Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach inteligentnych
Instalacje i urządzenia elektryczne, obok innych wymagań, powinny zapewniać ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym [1]. Wymagania w stosunku do instalacji inteligentnych (BMS – Building Management System) są nie mniejsze niż w instalacjach tradycyjnych. Niemniej przy zabezpieczaniu takich obwodów należy uwzględnić ich specyfikę.
Zobacz także
EVER Sp. z o.o. Zasilanie napędów bram przeciwpożarowych – jak zapewnić pracę po zaniku zasilania?
Firma EVER wprowadza na rynek nową serię zasilaczy UZS-1F i UZS-3F, przeznaczoną do współpracy z napędami bram wykorzystywanych w systemach kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Rodzina obejmuje rozwiązania...
Firma EVER wprowadza na rynek nową serię zasilaczy UZS-1F i UZS-3F, przeznaczoną do współpracy z napędami bram wykorzystywanych w systemach kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Rodzina obejmuje rozwiązania do napędów jednofazowych ~230 V i trójfazowych ~400 V, a wersje sekwencyjne pozwalają na współpracę z maksymalnie trzema napędami.
TM TECHNOLOGIE Sp. z o.o. Monitoring oświetlenia awaryjnego w wieloobiektowym kompleksie
W dużym kompleksie biurowym wyzwaniem nie jest wyłącznie dobór i rozmieszczenie opraw oświetlenia awaryjnego. Równie ważne jest to, jak cały system będzie kontrolowany i obsługiwany przez kolejne lata.
W dużym kompleksie biurowym wyzwaniem nie jest wyłącznie dobór i rozmieszczenie opraw oświetlenia awaryjnego. Równie ważne jest to, jak cały system będzie kontrolowany i obsługiwany przez kolejne lata.
ETI Polam Sp. z o.o. Elektrotermiczne mechanizmy działania wyzwalacza przeciążeniowego MCB
Wyłącznik nadprądowy MCB należy do najbardziej rozpowszechnionych aparatów ochronnych w instalacjach niskiego napięcia. Jego zadanie wydaje się proste: bezpiecznie przewodzić prąd roboczy, a w razie przeciążenia...
Wyłącznik nadprądowy MCB należy do najbardziej rozpowszechnionych aparatów ochronnych w instalacjach niskiego napięcia. Jego zadanie wydaje się proste: bezpiecznie przewodzić prąd roboczy, a w razie przeciążenia lub zwarcia samoczynnie odłączyć obwód. W praktyce wewnątrz niewielkiej obudowy musi jednak współdziałać kilka zjawisk fizycznych: przepływ prądu, wydzielanie ciepła, odkształcenie bimetalu, praca mechanizmu zapadkowego, ruch styków i proces gaszenia łuku. Ochrona przeciążeniowa nie jest...
StreszczenieW artykule przedstawione są aktualne wymagania prawne w zakresie ochrony przeciwporażeniowej, z perspektywy ochrony instalacji inteligentnych. W instalacjach tych stosuje się urządzenia elektroniczne do sterowania pracą odbiorników. Urządzenia te wykorzystują elementy półprzewodnikowe, zmieniające kształt prądu zasilającego. W przypadku porażenia osoby prądem elektrycznym o kształcie innym niż sinusoidalnie przemienny, typowe wyłączniki różnicowoprądowe, stosowane w budownictwie mieszkalnym i biurowym, nie zapewniają wystarczającego stopnia ochrony.AbstractProtection against electrical shock in intelligent installationsCurrent legal requirements in terms of protection against electrical shock, from the perspective of intelligent installations, are presented. In this type of installations electronic devices are used to control output appliances. These devices use semiconductor components that change the shape of supply current. In case of electrical shock, when the shape of current is other than sinusoidal, typical residual circuit breakers, used in residential and office buildings, do not provide a sufficient degree of protection. |
W normie PN-HD 60364-4-41 wymienione są rodzaje i środki ochrony przeciwporażeniowej z podziałem na te, które mogą być stosowane do zabezpieczenia obwodów obsługiwanych przez osoby niewykwalifikowane, oraz na te obsługiwane przez osoby wykwalifikowane lub poinstruowane. Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych i biurowych użytkowane są przez osoby niewykwalifikowane, co w pewnym stopniu organiczna możliwe do zastosowania środki ochrony przeciwporażeniowej (tab. 1.).
Norma [2] została przywołana w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (z późn. zm.). Rozporządzenie to określa specyficzne warunki, jakie musi spełniać instalacja elektryczna. W szczególności należy stosować w niej [1]:
- złącza instalacji elektrycznej budynku, umożliwiające odłączenie od sieci zasilającej i usytuowane w miejscu dostępnym dla dozoru i obsługi oraz zabezpieczone przed uszkodzeniami, wpływami atmosferycznymi i ingerencją osób niepowołanych,
- oddzielny przewód ochronny i neutralny, w obwodach rozdzielczych i odbiorczych,
- urządzenia ochronne różnicowoprądowe uzupełniające podstawową ochronę przeciwporażeniową i ochronę przed powstaniem pożaru, powodujące w warunkach uszkodzenia samoczynne wyłączenie zasilania (wytyczne dotyczące ich instalowania zostały określone w normie PN-HD 60364-4-41, przywołanej w rozporządzeniu [1]),
- wyłączniki nadprądowe w obwodach odbiorczych,
- zasadę selektywności (wybiórczości) zabezpieczeń,
- przeciwpożarowe wyłączniki prądu,
- połączenia wyrównawcze główne i miejscowe, łączące przewody ochronne z częściami przewodzącymi innych instalacji i konstrukcji budynku,
- zasadę prowadzenia tras przewodów elektrycznych w liniach prostych, równoległych do krawędzi ścian i stropów,
- przewody elektryczne z żyłami wykonanymi wyłącznie z miedzi, jeżeli ich przekrój nie przekracza 10 mm2,
- urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej.
Na szczególną uwagę zasługuje punkt trzeci, mówiący o konieczności stosowania wyłączników różnicowoprądowych (WRP). Nieprawidłowy dobór rodzaju wyłącznika może prowadzić w niektórych przypadkach do sytuacji, w której ochrona przeciwporażeniowa będzie nieskuteczna.
Samoczynne wyłączenie zasilania
Wymóg formalny stosowania WRP, o znamionowym prądzie różnicowym IDn £ 30 mA, ma istotny wpływ na zapewnienie ochrony przeciwporażeniowej poprzez samoczynne wyłączenie zasilania. Według normy [6] wykonanie pomiaru impedancji pętli zwarcia w takiej instalacji zwykle nie jest konieczne i można się ograniczyć tylko do sprawdzenia rezystancji przewodów ochronnych (pkt. 61.3.6.1). Sprawdzenie działania wyłącznika różnicowoprądowego można wykonać tylko w jednym punkcie znajdującym się za nim, a potwierdzenie ochrony przeciwporażeniowej w pozostałej części obwodu można wykazać stwierdzając ciągłość przewodu ochronnego. Przy pomiarze rezystancji przewodów PE można równocześnie wykazać ciągłość tych przewodów. Warunek skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania opisany jest wzorem:
gdzie:
U0 – nominalne napięcie przewodu liniowego względem ziemi, w [V],
Ia – prąd, w [A], powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia wyłączającego w czasie określonym w tabeli 2.
Przy wykorzystaniu wyłączników różnicowoprądowych czasy wyłączania zgodne z tabelą 2. odnoszą się do przewidywanych różnicowych prądów zwarcia, znacznie większych niż znamionowy prąd różnicowy (zwykle 5 IDn) [2].
Norma nie wymaga, by ten warunek spełniały jednocześnie zabezpieczenie nadprądowe, jak i różnicowoprądowe [8]. Niemniej spełnienie powyższego warunku również dla zabezpieczenia nadprądowego pozwoli na wykorzystanie go jako zabezpieczenia rezerwowego. Przyczynić się to może do podniesienia poziomu ochrony przeciwporażeniowej w instalacji.
W instalacjach inteligentnych sterowanie odbiornikami realizowane jest na dwa sposoby, a mianowicie z wykorzystaniem przekaźników elektromagnetycznych lub układów energoelektronicznych. W pierwszym przypadku do obwodu odbiornika włącza się przekaźnik, który wykorzystany będzie do jego załączania i wyłączania. Wykonanie pomiaru impedancji pętli zwarcia, a tym samym oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej, nie powinno nastręczać problemów. Dodatkowa rezystancja przejścia styków przekaźnika sterującego nie powinna wpłynąć na wynik pomiaru ze względu na jej znikomo małą wartość. Wykorzystanie w instalacjach sterowników wyposażonych w elementy energoelektroniczne, praktycznie uniemożliwia wykonanie pomiaru impedancji pętli zwarcia na wyjściu takiego urządzenia. Oznacza to, że konieczne staje się zastosowanie wyłącznika różnicowoprądowego jako urządzenia zapewniającego ochronę poprzez samoczynne wyłączenie zasilania, i wykonanie pomiarów ciągłości oraz rezystancji przewodów ochronnych.
Dobór wyłączników różnicowoprądowych
Ze względu na obowiązek stosowania wyłączników różnicowoprądowych do zabezpieczenia niektórych obwodów instalacji elektrycznych, należy zastanowić się nad prawidłowym sposobem ich doboru. Najczęściej stosowanym WRP jest wyłącznik typu AC, rzadziej typu A. Wyłączniki typu AC działają na prądy różnicowe sinusoidalnie przemienne [3]. Ich minimalne oraz maksymalne czasy zadziałania przedstawiono w tabeli 3. Widać z niej, że maksymalne czasy są znacznie krótsze, niż dopuszczalne przy ochronie poprzez samoczynne wyłączenie zasilania określone w normie (tab. 2.) [2].
Podane w tabeli 3. maksymalne czasy wyłączania odnoszą się również do wyłączników typu A i B, z tym że wartości prądów uszkodzeniowych (różnicowych) IDn, 2 IDn, 5 IDn niesinusoidalnych należy powiększyć przy pomiarze czasu zadziałania, mnożąc je przez współczynnik 1,4 w przypadku wyłączników, których IDn > 0,01 i przez 2 w przypadku wyłączników, których IDn £ 0,01 A [4].
Coraz częściej wykorzystywanie urządzeń wyposażonych w elektroniczne i energoelektroniczne elementy półprzewodnikowe prowadzi do pojawienia się w instalacji elektrycznej prądów różnych od sinusoidalnych, zarówno w warunkach pracy normalnej, jak i w przypadku uszkodzenia [3]. W systemach automatyki budynkowej, ze względu na użytkowanie znacznej liczby urządzeń sterujących, staje się to zjawiskiem normalnym. Wytworzyło to zapotrzebowanie na wyłączniki typu A, reagujące na przepływ prądu odkształconego, w tym jednopołówkowo wyprostowanego, a także stałego pulsującego [3]. W odróżnieniu od wyłączników typu AC, dla typu A nie podaje się wprost prądów powodujących zadziałanie, uzależnia się je natomiast od kąta wysterowania przebiegu prądu rażeniowego (tab. 4.). Aby prawidłowo dobrać WRP, niezbędna jest wiedza o tym, jaki rodzaj odbiornika będzie zasilany z danego obwodu.
Obwody bez elementów półprzewodnikowych
W instalacjach inteligentnych sterowanie pracą odbiorników bardzo często realizowane jest poprzez sterowniki wyposażone w przekaźniki elektromagnetyczne (rys. 1.). Sterownik wykorzystany jest tylko jako łącznik.
W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym zarówno od strony zasilania sterownika, jak i bezpośrednio przy odbiorniku, prąd rażeniowy będzie miał kształt sinusoidalnie przemienny. Oznacza to, że można zastosować wyłącznik różnicowoprądowy typu AC do zabezpieczenia tego rodzaju obwodu. Powinien on zapewnić wymagany poziom ochrony przeciwporażeniowej. Przykładowy przebieg prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego przedstawiono na rysunku 2. Wyłącznik zadziałał w czasie ok. 15 ms przy wartości skutecznej prądu ok. 21 mA. Zarówno zarejestrowany czas działania, jak i prąd powodujący wyzwolenie wyłącznika spełniają wymagania normatywne. Początkowy skok wartości prądu wynika z niedoskonałości układu pomiarowego, wykorzystującego stycznikowe załączanie prądu rażeniowego. Prowadzi to do pojawienia się odskoku styków i wystąpienia zakłóceń w rejestrowanym przebiegu.
Obwody z elementami półprzewodnikowymi
Stosowanie urządzeń energoelektronicznych prowadzi do odkształcenia przebiegów prądu rażeniowego. Zachowanie się wyłączników różnicowoprądowych poddanych takim prądom i skutki rażenia ocenia się analizując ich zależność od częstotliwości prądu sinusoidalnego, czyli od częstotliwości składowych harmonicznych [7]. Wraz ze zmianą częstotliwości zmieniają się najważniejsze pierwotne kryteria bezpieczeństwa (rys. 3.) [7]. Przy wzroście częstotliwości wzrasta wartość progowa prądu fibrylacyjnego, prądu odczuwania oraz wartość graniczna prądu samouwolnienia.
W omawianych instalacjach zarówno sterownik, jak i odbiornik mogą przyczynić się do powstania prądu rażeniowego o kształcie innym niż sinusoidalnie przemienny. Na rysunku 4. przedstawiono obwód elektryczny sterowany zasilający żarowe źródło światła. Sterowanie lampą odbywa się poprzez zmianę wartości skutecznej napięcia zasilania, a co za tym idzie zmianę jego kształtu.
Jeżeli w takim obwodzie nastąpi porażenie prądem elektrycznym, prąd rażeniowy może mieć kształt daleki od sinusoidalnego. W takiej sytuacji wyłącznik różnicowoprądowy typu AC może nie wyłączyć uszkodzonego obwodu. Na rysunku 5. przedstawiono wykres prądu rażeniowego w czasie, przy czym wykorzystano prostownik jednopołówkowy do uzyskania danego przebiegu. Dla tak odkształconego prądu rażeniowego wyłącznik różnicowopradowy nie spowodował wyłączenia uszkodzonego obwodu, pomimo znacznej wartości skutecznej prądu rażeniowego, wynoszącej w przybliżeniu 62 mA.
Podobne warunki mogą wystąpić, kiedy sterownik pracuje w trybie załącz/wyłącz i sam nie wprowadza odkształcenia napięcia zasilającego, jednak odbiornik jest wyposażony w elementy elektroniczne i energoelektroniczne, mogące wpłynąć na kształt prądu rażeniowego. W takich okolicznościach, w celu zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej, do zabezpieczenia tego obwodu konieczne będzie zastosowanie wyłącznika różnicowoprądowego typu A. Wyłączniki tego typu zapewniają ochronę zarówno przed skutkami działania prądów sinusoidalnie przemiennych, jak i odkształconych. Na rysunku 6. przedstawiono przebieg prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego wyłączonego przez WRP typu A. Obserwowany czas i prąd zadziałania są podobne do zaobserwowanych dla wyłącznika typu AC. Podobnie jak dla wyłącznika typu AC, zastosowano prostownik jednopołówkowy w celu sprawdzenia działania WRP typu A na prąd rażeniowy odkształcony. Na rysunku 7. przedstawiono wykres przebiegu prądu rażeniowego dla omawianego przypadku. Wyłącznik typu A, również dla rozpatrywanego kształtu prądu, zadziałał. Czas zadziałania wyniósł ok. 10 ms, natomiast wartość skuteczna prądu powodująca wyzwolenie wynosiła w przybliżeniu 22 mA.
Równoczesna ochrona w warunkach normalnych i przy uszkodzeniu
Do komunikacji pomiędzy sterownikami często stosuje się magistrale komunikacyjne zasilane napięciem niskim (także napięciem stałym). Do ich zasilania stosowane są dedykowane urządzenia zasilające, które często spełniają dodatkowe funkcje. Magistrala w systemie KNX pełni podwójną funkcję; zasila urządzenia napięciem bezpiecznym 24 V dc typu SELV oraz zapewnia komunikację urządzeń między sobą (rys. 8.) [6].
Zasilacz zasilany jest napięciem 230 V ac i wymaga zabezpieczenia jak każde urządzenie. Jeżeli nie jest to zasilacz impulsowy, to prąd rażeniowy, który może pojawić się przy uszkodzeniu, powinien mieć kształt sinusoidalny. W takim przypadku do ochrony takiego obwodu może wystarczyć wyłącznik różnicowoprądowy typu AC.
W przypadku uszkodzenia instalacji magistralnej, ze względu na stosowanie napięcia 24 V dc SELV, nie występuje zagrożenie porażeniowe.
Rezystancja izolacji
W instalacjach i urządzeniach elektrycznych ochronę podstawową przed porażeniem elektrycznym zapewnia się poprzez wykorzystanie izolacji części czynnych (tab. 1.). Minimalne wartości rezystancji izolacji oraz wartości napięcia pomiarowego dla różnych napięć znamionowych obwodów przedstawiono w tabeli 5. Przeprowadzając pomiar rezystancji izolacji należy pamiętać o odłączeniu odbiorników elektrycznych.
Często można spotkać elementy montowane w puszkach instalacyjnych, schowanych w ścianie lub przykrytych wszelkiego rodzaju łącznikami. Jeżeli elementy te wykorzystują przekaźniki elektromagnetyczne do sterowania pracą odbiorników, to do przeprowadzenia pomiaru powinno wystarczyć ich załączenie (rys. 9.). W takiej sytuacji nie powinno pojawić się napięcie mogące spowodować uszkodzenie sterownika, gdyż każdy z wyprowadzonych zacisków znajdzie się pod tym samym potencjałem względem siebie, a także względem przewodu neutralnego (w przypadku instalacji TN-S). Zazwyczaj takie sterowniki nie są podłączone do przewodu ochronnego PE.
Dodatkowy problem pojawia się w momencie, kiedy urządzenie sterujące wymaga napięcia sieciowego lub dodatkowego napięcia magistralnego do działania. Ponieważ przy pomiarze rezystancji izolacji odłącza się przewody czynne, to nie będzie możliwe załączenie takiego elementu.
Inaczej wygląda sytuacja, kiedy zastosowane sterowniki wykorzystują elementy półprzewodnikowe do regulacji pracą odbiorników (rys. 10.). Najczęściej dzieje się tak, gdy są one wykorzystywane do sterowania oświetleniem żarowym. Może to prowadzić do wystąpienia przerwy w badanym obwodzie, nawet pomimo pozornego załączenia sterownika. Dodatkowo sam sterownik może nie być przystosowany do pracy, nawet krótkotrwałej, przy podwyższonym napięciu stałym.
Jeżeli pojawi się taki problem, konieczne może okazać się odłączenie takich sterowników, a także wykonanie większej liczby pomiarów ze względu na powstałe przerwy w obwodzie. Jeżeli odłączenie takich urządzeń jest w sposób uzasadniony niewykonalne (np. w przypadku stałych gniazd wtyczkowych z wbudowanymi SPD), napięcie probiercze dotyczące szczególnego obwodu może być obniżone do 250 V dc, ale rezystancja izolacji powinna mieć wartość co najmniej 1,0 MW [6].
Podsumowanie
W instalacjach inteligentnych zapewnienie wymaganego poziomu ochrony przeciwporażeniowej może być bardziej problematyczne niż w instalacjach tradycyjnych. Szeroko stosowane elementy półprzewodnikowe mogą powodować pojawienie się prądów rażeniowych niesinusoidalnych. W ocenie autora do ochrony tychże instalacji należy stosować wyłącznie wyłączniki róznicowoprądowe typu A. Przy wykonywaniu okresowych badań rezystancji izolacji konieczne może się okazać niezbędne wykonanie większej liczby prób ze względu na wymagany podział instalacji elektrycznej na części rozdzielone sterownikami. Dodatkowo należy upewnić się, czy zastosowane napięcie probiercze nie spowoduje uszkodzenia elementów półprzewodnikowych. Jeżeli wystąpiłoby takie zagrożenie, to należy rozważyć odłączenie takiego elementu z sieci na czas trwania pomiarów lub, dopuszczone w szczególnych przypadkach, wykorzystanie obniżonego napięcia probierczego.
Literatura
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75, poz. 690 z późn. zm.)
- PN-HD 60364-4-41, Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym
- Markiewicz H., Bezpieczeństwo w elektroenergetyce, wydanie trzecie zmienione, WNT, Warszawa, 2009
- Danielski L., Osiński S., Budowa, stosowanie i badania wyłączników różnicowoprądowych, COSIW SEP, Warszawa, 2005
- Mikulik J., Europejska Magistrala Instalacyjna. Rozproszony system sterowania bezpieczeństwem i komfortem, COSIW SEP, Warszawa, 2008
- PN-HD 60364-6, Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzenie
- Musiał E., Badanie stanu ochrony przeciwporażeniowej w obwodach urządzeń energoelektronicznych, SEP INPE, 2006, nr 80, s. 3-34
- Musiał E., Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach niskiego napięcia. Konsekwencje ustanowienia normy PN-HD 60364-4-41:2009. SEP INPOE, 2010, nr 129-130, s. 5-39
