Uproszczony projekt zasilania hali produkcyjnej z przeciwpożarowym wyłącznikiem prądu wyposażonym w sygnalizację ciągłości obwodu sterowania oraz stanu położenia styków aparatu wykonawczego

Zaproponowane rozwiązanie stanowi kompromis pomiędzy nakładami finansowymi i wymaganą niezawodnością dla tego typu układów. Należy podkreślić, że prezentowane rozwiązanie jako jedyne umożliwia wczesne wykrywanie stanów awaryjnych w obwodzie PWP oraz informuje użytkownika, w tym również kierującego akcją ratowniczo-gaśniczą, o stanie tego urządzenia.

W prezentowanym układzie zastosowanie dedykowanego zasilacza UZS zdefiniowanego w normie PN-EN 54-4:2001 Systemy sygnalizacji pożarowej. Część 4: Zasilacze, w żaden sposób nie poprawi funkcjonalności układu. Powoduje natomiast zwiększenie stopnia skomplikowania układu sterowania oraz podnosi koszty instalacji, a następnie eksploatacji.

Artykuł stanowi realizację praktyczną teorii zaprezentowanej w nr. 12/2016 oraz nr. 1–2/2017 i 3/2017 „elektro.info”.

Projektowany układ PWP jest zgodny z zaleceniami normy N SEP-E 005.

W przypadku braku napięcia zasilającego w czasie akcji ratowniczo-gaśniczej, istnieje możliwość ręcznego rozłączenia zestyków aparatu wykonawczego PWP przez ratowników.

Podstawa opracowania

1. Zlecenie inwestora.
2. Warunki techniczne wydane przez zakład energetyczny.
3. Warunki zabudowy wydane przez Urząd Gminy (pominięte w artykule).
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku, w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (tekst jednolity: DzU z 2015 roku, poz. 1422).
5. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719).
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 17 listopada 2016 roku, w sprawie sposobu deklarowania właściwości użytkowych wyrobów budowlanych oraz sposobu znakowania ich znakiem budowlanym (DzU z 2016 roku, poz. 1966).
7. Rozporządzenia Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 17 listopada 2016 roku, w sprawie krajowych ocen technicznych (DzU z 2016 roku poz. 1968).
8. Wizja lokalna w terenie.
9. Projekt zagospodarowania terenu.
10. Uzgodnienie trasy projektowanej kablowej linii elektroenergetycznej w Zespole Uzgadniania Dokumentacji Projektowej.
11. N SEP-E 004 Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i budowa.
12. N SEP-E 001 Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia. Ochrona przeciwporażeniowa.
13. N SEP-E 005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń przeciwpożarowych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.
14. PN-IEC 60364-5-523:2002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów.
15. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
16. PN-HD 60364-5-56:2013 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa.
17. PN-IEC 60364-5-56:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa.
18. PN-EN 54-4:2001 Systemy sygnalizacji pożarowej. Część 4: Zasilacze.
19. PN-EN 12101-10:2007 Systemy rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 10: Zasilacze.
20. Scenariusz rozwoju zdarzeń pożarowych.
21. Uzgodnienie z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń ppoż. oraz uzgodnienie z rzeczoznawcą ds. bhp.

Wyciąg z warunków technicznych

Rejon Energetyczny gwarantuje dostawę mocy zapotrzebowanej P_Z = 150 kW ze stacji transformatorowej 15/0,4 kV „PRAMDOTÓW 1”, o mocy 630 kVA, o parametrach zgodnych z wymaganiami normy PN-EN 50160.

Dopuszczalna wartość współczynnika tg φ ≤ 0,4.

• Ze stacji transformatorowej „PRAMDOTÓW 1” należy wyprowadzić nowy obwód linii kablowej przeznaczonej do zasilania projektowanej hali produkcyjnej.
• Linię kablową należy wybudować kablem YAKXS 4x120 lub o większym przekroju i wprowadzić do złącza kablowego ZK-1A zainstalowanego przy elewacji budynku projektowanej hali produkcyjnej.
• Projekt linii kablowej należy wykonać zgodnie z wymaganiami normy N SEP-E 004, w układzie zasilania TN-C.
• Instalację w budynku wykonać w układzie zasilania TN-S.
• Półpośredni układ pomiarowy zużytej energii elektrycznej należy projektować w pomieszczeniu rozdzielni elektrycznej budynku hali produkcyjnej i przystosować do zdalnego przekazu danych do OSD.
• Zespół prądotwórczy o mocy 275 kVA należy przyłączyć do zasilanego budynku w sposób uniemożliwiający jednoczesne podanie napięcia z SEE i generatora zespołu prądotwórczego oraz uniemożliwiający podanie napięcia z pracującego generatora do SEE.

Stan istniejący

W miejscowości Pramdotów, gm. Orzechowo, znajduje się kontenerowa stacja transformatorowa 15/0,4 kV „PRAMDOTÓW 1” o mocy 630 kVA położona poza terenem inwestycji.

W Rnn stacji transformatorowej znajduje się wolne pole umożliwiające przyłączenie kabla zasilającego projektowany budynek hali produkcyjnej.

Projekt instalacji elektrycznych projektowanej hali produkcyjnej przewiduje układ kompensacji mocy biernej. Bateria kondensatorów statycznych zostanie przyłączona do RGB. Naturalny współczynnik mocy zapotrzebowanej przez projektowaną halę określony w projekcie instalacji elektrycznych wynosi cos φ = 0,7.

Stan projektowany

• Elektroenergetyczną linię kablową długości 350 m, wykonaną kablem YAKXS 4x240, należy wyprowadzić z Rnn stacji transformatorowej „PRAMDOTÓW 1” i układać w wykopie o głębokości 100 cm na podsypce piasku o grubości 10 cm.
• Po ułożeniu kabla należy go zasypać warstwą piasku o grubości 10 cm, warstwą rodzimego gruntu o grubości 25 cm, ułożyć taśmę kablową koloru niebieskiego wzdłuż całej trasy i zasypać wykop, przywracając stan gruntu do stanu początkowego.
• Układany kabel należy wprowadzić do złącza kablowego ZK-1A instalowanego przy elewacji wznoszonego budynku hali poprodukcyjnej.
• Na kablu należy w odstępach co 10 m nałożyć opaski kablowe zawierające następujące informacje: typ kabla*rok ułożenia*długość*trasę*symbol użytkownika*symbol wykonawcy.
• Rurę SRS 160, stanowiącą osłonę kabla układanego pod drogą, należy uszczelnić przed przedostawaniem się wody.
• Zacisk PEN w złączu kablowym ZK-1A należy uziemić. Rezystancja uziemienia: R_B ≤ 30 W.

Plan projektowanych elektroenergetycznych linii kablowych przedstawia rys. 1., natomiast schemat ideowy stacji transformatorowej 15/0,4 kV „PRAMDOTÓW 1” przedstawia rys. 2.

Na rys. 3. został przedstawiony uproszczony schemat ideowy zasilania projektowanej hali produkcyjnej.

W pomieszczeniu rozdzielni elektrycznej, która stanowi osobną strefę pożarową w myśl § 209 ust. 3 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2015 roku, poz. 1422), należy zainstalować szafę wyposażoną w układ automatyki SZR, półpośredni układ pomiarowy zużytej energii elektrycznej oraz aparat wykonawczy i elementy automatyki PWP, Rozdzielnicę Główną Budynku (RGB) oraz Rozdzielnicę Przeciwpożarową (Rppoż.).

Projekt RGB oraz Rppoż. został w artykule pominięty. Stanowią one osobne opracowanie i wchodzą w zakres projektu instalacji elektrycznych budynku hali.

Z Rppoż. zasilane będą wszystkie urządzenia elektryczne, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru, natomiast z RGB pozostałe urządzenia elektryczne instalowane jako wyposażenie projektowanej hali produkcyjnej.

Schemat ideowy przeciwpożarowego wyłącznika prądu przedstawia rys. 3a.

Zainstalowany w rozdzielni głównej budynku hali produkcyjnej, PWP powoduje odcięcie dopływu prądu do wszystkich odbiorników energii elektrycznej, z wyjątkiem odbiorników, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.

Sterowanie PWP posiada układ zdalnego wyłączenia uruchamiany przyciskiem kasetki zdalnego sterowania zainstalowanej w przedsionku pożarowym w miejscu wskazanym na rys. 1.

Kasetka zdalnego wyzwalania PWP została wyposażona w lamki kontrolne umożliwiające ocenę ciągłości połączeń przewodów sterujących oraz stanu położenia styków aparatu wykonawczego.

Lampka żółta sygnalizuje stan połączeń przewodów zdalnego wyzwalania aparatu wykonawczego PWP. Natomiast lampka czerwona sygnalizuje stan załączenia, a lampka zielona sygnalizuje stan wyłączenia napięcia w we wszystkich obwodach, z wyjątkiem tych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.

Schemat montażowy szafy oznaczonej na rys. 1. jako PWP, zawierającej układ pomiarowy, układ automatyki SZR oraz układ PWP, przedstawiają rys. 4a i rys.4b.

W miejscu wskazanym na rys. 1., na fundamencie wykonanym zgodnie z projektem branży konstrukcyjnej, należy zainstalować kontenerowy zespół prądotwórczy o mocy 275 kVA.

Z tablicy przyłączy zespołu prądotwórczego należy wyprowadzić kabel zasilania awaryjnego 2x[4xYKY 120] oraz kabel sterowniczy określony w DTR zespołu prądotwórczego, przeznaczony do sterowania aparatów wykonawczych automatyki SZR sieć/zespół prądotwórczy. Kable te należy wprowadzić do szafy PWP zainstalowanej w rozdzielni elektrycznej budynku hali.

Kable zasilania awaryjnego należy układać zgodnie z zasadami układania kabla zasilania podstawowego, opisanymi wyżej. Nastawa zabezpieczenia głównego generatora zespołu prądotwórczego została ustawiona przez producenta na prąd I_nG = 350 A.

Punkt neutralny generatora zespołu prądotwórczego należy uziemić. Rezystancja uziemienia R_A ≤ 5 W.

Uziemienie należy wykonać jako kombinowane, pogrążając dolny koniec pionowych prętów uziomowych na głębokość minimum 5 m poniżej dna wykopu rowu kablowego. Odległości pomiędzy pionowymi prętami nie powinny być mniejsze niż 10 m. Uziomy pionowe należy połączyć galwanicznie taśmą Fe-Zn 30x4 stanowiącą uziom poziomy.

Miejsca łączenia uziomów pionowych z uziomem poziomym należy zabezpieczyć przed korozją. Następnie należy zasypać uziom poziomy warstwą piasku o grubości 10 cm, stanowiącej podłoże do układania kabla. Odległość od uziomu do dolnej powierzchni kabla, zgodnie z normą N SEP-E 004, nie może być mniejsza niż 10 cm.

Obliczenia

1. Dobór kabla zasilania podstawowego projektowanej hali produkcyjnej:

(ze względu na projektowany układ kompensacji mocy biernej do obliczeń przyjęty został współczynnik tg φ = 0,4):

gdzie:

P_Z – moc czynna zapotrzebowana, w [kW],

k₂ – współczynnik niedopasowania charakterystyki prądowo-czasowej bezpiecznika topikowego i kabla zasilającego, w [-],

I_n – prąd znamionowy zabezpieczenia, w [A],

I_B – spodziewany prąd obciążenia, w [A],

cos φ – współczynnik mocy, w [-].

Na podstawie normy PN-IEC 60364-5-523:2002, przy sposobie ułożenia „D”, po uwzględnieniu współczynników odpowiadających krajowej rezystywności gruntu oraz obciążalności czwartej żyły warunki spełnia kabel YAKXS 4x240, dla którego:

W ZK-1A należy zainstalować bezpieczniki WTN2gG250, stanowiące zabezpieczenie kabla na długotrwałą obciążalność prądową i przeciążalność, a w Rnn stacji transformatorowej bezpieczniki topikowe WTN2gG400, stanowiące zabezpieczenie zwarciowe kabla. Na podstawie obliczeń spodziewanego prądu obciążenia zgodnie z tabelą 2.10.7 zamieszczoną w Poradniku Projektanta Elektryka, J. Wiatr, M. Orzechowski, wydanie V, DW MEDIUM 2012, należy przyjąć przekładniki prądowe do układu pomiarowego zużytej energii elektrycznej o następujących parametrach: 200/5 A/A; S = 2,5 VA; kl. 02.

2. Sprawdzenie dobranego kabla zasilania podstawowego na zwarcia:

Na podstawie tabeli Z.3.1 Poradnika Projektant Elektryka, J. Wiatr, M. Orzechowski, DW MEDIUM 2012, wydanie V, parametry zwarciowe transformatora wynoszą odpowiednio:

R_T = 0,0030 Ω – rezystancja uzwojeń transformatora,

X_T = 0,0165 Ω – reaktancja uzwojeń transformatora,

Z_T = 0,0168 Ω - impendacja transformatora

3. Sprawdzenie dobranego kabla zasilania podstawowego ze względu na spadek napięcia:

4. Dobór mocy zespołu prądotwórczego:

Zostanie przyjęty zespół prądotwórczy o mocy S_nG = 275 kVA,

gdzie:

x’ – jednostkowa reaktancja kabla, w [Ω/km],

X_k – reaktancja linii kablowej, w [Ω],

R_k – rezystancja linii kablowej, w [Ω],

cosφ – współczynnik mocy, w [-],

U_n – napięcie nominalne linii elektroenergetycznej, w [V],

S – przekrój żyły przewodzącej kabla, w [mm²],

cos φ_z – współczynnik mocy zapotrzebowanej przez projektowany budynek hali, w [-],

cosφ_nG – znamionowy współczynnik mocy generatora zespołu prądotwórczego, w [-],

p – współczynnik wykorzystania,

S_nG – moc znamionowa zespołu prądotwórczego, w [kVA],

l – długość kabla, w [m],

γ – konduktywność żyły przewodzącej kabla, w [m/(Ω · mm²)],

Z_T – impedancja transformatora, w [Ω],

k – jednosekundowa gęstość prądu zwarciowego, w [A/mm²],

I²t_w – całka Joule’a wyłączenia, w [A²·s].

5. Dobór kabla zasilania awaryjnego na długotrwałą obciążalność prądową i przeciążalność:

Na podstawie normy PN-IEC 60364-5-523:2002, przy sposobie ułożenia „D”, po uwzględnieniu współczynników odpowiadających krajowej rezystywności gruntu, obciążalności czwartej żyły oraz wielotorowości ułożenia, warunki spełnia kabel 2x[4xYKXS 120], dla którego:

6. Sprawdzenie dobranego kabla zasilania awaryjnego ze względu na spadek napięcia:

7. Sprawdzenie dobranego kabla z warunku samoczynnego wyłączenia (zwarcie w szafie PWP):

a) kabel zasilania podstawowego:

b) kabel zasilania awaryjnego:

8. Prądy zwarcia symetrycznego w szafie PWP:

a) zasilanie z SEE:

gdzie:

κ – współczynnik udaru, w [-],

I”_k3 – początkowy prąd zwarcia dla zwarć symetrycznych, w [kA],

I²t_w – całka Joule’a wyłączenia, w [A2s],

T – czas trwania zwarcia, w [s],

T_k – elektromagnetyczna stała czasowa obwodu zwarcia, w [s],

i_p – prąd zwarciowy udarowy, w [kA],

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

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń należy przyjąć następujące wymagania zwarciowe dla przekładników prądowych instalowanych w układzie pomiarowym:

• znamionowy krótkotrwały prąd cieplny (1-sekundowy): I_thT1 > 0,75 kA,
• znamionowy prąd dynamiczny i_d > 5,4 kA.

b) zasilanie z generatora zespołu prądotwórczego:

gdzie:

x”_d – względna reaktancja wzdłużna generatora zespołu prądotwórczego, w [-],

U_nG – znamionowe napięcie generatora zespołu prądotwórczego, w [kV],

S_nG – moc znamionowa zespołu prądotwórczego, w [MVA],

X”_G – reaktancja generatora, w [Ω],

R_G – rezystancja generatora, w [Ω].

Spodziewane prądy zwarciowe pozwalają na przyjęcie aparatów elektrycznych o odporności zwarciowej nie mniejszej od 6 kA.

9. Dobór rezystora ograniczającego w układzie kontroli ciągłości obwodu sterowania PWP.

Na podstawie informacji uzyskanej w Dziale Wsparcia Technicznego firmy Legrand ustalono, że impedancja ceki rozłącznika DPX 400 wynosi Z_c = 150 W.

Na podstawie katalogu firmy Legrand przyjęto wskaźnik z lampką koloru żółtego, działający przy napięciu o wartości (130–230) Vac. Lampka ta zgodnie z katalogiem producenta wykazuje straty wynoszące P_L = 1 W, zatem jej znamionowy prąd I_L oraz rezystancja wewnętrzna R_L wyniosą odpowiednio:

W celu ograniczenia prądu pojawiającego się w stanie przepalania się lamki należy zastosować ograniczenie jego wartości do poziomu gwarantującego niepobudzanie cewki wzrostowej, przez instalację rezystora R_d = 1000 W.

Prąd płynący przez obwód z pominięciem impedancji lampki kontrolnej:

Rozkłady napięć na elementach dzielnika napięciowego utworzonego przez lampkę, rezystor dodatkowy oraz uzwojenie cewki wzrostowej:

Należy zatem przyjąć rezystor o wartości 1 kΩ mocy 0,25 W, który należy zainstalować w kasetce zdalnego uruchomienia PWP, wykonanej w II klasie ochronności o stopniu ochrony przez obudowę nie niższym od IP 65.

Spodziewane wartości prądu przepływającego przez uzwojenie cewki wzrostowej w obwodzie kontroli ciągłości przewodów sterujących nie są w stanie jej pobudzić do zadziałania PWP.

Dla uruchomienia PWP konieczne jest zwarcie zestyków przycisku uruchamiającego, które powodują zmostkowanie żółtej lampki kontrolnej oraz rezystora dodatkowego Rd, umożliwiając przepływ prądu przez cewkę o wartości pozwalającej na jej pobudzenie.

• Przyjęte rozwiązanie gwarantuje bezawaryjne działanie układu PWP z jednoczesną kontrolą ciągłości obwodu sterowania oraz położenia styków aparatu wykonawczego.
• Zabudowa aparatu wykonawczego w pomieszczeniu rozdzielni elektrycznej, która stanowi osobną strefę pożarową, pozwala na bezpieczne ręczne rozłączenie toru zasilania przez rozwarcie styków aparatu wykonawczego PWP przez ratowników podczas akcji ratowniczo-gaśniczej w przypadku braku napięcia zasilającego.

Jest to rozwiązanie tanie i funkcjonalne, bez pojedynczych punktów awarii, które sprawdza się w praktyce.

Uwagi końcowe

1. Trasy wykopu linii kablowych należy wytyczyć geodezyjnie na gruncie.

2. Na końcach projektowanych elektroenergetycznych linii kablowych zasilania podstawowego oraz zasilania awaryjnego należy pozostawić zapasy o wartości 1% długości (uwzględniono w obliczeniach).

3. Ochrona przeciwporażeniowa w rozdzielni elektrycznej hali, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41:2009 oraz normą N SEP-E 001, będzie realizowana przez samoczynne wyłączenie zasilania.

4. Przy przejściu na zasilanie z generatora zespołu prądotwórczego musi nastąpić automatyczne odłączenie baterii kondensatorów statycznych przeznaczonych do kompensacji mocy biernej przy zasilaniu z SEE.

5. Przy stosowaniu innego typu aparatu wykonawczego przy doborze rezystora dodatkowego Rd należy posiadać informacje o impedancji cewki wzrostowej aparatu wykonawczego PWP oraz dane dotyczące mocy znamionowej lampki kontrolnej, informujące o stanie połączeń obwodu sterowania cewką wzrostową.

6. Po wykonaniu prac instalacyjnych należy przeprowadzić próby i pomiary pomontażowe zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-6.

7. Z uwagi na instalację zespołu prądotwórczego, który umożliwia zasilanie wszystkich odbiorników instalowanych w projektowanej hali, należy uznać wymagania normy PN-HD 60364-5-56:2013 oraz przywołanej w rozporządzeniu [3] normy PN-IEC 60364-5-56:1999, za spełnione bez potrzeby instalowania dodatkowych źródeł zasilania.

8. Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 12101-10 zespół prądotwórczy powinien zapewnić automatyczne dostarczenie pełnej mocy w ciągu 15 sekund od zaniku podstawowego źródła zasilania zgodnie z ISO 8528-5:1993.Czas ten z uwagi na parametry jakościowe dostarczanej energii, zgodnie z normą PN-EN 50160:2010, jest zbyt krótki. Zasadnym jest przyjęcie zwłoki czasowej wynoszącej 30 sekund do chwili rozpoczęcia procedury rozruchowej. Pozwoli to na uniknięcie niepotrzebnych rozruchów powodowanych krótkimi przerwami w zasilaniu lub zapadami napięcia, których występowanie w SEE jest powszechne.

9. Prezentowane rozwiązanie stanowi zaledwie przykład prostego, taniego i niezawodnego układu PWP zawierającego elementy składowe zgodne z wyszczególnianiem w pkt 10 załącznika do Rozporządzenia Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 17 listopada 2016 roku, w sprawie sposobu deklarowania właściwości użytkowych wyrobów budowlanych oraz sposobu znakowania ich znakiem budowlanym (DzU z 2016 roku, poz. 1966). Prezentowane rozwiązanie w żaden sposób nie może być przyjęte jako zgodne z ww. rozporządzeniem z uwagi na to, że jednostka uprawniona do wydawania krajowej oceny technicznej na określenie właściwości użytkowych, opracowanie procedur badawczych, tym samym określenie wymogów, jakie ma spełniać zestaw określony jako przeciwpożarowy wyłącznik prądu, ma czas do 30 czerwca 2018 roku.

Od 1 lipca 2018 roku zacznie obowiązywać ww. rozporządzenie w zakresie PWP. Prawdopodobnie do wydawania stosownych dokumentów oraz prowadzenia badań zostanie wyznaczone CNBOP-PIB w Józefowie. Należy zatem uważnie śledzić pojawianie się oficjalnych dokumentów dotyczących PWP, które mogą okazać się radykalnie inne niż prezentowane w niniejszym artykule.

Niniejszy artykuł może stanowić jedynie pomoc dla jednostki uprawnionej do wydawania krajowej oceny technicznej na określenie właściwości użytkowych, przy opracowywaniu projektu wymagań dotyczących konstruowania przeciwpożarowego wyłącznika prądu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!