Wpływ pożaru na wartość napięcia zasilającego urządzenia elektryczne które muszą funkcjonować w czasie pożaru

Wśród instalacji elektrycznych stanowiących wyposażenie budynku wstępują obwody zasilające urządzenia elektryczne, które muszą funkcjonować w czasie pożaru. Przewody tych instalacji narażone są na działanie wysokiej temperatury, przez co muszą zapewnić ciągłość dostaw energii elektrycznej przez czas niezbędny do funkcjonowania zasilanych urządzeń.

Towarzysząca pożarowi temperatura powoduje zmniejszenie przewodności elektrycznej przewodów, co skutkuje pogorszeniem jakości dostarczanej energii elektrycznej, objawiającej się nadmiernym spadkiem napięcia oraz pogorszeniem warunków ochrony przeciwporażeniowej tych urządzeń.

Opis środowiska pożarowego

Do zainicjowania pożaru konieczne są trzy czynniki: materiał palny, utleniacz oraz źródło ciepła o dostatecznie dużej energii. Materiały palne są to substancje, które ogrzane ciepłem dostarczonym z zewnątrz lub powstałym w wyniku reakcji chemicznej, lub biologicznej zaczynają wydzielać gazy w ilości wystarczającej do ich trwałego zapalenia się. Tlen z kolei jest jednym z najaktywniejszych pierwiastków chemicznych, który wchodzi w reakcję z wieloma pierwiastkami i związkami chemicznymi. Jeżeli proces ten odbywa się gwałtownie, wówczas towarzyszą mu efekty świetlne oraz wysoka temperatura. Zjawisko to nazywamy paleniem. Rozróżniamy dwa rodzaje palenia się: palenie się z powstaniem płomieni i żarzenie się (bez płomieni). Na rysunku 1. przedstawiono tzw. trójkąt pożarowy obrazujący warunki niezbędne do powstania pożaru.

W opisie pożarów należy wyróżnić trzy podstawowe określenia:

• spalanie – proces fizykochemiczny, w którym w wyniku zachodzącej z dostatecznie dużą szybkością reakcji chemicznej między paliwem a utleniaczem, którym najczęściej jest tlen (reakcji utleniania), wydziela się duża ilość energii; spalanie zapoczątkowuje zapłon, samozapłon lub samozapalenie. Palenie się materiału palnego może przebiegać z wydzielaniem się dymów lub bezdymowo. Spalanie materiału palnego może odbywać się również bezpłomieniowo. W takim przypadku występuje tlenie się materiału oraz żarzenie. Tlenie się lub żarzenie materiału jest wynikiem niedostatecznej ilości utleniacza niezbędnego do powstania procesu spalania materiału palnego.
• pożar – niekontrolowany w czasie i przestrzeni proces spalania materiałów zachodzący poza miejscem do tego celu przeznaczonym.
• środowisko pożaru – przestrzeń budynku lub terenu ze strefą spalania oraz jej bezpośrednie sąsiedztwo.

Rozwój pożaru w budynku jest uzależniony od źródła inicjacji pożaru, składu i ilości materiałów, powierzchni, orientacji i geometrii pomieszczenia oraz lokalizacji i wielkości otworów wentylacyjnych. Pożar w pomieszczeniu obejmuje ogół zjawisk związanych z tworzeniem się i rozprzestrzenianiem strefy spalania, czyli płomieni, powstawaniem gazowych produktów rozkładu termicznego – dymu oraz wymianą ciepła w pomieszczeniu i w jego bezpośrednim sąsiedztwie.

Wieloletnie badania pożarów w pełnej skali oraz obserwacje pożarów rzeczywistych w budynkach pozwoliły na uogólnienie ich opisu poprzez podanie zależności zmian średniej temperatury gazów spalinowych w czasie, wyróżniając trzy główne fazy przebiegu tego zjawiska (rys. 2.).

Fazy rozwoju pożaru

Na rysunku 2. zilustrowane zostały fazy pożaru w odniesieniu do przebiegu temperatury pożaru w pomieszczeniu w funkcji czasu. Poszczególne fazy można opisać w następujący sposób:

• faza I – zwana inaczej wzrostem lub rozwojem pożaru albo też fazą przed rozgorzeniem. Charakteryzuje się stosunkowo niską średnią temperaturą gazu, a szybkość rozkładu termicznego i spalania zależy od eksponowanej na energię powierzchni materiałów palnych. Powstające podczas tego stadium strumienie energii cieplnej nie przekraczają zazwyczaj 50 kW/m². Pożar jest „kontrolowany przez paliwo”,
• faza II – pożar w pełni rozwinięty, zwany również fazą po rozgorzeniu, podczas której temperatura osiąga swoją maksymalną wartość (800–1000°C), a wszystkie materiały palne ulegają spalaniu. W trakcie trwania tej fazy płomienie wypełniają całe pomieszczenie, pożar staje się „kontrolowany przez wentylację”, tzn., że jego dynamika zależy w głównej mierze od dostępu powietrza,
• faza III – jest to okres wygasania (stygnięcia). Przejście w III fazę pożaru najczęściej następuje po wyczerpaniu się materiału palnego i (co się z tym wiąże) zmniejszeniu temperatury i pozostałych parametrów pożaru. Przyjmuje się, iż początek tego stadium określa spadek temperatury do 80% wartości maksymalnej.

Rozgorzenie

Oprócz opisanych na rysunku 2. faz pożaru, widoczne jest zdarzenie nazwane rozgorzeniem (ang. flashover). Jest to moment przejścia pożaru ze spalania powierzchniowego do spalania w całej objętości materiałów palnych w pomieszczeniu. Czas trwania rozgorzenia jest stosunkowo krótki w porównaniu z czasem trwania poszczególnych faz pożaru, dlatego też jest ono uznawane za „zdarzenie”, a nie odrębną fazę.

W praktyce rozgorzenie polega na spalaniu się produktów rozkładu termicznego spalania (dymu). W czasie pożaru w zależności od geometrii przegród budowlanych oraz sposobu wentylacji mogą wystąpić następujące typy rozgorzenia:

• powracające (pomieszczenie jest mocno zadymione, gazy opadają na podłogę, ogień przygasa, do wybuchu brakuje tlenu, otwarcie drzwi lub okna powoduje wydostawanie się dymu na zewnątrz oraz gwałtowny napływ powietrza do pomieszczenia objętego pożarem; wydostające się na zewnątrz gazy posiadające wysoką temperaturę wskutek mieszania się z powietrzem ulegają zapłonowi; ogień spalającej się na zewnątrz mieszanki wraca do pomieszczenia wciągany strumieniem napływającego świeżego powietrza),
• opóźnione (występuje w pomieszczeniu, w którym gazy pożarowe wypełniają całe pomieszczenie mocno zubożone w tlen, gdzie spalanie płomieniowe ustało (występuje tlenie się materiałów palnych na podłodze); gwałtowny dopływ powietrza z zewnątrz wskutek otwarcia drzwi lub okna powoduje szybkie wzbogacenie gorących gazów pożarowych w tlen, co skutkuje ich wybuchem; mieszanie gazów pożarowych z powietrzem może trwać nawet kilka minut, przez co ten rodzaj rozgorzenia nazywany jest opóźnionym),
• ubogiej mieszanki (do pomieszczenia objętego pożarem zapewniony jest dostateczny dopływ powietrza; z biegiem czasu stężenie gazów palnych przekracza dolną granicę wybuchowości, co skutkuje wybuchem mieszaniny gazów palnych z powietrzem – jest to lekki rodzaj rozgorzenia, który stanowi wstęp do rozgorzenia pełnego),
• przemieszczające się (gazy pożarowe uchodzące np. w warstwie nad sufitem podwieszanym dostają się do innego pomieszczenia bogatego w tlen, gdzie występuje czynnik energetyczny umożliwiający zapłon gazów; wskutek podciśnienia powstającego w płonącym pomieszczeniu ogień po zapłonie gazów palnych wraca do pomieszczenia objętego pożarem tą samą drogą co uchodzące z niego gazy do sąsiedniego pomieszczenia),
• wstecznego ciągu płomieni (występuje w pomieszczeniu o ubogim stężeniu tlenu, gdzie powstaje spalanie bezpłomieniowe, zwane również tleniem; brak tlenu powoduje zanik palenia, obniżenie temperatury oraz powstanie podciśnienia; gwałtowny napływ powietrza wskutek otwarcia drzwi lub okna powoduje szybką reakcję tlących się materiałów palnych, które przechodzą do spalania płomieniowego, i wybuch mieszaniny gazów palnych z powietrzem),
• bogate (gwałtowne zmieszanie się dymu ubogiego w tlen z napływającym świeżym powietrzem powstaje w pomieszczeniach, gdzie występują tzw. pożary pełzające; po pojawieniu się ognia wskutek braku dopływu powietrza przyrastająca objętość gazów pożarowych wytwarza nadciśnienie; otwarcie okna lub drzwi powoduje gwałtowny napływ powierza i wybuch mieszaniny gazów palnych z powietrzem).

Obraz rozwoju pożaru w pomieszczeniu spowodowany źródłem o niewielkiej mocy, rzędu 5 W (niedopałek papierosa rzucony na fotel) przedstawia rysunek 3. Na rysunku tym symbolicznie oznaczono wzrost wydzielanego ciepła podczas spalania w I i II fazie rozwoju pożaru.

Z chwilą zaistnienia zjawiska rozgorzenia temperatura pożaru osiąga wartość rzędu (800–1000)°C, a pożar przechodzi w stan quasi-stacjonarny, który charakteryzuje się stosunkowo małymi zmianami jego parametrów w czasie. W tym czasie następuje częściowe oddawanie ciepła do otoczenia poza pomieszczenie objęte pożarem. Stan ten sygnalizują płomienie wydostające się przez drzwi oraz okna. W tej fazie dynamika rozwoju pożaru zależy od dopływu tlenu, którą warunkują w głównej mierze przekroje otworów wentylacyjnych.

Krzywe symulujące przebieg pożaru

Prowadzone na szeroką skalę badania zjawisk pożarowych oraz rozwoju pożaru pozwoliły na opracowanie uogólnionych krzywych pożarowych „temperatura–czas”, przedstawiających spodziewany przyrost temperatury funkcji czasu, tj. T = f (t):

• krzywa normowa,
• krzywa węglowodorowa,
• krzywa zewnętrzna,
• krzywe parametryczne,
• krzywe tunelowe.

Krzywe te zostały przedstawione w normie EN 1363-2:1999 Fire resistance test. Part 2: Alternative and additional procedures, której wymagania stanowią podstawę prowadzenia badań ogniowych. Spośród wyszczególnionych krzywych pożarowych „temperatura–czas” najbardziej szczególne miejsce zajmuje krzywa normowa, zwana również krzywą celulozową, która opisuje uogólniony przebieg pożaru w budynkach, oraz krzywe tunelowe opisujące uogólniony przebieg pożarów w tunelach komunikacyjnych.

Krzywa normowa

Krzywa ta obrazuje pożary celulozowe, które występują w budynkach. Jest ona powszechnie stosowana w badaniach ogniowych budynków. Krzywą opisuje równanie:

gdzie:

T – temperatura, w [°C],

t – czas, w [min].

Natomiast jej przebieg przedstawia rysunek 4.

Krzywa tunelowa

Szczególną grupę pożarów stanowią pożary w tunelach komunikacyjnych, które jako budowle odróżnia:

• długość, która jest niewspółmiernie wielka w porównaniu z pozostałymi wymiarami tunelu,
• wentylacja pożarowa zależna od długości tunelu,
• znikome odprowadzanie ciepła na zewnątrz.

Wskutek znikomego odprowadzania ciepła na zewnątrz oraz silnego napływu powietrza tego typu pożary osiągają najwyższe wartości temperatury ze wszystkich pożarów w obiektach budowlanych. Jest to skutkiem efektu kominowego, który powoduje przemieszczanie się ognia z prędkością 20 m/s. Pożary te są symulowane przez krzywe tunelowe:

• niemiecką RABT,
• holenderską Rijkswaterstaat.

Przebiegi obydwu krzywych przedstawia rysunek 5. Cechą charakterystyczną pożarów w tunelach komunikacyjnych jest występowanie zjawiska kominowego, które powoduje, że temperatura pożaru uzyskuje w ciągu 5 minut wartość około 1200°C.

Krzywe parametryczne

Dość ciekawą grupę stanowią krzywe pożarowe „temperatura–czas” zwane krzywymi parametrycznymi, których przebieg jest uzależniony od wskaźnika otworów oraz gęstości obciążenia ogniowego Q, która jest jednym z podstawowych parametrów określających zagrożenie pożarowe. Określa ona średnią spodziewaną ilość ciepła, w [MJ], wydzielanego podczas spalania materiałów palnych zgromadzonych w pomieszczeniu, strefie pożarowej lub składowisku materiałów stałych w odniesieniu do 1 m² powierzchni i wyraża się w [MJ/m²]. Gęstość obciążenia ogniowego oblicza się zgodnie z wymaganiami normy PN-B-02852:2001 Ochrona pożarowa budynków. Obliczanie gęstości obciążenia ogniowego oraz wyznaczanie względnego czasu trwania pożaru [15], z wykorzystaniem następującego wzoru:

gdzie:

Q – gęstość obciążenia ogniowego, w [MJ/m²],

n – liczba materiałów palnych zgromadzonych w budynku, pomieszczeniu lub strefie pożarowej, w [-],

F – powierzchnia rzutu poziomego budynku, pomieszczenia lub strefy pożarowej, w [m²],

G_i – masa poszczególnych materiałów palnych zgromadzonych w budynku, pomieszczeniu lub strefie pożarowej, w [kg],

Q_ci – ciepło spalania poszczególnych materiałów palnych zgromadzonych w budynku, pomieszczeniu lub strefie pożarowej, w [MJ/kg].

Krzywe te wykreślane są na podstawie obliczeń prowadzonych w odniesieniu do określonego pomieszczenia i w praktyce nie znajdują zastosowania. Mają one charakter teoretyczny, choć stanowią uszczegółowiony przebieg krzywej normowej, dokładnie odzwierciedlając spodziewany przebieg pożaru.

Przykładowe przebiegi krzywych parametrycznych przedstawione na rysunku 6. dowodzą słuszności przyjęcia krzywej celulozowej przy prowadzeniu badań ogniowych, ponieważ opisuje ona warunki ekstremalne. Opis matematyczny krzywych parametrycznych jest stosunkowo prosty, ale prowadzi do bardzo pracochłonnych obliczeń, dlatego został pominięty.

Temperatura pożarowa a przewodność elektryczna

Wraz ze wzrostem temperatury pożarowej rośnie również temperatura przewodów instalacji elektrycznej znajdującej się w pomieszczeniach objętych pożarem. Mimo że izolacja opóźnia przenikanie ciepła do przewodnika, w krótkim czasie następuje zrównanie się temperatury przewodu z temperaturą gazów pożarowych.

Przewody ułożone w tynku nagrzewają się bardzo szybko również z uwagi na kumulację ciepła przez pojemność cieplną przegród budowlanych. Badania ogniowe prowadzone w Zakładzie Badań Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej w Warszawie wykluczają możliwość układania w tynku przewodów zasilających urządzenia ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru. Kumulacja ciepła jest tak duża, że osłona tynkiem nie gwarantuje zachowania ciągłości dostaw energii elektrycznej przez wymagany czas. Na rysunku 7. przedstawiono przykładowy przebieg nagrzewania izolacji oraz żyły przewodu miedzianego.

Wraz ze wzrostem temperatury przewodu wzrastają amplitudy drgań atomów w węźle sieci krystalicznej, która zwiększa prawdopodobieństwo zderzeń z elektronami. Skutkuje to zmniejszeniem ruchliwości elektronów, a tym samym zmniejszeniem konduktywności metalu.

Zgodnie z prawem Wiedemanna – Franza – Lorentza (1853 rok – doświadczalne stwierdzenie przez Wiedemanna i Franza; 1873 – potwierdzone przez Lorentza) stosunek przewodnictwa cieplnego i przewodnictwa elektrycznego w dowolnym metalu jest wprost proporcjonalny do temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury powstaje wzrost przewodnictwa cieplnego i spadek przewodnictwa elektrycznego:

gdzie:

γ – konduktywność przewodnika, w [m/(Ω·mm²)],

λ – współczynnik przewodności cieplnej przewodnika, w [W/(m·K)],

L – stała Lorentza: (L=2,44·10^–8 W·Ω·K^–2),

T – temperatura przewodnika, w [K].

Zmiana rezystywności jednostkowej przewodu na jednostkę temperatury może zostać zapisana następującym równaniem:

gdzie:

T – temperatura bezwzględna, w [K],

ρ – rezystancja jednostkowa przewodu, w [Ω·mm²/m],

α – temperaturowy współczynnik rezystancji odniesiony do temperatury 20°C (dla metali stosowanych na przewody można przyjmować α=0,004 K^–1).

Rozwiązanie równania (4) prowadzi do następującego wzoru:

Przyjmując jako ρ₂₀ dla temperatury początkowej 20°C (293,16 K), po elementarnych przekształceniach otrzymuje się stałą całkowania:

Wzór na rezystancję przewodu w temperaturze wyższej od 20°C (293,16 K), przyjmie następującą postać:

Wykonywanie obliczeń bezpośrednio z wykorzystaniem wzoru (7) prowadzi do błędnych wyników w zakresie wyższych temperatur, ponieważ wzór ten nie uwzględnia różnych czynników termodynamicznych, takich jak nasycenie cieplne przewodu, wymiana ciepła z otoczeniem, zmienność temperaturowego współczynnika rezystancji itp. Ma on znaczenie teoretyczne.

Dobre wyniki daje postać przybliżona wzoru (7), którą otrzymuje się po rozwinięciu go w szereg:

W zakresie temperatur nie wyższych niż 200°C zmienność rezystancji przewodu wystarczy opisać za pomocą pierwszych dwóch wyrazów wzoru (8), zastępując rezystywność rezystancją przewodu:

Jest to funkcja liniowa, która bezpośrednio wynika z niezmienności temperaturowego współczynnika rezystancji w zakresie temperatur od –50^oC do 200^oC. W zakresie temperatur wyższych od 200^oC, które występują w czasie pożaru, wzór (8) nie może zostać uproszczony do pierwszych dwóch składników. Dla temperatur większych od 200^oC, zmianie ulega temperaturowy współczynnik rezystancji, przez co wzrost rezystancji przewodu nie może zostać opisany zależnością liniową. Dla celów praktycznych wartość rezystancji przewodu w temperaturach większych od 200^oC można wyznaczyć z następującego wzoru:

- drugi współczynnik temperaturowy rezystancji (dla metali stosowanych na przewody ß=10^–6 K^–2).

Korzystanie w praktyce ze wzoru (9) lub (10) w zależności od przedziału rozpatrywanych temperatur daje zadowalające wyniki, choć jest znacznym uproszczeniem. W praktyce dostatecznie dobre rezultaty dają obliczenia wykonywane za pomocą wzoru wykładniczego, który uwzględnia nieliniowe zmiany współczynnika α przy temperaturach wyższych od 200°K [18]:

gdzie:

RTk – rezystancja przewodu w temperaturze Tk, w [Ω],

Tk – temperatura końcowa, w której oblicza się rezystancję przewodu RTk, w [K],

R20 – rezystancja przewodu w temperaturze 20°C, w [Ω].

Na rysunku 8. przedstawiono zmienność rezystancji funkcji temperatury [R=f (T)], obliczonej z wykorzystaniem wzorów (9), (10) oraz (11). 

Przedstawione na rysunku 8. charakterystyki R=f (T) wykazują, że obliczenia prowadzone z wykorzystaniem wzorów (10) oraz (11) dają porównywalne wyniki, z których można korzystać w praktyce.

Biorąc pod uwagę wartość spodziewanej temperatury pożarowej należy zwrócić uwagę, że do zasilania urządzeń przeciwpożarowych, które muszą funkcjonować w czasie pożaru, nie nadają się przewody aluminiowe ze względu na ich temperaturę topnienia wynoszącą około 660oC. Miedź natomiast posiada temperaturę topnienia wynoszącą 1083oC, której przekroczenie skutkuje przechodzeniem w stan ciekły z jednoczesnym skokowym wzrostem rezystancji. Jeżeli weźmiemy pod uwagę spodziewane temperatury podczas pożaru w tunelu komunikacyjnym, musimy pamiętać o konieczności stosowania dodatkowych środków ochronnych, np. przeciwpożarowych kanałów kablowych. Przy spodziewanej temperaturze pożaru, która przekracza temperaturę topnienia miedzi, zastosowanie izolacji ogniochronnej nie zapewni ciągłości dostaw energii do zasilanych urządzeń.

Wpływ temperatury pożarowej na jakość dostarczanej energii elektrycznej (napięcia zasilającego) oraz ochronę przeciwporażeniową

Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 50160, napięcie zasilające może ulegać odchyleniom od wartości nominalnej o wartość ±10% U_n. Takie zmiany napięcia w normalnych warunkach pracy urządzeń elektrycznych są dla nich niegroźne. Problemy mogą się pojawić podczas rozruchu silników, gdzie prądy rozruchowe są znacznie większe niż prądy znamionowe. Powoduje to powstanie większych spadków napięcia niż w czasie pracy ustalonej. Obniżone o 10% w stosunku do wartości znamionowej napięcie powoduje, że w czasie rozruchu silnika na jego zaciskach może pojawić się napięcie o wartościach niższych niż dopuszczalne (tab. 2.).

Wzrost rezystancji przewodu spowodowany działaniem temperatury pożarowej powoduje dalszy wzrost spadku napięć z jednoczesnym wzrostem impedancji pętli zwarcia. Skutkuje to zmniejszeniem wydajności pomp pożarowych i wentylatorów oddymiających wskutek zmniejszenia się momentu silnika napędowego oraz pogorszeniem warunków pracy innych urządzeń elektrycznych, których funkcjonowanie jest konieczne w czasie akcji gaśniczo-ratowniczej. Moment silnika elektrycznego w zależności od wartości napięcia zasilającego należy wyrazić następującą zależnością:

gdzie:

M – rzeczywisty moment silnika elektrycznego, w [Nm],

M_n – moment znamionowy silnika elektrycznego, w [Nm],

U_n – napięcie znamionowe silnika elektrycznego, w [V],

U – rzeczywiste napięcie występujące na zaciskach silnika elektrycznego, w [V].

Spadek napięcia na zaciskach silnika zaledwie o 10% powoduje zmniejszenie momentu o 19%. Podczas rozruchu silnik pobiera znacznie większy prąd niż w czasie pracy ustalonej. Dopuszczalny spadek napięcia w obwodach zasilających pompy pożarowe oraz silniki wentylacji pożarowej w czasie rozruchu wynosi 10%. Natomiast w czasie pracy ustalonej spadek napięcia w tych obwodach liczony od złącza budynku do zasilanego urządzenia nie może przekraczać 4% [21]. Ponieważ rozruch sprawnego silnika przebiega stosunkowo szybko, a dopuszczalny spadek napięcia w czasie rozruchu jest znacznie większy od dopuszczalnego spadku napięcia w stanie pracy ustalonej, decydujący wpływ na poprawną pracę silników urządzeń wspomagających akcję gaśniczo-ratowniczą ma dopuszczalny spadek napięcia dla stanu pracy ustalonej. Zmienność momentu silnika indukcyjnego zwartego w funkcji napięcia zasilającego przedstawia rysunek 9.

Dopuszczalne spadki napięcia dla silników będących w stanie rozruchu przedstawia tabela 1.

Zmieniające się w dopuszczalnych granicach napięcie (±10% Un), zasilające źródła światła, powoduje, że zmiany strumienia świetlnego wyniosą odpowiednio 70% i 140% strumienia znamionowego. Ponadto w przypadku długotrwale utrzymującej się wartości napięcia większej o 10% w stosunku do wartości nominalnej, czas eksploatacji żarówki zmniejszy się o 25%.

Znacznie mniejszy wpływ na wartość strumienia świetlnego posiadają lampy wyładowcze. Zmiany wartości strumienia świetlnego w zależności od zmian napięcia zasilającego można wyrazić następującą zależnością:

gdzie:

Φ – rzeczywista wartość strumienia świetlnego, w [lm],

Φn – znamionowa wartość strumienia świetlnego, w [lm],

U – rzeczywista wartość napięcia zasilającego, w [V],

U_n – nominalna wartość napięcia zasilającego, w [V],

γ – współczynnik przyjmowany dla źródeł żarowych jako (3,1–3,7) oraz dla źródeł wyładowczych jako 1,8.

Zmiany względnej wartości strumienia świetlnego źródeł żarowych i wyładowczych w funkcji zmian napięcia zasilającego zostały przedstawione na rysunku 10.

Poprawnie dobrane przewody, zgodnie z wymaganiami norm i przepisów, wskutek wzrostu rezystancji powodowanej wysoką temperaturą (w czasie pożaru w budynku rezystancja zwiększa się niemal 5-krotnie w warunkach pożaru w pełni rozwiniętego) będą dostarczały energię elektryczną do zasilanych urządzeń przy zaniżonym napięciu. Spowoduje to zmniejszenie momentów silników, osłabienie natężenia oświetlenia ewakuacyjnego oraz silne zniekształcenia komunikatów przekazywanych podczas akcji gaśniczo-ratowniczej przez Dźwiękowy System Ostrzegania. Przy spadku napięcia powyżej 15% zaczną odpadać stycznik i przekaźniki pracujące w układach automatyki.

Wymagany przekrój przewodów zasilających urządzenia ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, ze względu na dopuszczalny spadek napięcia, należy wyznaczyć z uwzględnieniem spodziewanego wzrostu rezystancji powodowanej działaniem wysokiej temperatury towarzyszącej pożarowi, wykorzystując następujące wzory:

• dla obwodów trójfazowych:

gdzie:

ΔU_dop% – dopuszczalny spadek napięcia, w [%],

l – długość linii zasilającej, w [Ω],

U_n – napięcie znamionowe, w [V],

X – reaktancja przewodu (linii) zasilającej, w [Ω],

I_B – spodziewany prąd obciążenia, w [A],

γ – konduktywność przewodu zasilającego, w [m/(Ω·mm²)],

k_p – względny udział trasy linii zasilającej narażonej na działanie wysokiej temperatury do całkowitej długości, w [-],

• dla obwodów jednofazowych:

Dobrane przewody należy następnie sprawdzić z warunku samoczynnego wyłączenia. Należy przy tym pamiętać, że do zabezpieczania obwodów zasilających urządzenia ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, nie można stosować wyłączników różnicowoprądowych oraz jakichkolwiek zabezpieczeń przeciążeniowych. Dopuszczalne jest stosowanie jedynie zabezpieczeń zwarciowych, które podczas zwarć doziemnych spowodują samoczynne wyłączenie zasilania w czasie nie dłuższym od wymaganego przez normę PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. Podano je w tabeli 2., biorąc pod uwagę ich zależność od napięcia zasilającego oraz typu układu zasilającego.

Najbardziej ostre wymagania w odniesieniu do czasu wyłączenia norma ta określa dla układu zasilania TT. Czasy te są o połowę krótsze od największych dopuszczalnych czasów określonych dla układów zasilania TN (TN-S; TN-C-S; TN-C). Z tego względu jedynym skutecznym zabezpieczeniem przed porażeniem realizowanym przez samoczynne wyłączenie w układzie zasilania TT jest wyłącznik różnicowoprądowy, który nie nadaje się do zabezpieczania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru. Tym samym układ zasilania TT nie nadaje się do zasilania urządzeń elektrycznych, które muszą funkcjonować w czasie pożaru.

Podobnie układ zasilania IT, mimo jego wielu zalet, nie nadaje się do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru. Układ tenprzy pojedynczym zwarciu nie stwarza zagrożeń, ale wymaga stosowania Układu Kontroli Stanu Izolacji dla zasygnalizowania powstałego zwarcia, w celu jego natychmiastowego usunięcia przez obsługę. Natomiast drugie zwarcie w zależności od sposobu uziemienia ochronnego zasilanych odbiorników przekształca go odpowiednio w układ TT lub TN. Biorąc pod uwagę warunki ekstremalne, jakie postają w czasie pożaru, i związane z tym problemy eksploatacyjne, należy stwierdzić, że układ ten również nie nadaje się do zasilania odbiorników energii elektrycznej, które muszą funkcjonować w czasie pożaru.

W myśl wymagań tej normy do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, nadaje się jedynie układ zasilania TN (TN-C; TN-C-S; TN-S), gdzie warunek samoczynnego wyłączenia należy sprawdzić z wykorzystaniem następującego wzoru:

gdzie:

R – rezystancja odcinka przewodu zasilającego urządzenie ppoż. nienarażona na działanie wysokiej temperatury, w [Ω],

R_ppoż. – rezystancja odcinka przewodu zasilającego urządzenie ppoż., narażona na działanie wysokiej temperatury, w [Ω],

X – reaktancja przewodu zasilającego, w [Ω],

I_k1 – spodziewany prąd zwarcia jednofazowego z ziemią, w [A],

I_a – prąd wyłączający w czasie nie dłuższym od określonego w tabeli 2., w [A],

U₀ – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a uziemionym przewodem PE (PEN), w [V].

Dane statystyczne pożarów

W tabeli 3. zostały przedstawione dane statystyczne pożarów, jakie wstąpiły w Polsce w latach 2000–2010, których przyczyną były urządzenia lub instalacje elektryczne.

W tabeli 4. zostały przedstawione dane obrazujące względny udział pożarów spowodowanych przez instalacje elektryczne lub przyłączane do nich urządzenia elektryczne w latach 2000–2010.

W tabeli 5. zostały przedstawione dane statystyczne względnego udziału pożarów spowodowanych przez instalacje elektryczne lub przez przyłączane do nich urządzania elektryczne.

Przedstawiona w tabeli 4. statystyka może wprowadzać w błąd, gdyż wykazuje ona względną liczbę pożarów spowodowanych przez instalację lub urządzenia elektryczne, a także przez elektryczność statyczną, na tle wszystkich pożarów. Statystyka ta uwzględnia wszystkie pożary, w tym lasów, upraw rolnych, pojazdów samochodowych itp. Nie wszędzie jednak występują instalacje elektryczne, przez co odniesienie względnego udziału instalacji lub przyłączanych do niej urządzeń do globalnej liczby wszystkich pożarów jest podejściem niewłaściwym. Bardziej wiarygodna jest statystyka przedstawiona w tabeli 5., gdzie z ogólnej liczby pożarów wyłączono pożary lasów, upraw rolnych, pojazdów oraz inne pożary niezwiązane z budynkami.

Uzyskany wskaźnik wykazuje, że instalacje elektryczne lub przyłączone do nich urządzenia elektryczne mają znaczny udział w ogólnej liczbie pożarów powstających w budynkach.

Wnioski

1. Do zasilania urządzeń elektrycznych, które muszą funkcjonować w czasie pożaru, należy stosować wyłącznie atestowane zespoły kablowe (kable lub przewody wraz z ich konstrukcjami nośnymi przed dopuszczeniem do stosowania muszą przejść wspólne badania ogniowe). Zgodnie z wymaganiami niemieckiej normy DIN 4102-12 Zachowanie się materiałów i elementów budowlanych pod wpływem ognia. Podtrzymywanie funkcji urządzeń w czasie pożaru. Wymagania i badania, dopuszcza się do stosowania atestowane zespoły posiadające cechę E30, E60 lub E90. Zapewnia to ciągłość dostaw energii elektrycznej przez czas odpowiednio 30; 60 lub 90 minut, w zależności od wymaganego czasu pracy zasilanych urządzeń.

2. Dobierane przewody muszą zapewnić dostawę energii elektrycznej o wymaganych parametrach przez wymagany czas pracy zasilanych urządzeń wspomagających ewakuację oraz skuteczną ochronę przeciwporażeniową, przez co podczas ich doboru należy uwzględnić wzrost rezystancji przewodnika wskutek działania wysokiej temperatury, czego nie wymagają obowiązujące normy przedmiotowe oraz przepisy techniczno-prawne.

3. Przykrycie przewodów warstwą tynku nie chroni ich przed wzrostem rezystancji wskutek działania wysokiej temperatury (ściana wraz z tynkiem akumuluje ciepło powodując dodatkowe oddziaływanie termiczne na przewody).

4. W przypadku prowadzenia kabli lub przewodów w atestowanych kanałach kablowych, które gwarantują termiczną izolację od pomieszczeń objętych pożarem przez wymagany czas, przewody i kable zasilające urządzenia ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, należy dobierać bez konieczności uwzględniania wzrostu rezystancji powodowanej wysoką temperaturą. W tym przypadku nie znajduje uzasadnienia stosowanie przewodów odpornych na działanie temperatury.

5. Do zabezpieczania obwodów zasilających urządzenia ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, należy stosować zabezpieczenia nadprądowe bez zabezpieczeń przeciążeniowych oraz różnicowoprądowych (postępująca degradacja izolacji kabla lub przewodu powodowana działaniem wysokiej temperatury będzie wpływała na wzrost doziemnych prądów upływowych, które w konsekwencji spowodują niekontrolowane wyłączenie zasilania, pozbawiając urządzenia swojej funkcji). Prądy znamionowe lub nastawcze tych zabezpieczeń należy zwiększyć o jeden lub dwa stopnie w stosunku do wartości wynikającej ze zwykłych zasad ich doboru z zachowaniem wymaganej odporności cieplnej zabezpieczanych przewodów przy zwarciach.

6. Pomimo szeregu działań prowadzonych na rzecz bezpieczeństwa przeciwpożarowego, instalacje elektryczne oraz przyłączane do nich urządzenia elektryczne są przyczyną znacznej liczby pożarów powstających w budynkach. Wskaźnik ten jest bardzo niepokojący. Główną rolę w poprawie tej sytuacji powinna odegrać kampania na rzecz bezpieczeństwa eksploatacji urządzeń i instalacji elektrycznych zorganizowana przez instytucje i stowarzyszenia branżowe.

Artykuł stanowi jedynie opis zagrożeń powstających w czasie pożaru i nie wyczerpuje w pełni problemu zasilania urządzeń, które muszą funkcjonować w czasie pożaru.

Literatura

1. J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, wyd. 4, DW MEDIUM, Warszawa 2010.
2. DIN 4102-12 Zachowanie się materiałów i elementów budowlanych pod wpływem ognia. Podtrzymywanie funkcji urządzeń w czasie pożaru. Wymagania i badania.
3. PN-EN 50200:2006 Metoda badania palności cienkich przewodów i kabli bez ochrony specjalnej stosowanych w obwodach zabezpieczających.
4. Materiały udostępnione przez firmę NIEDAX KLEINHUIS POLSKA Sp. z o.o.
5. PN-B-02851-1:1997 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Badania odporności ogniowej elementów budynku. Wymagania ogólne i klasyfikacja (zastąpiona PN-EN 1363-1:2001).
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późniejszymi zmianami).
7. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Instalacje dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
8. J. Wiatr, A. Boczkowski, M. Orzechowski – Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach niskiego napięcia. – DW „MEDIUM” 2010
9. J. Wiatr, E. Skiepko, Dobór przewodów do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, „elektro.info” 10/2010 (cz. 1)., „elektro.info” 11/2010 (cz. 2).
10. E. Skiepko, Instalacje przeciwpożarowe, wyd. 2, DW MEDIUM, Warszawa 2010.
11. EN 1363-2:1999: Fire resistance test. Part 2. Alternative and additional procedures
12. M. Konecki, B. Król, D. Wróblewski, Nowoczesne metody działań ratowniczo-gaśniczych, Warszawa 2003.
13. M. Konecki, Wpływ szybkości wydzielania ciepła i emisji dymu na rozwój pożaru w układzie pomieszczeń, Warszawa 2007.
14. J. Wiatr, M. Orzechowski, Dobór przewodów i kabli w instalacjach niskiego napięcia. Zagadnienia wybrane, wyd. 2, DW MEDIUM, Warszawa 2011.
15. PN-B-02852:2001 Ochrona pożarowa budynków. Obliczanie gęstości obciążenia ogniowego oraz wyznaczanie względnego czasu trwania pożaru.
16. 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.
17. M. Abramowicz; R. G. Adamski, Bezpieczeństwo pożarowe budynków, cz. 1, SGSP 2002
18. www.leonardo-energy.org (december 15,2004 – Page 5 of 9)
19. S. Niestępski, M. Parol, J. Pasternakiewicz, T. Wiśniewski, Instalacje elektryczne. Budowa, projektowanie i eksploatacja, OWPW, Warszawa 2011.
20. Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych (zagadnienia wybrane) - materiały konferencyjne konferencji jubileuszu 10-lecia elektro.info, Warszawa 18.10.2011.
21. EN-IEC 60364-5-525 Electrical installations in buildings. Selection and erection of equipment. Voltage drop in consumers installations.
22. J. Strojny, J. Strzałka, Projektowanie urządzeń elektroenergetycznych UWND AGH 2008 – wydanie VII.
23. Statystyki pożarów prowadzone przez KG PSP: www.kgpsp.gov.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!