Wysokość nad poziomem morza: Dlaczego ma to znaczenie

Praca z elektrycznością jest niebezpieczna, dlatego kluczowe znaczenie dla ochrony elektryków przed potencjalnymi wypadkami mają środki ochrony, takie jak odpowiednia odzież, rękawice, buty itp. Jednak mniej oczywistą kwestią bezpieczeństwa jest odpowiednia konstrukcja sprzętu testowego używanego do konserwacji układów elektrycznych.

Kategoria pomiarowa (CAT) przyrządu wskazuje, dla którego miejsca systemu przyrząd został zaprojektowany do bezpiecznego użytkowania. Im wyższa kategoria, tym większe są odległości upływu i odstępu. 

Często pomijanym czynnikiem jest wysokość nad poziomem morza, na jakiej wykonywane są testy. Testowanie na poziomie morza nie jest takie samo jak testowanie w górach. Niniejszy dokument zawiera informacje na temat wpływu dużych wysokości nad poziomem morza na bezpieczeństwo.

Odległość odstępu

Odległość odstępu odnosi się do najkrótszej ścieżki powietrza między dwiema częściami przewodzącymi, które zapewniają wystarczającą izolację. Różni się od drogi upływu, która oznacza najkrótszą odległość wzdłuż powierzchni materiału izolacyjnego. Odstęp może być równy, ale nigdy nie jest dłuższy od drogi upływu.

Zachowanie odpowiedniego odstępu jest kluczowym elementem projektowania bezpiecznej płytki drukowanej (PCB). Układy płytek drukowanych i podzespołów muszą uwzględniać odpowiednie odległości bezpieczeństwa, aby zapobiec powstawaniu łuków elektrycznych wysokiego napięcia lub przerw pomiędzy przewodnikami a podzespołami elektronicznymi, a także aby chronić urządzenie i użytkownika.

Gęstość i skuteczność izolacji powietrza są stosunkowo dobre na poziomie morza, co oznacza, że wymagany odstęp dla określonych kategorii CAT jest zminimalizowany. Niestety, wytrzymałość dielektryczna powietrza zmienia się wraz ze zmianą wysokości nad poziomem morza.

Prawo Paschena

Prawo Paschena, nazwane na cześć niemieckiego fizyka Friedricha Paschena, jest równaniem, które daje napięcie niezbędne do wywołania łuku elektrycznego pomiędzy dwiema elektrodami w gazie w funkcji ciśnienia gazu i odległości pomiędzy elektrodami. Dla danego gazu napięcie jest funkcją jedynie ciśnienia i długości szczeliny. Wraz ze spadkiem ciśnienia spada również napięcie przebicia dla stałej szczeliny. W takich warunkach należy zwiększyć szczelinę, aby utrzymać stałe napięcie przebicia. Prawo to ma znaczenie podczas projektowania przyrządów, ponieważ powietrze jest gazem.

Wpływ wysokości nad poziomem morza

Podczas projektowania urządzeń elektrycznych powietrze pełni rolę izolatora elektrycznego. Ciśnienie atmosferyczne można zdefiniować jako całkowitą masę powietrza na obszarze jednostkowym na dowolnej wysokości. Gęstość i wytrzymałość powietrza są bardzo dobre na poziomie morza. Na większej wysokości nad poziomem morza powietrze staje się rzadsze i w związku z tym staje się coraz gorszym izolatorem. Wraz ze wzrostem wysokości maleje ilość powietrza na obszarze jednostkowym. Wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza spada ciśnienie atmosferyczne, co zmniejsza wytrzymałość dielektryczną (izolacyjną) powietrza.

Przy niższym ciśnieniu powietrza pomiędzy przewodami elektrycznymi występuje mniejsza izolacja, co prowadzi do większego ryzyka powstania łuku elektrycznego. Zmniejszone ciśnienie sprawia, że powietrze rozkłada się łatwiej, co z kolei prowadzi do jonizacji i ułatwia przepływ prądu.

Poniższa tabela z pochodząca ze strony Engineering Toolbox (www.EngineeringToolBox.com) ilustruje zmianę ciśnienia atmosferycznego wraz ze wzrostem wysokości:

Odległość odstępu wymagana do zapewnienia bezpieczeństwa wzrasta wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza, ponieważ właściwości izolacyjne powietrza zmniejszają się. W poniższej tabeli (pobranej z normy IEC 62368-1, tabela 22) przedstawiono mnożnik odstępu w oparciu o wysokość nad poziomem morza.

Podczas projektowania (i zakupu) elektrycznego sprzętu testowego należy uwzględnić przewidywaną wysokość pracy. Norma IEC 61010-1:2001 określa pracę na wysokości 2000 metrów lub mniejszej. Przyrząd o kategorii CAT 2000 metrów lub niższej może nie spełniać kategorii CAT 3000 metrów lub wyższej.

Wnioski

Znajomość środowiska, w którym będzie używany sprzęt testowy, ma kluczowe znaczenie dla wyboru bezpiecznych przyrządów. Nie inaczej jest w przypadku roboczej wysokości nad poziomem morza. Większość powierzchni Ziemi leży poniżej 2000 metrów, jednak wielu ludzi pracuje z energią elektryczną powyżej tej wysokości. La Paz w Boliwii ma średnią wysokość 3689 metrów, Escondida Copper Mine w Chile (największa kopalnia miedzi na świecie) leży na wysokości 3010 metrów, natomiast kopalnia miedzi Antamina w Peru znajduje się na wysokości 4200 metrów nad poziomem morza. To tylko kilka przykładów. Większość ośrodków narciarskich, ze swej natury, znajduje się na wysokościach ponad 2000 metrów.

Ważne jest, aby użytkownik elektrycznego sprzętu testowego sprawdził wysokość nad poziomem morza związaną z kategorią CAT. Należy pamiętać, że standard wynosi 2000 metrów. Jeśli przyrząd testowy będzie używany na dużych wysokościach nad poziomem morza, należy pamiętać o wpływie na wymagane odstępy.