Zasilanie budynków w energię elektryczną w warunkach normalnych a zasilanie w warunkach pożaru

Przy projektowaniu układów zasilania budynków pojawia się szereg wątpliwości wynikających z oczekiwanego poziomu niezawodności dostaw energii eklektycznej. Brak wytycznych w tym zakresie często prowadzi do błędnego rozumienia tego problemu przez inwestora oraz projektanta.

Natomiast wymagania dotyczące ochrony ppoż. wymagają przystosowania budynku eksploatowanego w warunkach normalnych do zasilania pożarowego, gdzie warunki środowiskowe znacznie różnią się od warunków normalnych. W tym przypadku pewność zasilania urządzeń przeciwpożarowych musi być wysoka gdyż od nich zależy bezpieczeństwo ewakuacji.

Wymagania dotyczące zasilania budynków zostały sprecyzowane w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2015 roku poz.1422) [2].

Zgodnie z § 181 pkt .1 Rozporządzenia [2]:

Budynek, w którym zanik napięcia w elektroenergetycznej sieci zasilającej może spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, poważne zagrożenie  środowiska, a także znaczne straty materialne, należy zasilać co najmniej z dwóch niezależnych, samoczynnie załączających się źródeł energii elektrycznej oraz wyposażyć w samoczynnie załączające się oświetlenie awaryjne (zapasowe lub ewakuacyjne). W budynku wysokościowym jednym ze źródeł zasilania powinien być zespół prądotwórczy. 

Są to bardzo ogólne wymagania, które nie precyzują wymagań w zakresie niezawodności zasilania oraz metodyki projektowania układów zasilania. W odniesieniu do innych obiektów budowlanych, obowiązujące przepisy techniczno-prawne wzmiankowo taktują wymagania dotyczące zasilania w energię elektryczną oraz milcząco traktują wymagania dotyczące układów zasilania i wymaganego poziomu niezawodności dostaw energii elektrycznej.  Wyjątkiem w tym zakresie jest Rozporządzenie Ministra Łączności z 21 kwietnia 1995 roku w sprawie zasilania energią elektryczną obiektów budowlanych łączności (Dz. U. Nr 50/1995 poz. 271) [3].

Z uwagi na to, że jest to jedyny dokument formalno-prawny, precyzyjnie określający wymagania dotyczące zasilania obiektów budowlanych łączności, można na jego podstawie opracować koncepcję układu zasilania dowolnego budynku przedstawioną na rysunku 1. W prezentowanym układzie zasilania znajdą się wszystkie źródła zasilania, a ich stosowanie w określonym układzie zasilania może być przyjmowane w zależności od potrzeb i wymaganego poziomu niezawodności. Natomiast podział na poziomy rezerwowania oraz przypisane im źródła zasilania wynika z przyjętego w gospodarce elektroenergetycznej podziału na kategorie zasilanych odbiorników. Widoczny na rysunku 1, pojedynczy zespół prądotwórczy oraz pojedynczy zasilacz UPS, w zależności od potrzeb może być projektowany w układzie redundantnym lub w układzie pracy równoległej.

Coraz powszechniej w układach zasilania budynków pojawiają się generatory PV (pominięte na rysunku 1), które mogą funkcjonować autonomicznie lub synchronicznie z siecią elektroenergetyczną, do której oddają nadwyżkę wyprodukowanej energii. Schematy blokowe obydwu układów PV przedstawia rysunek 2. Generatory PV budowane są z paneli fotowoltaicznych, których budowę przedstawia rysunek 3. Charakterystykę prądowo-napięciową I=f(U) pojedynczego ogniwa PV przedstawia rysunek 4. Łączenie szeregowe oraz równoległe paneli fotowoltaicznych pozwala na kształtowanie charakterystyki prądowo-napięciowej I=f(U), której przebieg przedstawia rysunek 5.

Generator PV buduje się z połączonych równolegle gałęzi stanowiących połączone szeregowo panele fotowoltaiczne. Połączenie szeregowe pozwala na uzyskanie wymaganego napięcia (do wartości 1000 V dc) przy prądzie o wartości jaki wytwarza pojedynczy panel. Natomiast połączenie równoległe umożliwia uzyskanie żądanej wartości prądu dla uzyskania oczekiwanej mocy wyjściowej.

Rysunek 1: Schemat blokowo-ideowy zasilania budynku [25].

Kategoria III – długotrwała przerwa w zasilaniu nie powoduje wystąpienia negatywnych skutków w postaci zagrożenia życia lub dużych strat materiałach; kategoria II – dopuszcza się krótką przerwę niezbędną na uruchomienie zespołu prądotwórczego; kategoria I –nie dopuszcza się żadnej przerwy w zasilaniu; ST– siłownia telekomunikacyjna ac/dc; RNR-rozdzielnica napięcia rezerwowanego; RNG-rozdzielnica napięcia gwarantowanego.

a)

 

b)

Rysunek 2:Schemat blokowy systemu PV[27]: a)autonomicznego; b) przyłączonego do sieci.

Występujący w układzie zasilania budynku generator PV wraz ze współpracującymi elementami tworzącymi system fotowoltaiczny, wymaga w wielu przypadkach magazynu energii. Stan ten powoduje konieczność zapewnienia neutralizacji zagrożeń wybuchowych stwarzanych przez mieszaninę powietrza z wodorem wydzielającym się z akumulatorów stanowiących wyposażenie magazynu energii. Wymagania w tym zakresie precyzuje norma PN-EN 62040-1:2009 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1. Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych”. W praktyce sprowadza się to wykonania wentylacji sterowanej przez automatykę wyposażoną w układ detekcji stężenia wodoru, dzięki której nie dopuszcza się do przekroczenia 30% Dolnej Granicy Wybuchowości (DGW), która dla mieszaniny wodoru (H₂) z powietrzem wynosi 4 %.

Rysunek 3: Schemat budowy panelu fotowoltaicznego [19].

Rysunek 4: Charakterystyka prądowo-napięciowa I = f(U) pojedynczego ogniwa PV z zaznaczonym punktem mocy maksymalnej PPM [31].

a)                                                                                        b)

Rysunek 5: Metodyka tworzenia charakterystyki prądowo-napięciowe generatora PV[19]:
a) połączenie szeregowe oraz równoległe,
b)kształtowanie charakterystyki wyjściowej generatora PV.

W przeciwieństwie do wymagań dotyczących układów zasilania budynków w warunkach normalnej eksploatacji, wymagania dotyczące zasilania urządzeń przeciwpożarowych są precyzyjnie określone w przepisach techniczno-prawnych oraz normach przedmiotowych.

W świetle Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku, w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. Nr109/2010 poz. 719)[5], urządzenia przeciwpożarowe to stałe lub półstałe urządzenia uruchamiane ręcznie lub automatycznie, służące do:

•  zapobiegania powstania pożaru,
• wykrywania powstałego pożaru,
• zwalczania pożaru lub ograniczania jego skutków.

Urządzenia te można podzielić na:

• wymagające zasilania do przejścia w stan pracy pożarowej,
• niewymagające zasilania do przejścia w stan pożarowy.

Zgodnie normą PN-EN 12101-10:2007 „Systemy kontroli rozprzestrzeniania się dymu
i ciepła – część 10: Zasilanie” [12], można przyjąć dwie klasy wymagań w zakresie zasilania urządzeń przeciwpożarowych:

•  klasa „A”:  wymagane jest zasilanie  ze źródła podstawowego oraz źródła rezerwowego, co oznacza że od zasilanych urządzeń wymaga się zwiększonej pewności zasilania (np. wentylacja pożarowa, dźwiękowy system ostrzegawczy),
• klasa „B”:   wymagane jest zasilanie tylko ze źródła podstawowego, co oznacza, że z chwilą wykrycia pożaru przez SSP lub wyłączenia dopływu energii przez przeciwpożarowy wyłącznik prądu, urządzenie automatycznie przechodzi w stan pracy pożarowej (np. zwalniaki elektromagnetyczne bram lub kurtyn przeciwpożarowych).

Ogólne wymagania dotyczące zasilania urządzeń przeciwpożarowych zostały określone w normie PN-HD 60364-5-56:2013 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa” [10]. Zagadnienia te są również określone w normie PN-IEC 60364-5-56:1999 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa” [9], przeznaczonej do obowiązkowego stosowania z uwagi na przywołanie jej w Rozporządzeniu [2]). Norma ta jednoznacznie określa, że podstawowym źródłem zasilania jest sieć elektroenergetyczna lub inne źródło zasilania np. zespół prądotwórczy. Natomiast
w przypadku zwiększonej pewności zasilania, jako źródło rezerwowe należy przyjmować:

• akumulatory lub baterie akumulatorów, niezależnie od linii elektroenergetycznej oraz źródeł zasilania awaryjnego,
• zespoły prądotwórcze, niezależnie od linii elektroenergetycznej zasilania podstawowego,
• oddzielną linię elektroenergetyczną posiadającą część wspólną od  napięcia 110 kV, czyli linię SN, wyprowadzoną z osobnej sekcji GPZ niż linia zasilania podstawowego.

Zgodnie z Ustawą o ochronie przeciwpożarowej (Dz. U. z 2017 roku poz. 736) [1],
w instalacjach bezpieczeństwa mogą być stasowane wyłącznie wyroby budowlane, które uzyskały świadectwo dopuszczenia do instalowania w tych instalacjach. Wykaz wyrobów podlegających wymogom Ustawy [1] został zamieszczony w załączniku do Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 20 czerwca 2007 roku w sprawie wykazu wyrobów służących zapewnieniu bezpieczeństwa publicznego lub ochronie zdrowia i życia oraz mienia, a także zasad wydawania dopuszczenia tych wyrobów do użytkowania (Dz. U. 2007 nr 143 poz. 1002 z późniejszymi zmianami)[4].

Rozporządzenie te wprowadziło do obowiązkowego stosowania następujące normy:

• PN-EN 54-4: 2002  Systemy sygnalizacji pożarowej. Część 4: Zasilacze. [11]
• PN-EN 12101-10: 2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła.
  Część 10: Zasilacze. [12]

Zasilacz w/w normach określony jako UZS, musi posiadać świadectwo dopuszczenia, wydane przez CNBOP-PIB w Józefowie k/Otwocka. Zgodnie z postanowieniami normy [12] zasilacz UZS jest przeznaczony do pracy w początkowej fazie pożaru przez co wymagania dotyczące temperatury w jakiej prowadzi się badania nie przekraczają 75⁰C. Fakt ten budzi szereg kontrowersji gdyż niejednokrotnie praca urządzeń przeciwpożarowych odbywa się w znacznie większej temperaturze powstającej podczas pożaru, który stanowi niekontrolowany w czasie i przestrzeni proces spalania materiałów zachodzący poza miejscem do tego celu przeznaczonym. Do jego powstania niezbędne jest spełnienie warunków określanych mianem trójkąta pożarowego, zilustrowanego na rysunku 6.

Spełnienie wszystkich czynników rozpoczyna  proces  fizykochemiczny nazywany spalaniem, w którym w wyniku zachodzącej z dostatecznie dużą szybkością reakcji chemicznej między paliwem a utleniaczem, wydziela się duża ilość energii. Towarzysząca mu reakcja łańcuchowa rodników, powoduje szybki wzrost wydzielanego ciepła oraz temperatury.

Rysunek 6: Trójkąt pożarowy [13].

W celu zorientowania Czytelników w zakresie temperatur pożarowych, na rysunku 7 zostały przedstawione krzywe pożarowe T=f(t), zdefiniowane w normie PN-EN 1363-2:2001 „Badanie odporności ogniowej. Część 2: Procedury alternatywne i dodatkowe.”[14]

Powszechnie stosowane w instalacjach elektrycznych zasilacze UPS w praktyce nie posiadają świadectwa dopuszczenia do stosowania w instalacjach bezpieczeństwa, gdyż nie zostały wyszczególnione w załączniku do Rozporządzenia [4]. Brak świadectwa dopuszczenia skutkuje tym, że ze względów formalnych nie mogą być stasowane jako źródła zasilania rezerwowego urządzeń przeciwpożarowych, pomimo tego funkcjonalnie są równoważne zasilaczom zdefiniowanym w normach [11] oraz [12].

Rysunek 7: Krzywe pożarowe T=f(t) określone w normie [30]

Akumulatory stosowane w urządzeniach przeciwpożarowych stanowią źródło zasilania gwarantowanego i przeznaczone są do pracy buforowej. Oznacza to, że akumulator przez cały czas połączony jest z prostownikiem i odbiornikiem. W czasie normalnej pracy zasilanie odbiornika realizowane jest z prostownika zasilacza UZS, który jednocześnie ładuje akumulator prądem o niewielkiej wartości powszechnie nazywanym prądem konserwującym. Oznacza to, że akumulator doładowywany jest w stopniu odpowiadającym jego samorozładowaniu. W tych warunkach akumulator pozostaje w gotowości do przejęcia obciążenia na wypadek zaniku napięcia w obwodzie zasilającym prostownik, pozostając w stanie pełnego naładowania. Układ buforowej współpracy akumulatora z prostownikiem przedstawia poniższy rysunek 8.

Rysunek 8: Układ pracy buforowej akumulatora [23].

Dla akumulatora o pojemności Q obowiązuje jednostka jednogodzinnego prądu rozładowania 1C (spotyka się również oznaczenie C₁ lub I₁),  określona następującym wzorem:

Prąd rozładowania xC (spotyka się oznaczenie C_x lub I_x)  akumulatora o pojemności Q, dla dowolnego czasu T,  należy określić z wykorzystaniem poniższego wzoru:

Rzeczywista pojemność Q, akumulatora zależy od temperatury oraz prądu rozładowania (rysunek 9a). Przy rozładowaniu akumulatorów w celu zachowania jego deklarowanej przez producentów żywotności, nie można przekroczyć napięcia odcięcia U_k. Jego wartość ścisłe zależy od wartości prądu rozładowania, z którym związany jest również czas trwania rozładowania (rysunek 9b). W centralach urządzeń przeciwpożarowych, dla których  zaleca się obciążanie akumulatorów prądem o wartości 1,5C < I_x < 2C, stosowane są baterie żelowe, gdzie elektrolit jest tiksotropową odmianą SiO₂.

Są one odporne na przeładowanie, ale wrażliwe  na zmiany temperatury i nieodporne na wysoką temperaturę podobnie jak akumulatory innego rodzaju

a)                         b)       

Rysunek 9: Charakterystyki akumulatorów:

1. a) zależność pojemności od prądu rozładowania i temperatury Q=f(C_x; t) [29],
2. b) krzywe rozładowania akumulatora w temperaturze 20⁰ C [32].

Przekroczenie temperatury 55⁰ C powoduje szybkie zniszczenie akumulatora. Dla przykładu na rysunku 10 zostały przedstawione charakterystyki obrazujące utratę pojemności w zależności od temperatury podczas przechowywania.

Rysunek 10: Przykładowe charakterystyki samorozładowania akumulatorów SLA w funkcji czasu, dla różnych temperatur składowania [32].

Natomiast zespół prądotwórczy (ZP) stanowiący źródło zasilania awaryjnego zgodnie z normą PN-EN 12101-10:2007 [8], powinien podać napięcie do 15 sekund od momentu zaniku napięcia w źródle podstawowym. Jest to wymóg nieuzasadniony z uwagi na parametry jakościowe napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych, wynikające bezpośrednio z normy PN-EN 50160:2010 „Parametry jakościowe napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych”[15].

Uruchomienie ZP powinno nastąpić po stwierdzeniu przerwy w zasilaniu a nie wskutek wystąpienia zapadu lub krótkiej przerwy, co jest dość powszechne w sieci elektroenergetycznej. Miarodajny jest czas 30 sekund, przyjmowany w praktyce. Z punktu widzenia eksploatacji, bardzo istotnym zagadnieniem jest wymagana ilość paliwa zgromadzonego w zbiorniku zespołu prądotwórczego, która umożliwi jego pracę przez czas określony w normie [8]:

• 4 godziny, jeżeli ZP zasila wyłącznie urządzenia przeciwpożarowe i jest uruchamiany sygnałem alarmu pożarowego, lub jest wykorzystywany do zasilania pompowni pożarowej zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z 24 lipca 2009 roku w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych (Dz. U. Nr 124/2009 poz. 1030) [7]
• 8 godzin, jeżeli ZP jest uruchamiany po zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej,
• 72 godziny, w każdym innym przypadku .

Zespół prądotwórczy może zasilać również inne odbiorniki nie będące elementami instalacji bezpieczeństwa, ale musi priorytetowo spełniać wymagania dla potrzeb instalacji bezpieczeństwa.  Od takiego zespołu prądotwórczego wymaga się parametrów nie gorszych od klasy wymagań G2 zdefiniowanych w normie ISO8528-5 „Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze”[17].

Wyciąg z normy [17] przedstawiający podstawowe wymagania dla poszczególnych klas wymagań stawianych zespołom prądotwórczym w zakresie jakości produkowanej energii elektrycznej przedstawia tabela 1.

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku
„w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie” (Dz. U. z 2015 roku poz. 1422) [2] w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m³ lub zagrożonych wybuchem (DP ³ 5 kPa – RMSW i A z dnia 7.06.2010 Nr 109 poz. 719)[5], istnieje obowiązek instalowania przeciwpożarowego wyłącznika prądu. Wyłącznik ten powinien odcinać dopływ energii elektrycznej do wszystkich odbiorników z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru.

Do urządzeń tych należy zaliczyć:

1. pompy pożarowe,
2. dźwiękowy system ostrzegawczy,
3. oświetlenie awaryjne i ewakuacyjne,
4. dźwigi przeznaczone dla ekip ratowniczych,
5. systemy technicznych zabezpieczeń pożarowych,
6. wentylację pożarową (w tym zasilanie napędów klap dymowych),
7. system alarmu pożarowego.

Zgodnie z Rozporządzeniem  Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 17 listopada
2016 roku, w sprawie sposobu deklarowania właściwości użytkowych wyrobów budowlanych oraz sposobu znakowania ich znakiem budowlanym (Dz. U. z 206 roku poz. 1966) [6], przeciwpożarowy wyłącznik prądu  to zestaw składający się z urządzenia uruchamiającego, urządzenia sygnalizującego i urządzenia wykonawczego. Rozporządzenie te wprowadziło obowiązek przedstawienia krajowej deklaracji stałości właściwości użytkowych przeciwpożarowego wyłącznika prądu, które należy dołączyć do wyrobu
od 1 lipca 2018 roku. Przykładowy układ przeciwpożarowego wyłącznika prądu, w którym występuje urządzenie uruchamiające, urządzenie sygnalizacji stanu położenia, urządzenia wykonawczego oraz kontroli ciągłości przewodów przedstawia rysunek 11. Urządzenie uruchamiające powinno być instalowane przy głównym wejściu do budynku lub złączu i odpowiednio oznakowane. Urządzenie wykonawcze może być instalowane w złączu lub w rozdzielnicy głównej pod warunkiem, że stanowi ona osobną strefę pożarową, a zasilanie zostało doprowadzone kablem (zespołem kablowym) o wymaganym czasie podtrzymania funkcji. Urządzenie sygnalizujące należy instalować przy urządzeniu uruchamiającym tak by możliwa była jednoznaczna ocena stanu położenia urządzenia wykonawczego. Odcięcie dopływu prądu przeciwpożarowym wyłącznikiem nie może powodować samoczynnego włączenia drugiego źródła energii elektrycznej (w tym zespołu prądotwórczego) z wyjątkiem źródła zasilającego urządzenia, których funkcjonowanie w czasie pożaru jest niezbędne.

Panele fotowoltaiczne wciągu dnia generują energię elektryczną w sposób ciągły i niezależny od Systemu Elektroenergetycznego, z którego zasilany jest budynek przez co mogą stwarzać zagrożenie porażenia prądem elektrycznym ratowników podczas akcji ratowniczo-gaśniczej. W celu neutralizacji tych zagrożeń koniczne jest ich „wyłączenie” w momencie rozpoczęcia akcji ratowniczo-gaśniczej. Z charakterystyki prądowo-czasowej I=f(U) pojedynczego ogniwa (rysunek 4) wynika, że przy zwarciu na zaciskach wyjściowych, w obwodzie zwarciowym popłynie prąd o wartości około 20% większej od wyznaczonej przez punkt MPP, a napięcie wyjściowe zmniejszy się do zera.

Rysunek 11: Przykładowy układ przeciwpożarowego wyłącznika prądu [20].

Ponieważ prądy gałęziowe generatorów PV uzyskują wartość w zakresie (15-25) A, w celu uniknięcia łuku elektrycznego należy objąć wyłączeniem każdą gałąź osobno, tak jak przedstawiono na rysunku 12. W wyniku zwarcia  bieguna dodatniego i ujemnego przed falownikiem, w poszczególnych gałęziach generatora PV płynie prąd I_k @ 1,2 I_n, a napięcie na wyjściu jest praktycznie równe zero. Należy zwrócić uwagę, że wykonacie zwarcia tuż przed falownikiem, które obejmowało by cały generator PV stanowi bardzo poważny błąd, który może doprowadzić do pojawienia się łuku elektrycznego, co stanowi poważne zagrożenie dla ratowników oraz samego systemu PV.

W uzasadnionym przypadku każdą gałąź należy podzielić na sekcje w, których napięcie nie przekroczy napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale i zastosować układ wyłączenia zgodny z ideą przedstawioną na rysunku 12.

  a)                                                                                                       b)

Rysunek 12: Przykładowe układ wyłączenia pożarowego generatora PVa)

prostego [19], b) rozwiniętego.

W warunkach pożaru zmianie ulęgają wymagania dotyczące ochrony przeciwporażeniowej. Głównym powodem odmiennego podejścia w tym zakresie w stosunku do instalacji funkcjonujących w warunkach normalnych jest zjawisko Wiedemanna-Franza, z którego wynika że pod wpływem temperatury rośnie przewodność cieplna i maleje przewodność elektryczna żył przewodzących przewodów zasilających urządzenia elektryczne. Zjawisko te negatywnie wpływa na jakość napięcia dostarczanego do zasilanych odbiorników oraz skuteczność ochrony przeciwporażeniowej zasilanych urządzeń, realizowanej przez samoczynne wyłączenie zasilania. Zakres względnych zmian rezystancji przewodów w temperaturze pożaru do rezystancji przewodu w temperaturze pokojowej, funkcji temperatury R_u/R₀=f(T) przedstawia rysunek 13.

Rysunek 13: Zakres względnych zmian rezystancji przewodu funkcji temperatury [25].

Spodziewaną wartość rezystancji przewodu poddanego działaniu temperatury większej od temperatury pokojowej można wyznaczyć ze wzoru zaczerpniętego z normy [12]:

Gdzie:

R₀ – rezystancją przewodu w temperaturze 20⁰ C, w [Ω],

T_u – spodziewana temperatura, większa od temperatury pokojowej, w [K].

Wynika z tego, że wymagania określone w  § 187 pk.2 Rozporządzenia [1], dotyczące zachowania ciągłości dostawy energii oraz sygnału są zbyt ogólne i nie uwzględniają szeregu problemów jakie pojawiają się w zakresie bezpieczeństwa i poprawności funkcjonowania zasilanych urządzeń. 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 następującą zależnością  [22]:

Natomiast graficznie wpływ wartości napięcia zasilającego na wartość momentu silnika przedstawia rysunek 14.

Rysunek 14: Wpływ wartości napięcia zasilającego na wartość momentu silnika [22].

W kwestii ochrony przeciwporażeniowej podstawowe wymagania dla instalacji elektrycznych nn zostały określone w normie PN-HD 60364-4-41:2009 [13], zgodnie z którą każdy środek ochrony powinien składać się z:

a) odpowiedniej kombinacji niezależnych środków zapewniających ochronę podstawową i ochronę przy uszkodzeniu lub,

b) środka ochrony wzmocnionej zapewniającej ochronę podstawową i ochronę przy uszkodzeniu.

Wzajemne powiązania poszczególny środków ochrony przedstawia rysunek 15.

 

Rysunek 15: Wzajemne powiązanie poszczególnych środków ochrony przeciwporażeniowej [25].

Spośród środków ochrony podstawowej przedstawionych na rysunku 16, w instalacjach elektrycznych które muszą funkcjonować w czasie pożaru, dopuszcza się jedynie izolacje podstawową pod warunkiem spełnienia cechy ognioodporności przez wymagany czas np. 90 minut. Do środków ochrony przy uszkodzeniu, dopuszczonych do stosowania w instalacjach przewidzianych do funkcjonowania w czasie pożaru zgodnie z norma [9] należy zaliczyć:

• samoczynne wyłączenie zasilania w układzie TN (TN-S; TN-C-S; TN-C),
• samoczynne wyłączenie zasilania w układzie IT, pod warunkiem, że przy podwójnym zwarciu automatycznie przekształci się on w układ zasilania TN,
• nieuziemione połączenia wyrównawcze miejscowe,
• obniżenie napięcia dotykowego do wartości dopuszczalnej długotrwale.

Rysunek 16: Wzajemne powiązanie poszczególnych środków ochrony przeciwporażeniowej [23].

Ograniczenie wyboru układu zasilania wynika bezpośrednio z tabeli 2, w której podane zostały dopuszczalne czasy samoczynnego wyłączenia.  Na rysunku 17 został przedstawiony obwód zwarcia w układzie zasilania TN-C-S, który jest powszechnie stosowany w budynkach.

Warunek samoczynnego wyłączenia zasilania:
I_a – prąd wyłączający w czasie wymaganym przez normę [14]
U₀ – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a przewodem PE lub PEN
I_k – spodziewany prąd zwarcia jednofazowego
Z_T – impedancja uzwojeń transformatora
Z_p – impedancja przewodów obwodu zwarciowego

Rysunek 17: Obwód zwarcia w układzie zasilani TN-C-S [25]

Układ zasilania IT (rysunek 18) może być stosowany jedynie wtedy gdy przy drugim zwarciu przejdzie w układ zasilania TN, a samoczynne wyłączenie zasilania nastąpi w czasie nie dłuższym od określonego w normie PN-HD 60364-4-41:2009[15] (pojedyncze zwarcie – rys. 18a, nie stwarza zagrożenia porażeniowego). Spełnienie tego wymagania jest możliwe jedynie przy zastosowaniu uziemienia zbiorowego (rysunek 19). Takie rozwiązanie pozwala na pominięcie odczytu wskazań Układu Kontroli Stanu Izolacji (UKSI), który w warunkach pożaru staje się nieprzydatny.

Układ zasilania TT (rysunek 20) w instalacjach, których funkcjonowanie jest niezbędne
w czasie akcji ratowniczo-gaśniczej nie może być stosowany z uwagi na stwarzane zagrożenia porażeniowe. W czasie zwarcia, prąd płynie w obwodzie obejmującym przewody oraz uziemienia R_A i R_B w przeciwieństwie do układu zasilania TN, gdzie płynął wyłącznie przewodami. Obwód zwarciowy w tym przypadku tworzy dzielnik napięciowy, w którym na rezystancji R_A odkłada się napięcie o wartości bliskiej napięciu U₀ (napięcie pomiędzy przewodem fazowym a uziemionym przewodem ochronnym). Dzieję się tak ponieważ rezystancja oporów uziemienia roboczego i ochronnego (R_A + R_B) występująca w obwodzie zwarcia jest znacznie większa od rezystancji pozostałej części obwodu zwarciowego, na którą składa się suma impedancji uzwojenia transformatora oraz impedancja przewodów stanowiących część obwodu zwarciowego. Duże wartości rezystancji uziomów powodują, że mogą powstać trudności w spełnieniu wymagań samoczynnego wyłączenia i konieczne będzie zastosowanie wyłączników różnicowoprądowych, których stosowania w  instalacjach funkcjonujących w czasie pożaru kategorycznie zabrania norma N SEP-E 005 „Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru”[13], co do której obecnie trwają prace w Komitecie Normaliacyjnym IEC nad implementacją jej zapisów do normy[10].

Tabela 2: Dopuszczalne czasy samoczynnego wyłączenia poszczególnych układach zasilania, określone w normie PN-HD 60364-4-41:2009 [24].

a)                                                                                                b)

 

Warunek samoczynnego wyłączenia:

– dla układu zasilania bez przewodu neutralnego

– dla układu zasilania zawierającego przewód neutralny

Rysunek 18: Układ zasilania IT: a) pojedyncze zwarcie; b) podwójne zwarcie [26].

Rysunek 19: Sposoby uziemienia w układzie zasilania IT [26].

Warunek samoczynnego wyłączenia:

– przy zabezpieczeniu nadprądowym

– przy zabezpieczeniu różnicowoprądowym

Rysunek 20: Obwód zwarcia w układzie zasilania TT [26] wraz z  warunkami samoczynnego wyłączenia przy zabezpieczeniu naprądowym oraz wyłącznikiem różnicowopradowym.

Zakaz stosowania wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach bezpieczeństwa, zawarowany w normie [13], wyjaśnia analiza rysunku 21, na którym została przedstawiona uproszczona budowa wyłącznika różnicowoprądowego.

Pod działaniem temperatury pożaru jonizacji ulega izolacja przewodów skutkując zwiększonymi prądami upływu doziemnego, które mogą prowadzić do niekontrolowanego działania wyłączników różnicowoprądowych prowadząc do pozbawienia funkcji zasilanych urządzeń. Zjawisko to powoduje, że wyłącznik różnicowoprądowy nie nadaje się do stosowania w obwodach zasilających urządzenia przeciwpożarowe, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru. 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 w korelacji z wymaganiami normy [13].

W instalacjach elektrycznych poważnym problemem jest zachowanie ochrony przeciwporażeniowej przy zasilaniu z generatora zespołu prądotwórczego, gdzie impedancja źródła ulega zmianie wraz z upływem czasu trwania zwarcia. Może się okazać, że ochrona przez samoczynne wyłączenie w warunkach pożaru jest nieskuteczna. W takim przypadku pomocne może być zastosowanie sterowania wartością spodziewanego napięcia dotykowego U_ST, tak by jego wartość nie przekraczała wartości napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale U_L.

Warunek poprawnego funkcjonowania zabezpieczenia:

I_l1; I_L2; I_L3 – prądy w przewodach fazowych;

I_N – prąd w przewodzie neutralnym;
I_Dn– zanamionowy p-rad różnicowy

Rysunek 21: Uproszczona budowa wyłącznika różnicowoprądowego, zainstalowanego w układzie zasilania TT [26]

Postępowanie takie jest zgodne z normą [13], a spsób realizacji tego zalecenia (przy uproszczonym załażeniu: Z_PE=R_PE) wyjśnia rysunek 22. Dokładna analiza rysunku 22 oraz zamieszczonych przy nim wzorów, prowadzi do oceny dwóch przypadków:

1. jeżeli I_k < I_a – czy spodziewane napięcie dotykowe U_ST jakie powstanie na częściach przewodzących dostępnych chronionego urządzenia, w warunkach zakłóconych nie przekroczy napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale U_L ?,
2. jeżeli Ik ³ Ia – czy nastąpi samoczynne wyłączenie zasilania w czasie nie dłuższym od określonego w normie PN-HD 60364-4-41:2009 [15] ?.

Przyjęcie takiego sposobu rozwiązania ochrony przeciwporażeniowej gwarantuje jej zachowanie przy dowolnej wartości spodziewanego prądu zwarciowego I_k.

Ważnym problemem z punktu widzenia bezpieczeństwa oraz pewności zasilania urządzeń przeciwpożarowych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru jest lokalizacja Rozdzielnicy Głównej Budynku (RGB).’

Rysunek 22:   Metodyka wyznaczania przekroju przewodu ochronnego S_PE łączącego
chronione urządzenie z GSU, dla  spełnienia warunku U_ST ≤ U_L [13]

Gdzie: (U_ST – spodziewana wartość napięcia dotykowego;
S_PE – minimalny przekrój przewodu ochronnego, gwarantujący spełnienie warunku U_ST £U_L;
k_p – współczynnik korekcyjny, którego sposób wyznaczenia określa norma [12];
l – długość przewodu łączącego odbiornik z GSU;
I_a – prąd wyłączający zabezpieczenie w czasie wymaganym przez normę[15];
g – konduktywność przewodu ochronnego łączącego chroniony odbiornik z GSU).

Przy podejmowaniu decyzji dotyczącej miejsca instalacji RGB, należy posługiwać się wymaganiami § 209. 3 Rozporządzenia [1]:

Wymagania dotyczące bezpieczeństwa pożarowego budynków oraz części budynków stanowiących odrębne strefy pożarowe, określanych jako PM, odnoszą się również do
garaży, hydroforni, kotłowni, węzłów ciepłowniczych, rozdzielni elektrycznych, stacji transformatorowych, central telefonicznych oraz innych o podobnym przeznaczeniu.

Rozdzielnia Główna, w której instalowana będzie RGB powinna stanowić osobną strefę pożarową. Energię elektryczną do RGB należy doprowadzić kablem (zespołem kablowym)
o wymaganej odporności ogniowej lub kablem nieposiadającym odporności ogniowej prowadzonym w kanale kablowym wykonanym z materiałów ognioodpornych, gwarantujących podtrzymanie  funkcji przez wymagany czas określony w scenariusz rozwoju zdarzeń pożarowych.

Jeżeli Rozdzielnia Główna nie stanowi osobnej strefy pożarowej, należy w instalacji budynku wydzielić sekcje ppoż. i zainstalować ją w obudowie spełniającej wymogi dla osobnej strefy pożarowej oraz zasilić przewodem (zespołem kablowym) posiadającym cechę podtrzymania funkcji zgodną z wymaganiami określonymi w scenariuszu zdarzeń pożarowych. Zasilanie urządzeń ppoż. należy realizować sprzed przeciwpożarowego wyłącznika prądu. W takim przypadku zasilanie RGB powinno zostać przerwane wraz zadziałaniem przeciwpożarowego wyłącznika prądu.

Na zakończenie należy zwrócić uwagę na problem pożarowego wyłączenia budynku, który przez wiele osób jest źle interpretowany. Zgodnie z przepisami o ochronie przeciwpożarowej jedyną osobą upoważnioną do uruchomienia przeciwpożarowego wyłącznika prądu a tym samym wyłączenia zasilania płonącego budynku jest dowódca akcji ratowniczo-gaśniczej. Bez jego zgody nie wolno wyłączać zasilania w energię elektryczną płonącego budynku.

LITERATURA

1. Ustawa o ochronie przeciwpożarowej [tekst jednolity: Dz. U. z 2017 roku poz. 736]
2. Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [Dz. U. z 2015 roku poz.1422].
3. Rozporządzenie Ministra Łączności z 21 kwietnia 1995 roku w sprawie zasilania energią elektryczną obiektów budowlanych łączności [Dz. U. Nr 50/1995 poz. 271].
4. Rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 20 czerwca 2007 r. w sprawie wykazu wyrobów służących zapewnieniu bezpieczeństwa publicznego lub ochronie zdrowia i życia oraz mienia, a także zasad wydawania dopuszczenia tych wyrobów do użytkowania [Dz. U. 2007 nr 143 poz. 1002
   z późniejszymi zmianami].
5. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010, w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków innych obiektów i terenów [Dz. U. 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 Dz. U. z 2016 roku poz. 1966].
7. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z 24 lipca 2009 roku w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych
   [Dz. U. Nr 124/2009 poz. 1030].
8. PN-EN 12101-10:2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania się dymu
   i ciepła – część 10: Zasilanie.
9. PN-IEC 60364-5-56:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór
   i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa.
10. PN-HD 60364-5-56:2013 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór
    i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa.
11. PN-EN 54-4: 2002 Systemy sygnalizacji pożarowej. Część 4: Zasilacze.
12. PN-EN 12101-10: 2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 10: Zasilacze.
13. N SEP-E 005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.
14. PN-EN 1363-2:2001 Badanie odporności ogniowej. Część 2: Procedury alternatywne i dodatkowe.
15. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41. Instalacje dla zapewnia bezpieczeństwa Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
16. PN-EN 50160;2010 Parametry jakościowe napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych.
17. ISO8528-5 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze.
18. PN-EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1. Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych.
19. T. Sarniak – Budowa i eksploatacja systemów fotowoltaicznych – Grupa Medium Warszawa 2015 – wydanie I
20. Wiatr; M. Orzechowski – Przeciwpożarowy wyłącznik prądu. Mity a rzeczywistość. – elektro.info nr 1-2/2017 –cz. 1; elektro.info nr 3/2017 – cz. -2.
21. Lenartowicz, J. Fangrat –Instalacje zasilające urządzenia bezpieczeństwa pożarowego – ITB Warszawa 2016
22. Wiatr; M. Orzechowski – Instalacje elektryczne do zasilania urządzeń elektrycznych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru – Grupa Medium 2016 – wydanie I.
23. Łęgosz – Potrzeby własne w elektroenergetyce – OPBEE – materiał konferencyjne, Szklarska Poręba 11-13 grudnia 2011
24. Poradnik projektanta Systemów Sygnalizacji Pożaru – cz. II – SITP Warszawa 2009
25. Wiatr, M. Orzechowski – Poradnik Projektanta Elektryka – Grupa Medium Warszawa 2012, wydanie V
26. Wiatr, A. Boczkowski, M. Orzechowski –Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia – DW MEDIUM Warszawa 2010 – wydanie I
27. Wiatr – Podstawy projektowania przydomowych elektrowni fotowoltaicznych – Grupa Medium 2017 – wydanie I.
28. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy. – COSiW SEP 2007
29. Tofiło – konspekt do wykładu dla studentów SGSP – r. a. 2012/2013
30. fizyka.wip.pcz.pl – 16.07.2017
31. aval.com.pl -19.07.2017