Rozdzielnice niskich napięć – stopień ochrony (kod IP)
Przykład rozdzielnicy, która może być stosowana na zewnątrz – obudowa typu VMS
W poprzednich częściach cyklu („Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć” [9], [10], [11] i [12]) autor skupił uwagę na aspektach technicznych związanych z rozdzielnicami niskiego napięcia. Niniejszy artykuł jest poświęcony doborowi stopnia ochrony rozdzielnicy przed wnikaniem ciał stałych oraz wody – stopnia ochrony zapewnianej przez obudowy (kod IP).
W artykule
|
Warunki instalacji
Proces projektowania instalacji elektrycznej, którego częścią jest rozdzielnica niskiego napięcia, nie powinien (w ocenie autora) kończyć się jedynie na podaniu stopnia ochrony zapewnianej przez obudowę (stopień ochrony IP lub kod IP). Podczas tego procesu należy wziąć pod uwagę jeszcze inne uwarunkowania, a w szczególności warunki, w których ta rozdzielnica będzie użytkowana.
Celem nadrzędnym projektanta jest zapewnienie jak najlepszej ochrony rozdzielnicy, a najprostsze rozwiązanie to stosowanie wysokiego stopnia IP. Należy jednak pamiętać, że wysokie IP równa się gorszemu odprowadzaniu ciepła, co z kolei wiąże się z przewymiarowaniem elementów wchodzących w skład urządzenia. W ocenie autora powyższa argumentacja pokazuje jednoznacznie, jak istotny jest prawidłowy wybór stopnia ochrony IP. W artykule pominięto zagadnienia związane z przyrostami temperatury wewnątrz rozdzielnicy. Zagadnienie to omówione zostanie w osobnej publikacji.
Podczas procesu projektowania należy zwrócić uwagę na następujące uwarunkowania:
1. Czy rozdzielnica będzie instalowana wewnątrz obiektu, czy na zewnątrz?
2. Na jakie warunki narażona będzie rozdzielnica podczas np.:
a. budowy obiektu,
b. etapu uruchomienia (odbiorów),
c. eksploatacji.
3. Czy rozdzielnica lub jej elementy będą narażone na szkodliwe czynniki, takie jak np. okresowe lub stałe występowanie podwyższonej wilgotności, prawdopodobieństwo kontaktu z cieczami, stopień zapylenia (pyły przewodzące) itd.
Komentarz:
W tym miejscu należy wyjaśnić jedną bardzo ważną kwestię. W normie PN-EN 61439-1 [2] to wytwórca pierwotny (producent komponentów) wraz z wytwórcą zestawu (prefabrykatorem) odpowiadają za urządzenie, jakim jest rozdzielnica. Normę PN-EN 61439 „Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe” [1], [2], [3] i [4] określa się jako normę produktową i jest ona dedykowana głównie dla producentów rozdzielnic. PN-EN 61439-1 [2] określa, że rozdzielnica jest budowana na podstawie uzgodnień pomiędzy wytwórcą zestawu (prefabrykatorem) a użytkownikiem. Tym uzgodnieniem jest dokumentacja projektowa, w której powinny znaleźć się (w opinii autora pracy) informacje na temat warunków pracy rozdzielnicy. Samo określenie stopnia IP jest w tym przypadku warunkiem niewystarczającym, co zostało wyjaśnione w dalszej części artykułu.
Instalacja na zewnątrz budynku
Projektując rozdzielnicę (instalację elektryczną) na zewnątrz, przyjmuje się odgórnie wysoki stopień IP ze względu na oddziaływanie warunków atmosferycznych. Typowe rozwiązania stosowane na zewnątrz w dokumentacji projektowej są opisywane stopniem IP65. Wynika to z faktu, że w powszechnej opinii stopień ochrony IP65 gwarantuje ochronę na zewnątrz przed wnikaniem pyłów oraz wody pochodzącej z opadów atmosferycznych. Czy tak jest w istocie?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy najpierw sięgnąć do normy PN-EN 62208:2011 (EN/IEC 62208:2023) Puste obudowy do rozdzielnic i sterownic niskonapięciowych. Wymagania ogólne [5, 6], według której producent obudowy deklaruje m.in. stopień ochrony IP danej obudowy. Zapisy w normie w zakresie stopnia IP w punkcie 9.9 Stopień ochrony (kod IP) już w pierwszym zdaniu przekierowują czytelnika w kwestii badania do normy EN/IEC 60529:1989 Degrees of protection provided by enclosures (ang. IP Code) (najnowsze wydanie PN-EN 60529:2003 Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (Kod IP) [7]). Kolejne punkty normy PN-EN 62208:2023 [6] określają, kiedy próba może zostać zaliczona z wynikiem pozytywnym (w skrócie: gdy po przeprowadzonej próbie brak wewnątrz pyłu/wody). Natomiast sama procedura badawcza i tym samym ocena, jakim stopniem ochrony IP zostanie oznaczona badana obudowa, została opisana w normie PN-EN 60529:2003 Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (Kod IP) [7]. Zatem przechodząc już do PN-EN 60529:2003 [7], warto zapoznać się z informacją, w jaki sposób jest prowadzone badanie na kod IP. W celu zrozumienia tego poniżej posłużono się tabelą stanowiącą wyciąg z ww. normy (tab. 1. i 2.).
Tab. 1. Stopnie ochrony zapewniane przez obudowę (kod IP); pierwsza cyfra kodu – ochrona przed wnikaniem obcych ciał stałych [7]
Tab. 2. Stopnie ochrony zapewniane przez obudowę (kod IP); druga cyfra kodu – ochrona przed wnikaniem wody i szkodliwymi jej skutkami [7]
Po analizie danych z tabeli 1. dla kodu np. IP6X czytamy:
„Ochrona przed pyłem. Próbnik nie może wniknąć. Przedostawanie się pyłu nie jest całkowicie wykluczone, ale pył nie może wnikać w takich ilościach, aby zakłócić prawidłowe działanie aparatu lub zmniejszyć bezpieczeństwo”.
Przyjrzyjmy się zatem drugiej cyfrze kodu IP – określającej ochronę przed wnikaniem wody i szkodliwymi tego skutkami. Przeanalizujmy badanie dla stopni IPX5, IPX6, IPX7 i IPX8 (patrz tab. 2.):
a) IPX5 – prędkość przepływu wody: 12,5 l/min ±5%. Czas trwania próby: 1 min/m2 co najmniej 3 min,
b) IPX6 – prędkość przepływu wody: 100 l/min ±5%. Czas trwania próby: 1 min/m2 co najmniej 3 min,
c) IPX7 – zbiornik do zanurzenia, poziom wody nad obudową:
- 0,15 m powyżej wierzchu,
- 1 m powyżej spodu.
Czas trwania próby: 30 min
d) IPX8 – zbiornik do zanurzenia, poziom wody: według uzgodnienia pomiędzy producentem i użytkownikiem, lecz warunki nie mogą być gorsze niż przy próbie jak dla cyfry 7. Czas trwania próby: według uzgodnienia. Nie krócej niż przy próbie jak dla cyfry 7.
Po zapoznaniu się z procedurą badawczą widać, że aby oznaczyć obudowę stopniem ochrony IPX6, wystarczy, aby próba trwała 3 minuty! Oznaczenie IPX8, czyli najwyższy stopień, który jest utożsamiany z „pełną hermetycznością”, wymaga, aby próba trwała min. 31 minut (przypomnienie – dłużej niż dla IPX7), a substancja, która ewentualnie dostanie się do środka, nie mogła spowodować zagrożenia.
Dlatego też w ocenie autora opisanie rozdzielnicy (w dokumentacji projektowej) jedynie kodem IP nie jest warunkiem wystarczającym, szczególnie gdy projektuje się rozdzielnicę, która będzie stała na zewnątrz. Należy pamiętać, że rozdzielnica stojąca na zewnątrz jest narażona na wnikanie wody do wnętrza nie tylko podczas samego opadu. Znacznie groźniejsze jest długotrwałe zaleganie wody/śniegu i innych cieczy już po ustaniu opadów atmosferycznych. Na taką sytuację norma PN-EN 60529:2003 [7] nie przewiduje procedury badawczej. Trzeba też pamiętać, że bardzo groźne dla działania rozdzielnicy są pyły zmieszane z cieczą, która może przenikać przez uszczelki do jej wnętrza. Z reguły tego typu mieszanina jest przewodząca i może doprowadzić do rozległych uszkodzeń w eksploatowanej rozdzielnicy. Dlatego też tego typu rozdzielnica powinna mieć konstrukcję, która minimalizuje ryzyko dostania się wody w przypadku np. ściekania jej po powierzchni rozdzielnicy albo posiadać łączenia, np. rynienki jak na rysunku 1., przez które woda i ciała stałe mogą się dostać do jej wnętrza.
Rys. 1. Rozdzielnica z dodatkowym systemem odprowadzania wody [13]
Jak zatem należy postępować podczas procesu projektowego? Poniżej przedstawiono najważniejsze punkty:
1) Na schemacie rozdzielnicy powinna znaleźć się informacja o miejscu zainstalowania oraz warunki, na jakie będzie narażona eksploatowana rozdzielnica. W praktyce wytwórca zestawu jako załącznik do zamówienia dostaje schemat rozdzielnicy. Ta dokumentacja jest traktowana właśnie jako uzgodnienie między wytwórcą a zamawiającym [2], a tym samym to tu powinny znaleźć się wszystkie istotne informacje opisujące parametry, jakie powinno spełniać projektowane urządzenie;
2) Należy dobrać obudowę (rozdzielnicę), której producent deklaruje, że może być stosowana na zewnątrz bez dodatkowych osłon (rys. 2.) (Norma PN-EN 61439-2 [3] sugeruje IP 23 jako wystarczające). Tylko to gwarantuje poprawną eksploatację urządzenia – oznacza bowiem, że producent wykonał testy niewynikające jedynie z samej normy (silne oddziaływanie strumienia wody w określonym czasie). Wyrób musiał zostać przebadany również pod kątem stałego oddziaływania wilgoci i pyłów podczas normalnej eksploatacji;
Rys. 2. Przykłady rozdzielnic, które mogą być stosowane na zewnątrz: a) obudowa typu Polysafe (IP55/IP65 – IK10), b) obudowa typu ARIA (IP65/IP66 – IK08), c) obudowa typu VMS (IP55/65 – IK08) [13]
3) Jeśli wyposażenie obudowy nie umożliwia zastosowania rozdzielnicy, która jest przeznaczona do użytkowania na zewnątrz (np. rozdzielnica o prądzie znamionowym 4000 A), to wówczas należy zastosować zabezpieczenia – daszki, wiaty itp. – które zapobiegną bezpośredniemu oddziaływaniu warunków atmosferycznych na właściwą obudowę;
4) Rozdzielnica powinna stać na fundamencie o wysokości min. 20 cm nad gruntem oraz na cokole – tak, aby wzbierająca woda podczas gwałtownych opadów lub zalegający śnieg nie mógł napłynąć do jej środka. W przypadku rozdzielnicy wiszącej na konstrukcji również należy unikać opierania urządzenia bezpośrednio na gruncie – dno rozdzielnicy powinno być zawieszone min. 30 cm nad powierzchnią gruntu;
5) Wprowadzenie przewodów i kabli powinno się odbywać wyłącznie od dołu. Dopuszcza się instalowanie np. gniazd oraz innego osprzętu na bokach obudowy, pod warunkiem że producent przewiduje takie rozwiązanie.
Komentarz:
Obudowy przystosowane do pracy na zewnątrz mają inną konstrukcję, tzn. brak otworów montażowych na górze i po bokach, drzwi są zlicowane i zagłębione w konstrukcji lub/i uszczelka i drzwi są tak wyprofilowane, aby woda nie osiadała na uszczelce. Z reguły posiadają możliwość pracy w temp. do 80°C (szczytowo do 130°C).
Instalacja wewnątrz budynku
W przypadku rozdzielnic instalowanych wewnątrz budynku również możemy podzielić je na następujące przypadki oddziaływania wilgoci i/lub pyłów podczas:
A) normalnej eksploatacji;
B) etapu budowy obiektu;
C) fazy rozruchów.
Komentarz:
Norma PN-EN 61439-2 [3] sugeruje IP 2X jako wystarczające do zastosowania wnętrzowego.
Ad. A) Jest to pozornie najprostsza sytuacja, ponieważ warunki zostały zdefiniowane przez zamawiającego i znamy obiekt (projektujemy go). Jeśli wiemy, jakie czynniki mogą oddziaływać, to możemy wybrać prawidłowe rozwiązanie. Poniżej przedstawiono kilka przykładów:
– Pomieszczenie rozdzielni lub inne podobne pomieszczenie techniczne, które nie jest narażone na zapylenie czy zalanie – wystarczający jest stopień ochrony IP31 pod pewnymi warunkami: rozdzielnica powinna być wyposażona w drzwi, aby zapobiec pyleniu się jej wnętrza oraz przypadkowemu kontaktowi z cieczami (inne uwarunkowania będą omówione w następnych artykułach).
Znając układ budynku, wiemy, czy jest prawdopodobieństwo zalania pomieszczenia, tzn. czy nad pomieszczeniem znajdują się instalacje sanitarne, technologia wykorzystująca ciecze, teren zielony itd. W takiej sytuacji zaleca się wprowadzanie przewodów i kabli od dołu (przez podłogę). Dodatkowo nad rozdzielnicą powinien być zamontowany daszek zapobiegający zaleganiu ewentualnej wody na dachu rozdzielnicy (rys. 3.).
Rys. 3. Rozdzielnica kasetowa typu MNS: a) w wykonaniu standardowym, b) ze specjalnym daszkiem (okapnikiem) [13]
Rozdzielnica stojąca powinna być wyposażona w cokół o wysokości min. 10 cm, a części przewodzące (końcówki kablowe, zaciski aparatów, szyny itd.) nie powinny być niżej niż 30 cm nad posadzką. W przypadku rozdzielnicy wiszącej również części przewodzące (końcówki kablowe, zaciski aparatów, szyny itd.) nie powinny być niżej niż 30 cm nad posadzką. Przy takim wykonaniu uzyskuje się zwiększoną pewność, że przy zalaniu pomieszczenia woda nie spowoduje większych zniszczeń.
Jeśli wprowadzamy przewody i kable przez dach, to powinno się to odbywać przez dławnice (dławiki) kablowe lub/i specjalne przepusty membranowe zapewniające min. IP55. Nie zaleca się stosowania przepustów szczotkowych. Powyższe zalecenia mają na celu ograniczenie skutków wynikających z ewentualnego spływu wody lub osadzania się kurzu i innych ciał stałych na dachu rozdzielnicy i w konsekwencji dostania się do jej wnętrza – ale tego nie wykluczają.
Komentarz:
Jeśli zastosujemy rozdzielnicę, która jest oznakowana stopniem ochrony IP31 i jednocześnie komponenty (dławiki, elementy odpowietrzające, kratki wentylacyjne itd.) będą miały stopień wyższy, np. IP55, to cały zestaw będzie miał stopień ochrony IP31. W takiej konfiguracji nie chodzi o to, aby uzyskać stopień IP55 dla całego zestawu, a jedynie o zwiększenie poziomu ochrony dla miejsc, które są potencjalnie narażone na oddziaływanie cieczy i ciał stałych.
– Pozostałe pomieszczenia, w których podwyższona wilgotność i zapylenie występują rzadko (pomieszczenia biurowe, korytarze itd.), a sama rozdzielnica nie jest dostępna – wystarczającym stopniem ochrony jest IP41. Przewody i kable należy wprowadzać od dołu, a jeśli to niemożliwe – zaleca się zastosowanie dławnic kablowych lub/i specjalnych przepustów membranowych zapewniających min. IP55. W przypadku rozdzielnicy wiszącej również części przewodzące (końcówki kablowe, zaciski aparatów, bloki rozdzielcze itd.) nie powinny być niżej niż 30 cm nad posadzką. Rozdzielnica stojąca powinna być wyposażona w cokół o wysokości min. 10 cm, a części przewodzące (końcówki kablowe, zaciski aparatów, szyny itd.) nie powinny być niżej niż 30 cm nad posadzką.
– Pomieszczenia, w których występuje ryzyko zalania lub zapylenia, np. hydrofornie, szachty instalacyjne, pomieszczenia technologiczne – przede wszystkim należy unikać instalowania w tych miejscach rozdzielnic. Najlepiej, gdyby rozdzielnica do zasilania danej technologii stała w innym pomieszczeniu, gdzie to narażenie nie występuje lub jest znacznie mniejsze. Jeśli nie istnieje możliwość spełnienia powyższego warunku, to wówczas należy stosować rozdzielnice, które są przystosowane do pracy na zewnątrz (opis wymagań zamieszczono powyżej).
Ad. B i C) Etap budowy lub faza rozruchów – coraz częściej rozdzielnice docelowe są wykorzystywane na etapie budowy do zasilania placu budowy oraz na etapie procedury rozruchowej obiektu, kiedy często obiekt nie jest w pełni ukończony. Warunki pracy takiej rozdzielnicy mogą być zbliżone do pracy na zewnątrz obiektu. W takim przypadku podejście zależy bezpośrednio od narażenia, jakie będzie występowało podczas trwania tego etapu.
Oczywiście w takiej sytuacji możliwe jest zastosowanie podejścia do takiej rozdzielnicy jakby stała ona na zewnątrz, jednak w praktyce takie rozwiązanie może być trudne do zrealizowania. Powoduje ono szereg komplikacji, takich jak konieczność przewymiarowania rozdzielnicy, gorsze odprowadzanie ciepła itd. W rezultacie prowadzi to do wyższych kosztów inwestycji i braku opłacalności w późniejszej eksploatacji.
W ocenie autora w takiej sytuacji należy zastosować środki ochrony, które zabezpieczą urządzenie na czas pracy w warunkach szczególnych, tzn. zastosowanie dodatkowych osłon, daszków, tymczasowa obudowa itd. Te zabezpieczenia będzie można zdemontować po oddaniu obiektu do użytkowania lub ustaniu niekorzystnych warunków. Takie zapisy powinny znaleźć się w dokumentacji projektowej. Nie jest to równoznaczne z koniecznością doboru tych elementów przez projektanta, gdyż nie musi on wskazywać konkretnego rozwiązania, a jedynie określić parametry, jakie powinno spełniać to rozwiązanie.
Wnioski
W normie PN-EN 61439-1 [2] to wytwórca pierwotny (producent komponentów) wraz z wytwórcą zestawu (prefabrykatorem) odpowiadają za urządzenie, jakim jest rozdzielnica. PN-EN 61439-1 [2] określa, że rozdzielnica jest budowana na podstawie uzgodnień pomiędzy wytwórcą zestawu (prefabrykatorem), a użytkownikiem, zatem od szczegółowości tych uzgodnień zależy, czy rozdzielnica będzie spełniała stawiane przed nią zadania.
Tym uzgodnieniem jest właśnie dokumentacja projektowa, w której powinny znaleźć się (w ocenie autora) informacje na temat warunków pracy rozdzielnicy.
Niezależnie od warunków pracy projektowanej rozdzielnicy na jej schemacie powinny znaleźć się m.in. następujące informacje:
1) informacja o miejscu zainstalowania oraz warunki, w jakich będzie eksploatowana. W praktyce wytwórca zestawu jako załącznik do zamówienia powinien otrzymać schemat rozdzielnicy. Dokumentacja ta stanowi uzgodnienie między wytwórcą a zamawiającym i powinna zawierać wszystkie istotne informacje opisujące parametry, jakie powinna spełniać projektowana rozdzielnica. Określenie tylko stopnia IP nie jest wystarczające, jak zostało to opisane wcześniej;
2) należy dobrać obudowę (rozdzielnicę) w zależności od jej przeznaczenia; stopień ochrony IP jest warunkiem koniecznym, jednak niewystarczającym;
3) jeśli wyposażenie obudowy uniemożliwia nam zastosowanie rozdzielnicy, która jest przeznaczona do użytkowania w konkretnym środowisku, to należy rozważyć jej odpowiednie zabezpieczenie – np. daszki, wiaty, dodatkowe osłony – lub przeniesienie poza lokalizację stanowiącą potencjalne zagrożenie.
Literatura
- PN-EN 61439-1:2011 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 1: Postanowienia ogólne.
- PN-EN IEC 61439-1:2021-10 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 1: Postanowienia ogólne.
- PN-EN 61439-2:2011 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej.
- PN-EN IEC 61439-2:2021-10 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej.
- PN-EN 62208:2011 Puste obudowy do rozdzielnic i sterownic niskonapięciowych. Wymagania ogólne.
- EN/IEC 62208:2023 Empty enclosures for low-voltage switchgear and controlgear assemblies. General requirements.
- PN-EN 60529:2003 Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (Kod IP).
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka. Podstawy zasilania budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i innych obiektów nieprzemysłowych w energię elektryczną, Grupa MEDIUM, wydanie VI, Warszawa 2021.
- M. Orzechowski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – część 1., „elektro.info” nr 11/2020.
- M. Orzechowski, M. Mikulski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – studium przypadków – odporność zwarciowa elementów realizujących rozdział energii, „elektro.info” nr 4/2022.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – obliczenia zwarciowe, „elektro.info” nr 6/2022.
- M. Orzechowski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – przykłady doboru elementów, „elektro.info” nr 7–8/2022.
- Materiały marketingowe ABB Sp. z o.o.
- Rys. 1. Rozdzielnica z dodatkowym systemem odprowadzania wody [13]
- Rys. 2. Przykłady rozdzielnic, które mogą być stosowane na zewnątrz: a) obudowa typu Polysafe (IP55/IP65 – IK10), b) obudowa typu ARIA (IP65/IP66 – IK08), c) obudowa typu VMS (IP55/65 – IK08) [13]
