Měření při revizích elektrických instalací dle ČSN 33 2000-6 ed. 2 a ČSN 33 2000-4-41 ed. 2. Jedním z nejdůležitějších způsobů ochrany před nepříznivými účinky elektrického proudu je samočinné odpojení elektrického obvodu od zdroje v případě, kdy se vlivem poruchy izolace dostane nebezpečné napětí na neživé části obvodu.
Tím dojde ke změně v síti, obvykle k průtoku poruchového proudu jinou cestou než pracovními vodiči, což uvede v činnost jistící prvek, který odpojí elektrický obvod od zdroje.
Požadavky na přesnost měření impedance poruchové smyčky
Jak ví jistě každý, kdo má alespoň základní elektrotechnické znalosti, nejsou hodnoty naměřené měřicím přístrojem absolutně přesné. Skutečná hodnota měřené veličiny se této přístrojem zobrazené hodnotě více či méně blíží a nachází se v intervalu definovaném nejistotou měření měřicího přístroje. Dříve se tato nejistota měření nazývala chybou měření. Při vyhodnocení výsledků měření při revizích je třeba s nejistotou měření počítat a především tehdy, kdy naměřená hodnota se blíží mezní hodnotě veličiny povolené normou je třeba nejistotu měření spočítat a vyhodnotit, zda po jejím zohlednění je výsledek z hlediska ČSN ještě vyhovující.
Technické parametry měřicího přístroje
Přesnost měření, tzn. definování nejistoty měření a další údaje důležité pro vyhodnocení měření lze nalézt v návodu k použití každého měřicího přístroje v kapitole označené obvykle jako „Technické parametry“. Které údaje důležité pro provoz měřicího přístroje by v jeho návodu k použití neměly chybět, definují normy ČSN EN 61557. Vysvětleme si nejdůležitější pojmy z technických parametrů nutné pro správné stanovení nejistoty měření.
Níže uvedené názvosloví je převzato z ČSN 01 0115 (Mezinárodní slovník termínů v metrologii) nebo je vžito pro označování příslušných technických parametrů u českých výrobců měřicí techniky. V návodech k zahraničním přístrojům se lze často setkat s odlišným názvoslovím vzniklým obvykle jako doslovný překlad cizojazyčných, většinou anglických výrazů do češtiny.
Základní nejistota měření – nejistota měřicího přístroje stanovená za referenčních podmínek. Tento údaj je důležitý pro kalibrační laboratoř, která má provést kalibraci přístroje.
Pracovní nejistota měření – nejistota měřicího přístroje určená za pracovních podmínek. Nejistotu stanoví výrobce přístroje tak, že k základní nejistotě přičte veškerá možná zhoršení přesnosti, která mohou vzniknout okolními vlivy, jestliže přístroj není provozován za referenčních podmínek. Pracovní nejistota tedy nemůže být menší než základní nejistota měření.
Tento údaj je důležitý pro uživatele přístroje. Není-li v návodu k použití tato nejistota uvedena, nelze prakticky měřicí přístroj pro revize použít.
Vyjádření pracovní nejistoty bývá v technických parametrech návodů k použití vyjádřeno různým způsobem. Pro uživatele nejjednodušší je, pokud je v návodu k použití přístroje uvedena přímo pracovní nejistota ve tvaru popsaném v kap. 3.2. V některých návodech k přístrojům však bývá uvedena základní nejistota a pracovní nejistotu je třeba stanovit tak, že se k této základní nejistotě přičte určitý koeficient stanovený výrobcem. V návodech ke starším přístrojům Metry Blansko je například uvedeno, že k základní chybě se přičítají určité desetiny procenta z měřené hodnoty na každý °C, o který se okolní teplota liší od stanovené referenční teploty apod. Je zřejmé, že takovéto vyjádření pracovní nejistoty je pro uživatele velice komplikované a v praxi téměř nepoužitelné.
Pracovní podmínky – podmínky, za kterých lze přístroj provozovat a je při nich definována pracovní nejistota měření. Mezi pracovní podmínky může patřit například okolní teplota, relativní vlhkost vzduchu, napájecí napětí přístroje apod. Mimo tyto pracovní podmínky nelze přístroj provozovat, neboť měření proběhlo v oblasti, kde již není definována přesnost měření a nelze tedy zjistit, nakolik se od skutečné hodnoty liší. Navíc hrozí i poškození přístroje při jeho provozu, např. napěťový průraz izolací při vysoké vlhkosti ovzduší.
Tento údaj je důležitý pro uživatele přístroje.
Referenční podmínky – podmínky použití předepsané pro vzájemné porovnání výsledků měření například při kalibraci přístroje v kalibrační laboratoři. Jsou obdobné jako pracovní podmínky, ale jejich toleranční pásmo je značně menší. Při referenčních podmínkách je definována základní nejistota měření.
Tento údaj je důležitý pro kalibrační laboratoř, která má provést kalibraci přístroje.
Měřicí rozsah – rozsah hodnot, které je přístroj schopen měřit s definovanou přesností, jinak řečeno nalézá-li se hodnota měřené veličiny v tomto rozsahu, lze stanovit, s jakou absolutní chybou byla změřena.
Rozlišovací schopnost – nejmenší rozdíl mezi indikacemi zobrazovacího zařízení, který může být prokazatelně rozlišován.
U digitálních přístrojů se jedná o nejmenší hodnotu, kterou je přístroj schopen zobrazit na displeji, např. jedno číslo na posledním místě zobrazeného údaje, které se pro účely definování nejistot měření nazývá digit.
Jmenovitý rozsah – pod tímto pojmem je v technických podmínkách míněn rozsah, ve kterém přístroj měří s relativní pracovní nejistotou menší nebo rovnou hodnotě požadované příslušnou normou.
Jak bude vysvětleno dále, je jmenovitý rozsah pro měřiče impedance jedním z nejdůležitějších údajů, které lze z technických podmínek vyčíst, neboť z něj vyplyne vhodnost použití přístroje pro konkrétní měření. Na základě tohoto údaje můžeme usoudit, zda pro měření obvodu s daným jištěním nám přístroj bude z hlediska přesnosti stačit, nebo zda budeme muset použít přesnější přístroj.
Vysvětleme si ještě, co je to absolutní a relativní nejistota měření. S těmito pojmy se sice v technických údajích přístrojů nesetkáme, ale jsou důležité pro pochopení toho, co je míněno chybou měření uvedenou v návodu k použití a jaké požadavky na přesnost přístrojů kladou ČSN.
Absolutní nejistota měření – tento údaj bývá uváděn v technických parametrech přístroje jako základní nebo pracovní nejistota a lze z něj stanovit absolutní hodnotu (velikost) nejistoty, s jakou byla konkrétní hodnota naměřena přímo v jednotkách měřené veličiny. Je-li absolutní hodnota nejistoty přičtena a odečtena od naměřené hodnoty, definuje interval, ve kterém se nachází skutečná (pravá) hodnota měřené veličiny.
Relativní nejistota měření – pro účely posouzení použitelnosti přístroje z hlediska ČSN a stanovení jmenovitého pracovního rozsahu je touto nejistotou míněn procentuální podíl absolutní hodnoty nejistoty z naměřené hodnoty vztažený k jmenovité hodnotě.
Pokud příslušné normy (např. ČSN EN 61557) požadují, aby pracovní nejistota měření nepřesáhla ve vyznačeném rozsahu maximální odchylku 30 % od naměřené hodnoty, mají na mysli právě tuto relativní nejistotu, kterou nelze zaměňovat s absolutní nejistotou uváděnou v technických parametrech přístroje!
Vyjádření přesnosti měření a výpočet nejistoty
V technických parametrech měřicího přístroje je přesnost měření vyjádřena absolutní nejistotou. Obvykle se nejistota měření skládá ze dvou částí. První část bývá proměnná a její absolutní hodnota závisí na velikosti naměřené hodnoty. Nazývá se nejistotou z měřené hodnoty. Druhá část je konstantní v celém měřicím rozsahu, na velikosti naměřené hodnoty nezávisí a nazývá se nejistotou z měřicího rozsahu. Součet obou částí je absolutní hodnotou nejistoty a jejím přičtením a odečtením od naměřené hodnoty lze stanovit interval, ve kterém se pohybuje skutečná (pravá) hodnota měřené veličiny. Grafické znázornění jednotlivých složek nejistoty měření je znázorněno na obr. 8.
V technických podmínkách se lze setkat s různými tvary vyjádření nejistot měření. Digitální přístroje, které na trhu převládají, mají nejistoty měření uváděny nejčastěji ve tvaru: ± (x % z MH+y D)
- x % z MH je proměnná část nejistoty a spočítá se jako příslušné procento z naměřené hodnoty, tzn. z údaje na displeji přístroje.
- y D je neproměnná část nejistoty a značí počet digitů, tj. čísel udávaných v technických parametrech jako rozlišovací schopnost. Místo v digitech může být někdy tato část nejistoty uvedena přímo v příslušných jednotkách (např. u ohmmetru přímo v Ω).
Analogové (ručkové) nebo někdy i digitální přístroje mají tutéž chybu vyjádřenu ve tvaru: ± (x % z MH+y % z MR)
- x % z MH je proměnná část nejistoty a spočítá se jako příslušné procento z naměřené hodnoty, tzn. z údaje na displeji přístroje.
- y % z MR je neproměnná část nejistoty a vypočítá se jako příslušné procento z měřicího rozsahu, tzn. z nejvyšší hodnoty, kterou je přístroj v daném měřicím rozsahu schopen zobrazit.
Někteří výrobci, především u méně přesných přístrojů, definují přesnost pouze neproměnnou částí chyby a vyjadřují ji v různých tvarech: ± y % z MR, ± y D, ± y Ω
- y % z MR je neproměnná část nejistoty a vypočítá se jako příslušné procento z měřicího rozsahu, tzn. z nejvyšší hodnoty, kterou je přístroj v daném rozsahu schopen zobrazit.
- y D – v tomto tvaru je již přímo uvedena absolutní hodnota nejistoty měření v digitech nebo příslušných jednotkách.
Pozn.: Zkratky MH (měřená hodnota), MR (měřicí rozsah), D (digit) mohou být v technických parametrech některých, především cizojazyčných návodů zahraničních přístrojů uvedeny jinak (např.: of r., rdg, dgt,…), a často je v této podobě převezmou i překladatelé návodů do češtiny.
Příklad výpočtu nejistoty měření
Postup výpočtu nejistoty měření a jejího vyhodnocení pro měřič impedance je vysvětlen na následujícím příkladu.
Bylo provedeno měření impedance poruchové smyčky přístrojem, u kterého lze v technických parametrech v návodu k použití vyčíst následující údaje a na displeji měřicího přístroje se zobrazil naměřený údaj 0,50 Ω.
Absolutní hodnotu pracovní nejistoty měření lze vypočítat takto: ± (2 % z MH + 5 D) => ± (0,01 Ω + 0,05 Ω) = ± 0,06 Ω
Skutečná (pravá) hodnota odporu PE vodiče se tedy nachází v rozmezí: 0,50 ± 0,06 Ω, tj. 0,44 Ω)÷ 0,56 Ω
Z hlediska vyhodnocení měření impedance poruchové smyčky je důležitá horní hranice vypočteného pásma nejistoty měření, tzn. při výpočtu, zda je impedance poruchové smyčky dostatečně malá, aby jištění instalace vypnulo v předepsaném čase, je nutno počítat s tím, že skutečná hodnota impedance může být až 0,56 Ω a nikoliv naměřených 0,50 Ω.
Jmenovitý rozsah
Z tohoto údaje v technických parametrech přístroje lze vyčíst, v jakém rozsahu měření nepřesahuje procentuální podíl absolutní hodnoty pracovní nejistoty z naměřené hodnoty, vztažený ke skutečné hodnotě měřené veličiny velikost požadovanou ČSN EN 61557, tedy maximálně 30 %.
Smysl stanovení maximální relativní pracovní nejistoty měření tkví v tom, aby k měření příslušných veličin při revizích byl použit přístroj s dostatečnou přesností.
Znamená to, že měřič impedance lze použít při revizi pro výpočet jištění tehdy, pokud velikost měřené impedance se nachází uvnitř jmenovitého rozsahu. Měřenou impedancí je v tomto případě míněna výpočtem zjištěná hodnota, která určuje, zda jištění instalace bude v případě poruchy pracovat správně.
Měřič impedance dokáže měřit hodnoty v celém měřicím rozsahu, tedy i mimo jmenovitý rozsah. Pokud by ovšem byl k měření nízké hodnoty impedance použit málo přesný měřicí přístroj, může nastat situace, kdy nelze rozhodnout, zda jištění bude v případě poruchy pracovat správně.
Padne-li tedy dotaz, zda je měřič impedance vhodný k měření při revizích, lze hledat odpověď právě v technických podmínkách v parametru – jmenovitý rozsah. Přístroj je z hlediska norem vhodný pro taková měření, kdy vypočtená impedance, do které jištění ještě pracuje správně, se nachází uvnitř jmenovitého rozsahu přístroje, kterým chceme provést kontrolní měření. Na příkladu bude výběr vhodného měřicího přístroje popsán v dalších kapitolách.
Ovlivnění impedance vnějšími vlivy
Při revizi je třeba ověřit, že jištění obvodů instalace bude spolehlivě fungovat nejen tehdy, kdy je měření prováděno, ale především v okamžiku budoucího možného průchodu poruchového proudu, kdy se velikost impedance může změnit. V tabulce 1 jsou uvedeny vlivy, které ovlivňují velikost impedance v době vzniku skutečného poruchového proudu a v okamžiku měření, tedy v době průchodu poruchového proudu simulovaného měřicím přístrojem.
Je zřejmé, že impedance poruchové smyčky může být v době vzniku skutečné poruchy významně vyšší než ve chvíli, kdy je prováděno měření. Hlavním důvodem je především oteplení vodičů, jehož příčinou může být vyšší okolní teplota nebo vyšší proudové zatížení sítě, případně ohřátí vlivem průtoku vysokého poruchového proudu. Velikost zkratového proudu, která je rozhodující pro včasné vybavení jistícího prvku, může být také ovlivněna nižším síťovým napětím způsobeným například úbytkem napětí na dlouhých vodičích instalace v jejích koncových bodech.
Proto je v normě ČSN 33 2000-6 ed. 2 v příloze D. 6.4.3.7.3 doporučeno, aby se změna impedance způsobená případným oteplením vodičů a vliv možného nižšího napětí sítě proti jeho jmenovité hodnotě zohlednily vynásobením naměřené impedance koeficientem 1,5. Při výpočtu jištění se pak pracuje s touto zvýšenou hodnotou.
Koeficient 1,5 však nezahrnuje vliv nepřesnosti měření způsobené měřicím přístrojem. Z toho důvodu je nutno naměřenou hodnotu zvýšit o možnou nejistotu měření a pro výpočet jištění použít hodnotu zvýšenou o absolutní nejistotu měření vynásobenou navíc koeficientem 1,5. Podmínku pro správnou funkci ochrany samočinným odpojením od zdroje lze pak vyjádřit vzorcem: 1,5 x (ZS (m)+ ∆ ZS (m)) ≤ Uo/Ia
Nebo jinak zapsáno: (ZS (m)+ ∆ ZS (m))≤ UO/Ia x 2/3
- Ia proud zajišťující samočinné odpojení ochranného prvku v předepsané době (ČSN 33 2000-4-41 kap. 411.4.)
- UO jmenovité střídavé napětí proti zemi (efektivní hodnota)
- 2/3 koeficient zahrnující součinitel oteplení vedení, bezpečnostní součinitel a napěťový součinitel zatížené sítě
- ZS (m) naměřená hodnota impedance poruchové smyčky L – PE
- ΔZS (m) absolutní nejistota měření
