Ochrona przepięciowa w systemach sygnalizacji pożarowej – rozwiązania i możliwości w świetle obowiązujących przepisów
Overvoltage protection for fire alarm systems – solutions and possibilities according to polish regulations
Metody rozmieszczania zwodów chroniących przed wyładowaniami piorunowymi, rys. J. Wiater
Zadaniem systemu sygnalizacji pożaru (SSP) jest wykrycie, zaalarmowanie i powiadomienie odpowiednich służb w celu przeciwdziałania zagrożeniu [1]. Systemy SSP są zawsze projektowane stosownie do potrzeb danego użytkownika i wymagań konkretnego obiektu. Zakres działania SSP oraz obszar, na którym jest instalowany, może być różny. Wpływa to w bardzo dużym stopniu na poziom zagrożenia przepięciowego całego systemu.
W artykule:
|
StreszczenieW artykule omówiono problematykę ochrony przeciwprzepięciowej systemów sygnalizacji pożarowej (SSP). Wyjaśniono, skąd pochodzą przepięcia i dlaczego należy szczególnie chronić systemy SSP od przepięć. Dokonano podziału przykładowego obiektu z systemem SSP na strefy LPZ i stosownie do ich układu zaproponowano rozmieszczenie dedykowanych ograniczników przepięć. AbstractThe article discusses the issue of surge protection for fire alarm systems (SSP). It was explained where overvoltages come from and why SSP systems should be particularly protected against overvoltages. An example facility with an SSP system was divided into LPZ zones and, according to their layout, the arrangement of dedicated surge protection devices was proposed. |
W pierwszej kolejności znaczna długość okablowania zwiększa ryzyko indukowania się napięć w wyniku zarówno operacji łączeniowych, zwarć, jak również pośrednich lub – co gorsza – bezpośrednich doziemnych wyładowań piorunowych. W obecnych czasach systemy SSP budowane są w oparciu o układy elektroniczne, które są w znacznym stopniu narażone na przepięcia. Oczywiście urządzenia SSP są badane przez producentów i zgodnie z PN-EN 61000-4-5 [5] są w pewnym stopniu zabezpieczone przed przepięciami (częściowo na nie odporne) – z ograniczeniami i do deklarowanego poziomu. Nikt nie może zagwarantować, iż podczas na przykład burzy poziomy przepięć w SSP nie osiągną destrukcyjnych wartości. Elementy systemu SSP, które są szczególnie narażone na przepięcia, to m.in. centrale, czujniki dymu, temperatury, sygnalizatory dźwiękowe i optyczne.
Scenariusze możliwych zdarzeń niepożądanych, wynikających ze stosowania systemów SSP, które mogą być powodowane przez przepięcia, to:
- błędne powiadomienie o zagrożeniu pożarowym powstające na skutek zakłóceń (fałszywe alarmy),
- brak powiadomienia o zagrożeniu pożarowym na skutek uszkodzenia jednego lub kilku jednocześnie elementów złożonego systemu SSP,
- całkowite lub częściowe uszkodzenie systemu SSP,
- niepotrzebne uruchomienie pozostałych systemów przeciwpożarowych (na przykład może się bez potrzeby uruchomić system tryskaczy lub stałych urządzeń gaśniczych, mogą się otworzyć klapy dymowe i okna, bramy napowietrzające, zainicjowane zostanie wyłączenie niebezpiecznych urządzeń elektrycznych, gazowych, otwarcie drzwi ewakuacyjnych czy bramek kontroli dostępu oraz szereg innych czynności usprawniających ewakuację i bezpośrednio zwalczających zagrożenie [1], a w tym wypadku powodujących chaos i niepotrzebne zamieszanie).
Fałszywe alarmy mogą mieć także inne konsekwencje [4]:
- w przypadku powtarzających się fałszywych alarmów użytkownik nie może polegać na instalacji, co podważa sens jej funkcjonowania oraz inwestycji jako takiej,
- personel zaczyna lekceważyć powtarzające się alarmy,
- alarmy zakłócają spokój sąsiadom,
- służby ratownicze wzywane są bez potrzeby,
- uruchomienie instalacji gaśniczych prowadzi do przerwy w pracy [4].
Każdy z powyższych scenariuszy zdarzeń generuje koszty, niepotrzebne angażowanie siły roboczej, przerwę w ochronie obiektu i nie tylko. Mając to na uwadze, należy poważnie rozważyć zastosowanie adekwatnych środków ograniczających skalę fałszywych alarmów.
Przepięcia
Przepięcie to, zgodnie z definicją, każdy wzrost napięcia w sieci lub w układzie ponad jego wartość znamionową. Zazwyczaj centrale, czujniki, detektory są odporne na kilkunastoprocentowy wzrost napięcia ponad wartość znamionową. Jeśli urządzenie zasilane jest napięciem 230 V, to zgodnie z normami powinno wytrzymać o 10% więcej, czyli 253 V. A co będzie, jeśli napięcie wzrośnie powyżej dopuszczalnego poziomu? Zgodnie z normą, urządzenie może się popsuć i zazwyczaj się psuje. Popatrzmy na urządzenie od strony płytki elektronicznej. Mikroprocesory, które praktycznie znajdują się w każdym urządzeniu elektronicznym, zasilane są napięciem od 1,8 V do 5 V. Zgodnie z danymi katalogowymi, również są w stanie wytrzymać o 10% wyższe napięcie od znamionowego. A zatem jeśli wykonamy proste obliczenia, to okazuje się, że będą one działać do 1,98 V (dla procesorów zasilanych napięciem 1,8 V) i odpowiednio 5,5 V (dla układów zasilanych napięciem 5 V). Jak sobie popatrzymy na te wartości, to nie wydają się one szokująco wysokie. Niemniej jednak powodują bardzo dużo różnego rodzaju uszkodzeń, które bardzo rzadko wiążemy z przepięciami.
Systemy SSP są przyłączone do sieci elektroenergetycznej, dlatego należy wziąć pod uwagę ryzyko oddziaływania na nią przepięć spowodowanych wyładowaniami atmosferycznymi lub operacjami łączeniowymi. Systemy SSP wyposaża się w rozległe układy kabli i przewodów, które wraz ze wzrostem swojej długości zwiększają ryzyko pojawienia się przepięć indukowanych. Nie można też zapomnieć o innych rodzajach przepięć, które również oddziałują na SSP, takich jak np. przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej (wynikające z uszkodzenia sieci zasilającej – TOV), wyładowania elektrostatyczne (ESD), zwarcia (wzrost napięcia na fazach „zdrowych”). Rozległość okablowania systemu SSP znacznie zwiększa ryzyko wystąpienia przepięć indukowanych o różnym charakterze.
Skąd się biorą przepięcia?
Bez względu na to, czy tego chcemy, czy nie – nasze urządzenia elektryczne i elektroniczne są zmuszone do pracy w środowisku narażonym na przepięcia. Przepięć nie widać, bardzo często nie zdajemy sobie sprawy z ich istnienia.
Najwięcej przepięć powstaje w instalacjach elektrycznych w wyniku różnych operacji łączeniowych, zwarć, zmian konfiguracji układu połączeń, np. poprzez dołączanie nowych odbiorników energii elektrycznej. Są to tak zwane przepięcia wewnętrzne. Nie mają one zbyt dużych wartości, niemniej jednak jest ich dość dużo. Wielokrotnie występując w instalacjach elektrycznych, stopniowo (tak jak kropla drążąca skałę) nadwyrężają nasze urządzenia, ich układ izolacyjny, tory prądowe, tory pomiarowe, tory sygnałowe itp. Oczywiście sprzęt SSP, który użytkujemy, w pewnym stopniu jest na nie odporny, ale do czasu.
Najbardziej niebezpieczne dla wszelakich urządzeń są bezpośrednie lub pośrednie wyładowania piorunowe, które też są źródłem przepięć. Wówczas możemy spodziewać się w instalacjach elektrycznych napięć na poziomie tysięcy woltów, co przy braku ochrony przeciwprzepięciowej na pewno skończy się bezpowrotnym uszkodzeniem urządzeń SSP do tej instalacji podłączonych. Uwzględniając okres gwarancji, strefę zagrożenia piorunowego, można stwierdzić, iż statystycznie rzecz ujmując, w Polsce urządzenia i systemy elektroniczne są kilkakrotnie (od 5 do 8 razy) w ciągu roku narażone na uszkodzenia pochodzące od wyładowań piorunowych [3].
Wymagania prawne
Wśród ustaw, które poruszają zagadnienia związane z bezpieczeństwem eksploatacji obiektów budowlanych, możemy wyróżnić ustawę z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane [7]. Jak zaznaczono w treści ustawy, reguluje ona m.in. kwestie związane z projektowaniem, budową, utrzymaniem i rozbiórką tego typu obiektów [7]. Przez obiekt budowlany rozumie się w tym przypadku budynek, budowlę bądź obiekt małej architektury – wraz z instalacjami zapewniającymi możliwość użytkowania obiektu zgodnie z jego przeznaczeniem – wzniesiony z użyciem wyrobów budowlanych.
Obiekt budowlany, wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi, należy projektować i budować, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, w sposób określony w przepisach (w tym techniczno-budowlanych) oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej. Ma to na celu spełnienie podstawowych wymagań dotyczących m.in. bezpieczeństwa pożarowego, bezpieczeństwa użytkowania czy dostępności obiektów. Do przepisów techniczno-budowlanych zalicza się:
- warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać obiekty budowlane i ich usytuowanie,
- warunki techniczne użytkowania obiektów budowlanych.
Podstawy prawne i wytyczne projektowania, montażu i eksploatacji systemu sygnalizacji pożaru obejmują następujące akty prawne i rozporządzenia [6]:
- Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej,
- Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów,
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie,
- Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane,
- Norma PKN-CEN TS 54-14 obowiązująca od 2018 r.: Systemy sygnalizacji pożarowej – wytyczne planowania, projektowania, instalowania, odbioru, eksploatacji i konserwacji [6].
Lista obiektów zobligowanych do wyposażenia w SSP znajduje się w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2019 r. poz. 1065 wraz z późniejszymi zmianami) [8].
To samo rozporządzenie nakłada również obowiązek przestrzegania norm z zakresu ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej. Urządzenia SSP powinny być badane także przez producentów i zgodnie z PN-EN 61000-4-5 [5].
Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa SSP
Zewnętrzne urządzenie piorunochronne (potocznie nazywane piorunochronem) ma za zadanie przejąć i bezpiecznie odprowadzić do ziemi prąd doziemnego wyładowania piorunowego. Urządzenie piorunochronne tworzą:
- zwody o odpowiednich rozmiarach, układane na dachu chronionego obiektu,
- przewody odprowadzające prąd doziemnego wyładowania piorunowego ze zwodów na dachu do uziemienia,
- uziemienie piorunochronne o wymaganych minimalnych parametrach.
Zwody mają za zadanie wytworzyć tzw. parasol ochronny nad obiektem. Ich właściwe rozmieszczenie i jakość wykonania decyduje o skuteczności działania. Dobór i rozmieszczenie zwodów oraz przewodów odprowadzających prąd piorunowy (potocznie nazywanych piorunochronami) należy przeprowadzić zgodnie z zasadami opisanymi w normach z serii PN-EN 62305 [11-14].
Można do tego celu zastosować jedną z proponowanych w normie metod rozmieszczania zwodów (rys. 1.):
a) uniwersalną metodę toczącej się kuli,
b) metodę oczkową, właściwą dla dachów płaskich,
c) metodę kąta ochronnego.
Rys. 1. Metody rozmieszczania zwodów chroniących przed wyładowaniami piorunowymi, rys. J. Wiater
Zgodnie z zapisami PN-EN 62305-4 [14], ochrona przed wyładowaniem piorunowym jest oparta na koncepcji stref ochrony odgromowej (ang. Lightning Protection Zone – LPZ). Obiekt, który mamy zamiar chronić, powinien być podzielony na strefy LPZ. Strefy te w uproszczeniu określają poziom narażenia urządzeń na rozpływający się prąd piorunowy. I tak wyróżniamy następujące strefy (rys. 2.) [14]:
- LPZ 0A: strefa, w której elementy są narażone na bezpośrednie uderzenia pioruna, a przez to na przepływ jego prądu; występuje w niej nietłumione pole elektromagnetyczne;
- LPZ 0B: strefa, w której elementy nie są narażone na bezpośrednie uderzenia pioruna, ale występuje w niej nietłumione pole elektromagnetyczne;
- LPZ 1: strefa, w której elementy nie są narażone na bezpośrednie uderzenia pioruna i prądy we wszystkich znajdujących się w niej częściach przewodzących są zredukowane w stosunku do prądu w strefie 0B; również w niej może być, zależnie od środków ekranowania, tłumione pole elektromagnetyczne.
Rys. 2. Podział obiektu z systemem SSP na strefy LPZ [4]
Im wyższy numer strefy, tym niższe wartości przepięć, które mogą w niej wystąpić podczas doziemnego wyładowania piorunowego (pod warunkiem stosowania ograniczników przepięć).
UWAGA!
Optymalnie dobrany system ochrony instalacji SSP będzie się składał z „piorunochronów”* i ograniczników przepięć** zainstalowanych na wejściach i wyjściach wszystkich przewodów wprowadzanych i wychodzących z urządzeń SSP.
Generalna zasada opisana w normach z serii PN-EN 62305 mówi, że wszystkie przewody/kable przechodzące z jednej do drugiej strefy LPZ powinny być chronione odpowiednio dobranymi ogranicznikami przepięć.
____________
* w normach z serii PN-EN 62305 posługujemy się zwrotem odnoszącym się do zwodów i przewodów odprowadzających prąd piorunowy. Użyte tu słowo „piorunochronów” jest pojęciem potocznym, umieszczonym w celu łatwiejszego przyswojenia podstawowych informacji przez czytelnika spotykającego się z problemem po raz pierwszy
** ograniczniki przepięć nazywane są w normach urządzeniami do ograniczania przepięć i w handlu można je spotkać oznaczone jako SPD (ang. Surge Protection Devices).
Na rysunku 2. przedstawiono koncepcję podziału obiektu wyposażonego w SSP na strefy zgodnie z normą PN-EN 62305-4. Rysunek 3. zawiera schemat blokowy systemu SSP wraz z dedykowanymi urządzeniami do ograniczania przepięć. Fizyczne rozmieszczenie ograniczników przepięć chroniących system SSP przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 3. Koncepcja ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej systemu SSP [4]
Rys. 4. Rozmieszczenie ograniczników przepięć chroniących system SSP [4]
Urządzenia do ochrony SSP przed przepięciami
Dobrze chroniony system SSP posiada na zasilaniu iskiernikowy ogranicznik przepięć wstawiony na granicy otwartego terenu („podwórka”) i budynku (w rozdzielnicy głównej), w którym jest umieszczona centrala SSP, spełniający wymagania normy PN-EN 61643-11 [9]. Wszystkie wejścia i wyjścia centrali są zabezpieczone dedykowanymi ogranicznikami przepięć. Wszystkie przewody wychodzące z obiektu powinny być zabezpieczone dedykowanymi ogranicznikami przepięć. Ograniczniki przepięć powinny posiadać deklarację zgodności, o której mowa w art. 5 pkt 10 Ustawy z dnia 30 sierpnia 2002 r. o systemie oceny zgodności (Dz.U. z 2019 r. poz. 155) [15]. W myśl ww. ustawy powinny spełniać wymagania norm PN-EN 61643-11, PN-EN 61643-21 [9, 10].
Fot. 1. Przykładowa realizacja ochrony systemu SSP – stacje metra w Monachium [4]
Urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) powinny wytrzymywać bez uszkodzenia spodziewaną część płynącego przez nie prądu pioruna. SPD powinny również mieć zdolność gaszenia elektroenergetycznych prądów następczych sieci zasilającej, jeżeli są przyłączone do jej przewodów. SPD powinny być zgodne z zapisami norm PN-EN 61643-11 [9], PN-EN 61643-21 [10] oraz zapewnić napięciowy poziom ochrony Up niższy niż wytrzymywany poziom napięcia udarowego chronionego urządzenia.
Do ochrony torów sygnałowych, wejść i wyjść centrali, czujników, sygnalizatorów itp. należy stosować dedykowane ograniczniki przepięć kategorii C (wewnątrz budynku) lub kategorii D (na granicy budynku i otwartego terenu „podwórka”). Większość z producentów ma w swojej ofercie dedykowane ograniczniki przepięć do konkretnych rodzajów chronionych urządzeń. Przy ich wyborze należy zwracać uwagę w pierwszej kolejności na jakość (najlepiej potwierdzoną wynikami badań, a nie tylko deklaracjami CE).
Tab. 1. Zakres badań różnych kategorii urządzeń do ograniczania przepięć w torach sygnałowych [10]
Najczęściej popełniane błędy:
- Brak jakiejkolwiek ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej.
- Brak analizy ryzyka strat wynikających z normy PN-EN 62305-2 dot. ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej.
- Brak wymaganych przeglądów okresowych – co wiąże się z ryzykiem braku wypłaty ewentualnego odszkodowania przez firmy ubezpieczeniowe.
- Brak ograniczników przepięć typu I zgodnych z PN-EN 61643-11 na granicy strefy LPZ0 i LPZ1.
- Brak ograniczników przepięć typu II zgodnych z PN-EN 61643-11 na granicy strefy LPZ1 i LPZ2.
- Brak ograniczników przepięć na wejściach i wyjściach centrali SSP zgodnych z PN-EN 61643-21.
- Brak ograniczników przepięć w liniach czujników, sygnalizatorów itp. – napięcia indukowane są najczęstszą przyczyną uszkodzeń czujników, sygnalizatorów itp.
Podsumowanie
Powszechnie istnieje przekonanie, że źródłem przepięć może być tylko sieć zasilająca urządzenia. Błędnie uważa się, iż jeśli do urządzenia zostanie podłączony jakiś czujnik, który nigdzie się nie łączy z niczym innym, to nie ulegnie on uszkodzeniu z powodu przepięć, gdyż nie mają się one skąd dostać. Niestety, takie przekonanie prowadzi do sytuacji, w których masowo ulegają uszkodzeniu czujniki, detektory, sygnalizatory i inne urządzenia w systemach SSP. Wiele osób zapomina lub nie zdaje sobie sprawy z faktu powstawania dużych wartości pola elektrycznego i magnetycznego, a co za tym idzie – napięć indukowanych, np. w przypadku wystąpienia doziemnego wyładowania piorunowego (bezpośredniego lub pobliskiego). Niskie napięcia pracy w połączeniu ze znaczną długością przewodów połączeniowych powodują, iż różnego rodzaju czujniki są w dużym stopniu narażone na przepięcia różnego pochodzenia. Rzadko kiedy awarie systemów SSP kojarzymy z przepięciami, a to właśnie one są źródłem największych problemów. Dlatego należy stosować ograniczniki przepięć w torach sygnałowych. Ze względu na ich znaczną liczbę, koszty takiego zabezpieczenia mogą zniechęcać do ich instalowania – przez co wracamy do punktu wyjścia. Albo będziemy się chronić, albo musimy się liczyć z awariami i kosztami ich likwidacji.
Literatura
- https://pol-poz.pl/system-sygnalizacji-pozaru-jak-dziala – dostęp 2024.04.16.
- Obwieszczenie Ministra Rozwoju i Technologii z dnia 15 kwietnia 2022 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz.U. 2022 poz. 1225. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU20220001225 – dostęp 2024.04.16.
- A.W. Sowa, Ochrona urządzeń oraz systemów elektronicznych przed narażeniami piorunowymi. Rozprawy Naukowe Nr 219. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2011.
- Poradnik ochrony odgromowej, DEHN 2019.
- PN-EN 61000-4-5:2014-10. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 4-5: Metody badań i pomiarów. Badanie odporności na udary.
- https://hydronetka.pl/blog/post/rodzaje-czujnikow-w-systemach-przeciwpozarowych-ssp_22.html?page_type=post – dostęp 2024.04.17
- Ustawa Prawo budowlane (Dz.U. z 2023 poz. 682 z późn. zm.)
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 15 kwietnia 2022 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (tekst jednolity Dz.U. 2022, poz. 1225 z późn. zm.)
- PN-EN 61643-11:2013 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 11: Urządzenia ograniczające przepięcia w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia. Wymagania i metody badań.
- PN-EN 61643-21:2004 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych. Wymagania eksploatacyjne i metody badań.
- PN-EN 62305-1:2011 Ochrona odgromowa. Część 1: Zasady ogólne.
- PN-EN 62305-2:2008 Ochrona odgromowa. Część 2: Zarządzanie ryzykiem.
- PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia.
- PN-EN 62305-4:2011 Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach.
- Ustawa z dnia 30 sierpnia 2002 r. o systemie oceny zgodności (Dz.U. z 2019 r. poz. 155).
