ایمنی در دستگاه‌های اندازه‌گیری الکتریکی
انتخاب یک دستگاه اندازه‌گیری مناسب، شبیه به انتخاب یک کلاه ایمنی برای موتورسواری است. برای این کار باید به نکات ایمنی، محیط استفاده و مفهوم علائم درج شده روی دستگاه‌ها توجه کرد. شما به‌عنوان یک متخصص برق باید پاسخ این سوال‌ها را بدانید:
- آیا انتخاب یک ولت‌متر با میزان ولتاژ اندازه‌گیری بالا کافی است؟
- هنگام اندازه‌گیری یک ولتاژ نامشخص توصیه می‌شود که رنج ولتاژ دستگاه را روی حداکثر قرار دهید. این کار از حوادث انتخاب اشتباه دستگاه جلوگیری می‌کند؟
- عبارت CAT و اعداد کنار آن به چه معنی هستند؟
- علامت دو مربع یا دیگر علائم کلاس های عایقی روی برخی از دستگاه ها چه مفهمومی دارند؟
- چه خطراتی حین اندازه‌گیری ما را تهدید می‌کند؟
- تغییرات شدید ولتاژ یا همان ولتاژهای گذرا چیست؟
- قوس الکتریکی و خطرات آن چیست؟
در ادامه تمام تعاریف و علائم ایمنی و مهم درج شده روی لوازم اندازه‌گیری به‌صورت کامل بررسی خواهد شد. در تصویر نیز برخی از این علائم را مشاهده می کنید.
ولتاژ گذرا چیست؟
ولتاژ گذرا (High-Voltage Spike or Transient)، تغییر شدید ولتاژ در یک زمان بسیار کوتاه است. میزان ولتاژ ممکن است در این تغییرات تا چند هزار ولت برسد اما زمان آن بسیار کوتاه و در حد میکروثانیه است. از آن‌جایی که شبکه‌های توزیع الکتریکی و بارها پیچیده شده‌اند؛ احتمال رخ دادن اضافه ولتاژهای گذرا نیز افزایش یافته است.
موتورها؛ خازن‌ها؛ مبدل‌های توان مانند درایوها و … می‌توانند منبع تولید اضافه ولتاژهای گذرا باشند. برخورد صاعقه با خطوط هوایی نیز می‌تواند باعث ایجاد ولتاژهای گذرای بسیار شدیدی شود.
در این‌جا یک سوال اساسی مطرح می‌شود: چرا ولتاژ گذرا در دستگاه اندازه‌گیری مهم است؟
مقدار اضافه ولتاژهای گذرا در انواع مدارهای فشار ضعیف ممکن است تا چند هزار ولت برسد. در هر لحظه از اندازه‌گیری الکتریکی ممکن است این اضافه ولتاژها رخ دهند. اضافه ولتاژ یک خطای غیر قابل دیدن و فوق‌العاده خطرناک است. برای ایمنی حین اندازه‌گیری، شما به یک حاشیه‌ی امن ولتاژ در دستگاه اندازه‌گیری خود نیاز دارید. این حاشیه با انتخاب رنج ولتاژ بیشتر روی دستگاه ایجاد نمی‌شود. در واقع این‌که حداکثر مقدار ولتاژی که یک دستگاه می‌تواند اندازه بگیرد، بیان‌کننده‌ی استقامت آن در برابر اضافه ولتاژهای گذرا نیست.
در حفاظت مدار داخلی دستگاه اندازه‌گیری، تنها مسئله، مقدار ماکزیمم ولتاژ در حالت پایدار نیست. نکته‌ی مهم ترکیب مقدار ولتاژ در حالت دائم و مقدار آن در حالت‌های گذرا می‌باشد. حفاظت در برابر ولتاژ گذرا امری حیاتی ست. وقتی ولتاژهای گذرا به مدارهای قدرت می‌رسند، می‌توانند بسیار خطرناک‌تر باشند چون این مدارها دارای جریان‌های بالایی هستند. اگر ولتاژ گذرا در مدارهای قدرت باعث ایجاد آرک شود؛ جریان بالا می‌تواند باعث تداوم آن شود. آرک نوعی انفجار است که باعث ایجاد پلاسما و هادی شدن هوای اطراف محل خطا می‌شود. صدمات ناشی از وقوع آرک بسیار خطرناک است.
حالا که شما می‌دانید در مدارهای قدرت چه اتفاقاتی رخ می‌دهد، باید به دنبال چه نوع دستگاهی باشید؟ برای حفاظت در برابر ولتاژهای گذرا حین اندازه‌گیری؛ دستگاه شما باید دارای شرایط خاصی باشد. توسط استاندارد IEC مقدار و محدوده‌های خاصی برای انواع دستگاه‌های اندازه‌گیری و تست تعریف شده است که در ادامه بررسی می‌شوند.
گروه‌های اندازه‌گیری:
طبق تصویر، استاندارد IEC دستگاه‌های اندازه‌گیری را به ۴ گروه تقسیم کرده است. اگر یک ولتاژ گذرای شدید مانند برخورد صاعقه در مدار ایجاد شود؛ با عبور آن از داخل مدار؛ مقدار آن کاهش می‌یابد.
هرچه مدار طولانی‌تر شود مقدار مقاومت آن بیشتر شده و تاثیر این ولتاژ نیز کمتر می‌شود. بالاتر رفتن شماره‌ی گروه به معنی این است که می‌توان دستگاه را در محلی استفاده کرد که توان بیشتری در آن وجود دارد. دستگاهی که در مدارهای با توان بالا استفاده می‌شود؛ مقاومت بیشتری در برابر ولتاژهای گذرا خواهد داشت. در کنار شماره‌ی گروه؛ میزان ولتاژ نیز درج می‌شود که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.
در جدول زیر بعد و تصویر بالا گروه‌بندی و مثال‌هایی برای استفاده از تجهیزات اندازه‌گیری آورده شده است.
| گروه | خلاصه | مثال |
| CAT IV | مدارهای سه فاز متصل به شبکه‌ی برق. سیم‌های شبکه‌های بیرون از ساختمان | تجهیزات اصلی اتصال شبکه داخلی به شبکه‌ی توزیع برق کابل سرویس برق؛ کنتور برق و فیوز آن کابل و تجهیزات بین کنتور تا تابلوهای توزیع داخلی |
| CAT III | سیستم توزیع داخلی مانند سیم‌کشی‌های سه فاز و تک فاز و مدارهای روشنایی | تجهیزات و الکتروموتورهای نصب ثابت باس‌بار و فیدرها در تجهیزات صنعتی تابلوهای توزیع و تجهیزات داخل آن‌ها سیستم‌های روشنایی در ساختمان‌های بزرگ کابل‌های مربوط به پریزهای برق |
| CAT II | بارهای تک فاز کوچک و متصل شده به پریزهای برق | لوازم‌خانگی و ابزارهای قابل حمل مدارهای متصل شده به پریزها پریز با کابل بیشتر از ۱۰ متر متصل شده به CAT III پریز با کابل بیشتر از ۲۰ متر متصل شده به CAT IV |
| CAT I | سیستم‌های الکترونیک | مدارهای الکترونیک حفاظت شده تجهیزات متصل شده به مدارها که ولتاژ گذرا در آن‌ها بسیار کوچک است. هر منبع داخل تجهیزات با ترانس ولتاژ بالا و جریان پائین که دارای سیم‌پیچی با مقاومت بالا باشد مانند ترانسفورماتورهای داخل دستگاه فتوکپی |
در تصویر زیر محیط های استفاده از تجهیزات تست و اندازه گیری طبق استاندارد IEC را مشاهده می کنید.
موقعیت اندازه‌گیری مهم‌تر است یا سطح ولتاژ؟
ممکن است در مورد گروه‌بندی‌ها سوال هایی مطرح شود. به‌عنوان‌مثال این‌که اغلب تاسیسات الکتریکی دسته‌بندی شده دارای یک سطح ولتاژ هستند، پس چرا گروه‌های آن‌ها متفاوت است؟ شبکه هوایی مقابل منزل همان ولتاژی را دارد که در تابلوی توزیع وجود دارد؛ پس چرا شبکه‌های بیرونی دارای گروه IV هستند و شبکه‌های داخلی III؟
پاسخ این است که شبکه‌ها و هادی‌های هوایی بیرون از ساختمان در معرض ولتاژهای گذرای بیشتر و شدیدتری هستند. به‌عنوان‌مثال برخورد صاعقه برای تاسیسات بیرون از منزل خیلی بیشتر رخ می‌دهد. در مورد شبکه‌های زمینی یا کابل‌ها نیز به همین صورت است. شاید آن‌ها به‌صورت مستقیم مورد اصابت صاعقه قرار نگیرند اما برخورد صاعقه در نزدیکی آن‌ها باعث ایجاد ولتاژهای گذرا می‌شود. صاعقه یک میدان قوی الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند که روی کابل‌ها بسیار موثر است.
سوال دیگر این است که آیا در گروه‌های I و II هیچ خطری وجود ندارد؟ در گروه‌های I و II احتمال بروز آرک و ولتاژهای گذرا کم است اما خطر ایجاد شوک الکتریکی وجود دارد. پس گروه‌های پائین به معنی ایمن بودن مدار به‌صورت کامل نیستند. در واقع گروه‌های ایمنی بر اساس سطح ولتاژ نیستند. آن‌ها بر موقعیت استفاده از دستگاه و میزان خطرهای موجود تدوین شده‌اند.
در این قسمت یکی از خطرناک‌ترین اتفاق‌هایی که ممکن است حین اندازه‌گیری رخ دهد را بررسی می‌کنیم. فرض بر این است که یک متخصص برق با یک مولتی متر در حال اندازه‌گیری کمیت‌های الکتریکی روی یک موتور سه فاز و در حال کار می‌باشد. در این مثال او از یک مولتی متر با گروه مناسب استفاده نمی‌کند. موقعیت کاری او نیاز به دستگاه اندازه‌گیری گروه III یا IV دارد تا این حادثه رخ ندهد.
تمام این مراحل در کسری از ثانیه اتفاق میفتند:
- برخورد صاعقه روی خطوط انتقال برق یک ولتاژ گذرای شدید ایجاد می‌کند. این ولتاژ پس از طی مسیر وارد مدار موتور شده و از طریق پراپ‌ها وارد دستگاه اندازه‌گیری می‌شود. اگر دستگاه از گروه III یا IV نباشد، اتصال کوتاهی بین ترمنیال‌های ورودی و پراپ‌های آن رخ می‌دهد. این خطا باعث ایجاد صدای شدید مانند شلیک گلوله خواهد شد. آرک آبی رنگی ایجاد شده و حرارت ناشی از آن باعث سوختن و ذوب شدن پراپ‌ها می‌شود.
- فرد سعی می‌کند پراپ‌ها را از موتور و قسمت‌های برقدار جدا کند. با این کار آرک ایجاد شده از قسمت برقدار به طرف پراپ‌ها ادامه می‌یابد. اگر این آرک‌ها به یکدیگر پیوند بخورند یک حادثه‌ی دیگر رخ خواهد داد. با این کار یک اتصال کوتاه بین دو فاز و مستقیما روی موتور ایجاد می‌شود.
- آرک ناشی از اتصال کوتاه دوم می‌تواند حرارتی تا ۶۰۰۰ هزار درجه‌ی سانتی‌گراد ایجاد کند. این آرک با جریان موجود در شبکه تغذیه می‌شود. اگر متخصص برق خوش‌شانس باشد، به سمتی پرتاب شده و از مسیر آرک دور می‌شود. در بدترین حالت وی با حرارت شدید آرک به شدت خواهد سوخت. لطفا برای اطلاعات بیشتر در مورد خطرات آرک فلش؛ مقاله‌ی آرک فلش چیست را مطالعه کنید.
ولتاژهای درج شده در کنار گروه‌بندی چه معنی دارد؟
طبق جدول زیر، استاندارد IEC برای یک دستگاه اندازه‌گیری، سه کمیت ولتاژ ماندگار (ولتاژ کار)، پیک ولتاژ گذرا و امپدانس منبع را مشخص می‌کند. نمایش این کمیت‌ها در کنار هم میزان ایمنی دستگاه را مشخص می‌کند.
| گروه | ولتاژ کار DC یا AC rms با زمین | پیک ولتاژ گذرا | امپدانس منبع (Ω=V/A) |
| CAT I | ۶۰۰v | ۲۵۰۰v | ۳۰ |
| CAT I | ۱۰۰۰v | ۴۰۰۰v | ۳۰ |
| CAT II | ۶۰۰v | ۴۰۰۰v | ۱۲ |
| CAT II | ۱۰۰۰v | ۶۰۰۰v | ۱۲ |
| CAT III | ۶۰۰v | ۶۰۰۰v | ۲ |
| CAT III | ۱۰۰۰v | ۸۰۰۰v | ۲ |
| CAT IV | ۶۰۰v | ۸۰۰۰v | ۲ |
برای به دست آوردن این مقادیر تست‌هایی با ولتاژ ۵۰ و ۱۵۰ و ۳۰۰ ولت انجام شده است که در جدول اصلی نمایش داده نمی‌شود. طبق جدول زیر این تست‌ها عبارت‌اند از:
| میزان ولتاژ تست (بین فاز و زمین) | میزان ولتاژ گذرایی که ممکن است ایجاد شود | ||
| CAT II | CAT III | CAT IV | |
| ۵۰ | ۵۲۰ | ۸۰۶ | ۱۵۵۰ |
| ۱۰۰ | ۸۰۶ | ۱۵۵۰ | ۲۵۵۰ |
| ۱۵۰ | ۱۵۵۰ | ۲۵۵۰ | ۴۰۷۰ |
| ۳۰۰ | ۲۵۵۰ | ۴۰۷۰ | ۶۱۰۰ |
| ۶۰۰ | ۴۰۷۰ | ۶۱۰۰ | ۷۸۰۰ |
| ۱۰۰۰ | ۶۱۰۰ | ۷۸۰۰ | ۱۲۱۰۰ |
فیوز داخلی در لوازم اندازه‌گیری:
ولتاژ گذرا تنها عامل ایجاد قوس الکتریکی نیست. یک مولتی متر قابل حمل نیز می‌تواند در صورت بهره‌برداری اشتباه، اتصال کوتاه و قوس الکتریکی ایجاد کند. فرض کنیم که یک متخصص برق می‌خواهد از مولتی متر جهت اندازه‌گیری ولتاژ استفاده کند. یک مولتی متر معمولی دارای ترمنیال‌های مشترک، ولتاژ، میلی‌آمپر و آمپر است. مقاومت بین ترمینال مشترک با ورودی ولتاژ چیزی حدود ۱۰ مگا اهم می‌باشد. (ممکن است با توجه به سازنده و رنج ولتاژی این مقدار متفاوت باشد اما به صورت کلی مقاومت داخلی یک ولت‌متر بی‌نهایت و شبیه مدار باز فرض می‌شود.) این مقدار مقاومت بین ترمنیال مشترک و آمپر بسیار ناچیز و در حدود ۰٫۰۱ اهم می‌باشد. (مقاومت داخلی آمپرمتر بسیار ناچیز و در حد صفر می‌باشد.) حال اگر طبق تصویر زیر، به‌صورت اشتباه پراپ‌ها در ترمینال‌های جریان بوده و آن‌ها را به یک منبع ولتاژ متصل کنیم چه اتفاقی رخ می‌دهد؟
توجه کنید که میزان مقاومت بین ورودی مشترک و آمپر در حد صفر می‌باشد. این به معنی وجود یک اتصال کوتاه بین دو ترمینال است. این اتصال به موقعیت سلکتور مولتی متر ارتباطی ندارد. با اتصال پراپ‌ها به منبع ولتاژ یک اتصال کوتاه مستقیم رخ داده و یک آرک ایجاد می‌شود. ایجاد این آرک می‌تواند باعث بروز حوادث بیشتر شود. به همین علت در مولتی‌مترها بین ترمینال‌های مشترک و آمپر یک فیوز با قدرت قطع بالا قرار داده می‌شود. نکته‌ی قابل توجه این است که اگر به هر علتی این فیوز بسوزد، باید آن را با نمونه‌ی استاندارد جایگزین کنید.
نکات نهایی:
- قانون اصلی در گروه‌بندی دستگاه‌های اندازه‌گیری این است، هر چه به منبع ولتاژ نزدیک‌تر باشید باید از دستگاه با گروه بالاتر استفاده کنید. در فاصله‌های نزدیک به منبع شما در معرض خطر جدی ولتاژهای گذرا هستید.
- در فاصله‌های نزدیک به منبع جریان اتصال کوتاه بسیار زیاد است. به همین علت باید از گروه‌های بالاتر استفاده کنید تا باعث وقوع آرک نشوید.
- فاصله‌ی بیشتر از منبع به معنی بالا بودن امپدانس مدار است. پس هرچه مدار امپدانس بیشتری داشته باشد، می‌توان از گروه پائین تری استفاده کرد. امپدانس کل حاصل جمع تمام امپدانس‌ها از جمله سیم‌های رابط می‌باشد. طول این سیم‌ها می‌تواند ولتاژ گذرا را میرا کند.
- در دو دستگاه با گروه برابر، ولتاژ کار بالاتر بیان‌کننده‌ی میزان استقامت بهتر آن در برابر ولتاژ گذرا می‌باشد. به‌عنوان‌مثال یک دستگاه با گروه III و ولتاژ کار ۶۰۰ ولت، تحمل ولتاژ گذرا تا ۶۰۰۰ ولت را دارد اما یک دستگاه با گروه III و ولتاژ کار ۱۰۰۰ ولت تا ۸۰۰۰ ولت را تحمل می‌کند.
- دستگاه با مشخصات گروه III و ولتاژ کار ۶۰۰ ولت و ولتاژ گذرای ۶۰۰۰ ولت با دستگاه گروه II و ولتاژ کار ۱۰۰۰ ولت و ولتاژ گذرای ۶۰۰۰ ولت یکسان نیست چون امپدانس منبع تست در این دو دستگاه متفاوت است. طبق قانون اهم، در دستگاه گروه III که مقاومت آن ۲ اهم است، جریان تست ۶ برابر دستگاه گروه II است که دارای مقاومت ۱۲ اهم می‌باشد؛ به عبارت دیگر تنها میزان ولتاژ گذرا در انتخاب صحیح دستگاه ملاک نمی‌باشد. رنج ولتاژ دائم در کنار میزان ولتاژ گذرا، یک ترکیب جدانشدنی هستند.
- فاصله‌ی بین ترمینال‌های ورودی در دستگاه‌هایی که گروه بالاتر و رنج ولتاژ بالاتری دارند، بیشتر می‌باشد.
- اگر در نظر دارید یک دستگاه مناسب تهیه کنید: ابتدا باید گروه کاری خود را مشخص کنید. شما در بالاترین حالت ممکن است در کدام گروه‌های چهارگانه قرار بگیرید؟ در قدم دوم حداکثر میزان ولتاژ کار شما چقدر است؟ از ترکیب مشخصات گروه؛ میزان ولتاژ و میزان ولتاژ گذرا می‌توانید یک دستگاه مناسب انتخاب کنید. اگر تشخیص موقعیت‌ها و گروه‌ها برای شما دشوار است؛ حتما از دستگاه‌هایی استفاده کنید که بالاترین گروه و رنج ولتاژی را داشته باشد.
- همواره از لوازم و دستکش های استاندارد استفاده کنید. اطلاعات بیشتر در مورد ابزارها و دستکش ها را در مقاله‌ی کار در تاسیسات برقدار مطالعه کنید.
- در صورتی که اندازه گیری شما برای تست بی برقی می باشد؛ بعد از اطمینان از قطع کامل منبع از تجهیزات قفل و نشانه گذاری یا لاک اوت و تگ اوت در کلیدهای اصلی استفاده کنید.
