Bezpečnost měřicích přístrojů a měřicí kategorie CAT v elektrických instalacích

1. Proč nestačí znát pouze maximální napětí měřicího přístroje

Při práci v elektrických instalacích nestačí vybrat měřicí přístroj jen podle údaje maximálního měřeného napětí, například „do 600 V“ nebo „do 1000 V“. Stejné napětí může být z hlediska bezpečnosti zcela jinak nebezpečné podle toho, kde v instalaci měříte.

Jiné podmínky jsou při měření v rozvaděči, jiné u zásuvkou připojeného spotřebiče, jiné v rozvaděči v provozu a zcela jiné na hlavním přívodu objektu nebo v elektroměrovém rozvaděči. Proto se u měřicích přístrojů používají označení kategorie CAT.

Kategorie CAT neurčuje přesnost přístroje. Určuje, v jaké části elektrické instalace smí být daný přístroj bezpečně použit s ohledem na přechodová přepětí, dostupnou poruchovou energii a riziko vzniku oblouku nebo průrazu izolace.

Základní bezpečnostní požadavky a kategorie instalace stanovuje soubor norem

ČSN EN IEC 61010. Pro běžné měřicí přístroje jsou důležité zejména:

• ČSN EN 61010-1 – všeobecné bezpečnostní požadavky na měřicí, řídicí a laboratorní zařízení – základní norma,
• ČSN EN IEC 61010-2-030 – zvláštní požadavky na měřicí obvody připojované k vnějším elektrickým obvodům,
• ČSN EN IEC 61010-2-033 – zvláštní požadavky na ruční multimetry schopné měřit síťové napětí,
• ČSN EN IEC 61010-2-032 – zvláštní požadavky na v ruce držené a ručně ovládané proudové snímače, tedy proudové kleště, klešťové ampérmetry a klešťové multimetry,
• ČSN EN IEC 61010-031 – požadavky na ruční měřicí sondy, měřicí vodiče a příslušenství.

2. Co znamenají kategorie elektrických rozvodů CAT

Měřicí kategorie CAT vyjadřuje, jaké přepěťové a poruchové podmínky musí měřicí přístroj bezpečně zvládnout v daném místě elektrické instalace bez toho, aby při jeho použití ohrozil uživatele nebo poškodil instalaci.

CAT II

Kategorie CAT II se týká měření na obvodech připojených do zásuvky nebo na spotřebičích napájených ze zásuvkové instalace.

Typické příklady:

• elektrické spotřebiče,
• jednofázové přístroje připojené vidlicí,
• ruční nářadí,
• kancelářská technika,
• servis zařízení připojeného do zásuvky.

CAT II není určena pro běžné měření uvnitř průmyslových rozvaděčů nebo na hlavních přívodech.

CAT III

Kategorie CAT III se týká pevné instalace v budově nebo průmyslovém provozu.

Typické příklady:

• podružné rozvaděče,
• jističe,
• stykače,
• motorové vývody,
• frekvenční měniče na straně napájení,
• pevně instalované stroje,
• průmyslové rozvody nízkého napětí.

V této části instalace je už dostupná vyšší poruchová energie. Při chybě měření zde může vzniknout silný oblouk, zkrat nebo destruktivní proud přes měřicí přístroj.

CAT IV

Kategorie CAT IV se týká počátku elektrické instalace a míst nejblíže distribuční síti.

Typické příklady:

• hlavní přívod objektu,
• elektroměrový rozvaděč,
• hlavní rozvaděč na vstupu instalace,
• venkovní vedení nízkého napětí,
• místa před hlavním jištěním nebo v jeho blízkosti.

V prostředí CAT IV se předpokládají nejvyšší přechodová přepětí a nejvyšší dostupná energie ze sítě. Pro tato měření nestačí přístroj CAT III, pokud výrobce výslovně neuvádí také kategorii CAT IV.

3. Velikost napětí ve voltech, například CAT III 600 V, uvedená u kategorie CAT je velikost napětí proti zemi.

Velmi důležité pravidlo:

Napěťový údaj uvedený u měřicí kategorie CAT je tedy maximální velikost napětí kterékoliv části přístroje proti zemi! Nejedná se o maximální provozní napětí přístroje.

Například označení:

CAT III 300 V znamená, že přístroj smí být použit v prostředí CAT III, pokud napětí měřených vodičů vůči zemi nepřekročí 300 V. Tato hodnota je efektivní velikost napětí.

U běžné třífázové sítě 230/400 V platí:

• fáze proti zemi nebo ochrannému vodiči: přibližně 230 V,
• fáze proti fázi: přibližně 400 V.

Pro posouzení kategorie CAT je rozhodující napětí vodiče proti zemi, nikoli samotné sdružené napětí mezi fázemi. To je obzvlášť důležité u klešťových ampérmetrů, které neměří napětí mezi vodiči, ale proud vodičem nebo výslednici proudů více vodičů vložených do čelistí.

4. Rozdíl mezi multimetrem, klešťovým ampérmetrem a klešťovým multimetrem

Z hlediska bezpečnosti je nutné rozlišovat tři různé typy přístrojů.

Toto rozlišení je zásadní. Čistý klešťový ampérmetr nemá napěťové vstupní svorky. Proto u něj nelze mluvit o přímém měření napětí mezi fázemi. Kleště se nasazují kolem vodiče nebo skupiny vodičů a přístroj měří proudovou výslednici.

U klešťového multimetru je situace jiná. Ten má kromě čelistí také vstupní zdířky pro měřicí vodiče. Pak je třeba samostatně posuzovat:

• bezpečnost proudových kleští,
• bezpečnost napěťových vstupů,
• bezpečnost měřicích vodičů a sond,
• případně bezpečnost proudového vstupu, pokud jej přístroj má.

5. Použití klešťového ampérmetru CAT III 300 V v síti 230/400 V

U čistého klešťového ampérmetru bez měřicích svorek se údaj CAT III 300 V vztahuje na bezpečné použití proudových kleští v části instalace CAT III, kde napětí měřených vodičů proti zemi nepřekročí 300 V.

V síti 230/400 V mají jednotlivé fázové vodiče proti zemi přibližně 230 V. Proto může být klešťový ampérmetr CAT III 300 V použit pro proudové měření v části instalace CAT III, pokud jsou splněny podmínky výrobce a měří se na vhodně izolovaných vodičích.

To platí například pro:

• měření proudu jednoho fázového vodiče L1,
• měření proudu vodiče L2 nebo L3,
• měření proudu pracovního vodiče N,
• součtové nebo rozdílové měření přes více vodičů,
• měření reziduálního proudu při vložení všech pracovních vodičů do čelistí, pokud to přístroj umožňuje.

Klešťový ampérmetr v takovém případě neměří napětí mezi fázemi. Neměří ani proud ve fázích přímo (sériově). Měří magnetický účinek proudu nebo výslednici proudů vodičů, které procházejí čelistmi.

6. Kdy klešťový ampérmetr CAT III 300 V nestačí

Přístroj CAT III 300 V nelze použít všude jen proto, že běžná síť má fázi proti zemi 230 V.

Nestačí například tam, kde:

• místo měření odpovídá CAT IV,
• jde o hlavní přívod objektu nebo elektroměrový rozvaděč,
• napětí vodiče proti zemi překračuje 300 V,
• výrobce omezuje použití pouze na izolované vodiče a technik pracuje v blízkosti neizolovaných sběrnic,
• konstrukce čelistí není vhodná pro bezpečné vložení mezi živé části,
• je vysoké riziko dotyku čelistí s jinou živou částí.

Rozhodují vždy dvě podmínky současně:

1. měřicí kategorie místa instalace, tedy CAT II, CAT III nebo CAT IV,
2. napětí vodičů proti zemi, například 300 V, 600 V nebo 1000 V.

Pokud je místo měření CAT IV, nestačí přístroj CAT III, i když napětí vodiče proti zemi je pouze 230 V.

7. Přímé měření napětí multimetrem a klešťovým multimetrem

U multimetru nebo klešťového multimetru s měřicími zdířkami je situace odlišná. Přístroj se při měření napětí připojuje měřicími vodiči přímo mezi dva body.

Například při měření:

• L–N se na vstup přivádí přibližně 230 V,
• L–PE se na vstup přivádí přibližně 230 V,
• L1–L2 se na vstup přivádí přibližně 400 V.

Proto je u přístroje s napěťovými vstupy nutné ověřit nejen kategorii CAT a napětí proti zemi, ale také to, jaké napětí smí být přivedeno mezi měřicí svorky podle označení a návodu výrobce.

Pokud má klešťový multimetr napěťové vstupy označené pouze CAT III 300 V, nelze automaticky předpokládat, že je vhodný pro přímé měření sdruženého napětí 400 V mezi fázemi. Zde je nutné řídit se přesným označením přístroje a návodem výrobce.

8. Praktické příklady použití přístrojů

Příklad 1: Měření proudu v zásuvkovém obvodu

Technik chce změřit proud spotřebiče připojeného do zásuvky.

Vhodný přístroj:

• klešťový ampérmetr nebo klešťový multimetr odpovídající alespoň CAT II,
• při měření v rozvaděči zásuvkového okruhu raději CAT III,
• proud se měří na jednom vodiči, nikoli přes celý kabel s L a N současně, pokud cílem není měření rozdílového proudu.

Pokud technik obejme kleštěmi celý jednofázový kabel, ve kterém jsou L a N, běžný klešťový ampérmetr ukáže přibližně nulu, protože proudy v L a N mají opačný směr a magnetické účinky se odečtou.

Příklad 2: Měření proudu motorového vývodu v rozvaděči

Technik měří proud jedné fáze motoru v průmyslovém rozvaděči.

Vhodný přístroj:

• minimálně CAT III,
• napětí proti zemi musí odpovídat napěťovému údaji přístroje,
• čelisti musí být vhodné pro bezpečné vložení mezi vodiče v rozvaděči.

U běžné sítě 230/400 V může být klešťový ampérmetr CAT III 300 V použit pro měření proudu izolovaného fázového vodiče, protože vodič má proti zemi přibližně 230 V. Pro profesionální práci v průmyslu je však vhodnější přístroj CAT III 600 V nebo CAT III 1000 V / CAT IV 600 V, protože poskytuje větší bezpečnostní rezervu a lépe odpovídá různým situacím v provozu.

Příklad 3: Měření na hlavním přívodu objektu

Technik měří proud na hlavním přívodu objektu nebo v elektroměrovém rozvaděči.

Zde se často jedná o prostředí CAT IV. Přístroj CAT III 300 V zde není vhodný, i když fáze proti zemi má 230 V.

Vhodný přístroj:

• CAT IV 300 V nebo CAT IV 600 V podle konkrétního místa a napětí,
• u běžných profesionálních přístrojů často CAT III 1000 V / CAT IV 600 V.

Příklad 4: Rozdílové měření proudu kleštěmi

Technik vloží do kleští současně L a N, případně všechny pracovní vodiče třífázového obvodu.

Přístroj neměří napětí mezi vodiči. Měří výslednici proudů. Pokud je součet proudů nulový, přístroj ukáže přibližně nulu. Pokud část proudu uniká jinou cestou, například přes ochranný vodič nebo přes izolační poruchu, zobrazí se rozdílový proud.

Podmínkou je, aby:

• přístroj byl určen pro takové měření,
• měl dostatečné rozlišení a citlivost,
• místo měření odpovídalo jeho kategorii CAT,
• napětí všech vodičů vůči zemi nepřekročilo dovolenou hodnotu.

9. Impulzní odolnost a tvar impulzu 1,2/50 µs

Kategorie CAT souvisí s odolností proti krátkodobým přepětím – napěťovým špičkám. Tato přepětí mohou vznikat například při spínání zátěží, poruchách, přechodových jevech v síti nebo vlivem atmosférického přepětí přeneseného do instalace.

Pro ověřování přepěťové odolnosti při certifikaci přístroje se používá standardizovaný impulz označovaný 1,2/50 µs.

Tento zápis znamená:

• 1,2 µs – přibližná doba čela impulzu, tedy velmi rychlý nárůst napětí,
• 50 µs – doba poklesu impulzu přibližně na polovinu vrcholové hodnoty.

Nejde tedy o běžné sinusové napětí 50 Hz. Jde o velmi krátkou a strmou napěťovou špičku, která ověřuje, zda nedojde k přeskoku přes vzdušnou vzdálenost, průrazu izolace nebo nebezpečnému oblouku.

Typicky se při typové zkoušce používá několik impulzů obou polarit, například pět kladných a pět záporných impulzů. Přístroj musí zůstat bezpečný. Nesmí dojít k průrazu izolace, vzniku nebezpečného oblouku, požáru, explozi krytu nebo zpřístupnění živých částí.

10. Mechanická konstrukce přístroje

Bezpečnost přístroje není jen otázkou elektroniky. Velmi důležitá je elektromechanická konstrukce.

U multimetrů, klešťových ampérmetrů i klešťových multimetrů rozhoduje zejména:

• kvalita a pevnost krytu,
• izolační vlastnosti plastů,
• nehořlavost materiálů,
• tvar a hloubka vstupních zdířek,
• konstrukce čelistí u klešťových přístrojů,
• prstové zábrany,
• vzdálenost ruky od živých částí,
• mechanická pevnost čelistí,
• odolnost proti pádu,
• odolnost proti prasknutí krytu při poruše.

U klešťového ampérmetru je velmi důležité, aby čelisti a jejich okolí byly navrženy tak, že při běžně předvídatelné manipulaci nedojde k dotyku živých částí, ke zkratu mezi sousedními vodiči nebo ke vzniku nebezpečného oblouku směrem k ruce obsluhy.

11. Vzdušné a povrchové vzdálenosti

Uvnitř přístroje musí být dodrženy bezpečné vzdálenosti mezi vodivými částmi.

Vzdušná vzdálenost

Vzdušná vzdálenost je nejkratší vzdálenost vzduchem mezi dvěma vodivými částmi. Chrání hlavně proti přeskoku při impulzním přepětí.

Čím vyšší je kategorie CAT a čím vyšší je napětí, tím větší musí být požadovaná vzdušná vzdálenost.

Povrchová vzdálenost

Povrchová vzdálenost je nejkratší vzdálenost po povrchu izolačního materiálu mezi dvěma vodivými částmi. Chrání proti povrchovým svodům a vodivým stopám na znečištěném nebo vlhkém izolantu.

Povrchová vzdálenost závisí mimo jiné na:

• pracovním napětí,
• stupni znečištění,
• vlastnostech izolačního materiálu,
• vlhkosti a prachu,
• konstrukci drážek, žeber a izolačních bariér.

U velké většiny multimetrů z Asie již na první pohled tyto podmínky nejsou splněny a je otázkou, zda prošly příslušnými testy.

12. Stupeň znečištění

Stupeň znečištění vyjadřuje, jaké znečištění se může vyskytovat v okolí izolačních částí přístroje nebo uvnitř zařízení.

Nejde jen o viditelnou špínu. Z hlediska bezpečnosti je důležité, zda prach, vlhkost, kondenzace nebo chemické usazeniny mohou vytvořit vodivou cestu po povrchu izolantu.

Zjednodušeně:

• stupeň znečištění 1 – čisté, chráněné prostředí bez vodivého znečištění,
• stupeň znečištění 2 – běžné vnitřní prostředí, obvykle nevodivé znečištění, které se může dočasně stát vodivým při kondenzaci,
• stupeň znečištění 3 – průmyslové prostředí, kde se může vyskytovat vodivý prach nebo znečištění, které se vlivem vlhkosti stane vodivým,
• stupeň znečištění 4 – venkovní nebo velmi těžké prostředí s trvalou vodivostí způsobenou vodou, sněhem, vodivým prachem nebo nečistotami.

Pro technika to znamená: přístroj, který je bezpečný v čistém vnitřním prostředí, nemusí být automaticky vhodný do vlhkého, zaprášeného nebo chemicky znečištěného provozu.

13. Pojistky v proudových vstupech multimetrů

U multimetrů je velmi důležitá ochrana proudových vstupů (se sériovým měřením proudu). Proudový vstup je nebezpečnější než napěťový vstup.

Napěťový vstup má vysoký vnitřní odpor. Při měření napětí přístroj odebírá jen malý proud.

Proudový vstup má naopak velmi nízký odpor. Při měření proudu se multimetr zapojuje do série s obvodem. Pokud technik omylem ponechá měřicí vodič v proudové zdířce a přiloží sondy na napětí, vytvoří přes multimetr téměř zkrat.

Proto musí být proudové vstupy chráněny správnými pojistkami.

Nestačí, aby pojistka měla jen správný proud, například 10 A. Musí mít také:

• správné jmenovité napětí,
• dostatečnou vypínací schopnost,
• správnou charakteristiku,
• správný rozměr,
• správnou konstrukci podle výrobce přístroje.

V profesionálních multimetrech se používají pojistky s vysokou vypínací schopností, často označované jako HRC nebo HBC. Bývají keramické a pískem plněné, aby dokázaly bezpečně přerušit vysoký poruchový proud a zhasit oblouk uvnitř pojistky.

Pokud je použita nevhodná pojistka, například běžná skleněná pojistka s malou vypínací schopností, může při poruše dojít k:

• pokračování oblouku po přepálení drátku,
• prasknutí pojistky,
• roztržení skleněného těla pojistky,
• vyhoření plošného spoje,
• požáru přístroje,
• roztržení krytu,
• ohrožení obsluhy žhavými částicemi nebo obloukem.

Výměna pojistky v multimetru proto není běžná „provozní maličkost“. Pojistka musí být nahrazena pouze typem předepsaným výrobcem.

14. Měřicí vodiče a sondy

U měřicích přístrojů rozhoduje o bezpečnosti celý měřicí řetězec.

Do něj patří:

• přístroj,
• měřicí vodiče,
• měřicí hroty,
• krokosvorky,
• adaptéry,
• proudové sondy.

Celé měření je bezpečné pouze tak, jak bezpečný je nejslabší článek. Pokud má multimetr kategorii CAT III 1000 V, ale měřicí vodiče jsou pouze CAT II 600 V, nesmí být celá sestava používána jako CAT III 1000 V.

U měření v rozvaděčích jsou důležité zejména měřicí hroty s omezenou délkou odkryté kovové části. Dlouhý nechráněný hrot zvyšuje riziko náhodného zkratu mezi sousedními svorkami.

15. Označování na přístrojích

Typické bezpečnostní označení může vypadat například takto:

CAT III 1000 V / CAT IV 600 V

To znamená:

• v prostředí CAT III lze přístroj použít do 1 000 V proti zemi,
• v prostředí CAT IV lze přístroj použít do 600 V proti zemi,
• hodnoty se nesčítají,
• vždy se použije hodnota odpovídající místu měření.

Další časté zkratky a symboly:

Co by měl uživatel ověřit před nákupem

• zda kategorie CAT odpovídá místům a prostředí, kde bude přístroj používán,
• zda napěťový údaj odpovídá efektivní hodnotě napětí proti zemi,
• zda je v manuálu uvedena příslušná norma řady ČSN 61010,
• zda je k dispozici návod v českém jazyce (bezpečnostní instrukce),
• zda je dohledatelné EU prohlášení o shodě,
• zda je jasný výrobce a dovozce do EU,
• zda měřicí vodiče a sondy odpovídají stejné kategorii jako přístroj,
• zda jsou proudové vstupy přístroje jištěny správnými výměnnými pojistkami,
• zda je možné zajistit servis, kalibraci a náhradní příslušenství.

16. Praktická pravidla pro technika

Před měřením je vhodné položit si několik jednoduchých otázek:

1. Kde měřím?
   Na spotřebiči, v podružném rozvaděči, v hlavním rozvaděči nebo na přívodu objektu?
2. Jaká je kategorie místa měření?
   CAT II, CAT III nebo CAT IV?
3. Jaké je napětí vodičů proti zemi?
   Nepřekračuje hodnotu uvedenou u kategorie CAT?
4. Jaký přístroj používám?
   Multimetr, čistý klešťový ampérmetr, klešťový multimetr, revizní přístroj atd.?
5. Má přístroj vstupní svorky, nebo pouze proudové kleště?
   U čistého klešťového ampérmetru se neřeší napěťové svorky, ale bezpečnost čelistí a použití v dané kategorii CAT.
6. Odpovídají měřicí vodiče a sondy kategorii přístroje?
   Celá sestava je omezena nejslabším článkem.
7. Jsou v multimetru správné pojistky?
   Proudové vstupy musí mít pojistky předepsané výrobcem, nikoli libovolnou náhradu.
8. Je prostředí čisté, suché a vhodné pro daný přístroj?
   Prach, vlhkost a kondenzace zvyšují riziko povrchových svodů a přeskoků.

17. Shrnutí

Bezpečnost měřicích přístrojů v elektrických instalacích je založena na správném pochopení měřicích kategorií CAT. Kategorie CAT říká, kde v instalaci může být přístroj bezpečně použit. Napěťový údaj uvedený u kategorie CAT je napětí proti zemi.

U čistého klešťového ampérmetru bez měřicích svorek se kategorie CAT vztahuje na bezpečné použití proudových kleští v dané části instalace. Přístroj neměří proud mezi fázemi a nehodnotí sdružené napětí mezi vodiči. Měří proud vodiče nebo výslednici proudů vodičů vložených do čelistí.

U multimetru a klešťového multimetru s měřicími zdířkami se navíc musí posuzovat bezpečnost napěťových a proudových vstupů, měřicích vodičů, sond a pojistek.

Nejdůležitější pravidlo zní:

Měřicí přístroj musí odpovídat místu měření, napětí proti zemi, dostupné poruchové energii a způsobu použití. Nestačí, že přístroj „něco změří“. Musí to změřit bezpečně.