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福禄克教您电气测量安全基本知识

福禄克教您电气测量安全基本知识

  • 内容摘要:不要忽视安全 这是关乎生命的大事 如果您注重安全性,就应该像选择摩托车头盔那样来选择一种电气测试仪 - 要想保证头部绝对安全,就需要选择一种安全可靠的头盔。摩托车驾驶中

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详细描述

不要忽视安全 – 这是关乎生命的大事

如果您注重安全性,就应该像选择摩托车头盔那样来选择一种电气测试仪 - 要想保证头部绝对安全,就需要选择一种安全可靠的头盔。摩托车驾驶中的危险是显而易见的,但使用电气测试仪中的危险又如何呢?只要您选择了一种电压等级足够高的测试仪,您就会安全吗?电压就是电压,是这样吗?
电气安全检测防范
这样说不准确。对测试仪安全性进行分析的工程师们常常发现,出故常的设备上所施加的电压常常比用户认为正在测量的电压水平要高得多。偶尔会发生这样的事故,即使用测量低电压(1000 V 或更低)的测试仪来测量中等电压(如 4160 V)。发生的烧毁故障通常与误使用没有任何关系,它只不过是很高的尖峰电压或瞬变在没有警告的情况下对测试仪输入造成了冲击。

尖峰电压 – 一种不可避免的危险

随着配电系统和负载变得日益复杂,发生瞬时过电压的可能性也增加了。电机、电容器和功率转换设备(如变速驱动器)是产生尖峰电压的主要因素。雷电击中室外的输电线路也会引起极危险的高能瞬变。如果您正在对电气系统进行测量,那么这样的瞬变将是看不到的,基本上是一种无法避免的危险。它们会在低压电源电路中定期发生,峰值可能会达到数千伏。在这些情况下,您需要依靠测试仪中内置的安全功能来保证人身安全。电压额定值本身不会告诉您测试仪的设计是否可免于受到高瞬变冲击电压的影响。

有关尖峰电压所带来的安全危险的最初线索来自对电气铁路供电母线的测量应用。标称母线电压仅为 600 V,但额定值达 1000 V 的多块仪表在列车运行过程中进行测量时仅能维持几分钟时间。密切的观察标明,列车在停止和起动时会产生 10,000 V 的尖峰电压。这些瞬变电压会对早期的输入电路造成很大破坏。从这一调查所获得的经验教训导致了万用表输入保护电路上的显著改进。


新的安全标准

为了在发生电压瞬变时为使用者提供保护,测试仪中必须具有内置的安全措施。尤其是,如果知道可能要对高能量电路进行测量,那么应使用何种技术性能参数?国际电工委员会 (IEC) 最近针对测试设备定义了新的安全标准。该机构负责针对电气测试设备制定国际安全标准。
安全标准
多年以来,电气测试设备行业采用的是 IEC 348 设备设计标准。该标准被最近已更新为 IEC 61010 的 IEC 1010 所取代。虽然设计良好的 IEC 348 测试仪已由技术人员和电气人员使用了多年,但实际情况是,按照新的 IEC 61010 标准设计的测试仪提供了显著提高的安全等级。下面看一下这种安全性是如何取得的。

瞬变保护

实际的仪表电路保护问题不仅仅涉及最高稳态电压范围,而是稳态和瞬变过电压耐受能力的组合。瞬变保护至关重要。当高能量电路上发生瞬变时,由于电路可输送大电流,因此这种瞬变的危险程度更高。如果瞬变引起了电弧放电,那么高电流可维持电弧,从而导致等离子体击穿或爆炸,这种情况会在周围空气发生电离并导电时产生。结果是发生非常危险的电弧爆炸,它所引起的电气伤害事件的数量比人们更加熟知的电击危险还要多。

测量类别

新标准中需要理解的最重要概念就是测量类别。新标准定义了类别 I 至 IV,常简写为 CAT I、CAT I、CAT II 等(见图 1)。将配电系统划分为各个类别基于这样的事实,即危险的高能瞬变(如雷击)将随着穿过系统的阻抗(交流电阻)而被衰减。较高的 CAT 值意味着电气环境具有较高功率和能量更高的瞬变。因此,符合 CAT III 标准的万用表与符合 CAT II 标准的万用表相比,可耐受高的多的高能瞬变。
随位置而不同的安全等级
在一个类别之内,较高的电压等级表示更高的瞬变耐受等级。例如,一块 CAT III-1000 V 仪表与一块 CAT III-600 V 仪表相比,具有更优良的保护。如果您选择一块 CAT II-1000 V 仪表并认为它优于 CAT III-600 V 仪表,就会产生错误的理解。
测量类别 说明 示例
CAT IV 公用电力连接处的三相线路,任何室外导体 • 指"装置起点",即与公用电力设施进行低压连接的位置
• 电能表,一次过电流保护设备
• 外部和电力进线口,从电杆到建筑物的架空引入线,仪表和配电盘之间的线路
• 至独立建筑物的架空线,至井泵的地下线路
CAT III 配电线路,包括单相商业照明 • 固定装置中的设备,如开关柜和多相电机
• 工厂装置中的母线和馈线
• 馈线和短分支线路,配电盘设备
• 大型楼宇建筑中的照明系统
• 带有至电力进线口的短连接线路的电器插座
CAT II 单相插座连接的负载 • 电器、便携式工具以及其它家用和相似负载
• 插座和长分支线路
• 与 CAT III 电源的距离超过 ×10 米(30 英尺)的插座
• 与 CAT IV 电源的距离超过 ×20 米(60 英尺)的插座
CAT I 电子设备 • 被保护的电子设备
• 与进行测量以便将瞬变过电压限制到适宜的低水平的(电源)电路相连的设备
• 从高绕组电阻变压器获得的任何高电压、低能量源,如复印机的高电压部分
 

不仅仅是电压等级问题

在上图中,一位在 CAT I 位置处使用办公设备进行工作的技术人员,实际上可能会遇到比在 CAT III 处工作的电机技术人员所测量到的线路交流电压高得多的直流电压。不过,由于不管电压高低,CAT I 电子电路中瞬变所产生的电弧能量是有限的,因此瞬变带来的危险较小。但这并不是说在 CAT I 或 CAT II 设备中不存在电气危险。主要危险是电击,而不是电压瞬变和电弧爆炸。电击与电弧爆炸一样致命,我们将在后面进行讨论。

另外一个例子是,一条从某个建筑引到一个独立工地的架空线路的电压可能只有 120 V 或 240 V,但它在却有着 CAT IV 安全等级。原因何在?一条户外导线会经受能量很高的雷电相关瞬变。甚至是埋在地下的导线也为 CAT IV 安全等级,这是由于虽然它们不会被雷电直接击中,但发生在附近的雷击可能会因强电磁场的存在而诱导出瞬变。

在谈到测量类别时,房地产业的某些规则在这里适用:随位置而不同。


独立测试是满足安全合规要求的关键

寻找表示已经过一个独立测试实验室(如 UL、CSA、TüV)或其它公认的测试机构进行测试的符号或认证编号。注意"设计符合技术规范 ..."这样的词语。设计人员的计划永远无法取代实际进行的独立测试。

如何判断您所使用的是 CAT III 测试仪还是 CAT II 测试仪?不幸的是,进行这种判断不是总那么容易。厂商可以不通过任何独立认证而自行确定它所生产的测试仪属于 CAT II 或 CAT III。IEC 制定并公布了一些标准,但它并不负责强制实施这些标准。

寻找表示已经过一个独立测试实验室(如 UL、CSA、TüV)或其它公认的认证机构进行测试的符号或认证编号。这种符号只有在产品已按照认证机构的标准成功完成测试的情况下才可使用,而所遵循的机构标准基于国家/国际标准。例如,UL 3111 基于 IEC 1010。在非理想情况下,这是您能够确保所选择的万用表已实际进行安全测试的最好方式。


CE 符号代表什么?

CE及其它符号
一个产品上标有"CE"(Conformité Européenne),表示它符合由欧盟委员会所规定的在、安全、环境和消费者保护方面必须满足的要求,它们以"导则"的形式强制执行。存在着对很多产品产生影响的导则,欧盟以外国家的产品如果不符合适用的导则,就不能进口到欧盟内并在那里进行销售。符合某项导则可通过对符合某个相关技术标准(如适用于低压产品的 IEC 61010)加以证明来实现。允许厂商自行验证其产品符合标准,颁布自己的产品符合性声明,并在产品上标记"CE"。因此,CE 标记并不是进行独立测试的一种保证。

工具提示

非接触式电压检测仪是在处理交流电路、开关和插座之前确定它们是否带电的快速而便宜的方法。
1.检查电压检测仪的功能是否正常。
2.确保检测仪的电压等级与被测量的电压高低相符,并对于测量应用过来说足够灵敏。
3.确保您自己已经接地(通过手一直到地面),以形成一个完整容性电压连接。
使用一个电压"检测棒"或内置有非接触式测量功能的数字式万用表。


针对两个主要电气危险提供保护

瞬变 – 隐藏的危险
让我们来看一个最坏的情况:一位技术人员在没有采取必要安全防护措施的情况下,使用仪表对带电的三相电机控制电路进行测量。
下面是可能发生的情况:

1. 雷击在电力线路上引起了一个瞬变,该瞬变在仪表内的输入端子之间引起了一个电弧。预防这种事件的电路和部件刚刚出现故障或已缺失。它也许不是一块 CAT III 安全等级的仪表。所造成的结果是,两个测量端子通过仪表和测试线直接发生短路。

2. 在所产生的短路通路中会流过很高的故障电流(可能达到几千安培)。这种情况会在千分之几秒的时间内发生。
当仪表内形成电弧时,一个压力很高的冲击波很引起一个很响的冲击,与枪击或汽车发动机逆火的声音非常相似。与此同时,在测试线末端处会出现明亮的蓝色弧光 – 故障电流使探头尖端发生过热,使其烧毁,并从接触点到探头之间引起电弧。

3. 人的自然反应是双手收回,以便与高热的电路中断接触。但是,随着技术人员的双手回收,就在电机端子与每个探头之间引发一个电弧。如果这两个电弧合并在一起而形成一个电弧,就会形成另外一个直接的相间短路,此时,短路直接发生于电机端子之间。

4. 此电弧的温度可达到接近 6000°C (10000°F) 的温度,比氧炔焰切割炬的温度还要高!随着电弧因短路电流的支持而不断增大,它会使周围的空气发生过热。随后会产生冲击性爆炸和等离子体火球。如果技术人员足够幸运,这种冲击性爆炸会将他击到一边,使其与电弧的附近移开;虽然会受伤,但保住了生命。在最坏的情况下,受害者会因电弧或等离子体爆炸的高热量而遭受致命的烧伤。
除使用具有适宜测量类别的万用表之外,任何对带电电力线路进行测量的人员还应采取穿上阻燃防护服、佩戴安全眼睛(最好是戴上安全防护面罩)和戴上绝缘手套等安全措施。
最坏的情况 – 潜在的电弧爆炸顺序

最坏的情况 – 潜在的电弧爆炸顺序

电弧爆炸电击
使用正确的高能熔断器
瞬变不是可能发生的短路和电弧爆炸的唯一原因。手持式万用表最常见的误用之一可引发一串相似事件的发生。
在电流表模式下误使用数字式万用表
在电流表模式下误使用数字式万用表

比如,一位技术人员正在对信号电路进行测量。测量步骤为选择电流功能,将导线插到 mA 或 A 输入插孔中,断开电路,然后进行一个串联测量。在一个串联电路中,电流总是相同的。电流回路的输入阻抗必须足够低,以使它不影响串联电路的电流。例如,仪表的 10 A 端子上的输入阻抗为 0.01Ω。而电压端子上的输入阻抗则高达 10 MΩ(10,000,000Ω)。

如果测试线被留在电流端子中,然后又意外地连接在电压源两端,则就会通过这个低输入阻抗而形成短路!选择旋钮是否已转到电压挡无关紧要;导线仍与一个低阻抗电路实际相连。*这就是必须通过熔断器来对电流端子进行保护的原因。这些熔断器是用户和潜在灾难之间存在的唯一屏障。 仅使用电流输入由高容量熔断器进行保护的万用表。决不要用不正确的熔断器来更换已烧坏的熔断器。请仅使用厂商所规定的高容量熔断器。这些熔断器具有一个额定电压,并具有为保证您的安全而设计的短路中断能力。


过载保护

熔断器可针对过电流提供保护。
电压/电阻端子的高输入阻抗能够确保不会产生过电流状态,因此无需使用熔断器。另一方面,需要采取过电压保护。这种保护由一个保护电路提供,该保护电路将高电压箝位到可接受的大小。另外,一个过热保护电路用于检测过电压状况,在这种状况被消除之前对仪表进行保护,然后自动返回到正常运行。最常见的好处是防止万用表在电阻模式下发生过载。通过这种方式,只要导线插在电压输入端子中,就为所有测量功能提供了带自动恢复的过载保护。


电击

虽然大多数人都知道遭受电击的危险,但很少人会意识到产生致命的电击其实只需要很小的电流和很低的电压。低至 30 mA 的电流也可能是致命的 (1 mA = 1/1000 A)。
让我们看一下电流流过一位"典型的"68 公斤(150 磅)体重的男性所产生的后果:

• 在电流大约为 10 mA 时,手臂会产生肌肉麻痹,以致于他无法松开拳头。
• 在电流大约为 30 mA 时,会发生呼吸麻痹。他的呼吸停止,结果常常是致命的。
• 在电流大约为 75 至 250 mA 时,电流通过身体超过 5 秒钟会造成心室颤动,并引起心脏肌肉的失调;心脏可能会失去正常机能。更高的电流会在短于 5 秒的时间内造成心室颤动。结果常常是致命的。

让我们来计算一下"危险"电压的阈值。皮肤下面手与手之间的身体电阻大约为 1000Ω。在 1000Ω 两端只需加上 30 V 电压就会产生 30 mA 的电流。幸运的是,皮肤的电阻要高的多。正是皮肤的电阻(尤其是死细胞外层的电阻)对身体起到保护作用。在潮湿条件下,或者如果存在伤口,皮肤的电阻就会急剧下降。在大约 600 V 时,皮肤的电阻不复存在。它被这种高电压所穿透。

对于万用表厂商和用户来说,目标是要不惜一切代价来防止意外接触带电电路。

请寻找:
• 具有双重绝缘的仪表和测试线。
• 带有凹入的输入插孔的仪表和带有隐藏式输入连接器的测试线。
• 带有手指护挡和防滑表面的测试线。
• 由优质、耐用的不导电材料制成的仪表和测试线。


安全地工作

使用安全眼镜和绝缘手套等防护用具
保证安全是每个人的责任,但最终掌握在您自己的手中。
工具本身是不会保证您的安全的。只有将正确的工具与安全工作习惯相结合,才可提供最高程度安全保护。下面是对您的工作有所帮助的一些提示。
• 工作时尽可能将电路断电。采取适当的上锁/挂牌措施。如果不存在或未实施这些措施,就要假设电路是带电的。
• 针对带电电路,请使用保护用具:
– 使用绝缘工具。
– 佩戴安全眼镜或面罩。
– 佩戴绝缘手套,摘下手表或首饰。
– 站在一个绝缘垫上。
– 穿上阻燃防护服,而不是普通的工作服。

• 在对带电电路进行测量时:
– 首先连上接地夹,然后再连接火线。先断开火线,最后再断开接地线。
– 如果可能,将仪表挂起或放下。尝试避免将仪表拿在手中,以将暴露于瞬变的机会降到最低。
– 使用三点测试方法,尤其是在检查是否电路已不带电时。首先,测试一个已知带电电路。第二步,测试目标电路。第三步,再次测试带电电路。这样可验证在测量之前和之后仪表是否正常工作。
– 使用技术人员常使用的一个诀窍:将一只手放在衣袋内。这会减少形成一条经过您的前胸和心脏的闭合回路的机会。


理解类别的捷径

下面是将类别概念应用于日常工作的一些快速方法:

• 一般的经验规则是:离电源越近,类别编号就越高,瞬变所产生的潜在危险也越大。
• 由此得出结论:在某个点处的短路电流越大,CAT 编号就越高。
• 这种情况的另外一种表述方法是:电源阻抗越大,CAT 编号越低。电源阻抗就是总的阻抗,包括测量点与电源之间的导线阻抗。这种阻抗可将瞬变衰减。
• 最后,如果您拥有 TVSS(瞬变电压浪涌抑制)设备的使用经验,您就会理解安装在配电盘处的 TVSS 设备必须比安装在计算机处 TVSS 设备具有更高的能量处理容量。根据 CAT 术语,在配电盘处安装 TVSS 是一种 CAT III 应用,而计算机是一个与插座相连的负载,因此属于 CAT II 装置。

您可以看到,类别的概念并不新奇。它只不过是对电气专业人员在日常工作中采用的相同常识性概念的一种延伸。

 

多个类别

有一种情况有时会使尝试将类别概念应用到实际工作中的人感到混乱。在一台设备内,经常存在一个以上的类别。例如,在办公设备中,从电源的 120 V/240 V 侧到插座属于类别 CAT II。另一方面,电子电路的类别为 CAT I。在楼宇控制系统(如照明控制盘)或可编程控制器等工业控制设备中,常会发现电子电路 (CAT I) 和电源电路 (CAT III) 之间的距离很近。

在这种情况下又怎么办呢?与所有现实情况一样,按照常识去做。在此情况下,就是要使用具有更高类别等级的仪表。实际上,指望人们总是经过类别定义的过程并不现实。较为现实且强烈建议去做的事情是选择一块电压等级符合可能要使用的最高类别的万用表。换言之,一切为了安全。


 

如何评估测试仪的安全等级

理解耐压等级
IEC 61010 测试规程考虑了三个主要标准:
稳态电压、峰值冲击瞬变电压和电源阻抗。这三个标准可使您能知道一块万用表的真实耐压值。

 

测量类别 工作电压(
对地直流或交流有效值)
峰值冲击瞬变
(20 次重复)
测试源
(Ω = V/A)
CAT I 600 V 2500 V 30Ω 源
CAT I 1000 V 4000 V 30Ω 源
CAT II 600 V 4000 V 12Ω 源
CAT II 1000 V 6000 V 12Ω 源
CAT III 600 V 6000 V 2Ω 源
CAT III 1000 V 8000 V 2Ω 源
CAT IV 600 V 8000 V 2Ω 源
表 2:各种测量类别的瞬变试验值。(未包括 50 V/150 V/300 V 的值。)


什么情况下 600 V 比 1000 V 更高?

表 2 可帮助我们理解仪表的真实耐压等级:
1. 在某个类别内,正如人们预期的那样,较高的"工作电压"(稳态电压)与较高瞬变相关。例如,一块 CAT III-600 V 仪表使用 6000 V 瞬变电压来进行试验,而一块 CAT III-1000 V 仪表试验使用 8000 V 瞬变电压来进行试验。到目前位置,一切都正常。

2. 不十分明显之处就是 CAT III-600 V 的 6000 V 瞬变试验与 CAT II-1000 V 的 6000 V 瞬变试验之间的差别。它们是不同的。此时就要使用源阻抗这一评判标准。欧姆定律(电流 = 电压/电阻)告诉我们,CAT III 的2 测试源的电流是 CAT II 的12 测试源电流的 6 倍。

CAT III-600 V 仪表与CAT II-1000 V 仪表相比,瞬变保护能力明显高出很多,即使它的所谓"电压等级"看上去要低一些。稳态电压(称为"工作电压")与类别的组合决定了测试仪表的总耐压等级,包括十分重要的瞬变电压耐受等级。

关于 CAT IV 的说明:CAT IV 电压试验的试验值和设计标准在第二版 IEC 61010 标准中进行了介绍。
 

爬电距离和间隙

除了通过一个实际过电压瞬变值对万用表进行试验之外,IEC 61010 还要求万用表在内部元件与电路节点之间具有最小"爬电距离"与"间隙"。爬电距离是指横跨某个表面的距离。间隙是指被空气隔开的距离。类别与工作电压等级越高,对内部间隔的要求也越高。旧的 IEC 348 与IEC 61010 之间的主要差别之一是后者对内部间隔的要求提高了。
 

基本要求

如果您需要更换万用表,那么在开始购买新仪表之前请完成一项简单的任务:对工作中的最坏情况进行分析,并确定需要使用或测量应用所适合的类别。

首先,选择一种拥有您在工作中可能使用的最高类别的仪表。然后,寻找一款具有适合该类别的电压等级、满足您的需要的万用表。选择好万用表之后,不要忘了还有测试线。IEC 61010 也适用于测试线:应按照某个类别以及与仪表相同的电压或高于仪表的电压,对测试线进行认证。在人身安全保护方面,不要让测试线成为一个薄弱环节。



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