Testy bezpieczeństwa elektrycznego. Cztery testy określające bezpieczeństwo urządzeń

92 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Urządzenia elektryczne i elektroniczne są zbudowane z wielu podzespołów i części. W większości przypadków są to podzespoły, któ- re można sklasy?kować ze względu na przewod- nictwo prądu, czyli na takie które przewodzą prąd (przewodniki) lub nie (izolatory). W przy- padku, gdy izolator osłaniający części, które są pod napięciem niebezpiecznym dla życia jest uszkodzony może nastąpić porażenie elektrycz- ne operatora. Przegrzany, uszkodzony element izolacyjny stwarza ryzyko wystąpienia pożaru. Aby zapobiec takim przypadkom, należy kon- trolować pod względem bezpieczeństwa urzą- dzenia elektryczne. Bezpieczeństwo elektryczne urządzeń jest sprawdzane za pomocą testów: Testy bezpieczeństwa elektrycznego Cztery testy określające bezpieczeństwo urządzeń Urządzenia elektryczne i elektroniczne powinny charakteryzować się odpowiednim bezpieczeństwem użytkowania. Wymagania na zabezpieczenia przed porażeniem oraz przeciwpożarowe określone są w normach krajowych i międzynarodowych. Aby sprawdzić, czy dane urządzenie spełnia normy bezpieczeństwa, należy przeprowadzić na nim odpowiednie testy. W artykule opisano cztery podstawowe testy sprawdzenia bezpieczeństwa urządzeń elektrycznych. Rys. 1. Ilustacja możliwości porażenia obsługującego urządzenie elektryczne Rys. 2. Test wytrzymałości napięciowej 93ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Testy określające bezpieczeństwo urządzeń Rys. 3. Pomiar rezystancji izolacji Tab. 1. Klasy bezpieczeństwa sprzętu Klasa 0 Sprzęt, w którym ochrona przed porażeniem elektrycznym uzyskana jest wyłącznie poprzez podstawową izolację Klasa 0I Sprzęt, w którym ochrona przed porażeniem elektrycznym uzyskana jest poprzez podsta- wową izolację oraz dołączenie do zewnętrznego uziemienia. Sprzęt taki nie może być dołączony do gniazda zasilania z bolcem uziemienia (trzecia końcówka) Klasa I Ochrona w postaci podstawowej izolacji oraz poprzez zapewnienie dołączenie do prze- wodu ochronnego części, które mogą stanowić zagrożenie w przypadku awarii ochrony podstawowej Klasa II Sprzęt, w którym oprócz podstawowej ochrony przed porażeniem stosuje się dodatkowe stopnie ochrony, takie jak podwójna lub wzmocniona izolacja Klasa III Jest to sprzęt zasilany bardzo małym napięciem lub zasilany z obwodu SELV lub PELV wytrzymałości napięciowej, rezystancji izolacji, prądów upływu i ciągłości uziemienia. Przeprowadzenie tych czterech pomiarów jest wymagane przez normy bezpieczeństwa IEC i UL. Pomiary wytrzymałości napięciowej i ciągłości uziemienia są testami rutynowymi, które muszą być przeprowadzone dla każdego wyrobu. Testy te wykonuje się pomiędzy obwo- dem pierwotnym, a częściami urządzenia, które są dostępne dla użytkownika. Na rys. 1 prze- stawiono możliwe rozpływ prądu w urządzeniu zasilanym z sieci. W tym przypadku porażenie może nastąpić, gdy impedancje Z1 i Z2 mają zbyt małe wartości. Pomiar wytrzymałości napięciowej Test wytrzymałości napięciowej jest prze- prowadzany w celu ustalenia, czy izolowane od siebie części urządzenia elektrycznego mają odpowiednią wytrzymałość dielektryczną dla zadanego napięcia, tzn. przy tym napięciu nie następuje przebicie izolacji. Pomiar wytrzymałości napięciowej polega na przyłożeniu na określony czas do badanego urządzenia (między izolowane elementy) napię- cia, znacznie przekraczającego napięcie pracy i sprawdzeniu czy nastąpi przebicie izolacji. Je- żeli podczas testu prąd płynący przez izolację R E K L A M A 94 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Rys. 7. Obwód modelujący impedancję ciała ludzkiego przekroczy dozwoloną wartość, to uznaje się, że nastąpiło przebicie izolacji. W przeciwnym wypadku przyjmuje się, że izolator ma właściwą wytrzymałość napięciową. Schemat obwodu do badania wytrzymałości napięciowej przedstawiono na rys. 2. W teście jest wykonywany pomiar natężenia prądu płyną- cego przez impedancje zastępcze Z1 i Z2. W typowej kon?guracji pomiarowej, do badanego urządzenia przykładane jest napię- cie przemienne. W przypadku, gdy zastosowa- no ?ltr redukujący zakłócenia EMI w miejscach odpowiadających impedancji zastępczej Z1 lub Z2, a jego pojemność ma dużą wartość, to trud- no jest rozróżnić prąd płynący przez ?ltr EMI od prądu powstałego przy przebiciu izolatora. W tym przypadku należy wykonać pomiar przy napięciu stałym o wartości równej wartości szczytowej napięcia przemiennego. Pomiar rezystancji izolacji Pomiar wytrzymałości napięciowej pozwala na wykrycie defektów izolatora poprzez spraw- dzenie wystąpienie przebicia izolatora. Defekty izolacji mogą być także wykryte poprzez pomiar rezystancji izolacji. Pomiary wykonywane są przy napięciu sta- łym 10- lub 15-krotnie wyższym od normalne- go napięcia pracy. Rezystancja jest określana na podstawie natężenia prądu płynącego w obwo- dzie (rys. 3). Jeżeli rezystancja izolacji ma odpo- wiednią wartość, to przyjmuje się, że użytkow- nik jest w wystarczający sposób chroniony przed porażeniem elektrycznym. Chociaż impedancja izo- lacji zawiera również składo- wą reaktancyjną, to przy tym pomiarze jest ona pomijana. Z tego powodu pomiary rezy- stancji izolacji przeprowadza- ne są przy napięciu stałym. Pomiar ciągłości uziemienia Ten pomiar wery?ku- je integralność obwodu ochronnego składającego się w sprzęcie klasy I (tab. 1) z podstawowej izolacji elementów pod napięciem i uziemienia. Pomiary ciągło- ści uziemienia polegają na wymuszeniu prądu o natężeniu 10...60 A w cza- sie od 60 sekund do kilku minut (rys. 4). W tym teście rezystancja obwodu uziemienia jest okre- ślana na podstawie pomiaru spadku napięcia. W wielu normach określa się maksymalną rezystancję uziemienia jako mniejszą lub równą 0,1 V (w niektórych maksymalny spadek napię- cia na obwodzie uziemienia) oraz napięcie przy otwartym obwodzie jako równe lub mniejsze od 6...12 V. Jeżeli urządzenie przejdzie pomyślnie test ciągłości uziemienia, można przyjąć, że użyt- kownik jest wystarczająco chroniony przed po- Rys. 5. Ilustracja wystąpienia prądu dotykowego Rys. 4. Test ciągłości uziemienia Rys. 6. Zastępcza impedancja ciała ludzkiego 95ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Testy określające bezpieczeństwo urządzeń rażeniem elektrycznym, nawet jeśli izolacja po- między obwodem pierwotnym, a nieosłoniętą częścią przewodzącą urządzenia ulegnie uszko- dzeniu (wówczas prąd awaryjny będzie płynął przewodem PE do sieci). Przewód PE dołączony do dostępnych części przewodzących powinien mieć impedancję o małej wartości, w przeciw- nym wypadku wzrasta ryzyko porażenia. Pomiar prądu upływu Prądy dotykowy oraz prąd obwodu ochron- nego zde?niowane zostały w międzynarodowej normie IEC 60990. Terminy te zastępują wcze- śniejsze określenie prądu upływu. W zasadzie w większości testów jest mierzony prąd upływu. W testach wytrzymałości napięciowej i rezystan- cji izolacji mierzone jest natężenie prądu płyną- cego przez izolację. W tescie prądu dotykowego mierzy się prąd upływu płynący przez zastępczą impedancję ciała ludzkiego, a w teście prądu w obwodzie ochronnym prąd płynący przez przewód uziemiający. Jak wspomniano, prąd dotykowy jest prą- dem płynącym przez ciało ludzkie (rys. 5), które ma styczność z urządzeniem elektrycznym (do- stępnymi częściami przewodzącymi). Wyma- gane jest, aby prąd ten nie przekraczał zaleceń norm bezpieczeństwa elektrycznego. Pomiar prądu dotykowego przez człowieka mógłby być niebezpieczny dla jego zdrowia lub życia. Dlatego stosuje się zastępczą impedancję ciała ludzkiego (rys. 6). W teście mierzony jest prąd płynący przez obwód modelujący impe- dancję ciała ludzkiego (rys. 7). W niektórych przypadkach mierzony jest również prąd płyną- cy między obudową a siecią zasilającą lub mię- dzy obudową urządzenia badanego i obudową innego urządzenia. Podsumowanie Testy bezpieczeństwa elektrycznego pozwa- lają wyeliminować z eksploatacji urządzenia, w których występuje ryzyko porażenia elektrycz- nego lub wystąpienie pożaru. Pomiary bezpieczeństwa elektrycznego mogą być wykonywane przy użyciu specjali- stycznych urządzeń pomiarowych, na przykład jakie opisywane w EP12/2008. Testery bezpie- czeństwa automatyzują proces pomiarowy, dzięki czemu mogą być wykorzystywane na linii produkcyjnej. Maciej Gołaszewski, EP maciej.golaszewski@ep.com.pl R E K L A M A Ileż to razy zdarzyło się nam zasnąć podczas oglądania telewizji. Szkoda jest podwójna ? niezdrowy jest sen, któremu towarzyszy dźwięk i rozbłyski z telewizora i marnuje się energia elektryczna. Na ostatnim Consumer Electronics Show (styczeń 2009, Las Vegas) ?rma Sony zademonstrowała telewizor wyposażony w gadżet wyłączający odbiornik, gdy telewidz zaśnie. Idea jest bardzo prosta ? czujnik ruchu cały czas monitoruje sytuację w pomieszczeniu i gdy przez jakiś czas stwierdza bezruch ? wyłącza telewizor. ZapraszamyCzytelnikówdoopracowaniaprojektuurządzeniarealizującegoidentycznąfunkcję?wyłączanie telewizora, gdy telewidz zaśnie. Można wykorzystać ideę Sony lub zaproponować inne rozwiązanie. Najciekawsze projekty opublikujemy na łamach EP (honorarium 250 zł/stronę). Redakcja EP Śpij spokojnie Konkurs Konkurs