Zasady projektowania ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach niskiego napięcia z fotowoltaicznymi źródłami energii
Środki ochrony przeciwporażeniowej dopuszczalne w instalacjach fotowoltaicznych
Podstawowe zasady ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach niskiego napięcia są podane w normach PN-EN 61140:2016-07 [1] oraz PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2].
Zobacz także
dr inż. Waldemar Jasiński, mgr inż. Piotr Jasiński, mgr inż. Paweł Jasiński Skutki negatywnego oddziaływania prądu elektrycznego na pracowników i urządzenia techniczne podziemnych zakładów górniczych w latach 2016–2022
Prowadzenie ruchu nowoczesnego podziemnego zakładu górniczego nie jest możliwe bez wykorzystania energii elektrycznej. Proces wydobywania kopalin powiązany jest nie tylko z zapewnieniem ciągłości dostaw...
Prowadzenie ruchu nowoczesnego podziemnego zakładu górniczego nie jest możliwe bez wykorzystania energii elektrycznej. Proces wydobywania kopalin powiązany jest nie tylko z zapewnieniem ciągłości dostaw energii, ale także z koniecznością zagwarantowania bezpiecznej eksploatacji maszyn i urządzeń górniczych, zgodnie z DTR i instrukcjami eksploatacji.
Opracował zespół ekspercki Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej – PIB Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (część 3.)
Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (PWP) w obiekcie budowlanym jest instalacją urządzenia przeciwpożarowego, którego podstawowym i głównym zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa (ochrona przed porażeniem...
Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (PWP) w obiekcie budowlanym jest instalacją urządzenia przeciwpożarowego, którego podstawowym i głównym zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa (ochrona przed porażeniem elektrycznym) ekipom ratowniczym prowadzącym działania ratowniczo-gaśnicze w obszarze, strefie pożarowej objętej i chronionej instalacją PWP. Działanie instalacji PWP polega na odcięciu dopływu prądu elektrycznego do wszystkich obwodów z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których...
mgr inż. Michał Czosnyka, dr hab. inż Bogumiła Wnukowska Porażenie prądem elektrycznym
Porażeniem elektrycznym nazywa się efekt przepływu prądu elektrycznego przez ciało człowieka. Z punktu widzenia możliwych skutków patofizjologicznych, jakie mogą w następstwie tego zdarzenia wystąpić,...
Porażeniem elektrycznym nazywa się efekt przepływu prądu elektrycznego przez ciało człowieka. Z punktu widzenia możliwych skutków patofizjologicznych, jakie mogą w następstwie tego zdarzenia wystąpić, jest to zdarzenie bezpośrednio zagrażające zdrowiu i życiu osoby poszkodowanej [1–3].
Zgodnie z normą [1] części czynne niebezpieczne nie powinny być dostępne, a części przewodzące dostępne nie powinny być niebezpieczne:
- w warunkach normalnych (w braku uszkodzenia),
- w przypadku pojedynczego uszkodzenia.
Ochrona w warunkach normalnych jest zapewniona przez zastosowanie środków ochrony podstawowej (ochrony przed dotykiem bezpośrednim), a w przypadku pojedynczego uszkodzenia należy stosować ochronę przy uszkodzeniu (ochronę przy dotyku pośrednim, ochronę dodatkową).
|
W artykule:
|
|
Streszczenie W artykule przedstawiono podstawowe zasady ochrony przeciwporażeniowej, które należy uwzględnić przy projektowaniu instalacji niskiego napięcia zawierających fotowoltaiczne źródła energii. Wymieniono środki ochrony przeciwporażeniowej, które są dopuszczalne w takich instalacjach. Zwrócono uwagę na problemy stosowania w nich wyłączników różnicowoprądowych. |
|
Abstract Principles of designing of protection against electric shock in low-voltage installations with PV sources of energy Basic rules of protection against electric shock in low-voltage installations containing PV sources of energy are presented. The measures of protection against electric shock, acceptable in such installations, are listed. Special attention is paid to the problems of application of residual current devices in PV installations. |
Według normy PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2] wyróżnia się następujące środki ochrony przeciwporażeniowej podstawowej:
- izolację podstawową,
- osłony/przegrody lub obudowy,
- przeszkody,
- umieszczenie poza zasięgiem ręki.
W odniesieniu do ochrony przy uszkodzeniu (ochrony przy dotyku pośrednim, ochrony dodatkowej) wyróżnia się środki takie jak:
- samoczynne wyłączanie zasilania,
- izolacja ochronna (izolacja podwójna, izolacja wzmocniona lub ochronna osłona izolacyjna),
- separacja elektryczna,
- izolowanie stanowiska,
- bardzo niskie napięcie ze źródła bezpiecznego (SELV, PELV).
Norma [2] przewiduje jeszcze jedną grupę środków – ochronę przeciwporażeniową uzupełniającą. Są to środki techniczne chroniące przed porażeniem, kiedy ochrona podstawowa zawodzi lub zostaje ominięta (np. dotyk bezpośredni przewodu liniowego), a ochrona przy uszkodzeniu nie zapobiega rażeniu. W ramach tej grupy stosuje się:
- wyłączniki różnicowoprądowe wysokoczułe (IΔn ≤ 30 mA),
- połączenia wyrównawcze.
Należy przy tym zaznaczyć, że norma [2] wyróżnia także nieuziemione połączenia wyrównawcze miejscowe, które mają zastosowanie np. w przypadku separacji elektrycznej więcej niż jednego odbiornika. Obudowy odbiorników separowanych łączy się za pośrednictwem tych połączeń wyrównawczych, dzięki czemu następuje wyrównanie potencjału między jednocześnie dostępnymi obudowami, a w razie zwarcia dwumiejscowego połączenia te umożliwiają przepływ prądu w pętli metalicznej i wyłączenie zasilania.
Instalacje fotowoltaiczne są zaliczane do instalacji specjalnych w rozumieniu normy wieloarkuszowej PN-HD 60364 i projektując je, w szczególności dobierając środki ochrony przeciwporażeniowej, należy uwzględnić postanowienia normy PN-HD 60364-7-712:2016-05 [3]. Zgodnie z tą normą, w instalacjach fotowoltaicznych nie wszystkie środki ochrony wymienione powyżej są dopuszczalne. Jeżeli źródła energii wchodzą w skład instalacji prosumenckiej, to wskazane jest stosować się również do postanowień normy PN-HD 60364-8-2:2019-01 [4].
W artykule przedstawiono podstawowe zasady ochrony przeciwporażeniowej, które należy brać pod uwagę projektując instalacje niskiego napięcia zawierające fotowoltaiczne źródła energii.
Tab. 1. Środki ochrony przeciwporażeniowej dopuszczalne w instalacjach fotowoltaicznych, zgodnie z PN-HD 60364-7-712:2016-05 [3]
Środki ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach fotowoltaicznych
Specyfika instalacji fotowoltaicznych polega m.in. na tym, że zawierają one zarówno obwody napięcia stałego (DC), jak i obwody napięcia przemiennego (AC). Norma PN-HD 60364-7-712:2016-05 [3] określa środki ochrony przeciwporażeniowej odrębnie dla strony DC oraz strony AC. W tabeli 1. wymieniono środki, które są dopuszczalne w instalacjach fotowoltaicznych. Porównanie danych z tabeli 1. z listą środków ochrony przedstawioną w początkowych fragmentach niniejszego artykułu (wg PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2]) prowadzi do wniosku, że w zakresie ochrony podstawowej (ochrony przed dotykiem bezpośrednim) nie dopuszcza się stosowania przeszkód ani umieszczenia poza zasięgiem ręki, zarówno po stronie DC, jak i AC. W zakresie ochrony przy uszkodzeniu (ochrony przy dotyku pośrednim, ochrony dodatkowej) po stronie DC nie należy stosować samoczynnego wyłączania zasilania ani izolowania stanowiska, ani separacji elektrycznej. Z tego wynika, że po stronie DC aktualnie nie dopuszcza się urządzeń o klasie ochronności I (takie urządzenia dopuszczała poprzednia wersja arkusza 712, tzn. PN-HD 60364-7-712:2007 [5]). Po stronie AC nie dopuszcza się izolowania stanowiska ani separacji elektrycznej więcej niż jednego odbiornika.
Jeżeli po stronie DC stosuje się obwody SELV lub PELV, to zgodnie z normą PN-HD 60364-7-712:2016-05 [3] napięcie UOC MAX, tzn. największe możliwe napięcie na zaciskach modułu PV/łańcucha PV/kolektora PV (przy otwartym obwodzie) nie powinno przekraczać 120 V. Warto przy tym dodać, że najnowsza wersja normy IEC odnosząca się do instalacji fotowoltaicznych, IEC 60364-7-712:2017-04 [6], redukuje to napięcie do poziomu 60 V.
W zakresie ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej obowiązują wymagania ogólne zawarte w normie PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2].
Z punktu widzenia zagrożenia porażeniowego należy podkreślić, że urządzenia po stronie DC należy traktować jako będące pod napięciem, nawet gdy:
- przekształtnik energoelektroniczny DC/AC jest odłączony od strony DC,
- strona AC instalacji jest odłączona od sieci zasilającej.
Tab. 2. Największe dopuszczalne czasy wyłączania zasilania (w sekundach) w instalacjach niskiego napięcia [2]
Po stronie AC najczęściej stosuje się samoczynne wyłączanie zasilania i w tym zakresie należy kierować się postanowieniami ogólnymi zawartymi w normie PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2]. Zatem w przypadku uszkodzenia izolacji doziemnej ma nastąpić wyłączenie zasilania w określonym czasie lub napięcia dotykowe nie powinny przekraczać wartości dopuszczalnej. Wymagania odnoszące się do tego czasu podano w tabeli 2.
Czasy podane w tabeli 2. odnoszą się do obwodów odbiorczych:
- gniazd wtyczkowych o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 63 A,
- z odbiornikami zainstalowanym na stałe o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A.
Dla innych obwodów odbiorczych oraz dla obwodów rozdzielczych można przyjmować czasy wyłączania nie większe niż:
- 5 s – w układzie TN,
- 1 s – w układzie TT.
Zgodnie z normami PN-HD 60364-4-41:2017-09 [2] i PN-HD 60364-5-53:2016-02 [7], w układach TN i TT jako urządzenia wyłączające zasilanie w razie pojedynczego uszkodzenia można stosować zabezpieczenia nadprądowe (wyłączniki nadprądowe, bezpieczniki) lub zabezpieczenia różnicowoprądowe.
Rys. 1. Uproszczona instalacja ze źródłami fotowoltaicznymi, bez separacji podstawowej pomiędzy stronami DC i AC, gdzie: GSW – główna szyna wyrównawcza, W1, W2 – wyłączniki nadprądowe. Uszkodzenie izolacji pod stronie AC. Przepływ prądu doziemnego z obu stron miejsca doziemienia, gdzie: iAC_p – składowa prądu doziemnego od strony przekształtnika, iAC_s – składowa prądu doziemnego od strony sieci publicznej; rys. S. Czapp
Na rysunku 1. przedstawiono przykładową uproszczoną instalację z fotowoltaicznymi źródłami energii. Przy doziemieniu pomiędzy przekształtnikiem a rozdzielnicą AC prąd do miejsca doziemienia płynie z dwóch stron – od przekształtnika (iAC_p) i od sieci publicznej (iAC_s). Urządzenie wyłączające (w analizowanym przypadku wyłącznik nadprądowy W2) powinno zapewniać wyłączenie zasilania przy doziemieniu na końcu obwodu, czyli na zaciskach AC przekształtnika (przepływ prądu iAC_s). W przypadku wyłączników instalacyjnych zadziałanie członu elektromagnetycznego i wyłączenie zasilania następuje poniżej 0,1 s. Jeżeli przekształtnik wcześniej nie został odłączony przez wewnętrzne zabezpieczenia, to po wykryciu braku napięcia w sieci (po zadziałaniu wyłącznika nadprądowego W2) zabezpieczenie przekształtnika od pracy wyspowej z pewnością go odłączy. Obwód ten można traktować jako rozdzielczy, a więc samoczynne wyłączanie zasilania w układzie TN powinno nastąpić w czasie do 5 s (a nie 0,4 s). W praktyce cała sekwencja zdarzeń powinna zająć wyraźnie mniej niż to dopuszczalne 5 s.
Stosowanie wyłączników różnicowoprądowych
W instalacjach fotowoltaicznych wyłączniki różnicowoprądowe nie są wymagane. Jeżeli wyłącznik taki jednak zastosowano, to zgodnie z normą [3]:
- powinien być on typu B w przypadku braku separacji podstawowej pomiędzy stronami DC i AC (brak transformatora oddzielającego stronę DC od AC),
- nie wymaga się typu B (zatem w rachubę wchodzi też wyłącznik różnicowoprądowy typu A lub typu F), gdy zastosowano separację podstawową między stronami DC i AC lub gdy producent przekształtnika podaje, że nie jest wymagany wyłącznik różnicowoprądowy typu B.
Wyżej wymienione typy wyłączników są wymagane z powodu możliwości pojawienia się w prądzie ziemnozwarciowym składowej stałej. Podział wyłączników różnicowoprądowych ze względu na zdolność do wykrywania określonego kształtu prądu różnicowego jest następujący [8, 9]:
- typ AC – wykrywa prąd różnicowy przemienny sinusoidalny (na ogół 50/60 Hz),
- typ A – wykrywa prąd taki jak wyłączniki typu AC, a ponadto prąd pulsujący stały (prąd pulsujący stały – prąd o przebiegu pulsującym, który w każdym okresie odpowiadającym częstotliwości sieciowej przyjmuje wartość 0 albo wartość nie większą niż 6 mA prądu stałego w jednym pojedynczym przedziale czasu, odpowiadającym kątowi co najmniej 150° [8]),
- typ F – wykrywa prądy takie jak wyłączniki typu A, a ponadto prąd pulsujący stały ze składową wygładzoną 10 mA oraz prąd przemienny zawierający harmoniczne (zasilanie jednofazowe),
- typ B – wykrywa prąd różnicowy: przemienny sinusoidalny o częstotliwości do 1 kHz, prąd pulsujący stały, prąd stały o pomijalnym tętnieniu oraz prąd zawierający harmoniczne.
Należy przy tym zaznaczyć, że wyłącznik różnicowoprądowy, jeśli zastosowany, ma raczej pełnić funkcję urządzenia wyłączającego po stronie AC w ramach środka ochrony przy uszkodzeniu „samoczynne wyłączanie zasilania”, a nie jest zastosowany jako ochrona uzupełniająca. W żadnej wersji normy PN-HD 60364-7-712 nie stawia się wymagań odnośnie do znamionowego prądu różnicowego zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego w instalacji fotowoltaicznej pomiędzy przekształtnikiem a szynami rozdzielnicy AC z rysunku 1., np. w budynku mieszkalnym. Ze względu na naturalne prądy upływowe występujące w instalacji fotowoltaicznej wyłącznik różnicowoprądowy nie powinien mieć zbyt małego znamionowego prądu różnicowego zadziałania (np. 30 mA). Dlatego producenci niektórych przekształtników podają, że prąd ten nie powinien być mniejszy niż 100 mA czy nawet 300 mA. Decydując się na zastosowanie wyłącznika różnicowoprądowego w instalacji z przekształtnikami beztransformatorowymi (brak separacji galwanicznej), konieczne jest więc uwzględnienie wytycznych ich producentów, zarówno co do wartości znamionowego prądu różnicowego zadziałania, jak i typu wyzwalania wyłącznika różnicowoprądowego (typ A czy typ B).
Obowiązek stosowania wyłączników różnicowoprądowych może wynikać z wymagań odrębnych norm, np. jeżeli instalacja fotowoltaiczna jest umieszczona w obiekcie podlegającym szczególnym wymaganiom w odniesieniu do ochrony przeciwporażeniowej i/lub przeciwpożarowej. Przykładem takich obiektów są gospodarstwa rolnicze i ogrodnicze (poza częścią mieszkalną), dla których należy uwzględnić też wymagania normy PN-HD 60364-7-705:2007 [10]. Zgodnie z tą normą w gospodarstwach rolniczych i ogrodniczych do ochrony przez samoczynne wyłączanie zasilania należy zastosować wyłączniki różnicowoprądowe o następującym znamionowym prądzie różnicowym zadziałania:
- IΔn ≤ 30 mA – w obwodach odbiorczych zasilających gniazda wtyczkowe o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A,
- IΔn ≤ 100 mA – w obwodach odbiorczych zasilających gniazda wtyczkowe o prądzie znamionowym przekraczającym 32 A,
- IΔn ≤ 300 mA – w pozostałych obwodach.
Zatem jeżeli instalacja fotowoltaiczna (źródła energii i przekształtnik) jest zintegrowana np. z budynkiem stodoły lub budynkiem mieszczącym zwierzęta gospodarskie, a ochrona przy uszkodzeniu polega na samoczynnym wyłączaniu zasilania (samoczynne wyłączanie zasilania po stronie AC, po stronie DC urządzenia klasy ochronności II), to obwód po stronie AC należy wyposażyć w wyłącznik różnicowoprądowy o IΔn ≤ 300 mA. Takiego wyłącznika różnicowoprądowego wymaga się również ze względu na ochronę przed pożarem.
Wnioski
Instalacje fotowoltaiczne należą do instalacji specjalnych w rozumieniu normy PN-HD 60364. Z tego powodu dopuszcza się stosowanie tylko wybranych środków ochrony przeciwporażeniowej. Mimo że są to instalacje specjalne, nie ma konieczności stosowania w nich wyłączników różnicowoprądowych. Wyłączniki takie, w szczególności wysokoczułe, mogłyby spowodować zbędne wyłączenia instalacji fotowoltaicznych ze względu na naturalne prądy upływowe o dużej wartości.
Literatura
- PN-EN 61140:2016-07 (wersja polska) Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym. Wspólne aspekty instalacji i urządzeń.
- PN-HD 60364-4-41:2017-09 (wersja polska) Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
- PN-HD 60364-7-712:2016-05 (wersja polska) Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania.
- PN-HD 60364-8-2:2019-01 (wersja polska) Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 8-2: Niskonapięciowe instalacje elektryczne prosumenta.
- PN-HD 60364-7-712:2007 (wersja polska) Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania.
- IEC 60364-7-712:2017-04 Low-voltage electrical installations. Part 7-712: Requirements for special installations or locations. Solar photovoltaic (PV) power supply systems.
- PN-HD 60364-5-53:2016-02 (wersja polska) Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-53: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Aparatura rozdzielcza i sterownicza.
- PN-EN 61008-1:2013-05 (wersja angielska) Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego (RCCB). Część 1: Postanowienia ogólne.
- PN-EN 62423:2013-06 (wersja polska) Wyłączniki różnicowoprądowe typu F i typu B z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym i bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego.
- PN-HD 60364-7-705:2007 (wersja angielska) Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-705: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Gospodarstwa rolnicze i ogrodnicze.
