Wpływ temperatury pożaru na wartość napięcia zasilającego odbiorniki energii elektrycznej oraz warunki ochrony przeciwporażeniowej (część 2.)*)
![Rys. Uproszczona budowa wyłącznika różnicowoprądowego, zainstalowanego w układzie zasilania TT [10]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202203/budowa-wylacznika-przeciwpradowego-rysglowne.jpg)
Rys. Uproszczona budowa wyłącznika różnicowoprądowego, zainstalowanego w układzie zasilania TT [10]
W warunkach pożaru zmianie ulegają wymagania dotyczące ochrony przeciwporażeniowej. Głównym powodem odmiennego podejścia w tym zakresie w stosunku do instalacji funkcjonujących w warunkach normalnych jest zjawisko Wiedemanna-Franza-Lorentza, z którego wynika, że pod wpływem temperatury rośnie przewodność cieplna i maleje przewodność elektryczna żył przewodzących przewodów zasilających urządzenia elektryczne. Zjawisko to negatywnie wpływa na jakość napięcia dostarczanego do zasilanych odbiorników oraz skuteczność ochrony przeciwporażeniowej zasilanych urządzeń, realizowanej przez samoczynne wyłączenie zasilania.
Zobacz także
Michał Domin Systemy detekcji gazów a przepisy ochrony przeciwpożarowej
Systemy detekcji gazów są obecne w wielu regulacjach prawnych, w których przywoływane są w różnych celach. Większość przepisów nakazuje ich zastosowanie w danej aplikacji lub przy określonych warunkach....
Systemy detekcji gazów są obecne w wielu regulacjach prawnych, w których przywoływane są w różnych celach. Większość przepisów nakazuje ich zastosowanie w danej aplikacji lub przy określonych warunkach. Jednak czy istnieją regulacje, które określają, jakie parametry ma spełniać dany system lub jak ma wyglądać instalacja?
Ela-compil sp. z o.o. Czy system wykrywania pożaru naprawdę chroni?
W systemach bezpieczeństwa pożarowego dwa pojęcia – sterowanie i nadzorowanie – są często używane zamiennie, co bywa mylące. W rzeczywistości pełnią one odmienne funkcje, mają różne cele i wpływają na...
W systemach bezpieczeństwa pożarowego dwa pojęcia – sterowanie i nadzorowanie – są często używane zamiennie, co bywa mylące. W rzeczywistości pełnią one odmienne funkcje, mają różne cele i wpływają na efektywność całej instalacji. Rozumienie tych różnic jest kluczowe, jeśli zależy nam na niezawodnej ochronie życia i mienia.
mgr inż. Piotr Wasiucionek Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m3 lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.
![Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m3 lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.](https://www.elektro.info.pl/media/cache/full/data/202402/pwp-fot1.jpg)
Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających...
Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m sześc. lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.*)
Zakres względnych zmian rezystancji przewodów w temperaturze pożaru do rezystancji przewodu w temperaturze pokojowej, w funkcji temperatury Rυ/R0 = f(T) przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Zakres względnych zmian rezystancji przewodu w funkcji temperatury [10]
Spodziewaną wartość rezystancji przewodu poddanego działaniu temperatury większej od temperatury pokojowej można wyznaczyć ze wzoru (1) [10]:
gdzie:
R0 – rezystancją przewodu w temperaturze 20°C, w [Ω],
R∂ – rezystancja przewodu w spodziewanej temperaturze, w [K],
Tυ – spodziewana temperatura, większa od temperatury pokojowej, w [K].
Na rysunku 2. zostały przestawione krzywe pożarowe zdefiniowane w normie PN-EN 1363-2:2001 Badanie odporności ogniowej. Część 2: Procedury alternatywne i dodatkowe. Wszelkie badania w laboratoriach ogniowych świata prowadzone są w oparciu o krzywą standardową, nazywaną również krzywą normową lub celulozową. Zgodnie z tą krzywą, pożar w pełni rozwinięty występuje po upływie czasu 30 minut od chwili powstania pożaru i uzyskuje temperaturę 840° C. Oznacza to w praktyce wzrost rezystancji przewodu o 4,7 razy w stosunku do rezystancji przewodu w temperaturze 20°C.
Rys. 2. Krzywe pożarowe zdefiniowane w normie PN-EN 1363-2:2001 Badanie odporności ogniowej. Część 2: Procedury alternatywne i dodatkowe [10]
W tej samej normie zdefiniowane są krzywe parametryczne, pozwalające na określenie spodziewanej szybkości rozwoju pożaru dla określonej strefy pożarowej, budynku lub pomieszczenia, w zależności od gęstości obciążenia ogniowego Q [MJ/m2] oraz wskaźnika otworów Wo [-], wyrażającego ilościowo intensywność napływu powietrza do budynku, strefy pożarowej lub pomieszczenia. W zależności od tych parametrów dynamika rozwoju pożaru może znacząco odbiegać od przebiegu rozwoju pożaru charakteryzowanego przez krzywą standardową i uzyskiwać temperatury pożaru w pełni rozwiniętego znacznie szybciej niż określa to krzywa standardowa. Przykładowe krzywe parametryczne dla wskaźnika At = 0,06 oraz At = 0,08 przy różnych gęstościach obciążenia ogniowego przedstawia rysunek 3.
Rys. 3. Przykładowe krzywe parametryczne, obrazujące dynamikę rozwoju pożaru w zależności od wskaźnika otworów At oraz gęstości obciążenia ogniowego Q [11]
Wzrost rezystancji przewodów podczas pożaru powoduje wzrost spadków napięć w obwodach zasilania oraz przekłada się na warunki ochrony przeciwporażeniowej. Wzrost spadku napięcia powoduje zmianę warunków pracy urządzeń elektrycznych. Jako przykład należy przedstawić wpływ spadku napięcia na warunki pracy silnika elektrycznego, którego moment występujący na wale jest uzależniony od wartości napięcia zasilającego. Można to przedstawić wzorem (2) [10]:
gdzie:
Mn – moment znamionowy,
M – moment na wale silnika,
Mo – moment oporowy,
U – napięcie na zaciskach silnika,
Un – napięcie znamionowe,
T – temperatura przewodu zasilającego.
Natomiast graficznie wpływ wartości napięcia zasilającego na wartość momentu silnika przedstawia rysunek 4.
Rys. 4. Wpływ wartości napięcia zasilającego na wartość momentu silnika [10]
Jeżeli trasa przewodowa przechodzi przez co najmniej dwie strefy pożarowe, należy wyznaczyć współczynnik korekcyjny:
dzięki czemu spodziewaną rezystancję przewodu poddanego działaniu temperatury można wyznaczyć ze wzoru (3) [10]:
gdzie:
R0 – rezystancja przewodu w temperaturze 20°C, w [Ω],
R∂ – rezystancja przewodu w spodziewanej temperaturze pożaru, w [Ω],
l – długość przewodu obwodu zasilającego, w [m],
lx – odcinek przewodu stanowiącego część obwodu, obwodu zasilającego o długości l, narażony na działanie wysokiej temperatury, w [m],
To – spodziewana temperatura otoczenia przewodów zasilających, która może wystąpić w czasie pożaru, w [K].
Przy wyznaczaniu spadku napięcia należy posługiwać się wymaganiami załącznika „G” do normy PN-HD 60364-5-52 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie [5]. Należy nadmienić, że wymagania te pozostają w sprzeczności z normą PN-HD 60364-1:2009 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Zakres, przedmiot i wymagania podstawowe, w której określono dopuszczalny spadek napięcia od złącza zasilanego budynku do zasilanego odbiornika jako 4%, co należy uwzględnić na etapie doboru przekroju przewodów. Do wyznaczenia wymaganego przekroju przewodu zasilającego w obwodzie jednofazowym pomocny będzie wzór (4) [10]:
Natomiast dla obwodów trójfazowych, wymagany przekrój przewodu należy wyznaczyć za pomocą wzoru (5) [10]:
gdzie:
ΔUdop – dopuszczalny spadek napięcia,
cosφz – współczynnik mocy zapotrzebowanej,
Unf – napięcie fazowe,
lB – spodziewany prąd obciążenia,
X – reaktancja przewodu,
tgφ– wskaźnik mocy,
Un – napięcie międzyfazowe.
W tabeli 1. zostały podane dopuszczalne spadki napięcia określone w normie [5].
Tab. 1. Dopuszczalne spadki napięć w instalacjach elektrycznych zgodnie z PN-HD 603664-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie [5]
Norma PN-HD 60364-5-56:2019-01 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-56: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa [4] – zezwala na nieuwzględnianie zmian termicznych przewodów do temperatury 70°C. Jest zbyt daleko idące uproszczenie, gdyż jest to dopuszczalna temperatura pracy wielu przewodów. Przy ocenie samoczynnego wyłączenia zasilania, temperatura 70°C powoduje wzrost rezystancji przewodu o 20%, co nie pozostaje bez wpływu na warunki ochrony przeciwporażeniowej:
Zatem: R70 = 1,2·R20, czyli przy uzyskaniu przez przewód dopuszczalnej długotrwale temperatury pracy, jego rezystancja wzrasta o 20% w stosunku do rezystancji w temperaturze 20°C. Jest to wartość nie do pominięcia przy projektowaniu lub ocenie stanu ochrony przeciwporażeniowej realizowanej przez samoczynne wyłączenie zasilania.
Podobnie w normie PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2], wpływ temperatury na spodziewaną wartość prądu zwarcia jednofazowego został pominięty. Normalizatorzy natomiast zalecają stosowanie współczynników uwzgledniających ten problem w normie PN-HD 60364-6:2016-07 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzanie [6]. Problem wzrostu rezystancji wynikający ze zjawiska nagrzewania się przewodów wiodących prąd, w krajowych publikacjach był uwzględniany od szeregu lat przez wprowadzenie współczynnika 0,8 do licznika wzoru 1 w części 1. artykułu lub jego równoważnej wartości: 1,25 w mianowniku tego wzoru.
Wyłączniki różnicowoprądowe
Zakaz stosowania wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach bezpieczeństwa wynika z analizy środowiska pożarowego, w którym występuje wysoka temperatura powodująca degradację izolacji przewodów prowadzącą do niekontrolowanego upływu prądu prowadzącą do niekontrolowanych włączeń zasilanych odbiorników skutkujących pozbawienie ich funkcji. Problem ten wyjaśnia analiza rysunku 5., na którym została przedstawiona uproszczona budowa wyłącznika różnicowoprądowego.
Rys. 5. Uproszczona budowa wyłącznika różnicowoprądowego, zainstalowanego w układzie zasilania TT [10]
Nie stosuje się tego typu zabezpieczeń również w innych obwodach bezpieczeństwa z uwagi na wymaganą niezawodność. Przewody w instalacjach przeciwpożarowych należy dobierać zgodnie z wymaganiami norm przedmiotowych. Warunek poprawnego funkcjonowania zabezpieczenia różnicowoprądowego określa wzór (6) [10]:
gdzie:
IL1; IL2; IL3 – prądy w przewodach fazowych,
IN – prąd w przewodzie neutralnym,
IΔn – znamionowy prąd różnicowy
Osobnym problemem jest zabezpieczanie obwodów urządzeń przeciwpożarowych, które wbrew powszechnej opinii o braku konieczności zabezpieczania, wymagają zabezpieczania zgodnie z powszechnie akceptowalnymi zasadami doboru zabezpieczeń obwodów i urządzeń elektrycznych. Należy mieć świadomość, że elektryczne urządzenia przeciwpożarowe stwarzają takie same niebezpieczeństwo porażenia prądem elektrycznym jak urządzenia powszechnego użytku. Należy jednak pamiętać, że ze względów wymaganej zwiększonej niezawodności zasilania, dobierane zabezpieczania muszą zostać przyjęte o jedną/dwie wartości większe niż wychodzi to z obliczeń. Przyjęcie zabezpieczeń o zwiększonej wartości wymaga również dostosowania ochrony przeciwporażeniowej do wymagań normy PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2].
Zasilanie urządzeń ppoż. w budynku zasilanym w układzie TT
Spełnienie warunku samoczynnego wyłączenia w czasie nieprzekraczającym 0,2 s przy zabezpieczeniu bezpiecznikami topikowymi lub wyłącznikami nadprądowymi o prądzie znamionowym większym od 16 A jest zatem w praktyce niemożliwe. Ponieważ w obwodach zasilających urządzenia przeciwpożarowe nie można stosować wyłączników różnicowoprądowych ze względu na to, że w czasie pożaru ulegająca degradacji izolacja powodowała by niekontrolowane wyłączenia zasilania, które prowadziłyby do pozbawienia funkcji zasilanych urządzeń. W takiej sytuacji jedynym rozwiązaniem jest wykonanie obwodów zasilających urządzenia przeciwpożarowe w układzie zasilania TN. W tym celu konieczne jest galwaniczne oddzielnie tych obwodów od reszty obwodów występujących w budynku. Można to wykonać przy zastosowaniu transformatora izolacyjnego o mocy dobranej do mocy zapotrzebowanej przez zasilane odbiorniki o grupie połączeń YNzn5. Z punktu neutralnego uzwojenia połączonego w zygzak należy wyprowadzić i uziemić przewód PEN układu TN. W roli uziemienia wystarczy uziom fundamentowy obiektu budowlanego. Schemat przejścia z układu zasilania TT w układ TN stanowiący wyspę zasilania obwodów urządzeń przeciwpożarowych przedstawia rysunek 6.
Rys. 6. Schemat przejścia z układu zasilania TT w układ TN do zasilania urządzeń ppoż. [8]
Przyłączenie obwodów przeciwpożarowych do transformatora oddzielającego o przekładni ∂ = 1:1, wymaga sprawdzenia skuteczności samoczynnego wyłączenia zgodnie z zasadami określonymi wzorem (1) (cz. 1 artykułu). W przypadku instalacji transformatora trójfazowego prąd zwarcia jednofazowego można obliczyć z wykorzystaniem metody składowych symetrycznych za pomocą wzoru (7) [10]:
gdzie:
Rk – składowa zgodna/przeciwna rezystancji, w [Ω],
Rk(0) – składowa zerowa rezystancji, w [Ω],
Xk – składowa zgodna/ przeciwna reaktancji, w [Ω],
Xk(0) – składowa zerowa reaktancji, w [Ω],
Jeśli impedancja obwodu zwarciowego jest zdominowana przez urządzenie o stosunku Zk(0)/Zk wyraźnie mniejszym od jedności (transformator o grupie połączeń Yzn lub Dzn), to prąd zwarcia jednofazowego może okazać się większy niż prąd zwarcia trójfazowego obliczany w tym samym miejscu sieci. Jako największy spodziewany prąd zwarciowy początkowy, przyjmowany za podstawę doboru obciążalności zwarciowej urządzeń, należy wtedy przyjmować prąd Ik1 max , obliczony według poniższego wzoru (8) [10]:
UWAGA!
Składowa zgodna i przeciwna jest jednakowa dla wszystkich elementów statycznych poza maszynami wirującymi. Dla transformatora YNzn wartość składowej zerowej można wyznaczyć z następującego wzoru: Z(0) = (0,4 Rk + j 0,15Xk). Pozwala to w praktyce na przyjęcie wartości Z0 = (0,16 – 0,20) Zk [7]. Opis metody składowych symetrycznych wraz z podstawami matematycznymi przekształcenia jest dostępny w „Poradniku projektanta elektryka”, aut. J. Wiatr, M. Orzechowski, wydanie VI, 2021 [10].
Na podstawie uzyskanych wyników należy obliczyć prąd zwarciowy udarowy, prąd zwarciowy wyłączeniowy i prąd zwarciowy zastępczy cieplny, który jest niezbędny dla doboru zabezpieczeń.
W przypadku małych obiektów, gdzie moc urządzeń przeciwpożarowych jest niewielka, zasadnym wydaje się zasilanie tych odbiorników w jednofazowym układzie zasilania IT. Warunkiem uzyskania skutecznej ochrony przeciwporażeniowej jest objęcie wszystkich odbiorników zasilanych, z tego samego transformatora separacyjnego, wspólnym uziemieniem. W przypadku pojedynczego zwarcia praca uszkodzonego odbiornika nie stwarza zagrożenia, a podwójne zwarcie gwarantuje przejście w układ TN, w którym należy spełnić następujący warunek samoczynnego wyłączenia w czasie nie dłuższym od określonego w normie PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2] [10]:
Najlepszym rozwiązaniem w tym przypadku jest zastosowanie jednofazowych elektromedycznych transformatorów separacyjnych wykonanych w II klasie ochronności, Schemat układu zasilania jest niemal identyczny jak układ zasilania sali operacyjnej w Bloku Operacyjnym Szpitala. Widoczny na rysunku 7.
Rys. 7. Schemat instalacji ppoż. zasilanej w układzie IT [10], gdzie: UKSI – układ kontroli stanu izolacji (reagujący na zmniejszenie się poziomu izolacji poniżej 50 kΩ), z przyciskiem kontrolnym, KS – kaseta ze wskaźnikiem świetlnym i akustycznym (lampka zielona – stan prawidłowy, lampka pomarańczowa i brzęczyk – stan awaryjny), PE – przewód ochronny – szyna połączeń ochronnych urządzeń elektrycznych, EC – szyna połączeń wyrównawczych
Układ Kontroli Stanu Izolacji (UKSI) jest możliwy do wykorzystania jedynie w czasie normalnej eksploatacji. Służy on do sygnalizacji optycznej oraz akustycznej, zmniejszania się rezystancji izolacji co pozwala na szybką reakcję służb eksploatacyjnych w celu usunięcia występującego uszkodzenia. W czasie pożaru jego funkcja nie spełnia swoich zadań (nikt, kiedy najważniejszym zadaniem jest bezpieczna ewakuacja, nie będzie naprawiał uszkodzonego elementu instalacji lub zasilanego z niej urządzenia). Niemniej konstrukcja układu zasilania przy wystąpieniu podwójnego zwarcia powoduje automatyczne przejście układu w układ zasilania TN, co przy poprawnie dobranych przewodach oraz zabezpieczeniach umożliwia wyłączenie jednego z uszkodzonych obwodów, umożliwiając normalną pracę drugiemu uszkodzonemu odbiornikowi zasilanemu z tego samego źródła. Warunkiem koniecznym, oprócz spełnienia wymagań określonych wzorem (2) oraz (3) (cz. 1 artykułu), jest stosowanie zespolonych zabezpieczeń obejmujących dwa przewody zasilające każdy z odbiorników, dzięki czemu jest zagwarantowane pełnoobwodowe wyłączenie obwodu objętego zwarciem.
Przy wyspowym zasilaniu w układzie IT należy pamiętać, że dla wszystkich obwodów zasilanych z jednego transformatora należy stosować jeden wspólny UKSI. Zastosowanie UKSI w każdym obwodzie osobno jest niepoprawne i prowadzi do błędnych wskazań. Poprawne i niepoprawne przyłączenie UKSI przedstawia rysunek 8.
Rys. 8. Poprawny a) oraz niepoprawny b) sposób przyłączenia UKSI [10]
Literatura
- PN-HD 60364-4-41: 2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
- PN-HD 60364-4-41: 2017-09 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
- PN-EN 12101:10: 2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 10: Zasilacze
- PN-HD 60364-5-56:2019-01 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część5-56: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa
- PN-HD 603664-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie.
- PN-HD 60364-6:2016 – 07 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzanie.
- A. Kanicki -Wyznaczanie wielkości zwarciowych w systemach elektroenergetycznych – Łódź 2001
- E. Musiał – Współistnienie układów TN oraz TT: www.epismo-aez.pl
- N SEP-E 005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń przeciwpożarowych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.
- J. Wiatr, M. Orzechowski – Poradnik Projektanta Elektryka – wydanie VI – 2021; Grupa Medium Sp. z o. o. Sp. K
- M. Abramowicz, R. G. Adamski, Bezpieczeństwo pożarowe budynków, cz. 1, SGSP, Warszawa 2002.
