Měření napětí: 3 použité přístroje, příklady

Tlumené světlo ze svítidel nebo neschopnost pračky plnit své funkční povinnosti naznačuje možný pokles napájecího napětí pod normu. V takových případech je nutné napětí změřit, což umožní určit jeho shodu se stanoveným jmenovitým napětím elektrické sítě.

Stejný postup se provádí při opravách elektronických zařízení, kde se měří úbytek napětí na rádiových součástkách a jednotlivých částech obvodu. Tento postup se provádí poměrně snadno, ale bez pochopení fyziky procesu a specifik provádění měření člověk riskuje nejen poškození drahého zařízení, ale také úraz elektrickým proudem, proto se níže podíváme na základní principy měření.

Používaná zařízení

V každé domácnosti elektroměr neustále měří střídavé napětí, ale jen velmi zřídka se tato data někde zobrazují. Některé z nich jsou připojeny přímo, jiné přes měřicí transformátory.

Pro praktické účely lze k měření úrovní napětí použít následující:

• Voltmetry;
• Multimetry
• Osciloskopy.

Voltmetr jsou zařízení pro kontrolu rozdílu potenciálů. V praxi mohou existovat digitální i analogové voltmetry, u kterých se naměřené napětí zobrazuje na displeji, respektive vychýlením šipky na ciferníku.

Důležitými parametry při výběru elektronického i ručičkového voltmetru jsou měrné jednotky (mV, V, kV), provozní rozsah a třída přesnosti. Jejich rozsah použití je však omezený a používá se nejčastěji pro laboratorní výzkum, protože je nepraktické udržovat jedno zařízení pro měření jedné elektrické veličiny pro domácí a průmyslové potřeby.

Multimetr nebo digitální tester je univerzálnější zařízení, které dokáže pracovat s několika parametry: elektrický proud, odpor, frekvence, teplota, napětí atd. Pro měření napětí se multimetr přepne do režimu voltmetru, sondy jsou připojeny k odpovídajícím konektorům. Strukturálně existují digitální i analogové modely, u některých z nich můžete přepínat rozsah měření, zvolit typ proudu, u jiných multimetrů lze všechny tyto hodnoty vybrat automaticky.

Osciloskop – je poměrně složité zařízení pro měření rozdílů potenciálů, protože zobrazuje křivku naměřených hodnot na digitálním nebo analogovém displeji. V tomto případě můžete roztáhnout nebo zkrátit frekvenční rozsah pro zkoumání tvaru pulzních napětí, trvání pulzů, nárůstu a poklesu funkční křivky. Proto se osciloskop pro měření napětí používá ve vysoce přesných elektrických obvodech a zařízeních, při výrobě a testování rádiových součástek atd. Jen málo lidí si osciloskop nechává doma kvůli jeho vysokým nákladům a složitosti provádění operací.

Měření síťového napětí

Pro správné měření napětí je nutné jasně pochopit princip a předmět studie. Proto je třeba poznamenat, že napětí je elektrická veličina, která ukazuje rozdíl náboje mezi dvěma elektrickými body. Například, pokud je náboj v jednom bodě +35 V a v jiném +310 V, pak rozdíl mezi těmito body bude 310 – 35 = 275 V, což bude napětí. Měření napětí lze tedy provádět pouze vzhledem k něčemu, proto se používají dva body najednou.

Pokud hovoříme o úbytku napětí na jakémkoli objektu nebo části obvodu, pak se měření napětí provádí vzhledem ke koncům zařízení nebo obvodu, připojovacím bodům atd. Je důležité vzít v úvahu, že digitální voltmetr nebo multimetr v režimu měření je považován za nekonečný odpor nebo přerušení obvodu.

Pokles napětí je možný pouze tehdy, když protéká proud, takže zapojení voltmetrů do série s měřeným objektem je nepřijatelné, protože jím přestane protékat proud. Analogový nebo elektronický voltmetr by měl být zapojen pouze paralelně s měřeným signálem.

Z praktického hlediska je třeba poznamenat, že analogové modely měřicích přístrojů mají vstupní odpor 10 – 20 kOhm, zatímco moderní multimetry se mohou pochlubit 1 MOhm. Protože odporem na vstupu měřicího přístroje může protékat svodový proud, způsobí tento dělič napětí snížení přesnosti měření. Čím blíže je tedy vstupní odpor nekonečnu, tím přesnější přístroj používáte.

Je důležité si uvědomit, že měření se provádějí pod napětím, a proto existuje riziko úrazu elektrickým proudem. Proto je důležité dodržovat základní bezpečnostní opatření. Dále se budeme zabývat postupem provádění měření stejnosměrného a střídavého napětí.

DC

Pro stejnosměrný obvod se podívejme na postup měření napětí pomocí digitálního multimetru. Postupujte takto:

1. Nastavte přepínač multimetru do polohy pro stejnosměrné napětí. Na panelu je označeno latinským písmenem V se znaménkem „=“, znaménky „+“ a „-“ a může být také označeno zkratkou DC.
2. Vyberte požadovaný limit měření, který bude co nejblíže očekávané nominální hodnotě, ale vyšší než naměřená hodnota.
3. Umístěte sondy do příslušných konektorů – černou do svorky COM, červenou do svorky V.
4. Připojte sondy multimetru ke dvěma bodům najednou – červenou k plusu, černou k mínusu. Pokud předem neznáte polohu potenciálů a údaj přístroje je záporný, stačí změnit polaritu připojení.

Na displeji uvidíte hodnoty voltmetru, pokud je hodnota příliš malá, přepněte knoflík na nižší limit měření. Při přikládání sond vyvíjejte dostatečnou sílu, abyste se vyhnuli vysokému přechodovému odporu, jinak by došlo k znatelné chybě měření.

AC proud

V obvodu střídavého proudu v domácnosti je důležité zvážit jeho nebezpečí kvůli jmenovitému napětí 220/380 V. Pokud tedy není možné multimetr připojit přímo během provozu, mělo by být jeho připojení provedeno s odpojeným napětím pomocí „krokodýlů“.

Jinak je proces měření stejný:

1. Přepněte knoflík multimetru do polohy pro měření střídavého napětí. Na panelu je označeno jako V symbolem „~“ nebo zkratkou AC.
2. Pomocí knoflíku nastavte dělení na požadovanou mez na základě principu nejbližšího vyššího potenciálu vzhledem k naměřené hodnotě.
3. Připojte sondy k příslušným svorkám: černou ke svorce COM, červenou ke svorce V.
4. Připojte měřicí zařízení k požadovanému zařízení, přičemž polarita sond zde nehraje roli.

Na displeji se zobrazí efektivní hodnota rozdílu potenciálů, která je základem pro všechny výpočty. Kromě toho je zde však také hodnota amplitudy, která je √2krát, tj. 1,41krát, větší než efektivní hodnota.

Reálné příklady měření napětí

Nejjednodušším příkladem měření napětí v každodenním životě je prstová baterie. V ní je třeba připojit černou sondu ke svorce „-“ a červenou ke svorce „+“ a nastavit přepínač na 2 V DC.

Pokud jsou hodnoty pro 1,5V baterii v rozsahu 1,6 až 1,2 V, pak je takový zdroj napájení považován za vhodný pro všechna zařízení; pokud hodnoty klesnou na 1–0,7 V, baterie bude napájet pulzní zařízení, jako jsou hodinky. Pokud voltmetr ukazuje 0,6 V nebo méně, vybití dosáhlo kritické hodnoty.

Při měření rozdílu potenciálů v domácí síti byste se měli dotýkat kontaktů zásuvky sondami. Protože izolovaná část sondy má omezovací kroužek, za kterým je dlouhá tyč, můžete bezpečně proniknout do zásuvky, aniž byste riskovali dotyk s prvky vedoucími proud. Odchylky od jmenovité hodnoty o 10 %, tj. od 198 do 142 V, jsou považovány za přijatelné.

Můžete také měřit rozdíl potenciálů na výstupu autobaterie nebo jiného prvku elektrického zapojení. Za tímto účelem se černá sonda multimetru umístí na svorku „-“ baterie a červená na svorku „+“.

Pokud je baterie nabitá, hodnoty voltmetru by měly být mezi 12 a 14 V, ale existují modely s větším rozptylem. Toto měření umožňuje diagnostikovat různé příčiny poruch.

Zkoušky izolace vysokým napětím umožňují detekovat lokální vady, které nejsou detekovány jinými metodami; navíc je tato zkušební metoda přímým způsobem sledování schopnosti izolace odolávat účinkům přepětí a poskytuje určitou úroveň důvěry v kvalitu izolace. Na izolaci se aplikuje zkušební napětí přesahující pracovní napětí a normální izolace zkouškám odolá, zatímco vadná izolace se protrhne.

Při zkouškách vysokým napětím se používají tři hlavní typy zkušebních napětí: napětí vysoké průmyslové frekvence, usměrněné stejnosměrné napětí a impulzní zkušební napětí (standardní bleskové impulsy).

Hlavním typem zkušebního napětí je průmyslové frekvenční napětí. Doba aplikace takové napětí – 1 minuta a Izolace se považuje za vyhovující zkoušce, pokud během této doby nebylo pozorováno žádné průrazení nebo částečné poškození izolace. V některých případech se zkoušky provádějí napětím se zvýšenou frekvencí (obvykle 100 nebo 250 Hz).

Při velké kapacitě testované izolace (při testování kabelů, kondenzátorů) je nutné použít vysoce výkonné testovací zařízení, proto se takové objekty nejčastěji testují se zvýšeným stejnosměrným napětím. Zpravidla jsou při stejnosměrném napětí dielektrické ztráty v izolaci, vedoucí k jejímu ohřevu, o několik řádů nižší než při střídavém napětí stejné efektivní hodnoty; navíc je intenzita částečných výbojů mnohem nižší. Při takových testech je zatížení izolace výrazně menší než při testech se střídavým napětím, takže k proražení vadné izolace je zapotřebí vyšší stejnosměrné napětí než testované střídavé napětí.

Během zkoušek s konstantním napětím se dodatečně sleduje svodový proud izolací. Doba aplikace konstantního zkušebního napětí je od 5 do 15 minut. Izolace se považuje za vyhovující zkouškám, pokud nedošlo k jejímu porušení a hodnota svodového proudu se do konce zkoušek nezměnila nebo se snížila.

Třetím typem zkušebního napětí jsou standardní bleskové napěťové impulsy s frontou 1,2 μs a poločasem rozpadu 50 μs. Zkoušky impulzním napětím se provádějí proto, že izolace je během provozu vystavena bleskovým přepětím s podobnými charakteristikami. Vliv bleskových impulsů na izolaci se liší od vlivu napětí 50 Hz v důsledku mnohem vyšší rychlosti změny napětí, což vede k odlišnému rozložení napětí na složité izolaci, jako je izolace transformátoru; navíc se samotný průrazný proces v krátkých časech liší od průrazného procesu při 50 Hz, který je popsán voltsekundovými charakteristikami. Z těchto důvodů jsou zkoušky napětím s průmyslovou frekvencí v řadě případů nedostatečné.

Dopad bleskových přepětí na izolaci je často doprovázen aktivací ochranných svodičů, které přepěťovou vlnu odříznou několik mikrosekund po jejím vzniku, proto se při testování používají pulzy, které jsou odříznuty 2–3 μs po vzniku pulzu (odříznuté standardní bleskové pulzy). Amplituda pulzu se volí na základě možností zařízení, které chrání izolaci před přepětím, s určitými rezervami a na základě možnosti akumulace skrytých vad při opakovaném vystavení pulzním napětím. Konkrétní hodnoty zkušebních pulzů se stanoví podle GOST 1516.1-76.

Zkoušky vnitřní izolace se provádějí metodou tří nárazů. Na objekt se aplikují tři impulsy s kladnou a zápornou polaritou, nejprve plný a poté přerušený. Časový interval mezi impulsy je alespoň 1 minuta. Izolace se považuje za vyhovující, pokud během zkoušky nedošlo k žádným průrazům a nebylo zjištěno žádné poškození. Metoda detekce poškození je poměrně složitá a obvykle se provádí oscilografickými metodami.

Vnější izolace zařízení se zkouší metodou 15 rázů, kdy se na předmět aplikuje patnáct impulsů obou polarit, plných i řezných, v intervalech nejméně jedné minuty. Izolace se považuje za vyhovující zkoušce, pokud v každé sérii patnácti impulsů nedošlo k více než dvěma plným výbojům (překrytím).

Všechny typy testů lze rozdělit do tří hlavních skupin, které se liší účelem a podle toho objemem a standardy:

· testování nových produktů v závodě výrobce;

· testování po instalaci nebo instalaci nového zařízení, testování po větších opravách;

· pravidelné preventivní prohlídky.

Během preventivních nebo poopravních zkoušek se kontroluje schopnost izolace fungovat bez poruchy až do dalších pravidelných zkoušek. Zkouška izolace zvýšeným napětím poskytuje pouze nepřímé posouzení dlouhodobé elektrické pevnosti izolace a jejím hlavním úkolem je kontrola absence hrubých koncentrovaných vad.

Zkušební napětí pro nová zařízení ve výrobních závodech jsou stanovena normou GOST 1516.2-97 a během preventivních zkoušek se hodnoty zkušebních napětí berou o 10-15 % nižší než tovární normy. Toto snížení zohledňuje stárnutí izolace a snižuje riziko hromadění vad, které vznikají během zkoušek.

Zkoušky izolace se zvýšeným napětím za provozních podmínek se provádějí u určitých typů zařízení (točivé stroje, silové kabely) se jmenovitým napětím ne vyšší než 35 kV, protože při vyšších napětích jsou testovací sestavy příliš objemné.

Kabely. Zkušební napětí pro kabely se nastavuje v souladu s očekávanou úrovní vnitřního a bleskového přepětí.

Ve výrobních závodech se kabely plněné olejem a kabely s nízkoviskózní impregnací testují zvýšeným napětím průmyslové frekvence (asi 2,5 U_nom). Kabely s viskózní impregnací a plynové kabely se zkoušejí usměrněným napětím řádově (3,5 až 4) U, aby se zabránilo poškození izolace._nom, kde U_nom – síťové napětí při provozním napětí 35 kV a nižším.

Kromě toho se měří izolační odpor a při provozním napětí 6 kV a více se měří izolační odpor a tgδ.

Po položení kabelu, po větších opravách a při preventivních zkouškách se izolace kabelu zkouší zvýšeným usměrněným napětím. Doba zkoušky pro kabely s napětím 3–35 kV je 10 min pro kabely po položení a 5 min po větších opravách a při preventivních zkouškách. Četnost preventivních zkoušek je od dvakrát ročně do jednou za tři roky pro různé kabely. Během zkoušek se sleduje svodový proud, jehož hodnoty se pohybují v rozmezí 150 až 800 μA/km pro normální izolaci. Izolační odpor se měří před a po zkouškách.

Výkonové transformátory Ve výrobním závodě se vnitřní a vnější izolace testuje plnými a řeznými standardními bleskovými impulsy, stejně jako zvýšeným střídavým napětím průmyslové frekvence. Detekce poškození podélné izolace se nejčastěji provádí oscilografií proudu v neutrálu transformátoru a porovnáním oscilogramu s typickým.

Pokud je izolace nulového a fázového vodiče stejná, pak se při zkouškách se zvýšeným střídavým napětím oba konce testovaného vinutí izolují a na vinutí se přivádí napětí z externího zdroje. Pokud je úroveň izolace nulového vodiče snížena, pak se zkoušky provádějí s indukovaným napětím zvýšené frekvence (až 400 Hz) tak, aby bylo možné přivést napětí asi 2 U._nomNulový vodič je uzemněn nebo je na něj přivedeno externí napětí o stejné frekvenci. Protože elektromotorická síla vlastní indukce ve vinutí je úměrná frekvenci, lze při stejné maximální indukci přivést zvýšené zkušební napětí ve srovnání s pracovním.

Během testování izolace musí být postupně testován každý elektricky nezávislý obvod nebo paralelní větev (v druhém případě, pokud je mezi větvemi úplná izolace) a zkušební napětí se přivádí mezi svorku a uzemněné pouzdro, všechna ostatní vinutí jsou uzemněna. Měření izolačního odporu se provádí před a po testování se zvýšeným napětím.

Před prvním zapnutím nově instalovaného transformátoru se změří průrazné napětí transformátorového oleje, izolační odpor a koeficient absorpce, poměr. C₂/C₅₀, tgδ (jejíž hodnota je porovnána s výsledky továrních testů).

Během pravidelných preventivních zkoušek se provádějí stejné zkoušky jako před prvním zapnutím, ale přípustné hodnoty tgδ v tomto případě se zvyšují. U vinutí s napětím do 35 kV se předpokládají izolační zkoušky se zvýšeným napětím při preventivních zkouškách, hodnoty zkušebních napětí se snižují na 0,85-0,9 hodnoty továrního zkušebního napětí.

Četnost preventivních zkoušek u různých transformátorů se pohybuje od jednou ročně do jednou za čtyři roky.

Průchodky vysokého napětí Hlavním typem kontroly je periodická inspekce (od jednou za tři dny do jednou za šest měsíců) a měří se také izolační odpor mezi speciální měřicí vložkou průchodky a spojovací objímkou. Četnost těchto zkoušek se u různých průchodek liší, ale nejméně jednou za 4 roky.

5.1. Standardizované hodnoty [1]

Zkoušky elektrických zařízení vysokým napětím se provádějí před jejich uvedením do provozu v časových lhůtách stanovených v harmonogramu plánované preventivní údržby a preventivních zkoušek elektrických zařízení.

Normy, zkušební podmínky a postup jejich provádění jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1. Normy, podmínky zkoušek vysokým napětím a pokyny pro jejich provedení

Testovací objekt