelicznej przestrodze, przed prowadzeniem ślepych, przez ślepych...(Mt 15,14).

 

1. Traktowanie maszyn jako obiekty budowlane

Maszyny nie są obiektami budowlanymi, którymi zgodnie z ustawą Prawo Budowlane (Dz.U. 1994 nr 89 poz. 414) mogą być m.in. fundamenty maszyn i części budowlane związane z maszynami. Oznacza to, że przepisy prawa, dotyczące obiektów budowlanych nie dotyczą bezpośrednio maszyn, natomiast dotyczą ich inne przepisy.

 

2. Stosowanie niewłaściwych przyrządów pomiarowych

Przyrządy pomiarowe posiadają zakresy pomiarowe, które często nie pokrywają się z zakresem wskazań. Podana przez producenta przyrządu pomiarowego niepewność pomiaru, dotyczy zakresu pomiarowego. Wartości wskazane przez przyrząd pomiarowy, które są mniejsze niż próg zakresu pomiarowego lub większe niż granica zakresu pomiarowego, są obarczone nieznanym błędem i nie powinny być wpisywane do protokołu jako wynik pomiaru.

W miejscu, w którym impedancja pętli zwarciowej wynosi 0,05 Ω wykonano po 6 pomiarów kolejno miernikami MPI-530 i MZC-320S f-my SONEL. Wartość progowa zakresu pomiarowego miernika MPI-530 wynosi 0,13 Ω, a to oznacza, że wartość mierzona jest poza zakresem pomiarowym. Wartość progowa zakresu pomiarowego miernika MZC-320S wynosi 7,2 mΩ, czyli wartość mierzona mieści się w zakresie pomiarowym.

 

Rysunek 1.

 

Wyniki poszczególnych prób wykazują, że miernik MZC-320 „nie daje rady” w tym obwodzie – wyniki są niestabilne i wartości wskazane znacząco odbiegają od wartości mierzonej.

 

Rysunek 2.

 

Pewnym rozwiązaniem w przypadku miernika MPI-530 w omawianym przykładzie może być wpisanie do protokołu zamiast wartości wyświetlonej np. 0,08 Ω (pomiar 1) wartości stanowiącej próg zakresu pomiarowego, czyli 0,13 Ω. Jeżeli ta wartość jest „wystarczająca” i można na jej podstawie wykazać skuteczność ochrony. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest użycie przyrządu pomiarowego o odpowiednim zakresie, lub obliczenie impedancji pętli zwarciowej.

 

3. Przyjęcie niewłaściwego czasu samoczynnego wyłączenia zasilania

Sprawdzenie spełniania warunku samoczynnego wyłączenia zasilania, wymaga przyjęcia największego dopuszczalnego czasu wyłączenia. Często pomiarowcy przyjmują dla maszyn dopuszczalny czas samoczynnego wyłączenia zasilania, wynoszący 0,4 s lub 0,2 s.

Zgodnie z normą PN-EN 60204-1:2010 (Załącznik A) dla maszyn, największy dopuszczalny czas wyłączenia zasilania, wynosi 5 s. Krótsze czasy wyłączenia, dotyczą urządzeń ruchomych, lub ręcznych klasy ochronności I, zasilanych za pośrednictwem gniazd wtyczkowych, np. dla urządzeń zasilanych napięciem 230 V dopuszczalny czas wyłączenia wynosi 0,4 s (układ sieciowy TN).

Pomiarowcy często nieufnie podchodzą do wymagań norm dotyczących dopuszczalnego czasu samoczynnego wyłączenia wynoszącego 5 s, lub reagują oburzeniem na sugestię, że powinno się przyjąć czas 5 s. Do zrozumienia tego wymagania, niezbędna jest znajomość prawa Ohma i charakterystyk czasowo-prądowych urządzeń nadprądowych. Przyjęcie dopuszczalnego czasu samoczynnego wyłączenia zasilania wynoszącego 0,4 s lub 0,2 s, jest związane z obawami wynikającymi z nieznajomości zasad wiedzy technicznej.

Przyjęcie czasu 0,4 s lub 0,2 s w obwodach zabezpieczonych urządzeniem nadprądowym o dużym prądzie znamionowym, może doprowadzić zapobiegliwych pomiarowców do wniosku, że ochrona przeciwporażeniowa przez samoczynne wyłączenie zasilania jest nieskuteczna (zobacz również pkt. 7).

4. Przyjęcie niewłaściwego prądu powodującego zadziałanie zabezpieczenia różnicowoprądowego

Prąd Ia to najmniejsza wartość prądu, powodująca zadziałanie zabezpieczenia w wymaganym czasie. Jest to warunek samoczynnego wyłączenia zasilania, które jest środkiem ochrony przy uszkodzeniu. Prąd wyłączający Ia można odczytać z charakterystyki czasowo-prądowej (t-I), która jest charakterystyką pasmową. Prądem wyłączającym Ia jest krzywa graniczna pasma rozrzutu (krzywa po prawej stronie).

 

 

 Rysunek 3.

 

Rysunek 3 przedstawia charakterystyki wyłączników RCD typu AC, na których zaznaczono barwą czerwoną prąd Ia, dla czasu 0,4 s bezzwłocznego wyłącznika typu AC. Prąd Ia, bezzwłocznych wyłączników typu AC, jest równy znamionowemu prądowi różnicowemu IΔn (Ia = IΔn), w przypadku wyłączników typu A, prąd Ia = 2IΔn.
Zgodnie z normą na sprawdzanie instalacji elektrycznych niskiego napięcia PN-HD 60364-6:2008 (pkt. 62.1.2) sprawdzanie zgodności z maksymalnymi czasami wyłączenia, powinno być wykonane przy prądzie 5IΔn. Wartość 5IΔn stanowi pewne uproszczenie i w przypadku niektórych wyłączników RCD może być niewystarczająca, w Tabeli 1, zostały podane prądy wyłączające Ia dla różnych wyłączników RCD, wartości większe niż 5IΔn zostały zaznaczone barwą żółtą.

 

Prąd wyłączający Ia wyłączników różnicowoprądowych

Czas wyłączenia [s]	Prąd wyłączający Ia wyłączników RCD
	bezzwłocznych i krótkozwłocznych			selektywnych
	AC	A (30 mA)	B	AC	A	B
0,04	5 IΔn	7 IΔn *)	10 IΔn	—	—	—
0,07	5 IΔn	7 IΔn *)	10 IΔn	—	—	—
0,1	5 IΔn	7 IΔn *)	10 IΔn	—	—	—
0,2	2 IΔn	4 IΔn	4 IΔn	2 IΔn	2,8 IΔn	4 IΔn
0,3	IΔn	2 IΔn	2 IΔn	2 IΔn	2,8 IΔn	4 IΔn
0,4	IΔn	2 IΔn	2 IΔn	2 IΔn	2,8 IΔn	4 IΔn
0,8	IΔn	2 IΔn	2 IΔn	IΔn	1,4 IΔn	2 IΔn
1	IΔn	2 IΔn	2 IΔn	IΔn	1,4 IΔn	2 IΔn
5	IΔn	2 IΔn	2 IΔn	IΔn	1,4 IΔn	2 IΔn
*) lub 0,35 A

 

 Jako prąd wyłączający Ia wyłączników RCD, można przyjąć wartość rzeczywistą wynikającą z charakterystyki czasowo-prądowej lub zgodnie z normą wartość Ia = 5IΔn.

Przykładowo, dla wyłączników typu A i AC o znamionowym prądzie różnicowym IΔn = 30 mA, prąd Ia będzie wynosił dla czasu 0,4 s (sieć o układzie TN):

• wyłącznik RCD typu AC – Ia = 30 mA lub Ia = 150 mA;
• wyłącznik RCD typu A – Ia = 60 mA lub Ia = 150 mA.

 

 5. Uporczywe dążenie do pomiaru impedancji pętli zwarciowej

Pomiar impedancji pętli zwarciowej, jest sprawą wtórną, celem jest sprawdzenie warunku samoczynnego wyłączenia zasilania. Sprawdzenie czy w przypadku zwarcia pomiędzy częścią czynną, a częścią przewodzącą dostępną, lub przewodem ochronnym, stwarzającego zagrożenie elektryczne, nastąpi wyłączenie zasilania w wymaganym czasie. Impedancja pętli zwarciowej może być obliczona lub zmierzona. Jeżeli wymagany czas nie może być dotrzymany, można za pomocą połączeń wyrównawczych długotrwale obniżyć napięcie dotykowe do wartości, które nie są uważane za niebezpieczne (UL ≤ 50 V AC). W takim przypadku wyłączenie w wymaganym czasie nie jest konieczne, pod warunkiem, że prąd zwarciowy nie spowoduje zagrożenia pożarowego. Wyłączenie może być wymagane, ze względu na cieplne skutki prądu zwarciowego. Skuteczność ochrony za pomocą połączenia wyrównawczego powinna być potwierdzona, w przypadku wątpliwości można wykonać pomiar napięć dotykowych. Rysunek 4 przedstawia pomiar napięcia dotykowego UT.

 

 

Rysunek 4.

 

Norma na bezpieczeństwo maszyn PN-EN 60204-1:2010 (pkt. 18.2.2) wymaga sprawdzenia warunku samoczynnego wyłączenia zasilania przez obliczenia lub pomiar. Pomiar impedancji pętli zwarcia, może być zgodnie z normą wykonany w obwodach, w których warunki samoczynnego wyłączenia zasilania wymagają prądu Ia ≤ 1 kA. Odpowiada to, w przypadku zastosowania bezpieczników klasy gG, prądowi znamionowemu In ≤ 200 A.

Pomiar impedancji pętli zwarciowej w obwodach rozdzielczych, a szczególnie w pobliżu transformatorów, może być obciążony dużym błędem związanym z niezgodnością argumentów impedancji obwodu zwarciowego i impedancji wewnętrznej przyrządu pomiarowego.

Podobny problem może wystąpić, przy próbie pomiaru impedancji pętli zwarcia w obwodach zasilanych z transformatorów małej mocy, będących wyposażeniem maszyn. W takich obwodach dodatkowo może dochodzić do zadziałania zabezpieczeń, przy pomiarze impedancji pętli zwarciowej, dlatego spełnianie warunku samoczynnego wyłączenia zasilania należy potwierdzić obliczeniowo.

Pomiar impedancji pętli zwarciowej może być niemożliwy w obwodach wyjściowych pośrednich przemienników częstotliwości, ze względu na ograniczenie prądu wyjściowego przemiennika. W takim przypadku urządzenie zasilane z przemiennika należy objąć miejscowymi połączeniami wyrównawczymi i potwierdzić ich skuteczność zgodnie z normą PN-EN 60204-1:2010 (Załącznik A).

 

6. Pomijanie sprawdzenia warunku samoczynnego wyłączenia zasilania w obwodach zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości

Ograniczenie prądu w obwodach wyjściowych pośrednich przemienników częstotliwości powoduje, że pomiar impedancji pętli zwarciowej nie gwarantuje poprawnego wyniku. Dodatkowym utrudnieniem, które może spowodować niezadziałanie zabezpieczenia zwarciowego w przypadku zwarcia w obwodzie wyjściowym przemiennika, jest obciążenie trzech faz obwodu zasilającego przekształtnik prądem zwarciowym. Z tego powodu sprawdzenie warunku samoczynnego wyłączenia zasilania w obwodach wyjściowych przemienników często jest pomijane.

Metoda pomiaru impedancji pętli zwarciowej została podana w nowej edycji normy PN-EN 60204-1 z roku 2018. Metoda polega na pomiarze impedancji pętli zwarciowej na zaciskach wejściowych przemiennika i pomija zwarcia w obwodzie wyjściowym. Racjonalnym postępowaniem jest sprawdzenie czy w przypadku zwarcia, napięcie dotykowe (UT) nie przekroczy wartości napięcia dopuszczalnego długotrwale (UL). Zgodnie z normą PN-EN 60204-1 sprawdzenie polega na pomiarze rezystancji połączenia ochronnego (RPE) i sprawdzeniu spełniania warunku RPE ≤ 50/Ia(5s). Sprawdzenie obejmuje różne możliwe uszkodzenia uszkodzenia, łącznie z uszkodzeniem izolacji wewnętrznej przemiennika. Uzupełnieniem obliczeń, może być pomiar napięcia dotykowego, po zmostkowaniu przekształtnika w sposób przedstawiony na Rysunku 3. Jeżeli układ pomiarowy z Rysunku 3, może być zmontowany, pomiar napięcia dotykowego powinien być traktowany priorytetowo wobec metody obliczeniowej.

 

Rysunek 5.

 

Przygotowanie przemiennika do badań przedstawionych na Rysunku 5, umożliwia również, pomiar impedancji pętli zwarciowej (ZS) przedstawiony na Rysunku 6 i oszacowanie na podstawie pomiaru, rezystancji połączenia ochronnego. Przyjęcie jako rezystancji połączenia ochronnego (w sieci o układzie TN), połowy wartości zmierzonej impedancji pętli zwarciowej (0,5 ZS), spowoduje, że wartość oszacowana będzie większa od wartości rzeczywistej. To oznacza błąd w kierunku bezpiecznym, czyli pewien margines bezpieczeństwa.

 

Rysunek 6.

 

7. Traktowanie przewodów zasilających maszyny jako kable elektroenergetyczne

Zgodnie z tradycyjną polską terminologią, kabel to przewód, który jest przeznaczony do układania w ziemi, w liniach napowietrznych, lub w zbliżonych warunkach środowiskowych, o budowie odpowiedniej do tych warunków. Czyli każdy kabel jest przewodem, ale nie każdy przewód jest kablem. Takiego rozróżnienia, nie ma w języku angielskim i w międzynarodowym słowniku elektrotechnicznym IEV. W praktyce, to rozróżnienie jest rzadko stosowane, przeważnie wszystkie przewody to „kabelki”, niemniej jednak jest obecne w Polskich Normach i pomiarowcy jako elektrycy-eksperci powinni je znać.

Jeżeli maszyna jest zasilana przewodem H07ZZ-F i pomiarowiec jako najmniejszą dopuszczalną wartość rezystancji izolacji przyjmuje 20 MΩ, to prawdopodobnie nie wie, z jakimi „kabelkami” ma do czynienia. Wartość 20 MΩ prawdopodobnie pochodzi z normy Stowarzyszenia Elektryków Polskich N-SEP-E-004 ELEKTROENERGETYCZNE I SYGNALIZACYJNE LINIE KABLOWE. PROJEKTOWANIE I BUDOWA, która dotyczy elektroenergetycznych i sygnalizacyjnych linii kablowych.

Norma na bezpieczeństwo maszyn PN-EN 60204-1:2010 podaje najmniejszą dopuszczalną rezystancję izolacji przewodu zasilającego 1,0 MΩ i powinna być stosowana w większości przypadków maszyn eksploatowanych na halach przemysłowych i zasilanych przewodami. Jeżeli maszyna jest zasilana linią kablową, to powinna być stosowana ww. norma SEP.

 

8. Formułowanie niedorzecznych wniosków pokontrolnych

Pomiar impedancji pętli zwarciowej, a zwłaszcza pomiar przyrządem o nieprawidłowym zakresie pomiarowym, przy nieprawidłowych kryteriach oceny (czas wyłączenia), może prowadzić do nieprawidłowych wniosków, że ochrona przez samoczynne wyłączenie zasilania jest nieskuteczna.

Jeżeli ocena skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania jest negatywna, norma PN-HD 6034-4-41:2017-09, na którą powołują się pomiarowcy, podaje sposób postępowania – wykonanie miejscowego połączenia wyrównawczego, długotrwale obniżającego napięcie dotykowe do wartości dopuszczalnej UL ≤ 50 V AC. Jednak pomiarowcy nie zawsze ufają normom, podobnie jak prawu Ohma i orzekają konieczność modyfikacji instalacji zasilającej. Czyli narażają właściciela instalacji na niepotrzebne koszty, związane z doprowadzeniem instalacji do stanu, w którym „pomiary będą pozytywne”. Modyfikacja może polegać na wymianie przewodów, lub na wymianie zabezpieczeń, np. bezpieczniki klasy gG są wymieniane na bezpieczniki klasy gF. Wymiana przewodów lub systemu przewodów szynowych może oznaczać duże koszty, a wymiana zabezpieczeń może skutkować zbędnymi zadziałaniami i/lub nieprawidłowym zabezpieczeniem lub dobezpieczeniem urządzeń.

W przypadku trudności z pomiarem impedancji pętli zwarciowej w obwodach zasilanych z transformatorów o małej mocy, może się zakończyć wnioskiem o usunięcie transformatorów i zasilanie obwodów bezpośrednio. Usunięcie transformatorów ma ułatwić pomiar impedancji pętli zwarciowej, czyli ułatwić pracę pomiarowcom.

Jak można się spodziewać, montaż transformatorów jako źródeł zasilania w maszynach, nie jest przypadkowy. Transformatory ograniczają nadmierny prąd zwarciowy wyposażenia, obniżają kategorię przepięciową, są stosowane do zasilania urządzeń o dużym prądzie upływowym i są stosowane do zasilania urządzeń jednofazowych w maszynach, w których producenci nie stosują przewodu neutralnego w obwodzie zasilającym.

 

 

 

Bibliografia:

1. PN-EN 60204-1:2010 Bezpieczeństwo maszyn – Wyposażenie elektryczne maszyn – Część: 1 Wymagania ogólne
2. PN-EN 61140:2005 Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym – Wspólne aspekty instalacji i urządzeń
3. PN-EN 61439-1:2011 Sterownice i rozdzielnice niskonapięciowe – Część: 1 Postanowienia ogólne
4. PN-HD 60364-4-41:2017-09 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym
5. S. Czapp Kontrola stanu instalacji elektrycznych niskiego napięcia – Przegląd aktualnych wymagań w zakresie prób i pomiarów (INPE nr 139)
6. E. Musiał Pomiary odbiorcze i eksploatacyjne zapewniające bezpieczeństwo przy urządzeniach elektroenergetycznych
7. E. Musiał Badanie stanu ochrony przeciwporażeniowej w obwodach urządzeń energoelektronicznych
8. E. Musiał Ochrona przeciwporażeniowa w obwodzie suwnicy