Wpływ jakości energii elektrycznej dostarczanej do urządzeń elektrycznych, które muszą funkcjonować w czasie pożaru, na warunki ewakuacji (część 2.)

Zróżnicowane wymagania dotyczące pewności zasilania wymusiły wprowadzenie klasyfikacji odbiorników energii elektrycznej na kategorie zasilania, które można sklasyfikować zgodnie z kryterium przyjętym w gospodarce energetycznej:

• odbiorniki III kategorii zasilania – odbiorniki, w których dowolnie długa przerwa w dostawie energii elektrycznej nie spowoduje żadnych negatywnych skutków,
• odbiorniki II kategorii zasilania - odbiorniki, w których krótka przerwa w dostawie energii elektrycznej (do kilku minut) nie spowoduje negatywnych skutków,
• odbiorniki I kategorii zasilania – odbiorniki, w których nawet krótka przerwa w dostawie energii elektrycznej może spowodować zagrożenie życia ludzi lub znaczne straty materialne spowodowane np. przerwaniem procesu produkcyjnego.

Przykładowy układ zasilania obiektu budowlanego, w którym występują wszystkie kategorie zasilania, przedstawia rysunek 1.

Do najbardziej wrażliwych odbiorników wspomagających ewakuację należą: oświetlenie awaryjne, dźwigi dla ekip ratowniczych, DSO. Urządzenia te należy zaliczyć do I kategorii zasilania, w celu wyeliminowania zakłóceń w ich pracy spowodowanych zasilaniem ich energią elektryczną o niewłaściwych parametrach.

Zapad napięcia lub jego odchylenie powoduje silne zakłócenia szczególnie oświetlenia oraz komunikatów przekazywanych za pośrednictwem DSO. Zniekształcone komunikaty lub gwałtowne zmiany oświetlenia powodują pogłębianie stresu u osób uwięzionych w płonącym budynku, a w skrajnym przypadku mogą doprowadzić do paniki wśród osób ewakuowanych. W celu wyeliminowania zakłóceń przychodzących z sieci elektroenergetycznej, obwody zasilające te odbiorniki należy objąć systemem zasilania gwarantowanego z wykorzystaniem zasilaczy UPS.

Zespół prądotwórczy stanowi w tym przypadku źródło zasilania awaryjnego i stosowany jest tylko w niektórych obiektach wymagających zwiększonej pewności zasilania.

Zespoły prądotwórcze dzieli się ze względu na czas rozruchu, tj. czas, jaki upływa od chwili zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej do chwili jego podania z generatora zespołu prądotwórczego na zespoły:

• z długotrwałym zanikiem napięcia,
• z krótkotrwałym zanikiem napięcia,
• bez zaniku napięcia.

Do zasilania wrażliwych urządzeń ppoż. wspomagających ewakuację nadaje się jedynie zespół prądotwórczy zaliczony do kategorii bez zaniku napięcia. Na rysunku 2. został przedstawiony schemat zespołu prądotwórczego z zerowym czasem przełączenia na zasilanie awaryjne.

W układzie przedstawionym na rysunku 2. zastosowano silnik elektryczny synchroniczny o mocy równej mocy generatora zespołu prądotwórczego. Zasilanie odbiorników jest realizowane w sposób ciągły nie z sieci elektroenergetycznej, lecz z generatora zespołu prądotwórczego. W normalnym stanie pracy silnik elektryczny (1) jest zasilany z sieci elektroenergetycznej i napędza generator zespołu (2) wraz z kołem zamachowym (3).

W przypadku zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej, sprzęgło (4) łączy koło zamachowe z silnikiem spalinowym (5). Zgromadzona w kole zamachowym energia kinetyczna jest w stanie spowodować szybki rozruch silnika spalinowego, który przejmuje napęd generatora zespołu. Łącznik Q2 w tym przypadku spełnia jedynie funkcję serwisową.

W każdym innym przypadku do zasilania wrażliwych urządzeń wspomagających ewakuację konieczne jest zastosowanie w układzie zasilania zasilacza UPS. Generalnie, UPS-y są zbudowane z trzech podzespołów:

• układu prostownik – ładowarka przekształcającego napięcie przemienne na stałe oraz ładującego baterię akumulatorów,
• zestawu (baterii) akumulatorów pozwalającego magazynować i odnawiać zapasy energii na czas podtrzymania uzależniony od ich pojemności (od 5 minut do kilku godzin),
• statycznej przetwornicy dc/ac (falownika), która wytwarza ponownie napięcie przemienne o odpowiednio wysokich parametrach (napięcie i częstotliwość).

Schemat blokowy zasilacza UPS przedstawia rysunek 3.

Rozwój konstrukcji UPS-ów doprowadził do opracowania nowoczesnego falownika, w którym wytwarzanie sinusoidy napięcia odbywa się w technologii PWM (ang. Power Width Modulation). Metoda ta znakomicie kompensuje zjawisko pobierania wyższych harmonicznych przez zabezpieczane urządzenia. Impedancja wyjściowa falownika w technologii PWM jest niska nawet dla wysokich częstotliwości pobieranego prądu, co skutkuje niską zawartością harmonicznych w wytwarzanym napięciu. Ta koncepcja legła u podstaw opracowania autonomicznego urządzenia do kompensacji wyższych harmonicznych o nazwie filtr aktywny [10]. Schemat blokowy filtra aktywnego przedstawia rysunek 4.

Określenie „aktywny” oznacza, że – w przeciwieństwie do filtrów pasywnych, nastawionych tylko na jedną lub kilka częstotliwości – może być instalowany w dowolnym miejscu i przenoszony w inne, w którym się „adaptuje” automatycznie. Falownikowi można przypisać swoistą „inteligencję” dzięki wyrafinowanemu systemowi sterowania. Jest to realizowane dzięki specjalnej konstrukcji [10].

Filtr aktywny jest wyposażony w detektor, który analizuje spektrum harmonicznych prądowych pobieranych przez odbiornik i wytwarza takie same, ale w przeciwfazie i „wstrzykuje” je przed punkt pomiaru.

Dzięki temu następuje pełna kompensacja i źródło zasilające „widzi” pobór tylko składowej podstawowej. Ponieważ urządzenia ppoż., które powinny funkcjonować w czasie pożaru, muszą być zasilane sprzed wyłącznika ppoż., projektowanie zasilania tych urządzeń należy realizować ze szczególnym uwzględnieniem skutecznej ochrony przeciwporażeniowej.

Należy zaznaczyć, że do zabezpieczania tych urządzeń nie nadają się wyłączniki różnicowoprądowe, które mogą działać w sposób niekontrolowany pod działaniem wysokiej temperatury powstającej podczas pożaru. Pod działaniem wysokiej temperatury izolacja przewodów ulega jonizacji, skutkując zwiększonymi prądami upływu doziemnego, które powodują niekontrolowane działanie wyłączników różnicowoprądowych prowadzące do pozbawienia funkcji zasilanych urządzeń.

Urządzenia przeciwpożarowe, które muszą funkcjonować w czasie pożaru, należy zabezpieczać tylko zwarciowo z pominięciem zabezpieczeń przeciążeniowych, ale z zachowaniem skutecznej ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie w czasie wymaganym przez normę PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. Na rysunku 5. zostały przedstawione przykładowe układy przeciwpożarowego wyłącznika prądu, który zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późniejszymi zmianami [11]), należy instalować w budynkach zawierających strefy pożarowe o kubaturze przekraczającej 1000 m³ lub zawierających strefy zagrożone wybuchem. Wyłącznik ten powinien odcinać dopływ energii elektrycznej do wszystkich odbiorników z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru. Wyłącznik ten powinien być instalowany przy głównym wejściu do budynku lub złączu i odpowiednio oznakowany.

Odcięcie dopływu prądu przeciwpożarowym wyłącznikiem nie może powodować samoczynnego włączenia drugiego źródła energii elektrycznej (w tym zespołu prądotwórczego) z wyjątkiem źródła zasilającego urządzenia, których funkcjonowanie w czasie pożaru jest niezbędne. Jako wyłącznik należy stosować aparat elektryczny typu rozłącznik uzbrojony w cewkę wyzwalacza wzrostowego z możliwością zdalnego jej sterowania w układzie przełącznika faz, który w przypadku zaniku napięcia w jednej lub w dwóch dowolnych fazach automatycznie przełączy zasilanie cewki wzrostowej na fazę aktywną.

Parametry elektryczne dobieranego rozłącznika muszą spełniać wymagania wynikające z parametrów zwarciowych obliczonych w miejscu jego instalacji, a jego prąd znamionowy nie może być mniejszy od prądu znamionowego poprzedzającego go zabezpieczenia. Sterowanie wyłącznikiem jest realizowane przez naciśnięcie przycisku w wyłączniku chronionym szybką szklaną, zainstalowanym przy wejściu do budynku lub w pobliżu złącza.

Zastosowanie wyłącznika, który można uruchomić po zbiciu szybki, uniemożliwia przypadkowe jego sterowanie oraz pozwala na bezpieczne wyłączenie zasilania przez strażaków podczas akcji gaśniczej. Zastosowany aparat elektryczny w układzie przeciwpożarowego wyłącznika prądu musi posiadać możliwość ręcznego rozłączenia układu zasilania instalacji budynku. Wymóg ten jest podyktowany względami bezpieczeństwa.

Możliwość ręcznego rozłączenia układu zasilania może okazać się niezbędna w przypadku awarii wyłącznika lub zaniku zasilania w sieci zasilającej budynek objęty akcją gaśniczą (nierozłączenie układu zasilającego instalację elektryczną budynku grozi porażeniem prądem elektrycznym strażaków biorących udział w akcji gaśniczej wskutek niekontrolowanego powrotu napięcia w sieci zasilającej). W tym celu przycisk uruchamiający przeciwpożarowy wyłącznik prądu powinien zostać wyposażony w sygnalizację świetlną.

Lampka sygnalizacji świetlnej zadziałania wyłącznika musi być koloru zielonego i zaświecać się w przypadku zadziałania przeciwpożarowego wyłącznika prądu. Świecenie lampki kontrolnej przycisku uruchamiającego przeciwpożarowy wyłącznik prądu oznacza wyłączenie spod napięcia budynku objętego akcją gaśniczą. Jest to jednocześnie sygnał dla strażaków biorących udział w akcji gaśniczej, że można rozpocząć działania gaśniczo-ratownicze.

Brak świecenia lampki kontrolnej oznacza brak napięcia w budynku spowodowany przerwą w dostawie energii elektrycznej z systemu elektroenergetycznego lub awarią układu zdalnego sterowania przeciwpożarowym wyłącznikiem prądu, co oznacza konieczność ręcznego wyłączenia. W związku z tym obok przycisku sterowniczego należy zamieścić trwały napis informujący o miejscu zainstalowania przeciwpożarowego wyłącznika prądu. Z tego względu przeciwpożarowy wyłącznik prądu powinien zostać zainstalowany w miejscu dogodnym do eksploatacji. Jego instalacja powinna umożliwiać bezpieczne ręczne rozłączenie zasilania przez strażaków biorących udział w akcji gaśniczej. Lokalizację instalacji przeciwpożarowego wyłącznika prądu należy uzgodnić na etapie opracowywania projektu z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń ppoż.

Należy jednak pamiętać, że wymóg instalowania przeciwpożarowego wyłącznika prądu przy wejściu do budynku lub przy złączu nie wyklucza możliwości instalacji dodatkowych przycisków sterowniczych wyłącznika głównego w innych punktach budynku. Lokalizację dodatkowych przycisków sterujących uruchomieniem przeciwpożarowego wyłącznika prądu należy uzgodnić z inwestorem w porozumieniu z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń ppoż.

Problem pojawia się, gdy w budynku jest zainstalowany zespół prądotwórczy przeznaczony do zasilania awaryjnego lub zasilacz UPS pracujący w systemie zasilania gwarantowanego. W przypadku, gdy planowana jest instalacja zespołu prądotwórczego, konieczna jest instalacja automatyki SZR sieć/zespół prądotwórczy. Odcięcie dopływu prądu powinno zatem nastąpić na wyjściu układu przełączającego zasilanie z sieci elektroenergetycznej na generator zespołu prądotwórczego. W przypadku instalowania zasilacza UPS w obwodach zasilających odbiorniki niepożarowe, obok głównego przycisku sterowniczego powinien zostać zainstalowany wyłącznik awaryjny UPS-a, który należy odpowiednio opisać.

Zaleca się przyłączenie obwodu wyłącznika awaryjnego zasilacza UPS do układu sterowania przeciwpożarowym wyłącznikiem prądu (sposób rozwiązania tego problemu należy uzgodnić z projektantem systemu zasilania gwarantowanego). Z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego oraz dogodnej eksploatacji zasadnym wydaje się wydzielenie instalacji zasilającej urządzenia przeciwpożarowe i zainstalowanie osobnej rozdzielnicy z zabezpieczeniami tej instalacji (rys. 6.). Zasadnym wydaje się stosowanie w układzie zasilania urządzeń ppoż. zasilacza UPS, który nie może zostać wyłączony w czasie trwania akcji gaśniczej. Zasilacz ten jednak wymaga instalacji wyłącznika awaryjnego ze względów eksploatacyjnych. Wyłącznik ten należy instalować w miejscu dogodnym do eksploatacji, lecz nie obok przycisków sterujących wyłączeniem przeciwpożarowego wyłącznika prądu. Miejsce instalacji wyłącznika awaryjnego zasilacza UPS należy uzgodnić z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń ppoż.

Jeżeli przewiduje się instalację zasilacza UPS przeznaczonego do zasilania urządzeń przeciwpożarowych, konieczne jest wydzielenie osobnego pomieszczenia stanowiącego jednocześnie osobną strefę pożarową.

Z wykorzystaniem zasilaczy UPS  można również projektować zasilanie grupowe oświetlenia awaryjnego, a w celu zwiększenia niezawodności należy stosować układy redundantne. W układzie redundantnym każdy z zasilaczy UPS obciążony jest połową mocy. W przypadku awarii lub przeglądu jednego z nich, drugi przejmuje całe obciążenie.

Znacznie lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie zasilania w tandemie UPS – zespół prądotwórczy. W takim przypadku przez czas potrzebny na uruchomienie zespołu prądotwórczego zasilanie opraw awaryjnych realizowane jest przez UPS. Niezawodność takiego rozwiązania jest znacznie wyższa niż dotychczas prezentowanych. W obiektach, gdzie jednym ze źródeł zasilających musi być zespół prądotwórczy, UPS powinien być zasilany poprzez układ automatyki SZR sieć – zespół prądotwórczy. Na rysunku 7. zostały przedstawione przykładowe układy zasilania oświetlenia awaryjnego.

Na rynku dostępne są również systemy oświetlenia awaryjnego z indywidualnymi bateriami, posiadające: możliwość automatycznej kontroli lub układy automatycznego testu z meldunkiem do centrali. W przypadku opraw z automatyczną kontrolą, układy elektroniczne z kontrolerem sprawdzają stan i sprawność ładowarki, akumulatora, inwertora oraz źródła światła. Wynik kontroli sygnalizowany jest świeceniem diody LED zainstalowanej w oprawie i akustycznie sygnałem dźwiękowym w przypadku awarii oprawy.

W przypadku opraw z automatycznym testem i meldunkiem do centrali dzięki wydzielonej linii BUS stan pracy wszystkich opraw jest monitorowany w centrali. System jednoznacznie określa położenie kontrolowanej oprawy, co jest nie bez znaczenia przy konserwacji w rozległym obiekcie. Przykład takiego rozwiązania przedstawia rysunek 8.

Trwałość baterii w systemach z oprawami wyposażonymi we własne źródło zasilania powinna wynosić minimum 4 lata, a w systemach z zasilaniem centralnym – 5 lat. Baterie należy wymienić, jeżeli ich czas pracy w trybie awaryjnym, przy pełnym obciążeniu, obniżył się do 2/3 czasu pracy znamionowej. Kontrolę baterii należy prowadzić dwa razy w roku.

Wnioski

• Obowiązujące normy i przepisy techniczno-prawne określają parametry jakościowe możliwe do spełnienia przez dostawcę energii elektrycznej, przez co zakłócenia w sieciach zasilających będą występowały z mniejszym lub większym nasileniem.
• W celu wyeliminowania negatywnych zjawisk, należy do zasilania czułych urządzeń ppoż. stosować urządzenia zwiększające niezawodność zasilania oraz gwarantujące filtrowanie zakłóceń przychodzących z sieci zasilającej.
• Instalację urządzeń zasilających urządzenia ppoż. należy realizować w wydzielonych pożarowo pomieszczeniach i sukcesywnie, nie rzadziej niż co pół roku, prowadzić ich gruntowną kontrolę stanu technicznego.
• Przewody do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, należy dobierać z uwzględnieniem wzrostu rezystancji spowodowanej działaniem wysokiej temperatury pożarowej. Zaleca się dobieranie przewodów na warunki ekstremalne określone przez krzywe pożarowe temperatura – czas.
• Jako przeciwpożarowy wyłącznik prądu należy stosować aparat typu rozłącznik.
• W przypadku zastosowania aparatu typu wyłącznik, należy pamiętać o zachowaniu wybiórczości działania poszczególnych stopni zabezpieczanych obwodów w instalacji odbiorczej.
• Do zabezpieczania obwodów zasilających urządzenia ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, nie należy stosować wyłączników różnicowoprądowych oraz zabezpieczeń przeciążeniowych. Należy stosować wyłącznie zabezpieczenia zwarciowe.
• Z uwagi na możliwość zakłócania pracy nie stosować układów softstartu do rozruchu silników. Zaleca się stosowanie rozruchu bezpośredniego lub układów gwiazda – trójkąt.
• W rozległych obiektach należy stosować systemy kontroli stanu oświetlenia awaryjnego.
• Zaleca się prowadzenie kontroli stanu urządzeń ppoż. w odstępach co 6 miesięcy, a pomiary w zakresie ochrony przeciwporażeniowej raz na rok.
• W obiektach, w których zastosowano zespół prądotwórczy jako awaryjne źródło zasilania, należy prowadzić kontrolę jego funkcjonowania raz na miesiąc.
• Zaleca się prowadzenie kontroli stanu baterii zastosowanych w układach zasilania gwarantowanego co 6 miesięcy. 
• Należy zwrócić uwagę na fakt, że brak jest na rynku opraw oświetleniowych odpornych ogniowo przez czas niezbędny do funkcjonowania oświetlenia awaryjnego. Koniecznym staje się wprowadzenie wymagań produkcji opraw oświetlenia awaryjnego odpornych ogniowo przez czas niezbędny na przeprowadzenie ewakuacji.

Literatura

1. J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, wyd. 4, DW MEDIUM, Warszawa 2010.
2. Praca zbiorowa pod redakcją J. Wiatra, Poradnik projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego, wyd. 2, EATON POWER QUALITY Oddział w Polsce, Warszawa 2009.
3. PN-EN 50160:2005 Parametry jakościowe napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych.
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego.
5. K. Strzałka-Gołuszka, J. Strzałka, Jakość energii elektrycznej – parametry jakościowe, skutki złej jakości i sposoby poprawy cz. 1, „INPE” nr 129-130 czerwiec-lipiec 2010.
6. PN-EN 61000 Kompatybilność elektromagnetyczna.
7. S. Niestępski, J. Pasternakiewicz, T. Wiśniewski, Projektowanie sieci elektroenergetycznych. Instalacje elektroenergetyczne, OWPW, Warszawa 2002.
8. E. Rogala, Technika impulsów, OSR, Jelenia Góra 1966.
9. EN 1363:1999-2: Fire resistance test. Part 2. Alternative and additional procedures.
10. B. Graniszewski, Ochrona czułych instalacji w sektorze usług i przemyśle przed zakłóceniami napięcia i harmonicznymi „elektro.info” nr 12/2005.
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późniejszymi zmianami).
12. S. Siemek, Zasilanie urządzeń elektronicznych, COSiW SEP 2002.
13. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzrwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy, COSiW SEP 2007.
14. J. Wiatr, A. Boczkowski, M. Orzechowski, Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia, wyd. 1, DW MEDIUM, Warszawa 2010.
15. E. Skiepko, Instalacje przeciwpożarowe, wyd. 2, DW MEDIUM, Warszawa 2010.
16. INPE Podręczniki dla elektryków, Zeszyt 14, Jakość energii i niezawodność zasilania w instalacjach elektrycznych, COSiW SEP, Zakład Wydawniczy INPE w Bełchatowie 2007.
17. J. Wiatr, A. Boczkowski, W. Zdunek, Ochrona przeciwpożarowa w odniesieniu do instalacji elektrycznych (zagadnienia wybrane), SPE Oddział Warszawa, 2009.
18. L. Danielski, S. Osiński, Budowa, stosowanie i badanie wyłączników różnicowoprądowych, COSiW SEP, Warszawa 1999.
19. Vademecum Elektryka – praca zbiorowa pod redakcją J. Strojnego, COSiW SEP, Warszawa 2004.
20. INPE Podręczniki dla elektryków, Zeszyt 6, Jakość energii elektrycznej Europejski Program LPQI – SEP COSiW w Warszawie, Zakład Wydawniczy INPE w Bełchatowie, 2005.
21. www.leonardo-energy.org (december 15,2004 – Page 5 of 9)

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!