Ochrona przeciwprzepięciowa i przetężeniowa w instalacjach inteligentnych
Rys. 1. Współzależność instalacji konwencjonalnej oraz „inteligentnego” systemu instalacyjnego w budynku (na podst. [1])
W ostatnich dekadach nastąpił gwałtowny postęp technologiczny w dziedzinie techniki instalacyjnej, związany między innymi z wprowadzeniem systemów automatyki budynkowej, które przyjęło się określać jako „instalacje inteligentne”. W potocznym rozumieniu, zastosowanie „instalacji inteligentnej” w danym budynku sprawia, że jest on traktowany jako budynek bądź też dom „inteligentny”, czyli wyposażony w takie układy instalacyjne, które są w stanie samoczynnie wykonywać zaprogramowane funkcje sterowania, wykorzystując zarówno polecenia użytkowników instalacji, jak i cały szereg wielkości fizycznych mierzonych wewnątrz i na zewnątrz budynku. Jest to pewne uproszczenie, które nie uwzględnia tak naprawdę konieczności zintegrowania systemów technicznej obsługi budynków z systemami automatycznego sterowania budynkiem.
Zobacz także
Ewimar Sp. z o.o. Nowe ograniczniki przepięć do systemów automatyki i nie tylko
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
RST sp. z o.o., dr inż. Tomasz Maksimowicz Ochrona przed przepięciami kamer IP i sieci Ethernet
Sieci Ethernet to już nie tylko sieci komputerowe, ale przede wszystkim uniwersalne media dla wszelkiego rodzaju systemów transmisji. Ogromne korzyści uzyskano dzięki opracowaniu standardu zasilania Power...
Sieci Ethernet to już nie tylko sieci komputerowe, ale przede wszystkim uniwersalne media dla wszelkiego rodzaju systemów transmisji. Ogromne korzyści uzyskano dzięki opracowaniu standardu zasilania Power over Ethernet (PoE), który znacząco przyczynił się do rozszerzenia obszaru zastosowań tej technologii. Doskonały przykład stanowią systemy monitoringu wizyjnego (VSS – Video Surveilance System, potocznie CCTV), gdzie jednym przewodem 4-parowym możliwa jest transmisja sygnału wizyjnego, sterowanie...
dr. inż. Jarosław Wiater, dr inż. Marek Garbaruk Laboratorium Techniki Wysokich Napięć im. prof. Andrzeja Sowy
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć im. prof. Sowy na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej nie powstałoby, gdyby nie inicjatywa i zaangażowanie prof. Andrzeja Sowy. Jest ono obecnie nowoczesnym...
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć im. prof. Sowy na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej nie powstałoby, gdyby nie inicjatywa i zaangażowanie prof. Andrzeja Sowy. Jest ono obecnie nowoczesnym laboratorium, dysponującym unikatową w skali światowej aparaturą umożliwiającą badanie zjawisk związanych z wyładowaniami piorunowymi.
Istnieje wiele klasyfikacji systemów automatyki budynkowej.
W podstawowym podziale bierze się pod uwagę wielkość budynków i związaną z tym złożoność zadań stawianych automatyce, dzieląc systemy automatyki na systemy: - HA „Home Automation” w budynkach małych (domy jednorodzinne, mieszkania w budynkach wielorodzinnych, małe biura), - BES „Home and Building Electronic Systems” w budynkach „średniej” wielkości (szkoły, szpitale, biurowce średniej wielkości itp.) [3], - BACS „Building Automation and Control Systems” w budynkach „dużych” (duże kompleksy biurowe, hotele, dworce, lotniska, obiekty sportowe itp.) [4].
Istnieje wiele klasyfikacji systemów automatyki budynkowej. W podstawowym podziale bierze się pod uwagę wielkość budynków i związaną z tym złożoność zadań stawianych automatyce, dzieląc systemy automatyki na systemy:
- HA „Home Automation” w budynkach małych (domy jednorodzinne, mieszkania w budynkach wielorodzinnych, małe biura),
- BES „Home and Building Electronic Systems” w budynkach „średniej” wielkości (szkoły, szpitale, biurowce średniej wielkości itp.) [3],
- BACS „Building Automation and Control Systems” w budynkach „dużych” (duże kompleksy biurowe, hotele, dworce, lotniska, obiekty sportowe itp.) [4].
Przy uwzględnieniu standardu wyposażenia dzieli się budynki inteligentne na trzy kategorie: A, B, C, gdzie najwyższa kategoria A zarezerwowana jest dla budynku wyposażonego we wszystkie systemy zabezpieczeń i sterowania, natomiast budynek „inteligentny” zaliczony do kategorii C musi być wyposażony przynajmniej w system sygnalizacji pożarowej, włamaniowej i kontrolę dostępu.
Dodatkowo uwzględnia się w tym podziale 6 klas złożoności systemów sterowania i zarządzania budynkiem, poczynając od klasy 0 (brak systemów sterowania), a kończąc na klasie 5 (jeden zintegrowany system zarządzania systemami nadzoru i sterowania wszystkimi funkcjami w budynku) [5].
Należy wziąć pod uwagę, że instalacja „inteligentna” nie stanowi instalacji samej w sobie, ale jest tylko uzupełnieniem „konwencjonalnej” instalacji elektroenergetycznej o „inteligentny” system sterowania (rys. 1.).
Instalacja „inteligentna” ma za zadanie przede wszystkim: zwiększenie funkcjonalności obiektu, poprawę bezpieczeństwa i komfortu, usprawnienie eksploatacji budynku oraz zmniejszenie zużycia energii elektrycznej.
Opracowano i wdrożono wiele systemów instalacji inteligentnych opartych na technice przekaźnikowej lub mikroprocesorowej. Do grupy systemów instalacyjnych typu przekaźnikowego zaliczyć można praktycznie tylko system SI firmy Doepke Norden oraz system Luxor firmy Theben. Systemy te znalazły na rynku polskim stosunkowo niewielkie zastosowanie. Natomiast wśród systemów mikroprocesorowych najbardziej znane i rozpowszechnione systemy instalacji inteligentnych to: system KNX (dawniej EIB) opracowany przez stowarzyszenie KONNEX, system LCN stworzony przez firmę ISSENDORFF Mikroelectronic GmbH, system Dupline firmy Doepke Norden oraz X-Comfort firmy Moeller [8].
Niezależnie od zasady konstrukcji systemu instalacyjnego konieczne jest zastosowanie ochrony przetężeniowej i odgromowej obwodów odbiorczych (tak samo jak w instalacji konwencjonalnej), a w wielu sytuacjach także samych urządzeń systemowych. Dotyczy to zwłaszcza instalacji opartych na systemach mikroprocesorowych, gdzie z uwagi na dużą wrażliwość modułów systemu na przepięcia występujące w instalacji, należy poświęcić szczególną uwagę na ich ochronę przed skutkami działań wyładowań atmosferycznych.
Negatywne skutki uszkodzenia modułów systemowych wiążą się oczywiście bezpośrednio z dużym kosztem tych modułów, ale także z zakłóceniem pracy instalacji, prowadzącym nawet w specyficznych sytuacjach do jej unieruchomienia. Uzależnione jest to w dużej mierze od rodzaju urządzenia systemowego, które uległo uszkodzeniu, oraz topologii systemu instalacyjnego. Najczęściej stosowanymi topologiami w systemach inteligentnych są topologia gwiaździsta, pierścieniowa oraz topologia magistralna (rys. 2.).
Topologia gwiaździsta jest oparta na zasadzie „master-slave” (rys. 2a). Jednostka centralna (M) zarządza jednostkami podporządkowanymi (S). W tego typu instalacjach najbardziej niekorzystnym przypadkiem jest uszkodzenie centralnej jednostki sterującej lub zasilacza urządzeń systemowych.
W topologii szeregowej (rys. 2b) wszystkie elementy systemowe (EP) są równouprawnione i posiadają szeregowy przepływ informacji. Uszkodzenie elementu systemowego lub wzajemnych połączeń może praktycznie wyłączyć część instalacji z ruchu.
W topologii magistralnej, zwanej potocznie BUS (Binary Unit System), wszystkie elementy są podłączone niezależnie do magistrali informacyjnej oraz równouprawnione w dostępie do niej (rys. 2c). Każde urządzenie magistralne (UM) odbiera informacje płynące magistralą do niego zaadresowane. Problemem w tego typu instalacjach jest oczywiście uszkodzenie magistrali i urządzeń systemowych, takich jak zasilacze oraz sprzęgła łączące różne części topologii systemu.
W dalszych częściach artykułu zostanie przedstawiony sposób realizacji ochrony przeciwzwarciowej oraz przeciwprzepięciowej w dwóch najbardziej popularnych na rynku polskim systemach instalacji inteligentnych, tj. w systemie KNX i LCN.
System KNX
Najczęściej stosowanym środkiem transmisji danych w systemie KNX jest magistrala w postaci skrętki dwuparowej (TP – Twisted Pair) YCYM 2×2×0,8 mm2, która jest zasilana napięciem 24 V dc, co zapewnia bezpieczeństwo obsługi instalacji. Magistrala łączy ze sobą urządzenia systemowe, które mają zapewnić właściwą pracę instalacji (zasilacze, sprzęgła, repetytory liniowe oraz interfejsy do komunikacji z komputerem) z urządzeniami magistralnymi odpowiedzialnymi za sterowanie instalacją, do których zalicza się sensory i aktory (rys. 3.).
Zasilacz 230 Vac/24 Vdc zasilający magistralę TP powinien być zainstalowany na początku linii oraz początku każdego jej segmentu. Nieodłącznym jego elementem jest zespolona cewka, która uczestniczy w generowaniu telegramów przesyłanych na magistralę oraz stanowi ochronę przed przepięciami w magistrali. Prądy znamionowe zasilaczy to: 120, 320, 640 oraz 800 mA. Podczas doboru zasilacza należy zwrócić uwagę na liczbę zamontowanych urządzeń magistralnych na danej linii.
Zadaniem sprzęgieł jest separacja galwaniczna linii od linii wyższego rzędu oraz uniemożliwienie przesyłu telegramów do linii wyższego rzędu. Filtracja telegramów polega na przepuszczaniu tylko tych telegramów, które są określone w tablicy filtrów sprzęgła. W zależności od miejsca zainstalowania może funkcjonować jako repetytor liniowy, sprzęgło liniowe lub sprzęgło obszarowe.
Przewód magistralny jest prowadzony w wydzielonych strefach instalacyjnych, tak jak przewody energetyczne (rys. 4.). Ponieważ napięcie probiercze zewnętrznej osłony przewodu magistralnego wynosi 2,5 kV, może się ona stykać bezpośrednio z żyłami przewodów energetycznych (rys. 5a). W przypadkach, gdy przewód magistralny TP jest pozbawiony zewnętrznej osłony (np. w miejscach łączenia przewodów w rozdzielnicy lub puszce instalacyjnej), należy zachować odstęp izolacyjny co najmniej 4 mm pomiędzy żyłami przewodów energetycznych a żyłami przewodu magistralnego (rys. 5b).
Podstawowym elementem topologii instalacji KNX/EIB jest linia, przy czym najprostsza linia musi składać się z zasilacza, sensora i aktora. Linia może przyjmować dowolną strukturę drzewiastą, przy czym jedynym ograniczeniem jest konieczność unikania pętli połączeń oraz nieprzekroczenie łącznej długości 1000 m dla wszystkich odcinków linii. Do pojedynczej linii można podłączyć bez jej rozbudowy o segmenty liniowe 64 urządzenia magistralne, pamiętając o doborze odpowiednich parametrów zasilacza. Linie systemu są ze sobą łączone za pośrednictwem swoich sprzęgieł liniowych z linią główną, tworząc obszar składający się maksymalnie z 15 linii.
Z powodu galwanicznego odseparowania linii poprzez sprzęgło zachodzi konieczność zainstalowania na każdej linii oraz linii głównej oddzielnego zasilacza. Dalsza rozbudowa systemu KNX/EIB polega na podłączeniu 15 (obszarów) linii głównych do jednej linii obszarowej za pomocą sprzęgieł obszarowych (rys. 6.). Taka trójpoziomowa struktura topologii systemu KNX jest odzwierciedleniem poszczególnych obszarów obiektu budowlanego, co zapewnia przejrzystość systemu oraz łatwą rozbudowę i lokalizację ewentualnych usterek.
Zabezpieczenie obwodów energetycznych systemu KNX/EIB jest realizowane tak samo jak w instalacji tradycyjnej, zgodnie z zasadami zabezpieczeń przewodów instalacyjnych i odbiorników. Podczas doboru aktorów należy zwrócić uwagę na obciążalność prądową długotrwałą jego styków, która powinna być większa od prądu znamionowego zasilanego urządzenia.
Przewody magistralne TP nie są wyposażane we własne zabezpieczenia przetężeniowe. Zabezpieczenia są zamontowane zgodnie z ogólnymi zasadami doboru na obwodzie zasilającym zasilacze. Są to zazwyczaj wyłączniki instalacyjne o wartości 1 lub 2 A, co jest podyktowane maksymalnym prądem pobieranym przez zasilacz.
Ochrona przeciwprzepięciowa przewodów energetycznych w instalacji systemu KNX/EIB jest realizowana analogicznie jak w instalacji konwencjonalnej. Przewody magistralne powinny być chronione przed przepięciami w sytuacji, gdy linia magistralna wychodzi poza budynek albo jeśli linia magistralna dochodzi do złącza lub znajduje się w jego pobliżu. Magistrala musi być w tym przypadku podłączona poprzez ogranicznik przepięć typu 1 do głównej szyny wyrównawczej w budynku (rys. 7.).
Ograniczniki typu 2 są wykorzystywane do ochrony przeciwprzepięciowej urządzeń magistralnych należących do danej linii. Stanowią one ochronę przed przepięciami indukowanymi w przewodach magistralnych. Instaluje się jeden ogranicznik na początku linii w rozdzielnicy w pobliżu zasilacza. W przypadku konieczności ochrony szczególnie czułych i kosztownych urządzeń magistralnych (np. ekrany dotykowe, pulpity operatorskie itd.), ograniczniki typu 2 powinno się montować bezpośrednio przy urządzeniach (rys. 8.).
Ich montaż jest konieczny również wtedy, gdy przewód magistralny jest ułożony na dłuższym odcinku obok innego obwodu energetycznego lub rurociągu, co może spowodować indukowanie się przepięć o dużej wartości. Zaleca się także ochronę aktorów, które mają bezpośredni kontakt z urządzeniami będącymi na potencjale ziemi. Ograniczniki są montowane pomiędzy przewody magistralne a przewód ochronny PE lub do elementów tworzących połączenie wyrównawcze.
Ograniczniki typu 2 powinny posiadać następujące parametry znamionowe:
- znamionowy prąd wyładowczy: co najmniej 5 kA.
- poziom ochrony <2 kV.
Wyrównywanie potencjałów polega na uziemieniu przewodów magistralnych za pomocą określonej impedancji z przewodem ochronnym. Jest ona zainstalowana w zasilaczu. Nie można uziemić przewodów bezpośrednio, ponieważ nie będzie można uzyskać symetrii impulsów binarnych generowanych w przewodach. Ekrany wszystkich przewodów magistralnych w instalacji łączy się ze sobą tworząc układ wydzielonego połączenia wyrównawczego, który nie może być połączony z elementami uziemionymi.
System LCN
System LCN jest oparty na koncepcji modułowej, zakładającej uniwersalność „inteligentnych” modułów, mogących pełnić funkcje zarówno sensora, jak i aktora. System LCN jest zasilany bezpośrednio z sieci 230 V, dlatego też każdy z modułów posiada wbudowany w sobie zasilacz, dodatkowo układ sprzęgający, pamięć konfiguracyjną oraz mikroprocesor.
Moduły różnią się natomiast liczbą wejść i wyjść, mocą, wbudowanym filtrem przeciwzakłóceniowym oraz obudową, w zależności od sposobu przewidywanego montażu (moduły podtynkowe oraz do montażu na szynie w rozdzielnicy).
Moduły LCN posiadają standardowo dwa niezależne wyjścia 230 V/300 VA (względnie 500 lub 2000 VA), które mogą być wykorzystywane do przełączania lub ściemniania (rys. 9.). W części sensorowej większość modułów posiada port T, do którego można podłączyć standardowe przełączniki, port I, do którego można podłączyć różne czujniki, np. temperatury, ruchu, deszczu, wiatru, światła lub odbiornik zdalnego sterowania oraz port P służący do podłączenia dalszego wyposażenia peryferyjnego, takiego jak blok przekaźników lub czujnik binarny.
W każdym module zastosowano ochronę przeciwprzepięciową wejścia czujników, zasilacza i układu sprzęgającego (do 4 kV). Wmontowana w układzie sprzęgającym ochrona przeciwzwarciowa zabezpiecza moduł przed zniszczeniem w sytuacji, gdy dojdzie do przypadkowej zamiany żyły zewnętrznej i żyły transmisji danych lub żyły neutralnej. Ponieważ każdy moduł jest zasilany z instalacji elektrycznej, dodatkową ochronę stanowią urządzenia klasy I i II zainstalowane wewnątrz budynku w rozdzielnicach.
System LCN nie potrzebuje osobnej sieci przewodów magistralnych, ponieważ moduły są bezpośrednio podłączone do standardowej trójprzewodowej instalacji elektrycznej wyposażonej w dodatkową żyłę D służącą do transmisji danych (standardowo NYM/YDY 4×1,5 mm2 lub 4×2,5 mm2) (rys. 10.).
W jednej magistrali można zainstalować maksymalnie 250 modułów, tworząc segment instalacji. Segmenty łączy się następnie w miarę potrzeb ze sobą za pomocą magistrali dwuprzewodowej.
Przewód transmisyjny, pomimo że przewodzi tylko niskie napięcie 30 V, jest traktowany jak normalny przewód sieciowy i z tego powodu należy go podłączać w skrzynkach rozdzielczych do wyłączników instalacyjnych. Przewód transmisyjny musi być połączony z fazą za pomocą zestyku pomocniczego tak, aby można było je równocześnie odłączyć (rys. 11.). Równoczesne odłączenie przewodu transmisyjnego wraz z fazowym umożliwia odłączenie całych poszczególnych odcinków magistrali, co ułatwia poszukiwanie błędów w sieci oraz zapewnia ochronę przeciwporażeniową serwisanta w przypadku przebicia fazy na przewód transmisyjny.
System LCN jest zabezpieczony przed skutkami przetężeń za pośrednictwem urządzeń ochrony przetężeniowej całej instalacji elektrycznej budynku, do której są podłączone bezpośrednio wszystkie „inteligentne” moduły systemu. Są to wyłączniki instalacyjne zamontowane w rozdzielnicy głównej, dobierane zgodnie z normalnymi zasadami doboru z uwzględnieniem poboru mocy wszystkich zainstalowanych urządzeń systemu LCN.
Ponieważ w systemie LCN do transmisji danych wykorzystywana jest żyła neutralna jako żyła powrotna, to podczas komunikacji przewód neutralny może przewodzić krótkotrwałe prądy dochodzące do wartości 0,5 A. Aby zapobiec zadziałaniu wyłącznika różnicowoprądowego, należy poprowadzić żyłę transmisyjną, wraz z innymi przewodami, przez wyłącznik różnicowy (rys. 12.) lub odseparować ją za pomocą modułu galwanicznej separacji i wzmacniacza LCN-IS.
Podsumowanie
Systemy instalacji inteligentnych są coraz powszechniej stosowane nie tylko w obiektach użyteczności publicznej, ale także w budynkach mieszkalnych jedno- i wielorodzinnych. Zwiększają one w sposób znaczący funkcjonalność klasycznej instalacji elektrycznej, kosztem jej skomplikowania i dużych nakładów finansowych. Uszkodzenie wybranych elementów systemowych poza zakłóceniem działania lub zablokowaniem całej instalacji, wiąże się z dużymi stratami materialnymi.
Wszystkie systemy instalacji inteligentnych niezależnie od tego, czy są to systemy oparte na technice przekaźnikowej, czy mikroprocesorowej, wymagają ochrony przed skutkami przepięć spowodowanych wyładowaniami atmosferycznymi oraz przed przetężeniami. Dodatkową uwagę należy zwrócić na ochronę systemów opartych na technice mikroprocesorowej, które są szczególnie wrażliwe na przepięcia występujące w instalacji elektrycznej.
W artykule omówiono sposób realizacji ochrony dwóch najpopularniejszych systemów instalacji inteligentnych, tj. KNX oraz LCN, różniących się zasadniczo, jeśli chodzi o filozofię rozwiązania ochrony przeciwprzepięciowej.
Główną ochronę systemów instalacji inteligentnych przed przepięciami stanowią urządzenia podstawowej ochrony budynku klasy I i II, które są zainstalowane w głównej rozdzielnicy obiektu budowlanego lub, uwzględniając rozbudowaną topologię systemu, w rozdzielnicach piętrowych. Przewody magistralne oraz urządzenia szczególnie wrażliwe na przepięcia, wyposażone w układy mikroprocesorowe, powinny być dodatkowo dobezpieczone ogranicznikami typu 2. Konieczne jest również połączenie magistrali z główną szyną wyrównawczą.
Najbardziej korzystnym rozwiązaniem ochrony przepięciowej charakteryzuje się system LCN, w którym oprócz ochrony realizowanej przez ograniczniki przepięć chroniące instalację elektryczną budynku, każdy moduł systemu jest wyposażony w swój własny ogranicznik klasy D, co powoduje bardzo skuteczną ochronę całego systemu.
Ochrona przetężeniowa omawianych systemów realizowana jest poprzez wyłączniki instalacyjne. Są one montowane w rozdzielnicach głównych w celu zabezpieczenia obwodów zasilających moduły instalacji inteligentnej oraz styki prądowe modułów wykonawczych.
Literatura
- M. Bielówka, A. Klajn, Instalacja elektryczna w systemie KNX/EIB. Podręcznik INPE dla elektryków, COSiW SEP, Warszawa 2006.
- Materiały firmowe: LCN. Opis systemu. LCN Polska, Opole 2004.
- PN-EN 50090-2-2:2002 Domowe i budynkowe systemy elektroniczne (HBES). Część 2-2: Przegląd systemu. Ogólne wymagania techniczne.
- PN-EN 50491-3:2010 Wymagania ogólne dla domowych i budynkowych systemów elektronicznych (HBES) oraz systemów automatyzacji i sterowania budynków (BACS). Część 3: Wymagania bezpieczeństwa elektrycznego.
- Praca zbiorowa pod redakcją Elżbiety Niezabitowskiej: Budynek Inteligentny. Tom 1: Potrzeby użytkownika a standard budynku inteligentnego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010.
- www.konnex.pl
- www.LCN.pl
- www.automatykabudynku.pl
- www.archiwum.elektroinstalator.com.pl