Opublikowano: 4.04.2023

Poprawiono: 19.04.2025

Eksploatacyjne pomiary prądu upływowego

Pomiary eksploatacyjne, to pomiary „w miejscu eksploatacji”, wykonywane (zlecane) przez właściciela urządzenia, w odróżnieniu od badań odbiorczych, wykonywanych przez producenta. Pomiary eksploatacyjne można podzielić na badania okresowe, badania po modyfikacji/naprawie i badania doraźne (na żądanie).

Prąd upływowy jest związany z normalnym stanem urządzenia elektrycznego, to prąd, który przepływa przez izolację doziemną, nieuszkodzonego urządzenia. Wartość prądu upływowego jest uzależniona m.in. od wartości rezystancji izolacji i dlatego może stanowić jedno z kryteriów oceny stanu technicznego izolacji urządzeń elektrycznych.
W urządzeniach wielofazowych wartość wypadkowa prądu upływowego to suma geometryczna prądów upływowych poszczególnych faz. Ze względu na drogę przepływu, prąd upływowy można podzielić na prąd w przewodzie ochronnym (IPE), który przepływa, jak sama nazwa wskazuje w przewodzie ochronnym urządzeń o klasie ochronności I i prąd dotykowy (IT), który przepływa przez ciało, po dotknięciu urządzeń elektrycznych. Na Rysunku 1a został przedstawiony prąd w przewodzie ochronnym, urządzenia klasy ochronności I, a na Rysunku 1b prąd dotykowy, przepływający po dotknięciu urządzenia klasy ochronności II.

 

 

 Rysunek 1

 

 

Na Rysunku 2a został przedstawiony schemat blokowy pomiarów w ramach badania po modyfikacji/naprawie urządzeń elektrycznych, według normy VDE 0701-0702. Poza pomiarami, w czasie badania wykonuje się również inne czynności, jak: oględziny, kontrolę środków ochronnych, próby funkcjonalne, oznaczenie etykietą i sporządzenie protokołu.

 

 

 Rysunek 2a

 

Na Rysunku 2b został przedstawiony schemat blokowy pomiarów w ramach badań okresowych urządzeń elektrycznych, według normy VDE 0701-0702. Poza pomiarami, w czasie badania wykonuje się również inne czynności, jak: oględziny, kontrolę środków ochronnych, próby funkcjonalne, oznaczenie etykietą i sporządzenie protokołu.

 

Rysunek 2b

 

Pomiar prądu upływowego może uzupełniać pomiar rezystancji izolacji lub zastępować go, w przypadku, gdy pomiar rezystancji izolacji nie może być wykonany lub nie daje wiarygodnego wyniku. Pomiar rezystancji izolacji nie może być wykonany, jeżeli napięcie pomiarowe może uszkodzić badanie urządzenie, a wiarygodnych wyników, nie można uzyskać m.in. w przypadku urządzeń zawierających łączniki samoczynne, zamykane pod wpływem napięcia w czasie normalnej pracy. To powoduje, że izolacja części znajdujących się za otwartym łącznikiem jest niedostępna w czasie pomiaru rezystancji izolacji.
Prąd upływowy mierzy się przy napięciu, którym urządzenie jest zasilane w czasie normalnej pracy urządzenia, dzięki temu nie występują ww. ograniczenia dotyczące pomiaru rezystancji izolacji.
Jeżeli pomiar rezystancji izolacji może być wykonany, należy traktować go jako priorytetowy i nie rezygnować z niego, w przypadku wykonywania pomiaru prądu upływowego.

Pomiar zastępczego prądu upływowego (IEQ) wykonuje się napięciem sinusoidalnym o częstotliwości, która jest częstotliwością znamionową dla badanego urządzenia. Napięcie pomiarowe powinno mieć wartość pomiędzy 25 V, a 250 V. Często ze względów bezpieczeństwa badanie wykonuje się napięciem niższym niż znamionowe i/lub ogranicza się prąd pomiarowy. Jeżeli badanie jest wykonywane napięciem innym niż znamionowe, wyniki pomiarów przelicza się do napięcia znamionowego badanego urządzenia.
W przypadku wątpliwości czy wykonać pomiar prądu upływowego czy pomiar zastępczego prądu upływowego, należy wykonać pomiar prądu upływowego.

Zmiana biegunowości w czasie pomiaru, umożliwia wykrycie uszkodzeń izolacji w pobliżu bieguna neutralnego odbiorników jednofazowych. Prąd upływowy, który na Rysunku 3 jest przedstawiony symbolicznie za pomocą strzałek, osiąga największą wartość (długość strzałek) w pobliżu bieguna L, pod wpływem napięcia sieciowego. W pobliżu bieguna neutralnego (N) napięcie ma niewielką wartość i prąd upływowy nie płynie. W przypadku uszkodzenia izolacji w pobliżu bieguna neutralnego, prąd uszkodzeniowy symbolizowany czerwoną, złamaną strzałką, ma niewielką wartość (Rysunek 3a). Może to uniemożliwiać wykrycie uszkodzenia. Aby tego uniknąć w czasie pomiaru prądu upływowego, zmienia się biegunowość napięcia zasilającego  (Rysunek 3b), co powoduje zwiększenie prądu upływowego w pobliżu bieguna, który wcześniej był biegunem neutralnym i prądu uszkodzeniowego związanego z osłabieniem izolacji.

 

 

Rysunek 3

 

 W czasie pomiaru prądu upływowego stosuje się również inne metody, zmierzające do wykrycia możliwie największej wartości prądu upływowego i uszkodzeniowego. W przypadku odbiorników jednofazowych stosuje się odłączanie przewodu neutralnego (Rysunek 4a) i przyłączanie obu zwartych biegunów do przewodu liniowego (Rysunek 4b). W obu metodach, izolacja na całej długości zostaje poddana pełnej wartości napięcia sieciowego.

 

Rysunek 4

 

W czasie badania urządzeń wielofazowych odłącza się kolejno przewody liniowe, przewód neutralny  i przewód ochronny. Jeżeli urządzenie jest wyposażone w łączniki i gniazda wtyczkowe, których pozycja może wpływać na wartości mierzonego prądu upływowego, pomiary należy powtarzać w różnych położeniach łączników i wtyczek. W urządzeniach trójfazowych zasilanych napięciem znamionowym może dochodzić do symatryzacji prądów upływowych i jeżeli mają one identyczną wartość we wszystkich fazach ich wartość wypadkowa będzie zbliżona do zera.

Do badania prądu dotykowego używa się rezystor o rezystancji 2 kΩ, służący do odwzorowania rezystancji ciała ludzkiego. Jeżeli urządzenie jest eksploatowane w pomieszczeniach wilgotnych, do odwzorowania rezystancji ciała ludzkiego używa się rezystor o rezystancji 1 kΩ. Można stosować również nieskorygowany układ pomiarowy wg normy PN-EN 60990 (Rysunek 14b). W przypadku prądu upływowego o częstotliwościach wyższych niż 100 Hz należy stosować odpowiednie układy pomiarowe wg normy PN-EN 60990. Do pomiaru prądu dotykowego używa się miliamperomierza lub miernika cęgowego (Rysunek 5a), lub woltomierza w przypadku stosowania metody technicznej pomiaru (Rysunki 5b i 14).

 

Rysunek 5

 

Jako elektrodę dotykową do pomiaru prądu dotykowego stosuje się przewodzącą metalową folię o wymiarach około 20 x 10 cm, która kształtem i wielkością ma odwzorowywać dłoń. Elektrodę przykłada się w różnych miejscach izolacyjnej obudowy, szczególnie do rękojeści i uchwytów. Do części przewodzących dostępnych urządzenia klasy ochronności II przykłada się bezpośrednio końcówkę przewodu pomiarowego bez używania elektrody dotykowej. Czas pomiaru prądu upływowego powinien trwać co najmniej 10 s.

 

Tabela 1. Największe dopuszczalne wartości prądu upływowego wg norm PN-EN 50678 i PN-EN 50699

Rodzaj badania	Największa dopuszczalna wartość prądu upływowego
Pomiar prądu w przewodzie ochronnym	3,5 mA
Pomiar prądu w przewodzie ochronnym urządzeń o mocy większej niż 3,5 kW	1,0 mA/kW ale nie więcej niż 10 mA
Pomiar prądu dotykowego (nieuziemione części przewodzące dostępne)	0,5 mA
Pomiar prądu dotykowego urządzeń urządzeń w I klasie ochrony (nieuziemione części przewodzące dostępne)	0,5 mA
Pomiar prądu dotykowego urządzeń w III klasie ochrony (z wewnętrznym źródłem zasilania), lub obwody PELV	pomiar nie jest wymagany
UWAGA 1 W przypadku przekroczenia dopuszczalnyc wartości należy rozważyć wymagania norm wyrobu i zalecenia producenta. UWAGA 2 Urządzenia zasilane za pomocą przemysłowych gniazd wtyczkowych zgodnych z normą IEC 60309 mogą mieć większy prąd w przewodzie ochronnym od wartości podanej w tabeli.

 

Pomiar prądu w przewodzie ochronnym przeprowadza się metodą bezpośrednią (Rysunek 6), polegającą na pomiarze prądu przepływającego w przewodzie ochronnym jeżeli prąd upływowy przepływa wyłącznie w tym przewodzie.

 

 

 Rysunek 6

 

 Jeżeli badane urządzenie ma styczność z potencjałem ziemi, np. jest umieszczone na powierzchni przewodzącej, jest połączone z przewodzącymi uziemionymi elementami instalacji lub konstrukcji, ma połączenia elektryczne z innymi urządzeniami, itp. prąd upływowy może płynąć częściowo przewodem ochronnym, a częściowo innymi połączeniami. Pomiar metodą bezpośrednią może obejmować tylko część prądu upływowego i dodatkowo w pomiarze metodą bezpośrednią mogą być mierzone prądy błądzące. W takich przypadkach prąd upływowy mierzy się metodą pośrednią (Rysunek 7).
Metoda pośrednia jest również nazywana metodą różnicową lub metoda prądu różnicowego (elektrycy pamiętają, że pojęcie prądu różnicowego jest pojęciem fikcyjnym). Prąd różnicowy to suma geometryczna prądów płynących we wszystkich przewodach czynnych. Metoda pośrednia jest metodą mniej dokładną niż metoda bezpośrednia.

 

Rysunek 7

 

 Rysunek 8 przedstawia pomiar prądu dotykowego, urządzenia klasy ochronności II metodą bezpośrednią. Do pomiaru został zastosowany rezystor 2 kΩ i elektroda dotykowa.

 

Rysunek 8

 

Pomiar prądu upływowego można również wykonać metodą pośrednią (Rysunek 9), rezystor i elektrodę dotykową stosuje się podobnie jak w metodzie bezpośredniej, a przyrząd pomiarowy mierzy prąd różnicowy w przewodach zasilających.

 

Rysunek 9

 

Na Rysunku 10 został przedstawiony pomiar prądu w przewodzie ochronnym metodą bezpośrednią, urządzenia zawierającego wewnętrzne łączniki samoczynne, które uniemożliwiają poprawny pomiar rezystancji izolacji. W takim przypadku nie wykonuje się pomiaru rezystancji izolacji i jako metodę zastępczą stosuje się pomiar prądu w przewodzie ochronnym. Jeżeli nie wykonuje się pomiaru rezystancji izolacji, nie wykonuje się również pomiaru zastępczego prądu upływowego.

 

Rysunek 10

 

Jeżeli urządzenie posiada drobne części przewodzące nie przyłączone do przewodu ochronnego wykonuje się pomiar prądu dotykowego z zastosowaniem rezystora 2 kΩ. Pomiar prądu dotykowego metodą pośrednią nieuziemionych drobnych części przewodzących oraz dostępnych zacisków wewnętrznego źródła SELV, został przedstawiony na Rysunku 11.

 

Rysunek 11

 

W metodzie alternatywnej (Rysunek 12) napięcie pomiarowe przykłada się pomiędzy zwarte przewody czynne obwodu zasilającego, a części przewodzące dostępne urządzenia. Metoda alternatywna może być stosowana dla urządzeń klasy ochronności I i II.

 

Rysunek 12

 

Jeżeli urządzenie posiada drobne nieuziemione części przewodzące lub dostępne zaciski wewnętrznych źródeł SELV, również te elementy obejmuje się pomiarem zastępczego prądu upływowego (Rysunek 13).

 

Rysunek 13

 

Nieco inne metody pomiaru prądu dotykowego i prądu w przewodzie ochronnym można znaleźć w podstawowej normie bezpieczeństwa PN-EN 60990, te metody są implementowane w normach wyrobu i stosowane jako badanie wyrobu (badania odbiorcze). Te metody mogą być również stosowane do badań eksploatacyjnych, przykładem może być badanie urządzeń do spawania łukowego wg normy PN-EN 60974-4 Sprzęt do spawania łukowego -- Część 4: Kontrola i badanie w eksploatacji.
Norma PN-EN 60990 określa układy pomiarowe, przeznaczone do trzech progów reakcji organizmu człowieka na przepływający prąd. Tymi granicznymi progami są: prąd powodujący odczuwanie i reakcję; prąd, przy którym istnieje możliwość samodzielnego uwolnienia się i prąd powodujący oparzenia elektryczne. Układy pomiarowe zawierają filtry RC i są odpowiednio „skorygowane” z uwzględnieniem wartości progowych i różnych częstotliwości.
Wartości progowe są podane w normach wyrobu np. PN-EN 61010-1 na bezpieczeństwo elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych.

 

Rysunek 14

 

 Rysunek 14a przedstawia układ do pomiaru nieskorygowanego prądu upływowego, układ może być używany przy częstotliwościach prądu dotykowego do 100 Hz. Układ do badania nieskorygowanego prądu dotykowego używa się również w przypadku badania prądu powodującego oparzenia elektryczne, którego wartość graniczna niewiele zmienia się ze zmianami częstotliwości. Na rysunku 14b został przedstawiony układ do pomiaru prądu dotykowego powodującego odczuwanie i reakcję.
Pomiar z zastosowaniem układów pomiarowych polega na zmierzeniu napięcia na rezystorze RB i obliczeniu wartości prądu dotykowego. Woltomierz powinien spełniać wymagania podane w normie PN-EN 60990, odnośnie rezystancji i pojemności wewnętrznej. Rezystor RB o rezystancji 500 Ω, służy do odwzorowania rezystancji wewnętrznej człowieka. Rezystor RS o rezystancji 1500 Ω, służy, wraz z kondensatorem CS do odwzorowania impedancji naskórka. Łączna wartość rezystancji w obwodzie wynosi 2 kΩ, w przypadku eksploatowania urządzenia w pomieszczeniach wilgotnych stosuje się rezystor  RB o rezystancji 375 Ω.

Zgodnie z normą  PN-EN 60990:2002 do badania prądu dotykowego stosuje się obwody wyposażone w łączniki umożliwiające zmianę biegunowości i odłączanie przewodu neutralnego i ochronnego w czasie badania (Rysunek 15). Zaleca się stosowanie transformatora ze względu na bezpieczeństwo oraz dla zapewnienia, że napięcie pomiędzy przewodem ochronnym a neutralnym nie przekroczy wartości 1 V.

 

Rysunek 15

 

 W grudniu roku 2015 była przewidziana publikacja normy IEC 62638 Recurrent test and test after repair and modification of electrical  equipment, dotycząca badania okresowego i badania po naprawie urządzeń elektrycznych. Norma miała być opublikowana równocześnie jako norma między narodowa (IEC), norma europejska (EN) i norma polska (PN-EN), jednak po uwagach zgłoszonych do IEC, publikacje norm zostały wstrzymane. Norma bazowała na normie niemieckiej DIN VDE 0701-0702 Prüfung nach Instandsetzung, Änderung elektrischer Geräte – Wiederholungsprüfung elektrischer Geräte, która była powszechnie stosowana wobec braku odpowiedniej normy międzynarodowej i krajowej.
Na podstawie projektu normy międzynarodowej IEC 62638 powstały dwie normy europejskie wydane przez Polski Komitet Normalizacyjny jako PN-EN 50678-2020:11 dotycząca badania po naprawie i PN-EN 50699:2021-07 dotycząca badania okresowego.

W obu normach na badanie okresowe urządzeń [6] i badanie urządzeń po naprawie [5] rysunki przyrządu pomiarowego do pomiaru prądu dotykowego, są nieco inne. Obie normy pochodzą z tego samego projektu normy 62638 [4] i są opracowane przez różne Komitety Techniczne CENELEC. W normie na badanie po naprawie [5], na rysunku przyrządu pomiarowego, znajduje się rezystor przeznaczony do odwzorowania rezystancji ciała ludzkiego, a w normie na badanie okresowe, adekwatny rysunek, nie zawiera takiego rezystora. Na pytanie autora tego tekstu, dotyczącego braku rezystora w jednej z norm, skierowanego do CENELEC (przy okazji zgłoszenia błędów w obu normach), padła odpowiedź, że zaleca się stosowanie przyrządów pomiarowych zgodnych z normą IEC 61557-16 wyposażonych w rezystor 1 kΩ. Zapewne stosowanie przyrządu pomiarowego zgodnego z normą IEC 61557-16 jest zasadne i na pewno bardziej bezpieczne, ale również nieporównywalnie bardziej kosztowne, a to jeden z wielu przyrządów, które mogą być niezbędne.
Rysunek przyrządu pomiarowego zawierający rezystor, który jest w jednej z norm [5], jest bardzo ogólny, ale wyjaśnia zasadę wykonywania pomiaru. To ważne, ponieważ osoby wykonujące pomiary, powinny mieć jak największe kwalifikacje. Znajomość instrukcji obsługi przyrządu pomiarowego, może być niewystarczająca…

Układ pomiarowy z normy IEC 61557 (Rysunek 16) [10], jest przeznaczony dla urządzeń medycznych i innych urządzeń. Dla urządzeń innych niż medyczne, norma zaleca stosowanie w przyrządzie pomiarowym rezystora 2 kΩ, zamiast rezystora 1 kΩ przeznaczonego dla urządzeń medycznych.

 

 

 Rysunek 16

 

Zaciski A i B są przeznaczone do przyłączenia do badanego urządzenia, a do zacisków wyjściowych przyłącza się woltomierz. Wartość zmierzonego prądu upływowego odpowiada spadkowi napięcia (U1) zmierzonego na rezystorze R2 i jest korygowana spadkiem napięcia na rezystorze R1, który jest elementem filtra dolnoprzepustowego (R1, C1). Wartość spadku napięcia wywołanego prądem przepływającym przez kondensator C1, będzie zależała od częstotliwości tego prądu. Działanie filtra korygującego wartość zmierzonego prądu upływowego, przedstawia charakterystyka na Rysunku 17 [10].

 

Rysunek 17

 

 

 

Bibiografia:

1. PN-EN 60990:2002 Metody pomiaru prądu dotykowego i prądu w przewodzie ochronnym
2. PN-EN 61140:2005 Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym – Wspólne aspekty instalacji i urządzeń
3. PN-EN 61010-1:2011 Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych. Część 1: Wymagania ogólne
4. prPN-prEN 62638 Recurrent test and test after repair of electrical equipment
5. PN-EN 50678-2020 Wymagania ogólne do badań bezpieczeństwa urządzeń elektrycznych po naprawie
6. PN-EN 50699:2021-07 Badania okresowe urządzeń elektrycznych
7. E. Musiał Pomiary odbiorcze i eksploatacyjne zapewniające bezpieczeństwo przy urządzeniach elektroenergetycznych
8. E. Musiał Pomiary prądu upływowego i wielkości pochodnych
9. AMPROBE Ein kurzer Leitfaden durch die VDE 0701 / 0702 Amprobe Europe GmbH
10. RIGEL A Practical Guide to IEC 62353