Maciej SAŁASIŃSKI Biuro Projektów i Usług Inwestorskich PRO-MAC. Zarządzanie bezpieczeństwem elektrycznym w obiektach przemysłowych

Transkrypt

1

2 Maciej SAŁASIŃSKI Biuro Projektów i Usług Inwestorskich PRO-MAC Zarządzanie bezpieczeństwem elektrycznym w obiektach przemysłowych

3

4 ZARZĄDZANIE BEZPIECZEŃSTWEM ELEKTRYCZNYM W OBIEKTACH PRZEMYSŁOWYCH Maciej SAŁASIŃSKI Biuro Projektów i Usług Inwestorskich PRO-MAC WSTĘP. Współczesny zakład produkcyjny, elektrownia to obiekt- w zależności oczywiście od swojej specyfiki- bardzo zróżnicowany pod względem różnorodności występujących w nim sieci i instalacji elektrycznych. Z jednej strony mamy do czynienia z urządzeniami, które generują duże zakłócenia zarówno w postaci wyższych harmonicznych i składowej stałej wprowadzanych do sieci odbiorczych jak i zakłóceniami elektromagnetycznymi. W związku z tym jest to miejsce, w którym występują obok siebie różne instalacje elektryczne i to zarówno silnoprądowe jak i takie, których działanie opiera się na prądach liczonych w miliamperach. Oznacza to, że pod jednym dachem i często w niewielkim oddaleniu od siebie znajdują się sieci i urządzenia, które powodują zakłócenia oraz takie, które są na te zakłócenia bardzo wrażliwe. Instalacje i urządzenia zakłócające to przede wszystkim: napędy z regulowaną częstotliwością, prostowniki, oświetlenie elektroniczne, zasilacze impulsowe, UPS-y, a instalacje łatwo podlegające zakłóceniom: sieci komputerowe, sieci przesyłu danych, telefoniczne i teletechniczne, sterownicze i zabezpieczeniowe przeciwpożarowe kontroli dostępu. Jak nietrudno się domyślić bliskość tych dwóch typów instalacji i może powodować poważne problemy, do których zaliczyć można: wzrost niebezpieczeństwa porażenia, zakłócenia w systemach telekomunikacyjnych i pożarowych, korozje rurociągów, metalowych konstrukcji budynku, systemów odgromowych, podskoki napięcia, wzrost ryzyka pożaru, niepożądane zadziałania zabezpieczeń, przegrzewanie przewodów N i PEN, błędy w przesyle danych, możliwość uszkodzenia i systemów komputerowych oraz interfejsów. II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

5 W referacie poniższym chcemy zaproponować pewne rozwiązania, które pozwolą rozpoznać występujące zagrożenia i dostarczą niezbędnej wiedzy do tego, aby obiekt przemysłowy i jego instalacje były bardziej bezpieczne. PEWNOŚĆ ZASILANIA, BEZPIECZEŃSTWO I KOSZTY. Ogólnie rzecz biorąc wszystkie instalacje elektryczne zarówno zasilające jak i sterownicze składają się z dwóch podsystemów: zasilania, którego celem jest dostarczenie energii elektrycznej i zasilenie odbiorników, a w przypadku sieci sterowniczych aktywacja lub dezaktywacja elementów wykonawczych, ochrony, która musi gwarantować bezpieczeństwo ludzi, i stosowanych procedur. W poszczególnych obiektach i w różnych rodzajach sieci obie te funkcje: zasilania, a więc pewności, i ochrony, czyli bezpieczeństwa muszą być zrealizowane na najwyższym uzasadnionym ekonomicznie poziomie. Poziom ten zależny jest od ważności sieci i odbiorników z niej zasilanych oraz koniecznego poziomu bezpieczeństwa. W obiektach, w których występuje wielorakość instalacji elektrycznych i sterowniczych, od których zależy w dużym stopniu bezpieczeństwo ludzi i całego zakładu, musi być wzięta pod uwagę już na etapie projektowania konieczność odpowiedniej kontroli instalacji zasilających tak, aby oferowana przez nie pewność zasilania była na odpowiednio wysokim poziomie. Oczywiście planując i projektując nowy obiekt musimy zawsze odpowiedzieć sobie na jakie koszty nas stać. Rysunek nr 1 pokazuje do jakiego celu powinniśmy dążyć biorąc pod uwagę powstanie możliwych przerw w zasilaniu, które z biegiem czasu mogą się nasilać: począwszy od krótkotrwałych uszkodzeń pojedynczych odbiorów poprzez tymczasowy zanik zasilania w pewnych obszarach zakładu, aż po pełną awarię, przy której następuje kompletne załamanie systemu zasilającego w dużych obszarach obiektu lub w jego całości. Z drugiej strony tego zagadnienia występują koszty, które jesteśmy skłonni ponieść. Prawidłowym celem, do którego powinniśmy dążyć jest ustalenie dwóch granicznych wartości: celu eksploatacyjnego i limitu wydatków, i takie zaprojektowanie instalacji elektrycznych i ich środków kontroli, aby poruszać się pomiędzy tymi dwoma wartościami. 196 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 2011

6 Rysunek 1. Wyznaczenie celu jakim jest wysoka sprawność systemu zasilającego. KONTROLA STANU IZOLACJI. Każda instalacja elektryczna narażona jest na szereg zagrożeń i zakłóceń wynikających bądź to z praw fizyki (jak na przykład starzenie się izolacji) bądź też czynników zewnętrznych (na przykład możliwość uszkodzeń mechanicznych czy wpływ środowiska). Podstawowym niebezpieczeństwem z jakim mamy do czynienia jest obniżenie wartości rezystancji izolacji sieci i zasilanych z niej. Przyjmuje się, że około 80% uszkodzeń izolacji powoduje natychmiastowe zadziałanie zabezpieczających (bezpieczniki, wyłączniki instalacyjne czy też wyłączniki różnicowoprądowe). Zadziałanie tych jest niemożliwe do wcześniejszego przewidzenia, dlatego też prawie wszystkie awaryjne wyłączenia zasilania są dla użytkownika instalacji i zasilanych przez nią odbiorów przykrą niespodzianką. Możemy uniknąć takich sytuacji kontrolując rezystancję sieci zasilających, odbiorczych i sterowniczych na poziomie wyższym niż krytyczny, przy którym za względu na bezpieczeństwo ludzi, czy też ze względu na ochronę pożarową wyłączenie jest konieczne. Obrazuje to rysunek nr 2. Oczywiście spadek rezystancji w czasie może być powolny tak jak pokazano to na wykresie, ale może też być gwałtowny w przypadku uszkodzenia czy też doziemienia. II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

7 Rysunek 2. Wykres wartości rezystancji izolacji w czasie. Urządzeniami, których zadaniem jest czuwanie nad właściwym stanem izolacji sieci w systemie TN-S są przekaźniki różnicowoprądowe lub też całe systemy monitorowania prądów różnicowych. Systemy te umożliwiają wykrywanie przekroczenia dopuszczalnych wartości progowych prądów różnicowych, z możliwością dowolnego ich ustawiania na każdym kanale pomiarowym. Umożliwia to monitoring prądów zarówno na poziomie pojedynczych miliamperów (na przykład w obwodach odbiorczych lub sieciach sterowniczych) jak również wartości kilkunastu, kilkudziesięciu czy też setek amperów co może mieć miejsce w głównych liniach zasilających, szczególnie w sieciach z dużymi odbiornikami, czy też zawierającymi urządzenia energoelektroniczne. Ideę monitoringu stanu izolacji poprzez pomiar poszczególnych prądów różnicowych obrazuje rysunek nr II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 2011

8 Rysunek 3. Przykład systemu monitoringu prądów różnicowych w instalacjach zasilających i odbiorczych. Obniżenie się rezystancji izolacji poniżej dopuszczalnego poziomu ma bezpośredni wpływ zarówno na pewność zasilania instalacji jak i bezpieczeństwo ludzi i KONTROLA PRZEWODU PE I PRĄDÓW BŁĄDZĄCYCH. Prawidłowe działanie instalacji elektrycznych, a więc ich zdolność do zasilenia odbiorników i zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa, zagwarantowana jest wyłącznie w przypadku ciągłości przewodu ochronnego PE. Przerwa w tym przewodzie powoduje, że prądy płynące w trakcie eksploatacji sieci poprzez PE znajdują inną drogę przepływu. Mogą to być metalowe instalacje nieelektryczne budynku takie jak rurociągi, zbrojenia czy też ekrany kabli sygnalizacyjnych lub komunikacyjnych. Powoduje również wystąpienie zagrożeń nie tylko dla komputerowych i przesyłu danych, ale również możliwość wystąpienia znacznych napięć dotyku i w związku z tym niebezpieczeństwa porażenia ludzi. Prądy pasożytnicze przepływające przez przewodzące części budynku noszą nazwę prądów błądzących. Na ich powstawanie oprócz wspomnianej przerwy w przewodzie ochronnym ma wpływ również stosowanie systemów sieciowych TN-C, w których funkcję przewodu neutralnego i ochronnego pełni jedna żyła PEN. Takie układy sieciowe stosowane są często dla zmniejszenia kosztów wykonania instalacji elektrycznych, ale coraz częściej- szczególnie przy rozległych sieciach- ich stosowanie jest niezalecane. Międzynarodowe przepisy zabraniają wręcz wykonywania układów sieciowych w systemie TN-C we wszystkich obiektach szpitalnych, począwszy od głównej rozdzielnicy budynkowej. II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

9 Występowanie prądów błądzących prowadzi do pojawienia się pól elektromagnetycznych o znacznej czasami wartości, a to z kolei może prowadzić do poważnych zakłóceń w pracy czułych, systemów informatycznych czy też powodować niezdefiniowane błędy zapisu na dyskach twardych komputerów. Powstaje wtedy zjawisko tak zwanego smogu elektromagnetycznego, a więc występowania zmiennych pól elektromagnetycznych obejmujących swoim działaniem cały budynek i wszystkie znajdujące się w nim urządzenia a przede wszystkim ludzi. Skutki przebywania ludzi w polu elektromagnetycznym nawet o niewielkim natężeniu, ale długotrwałe (często 24 godziny na dobę) nie są do końca wyjaśnione, ale jako rzecz nienaturalna mogą być negatywne. Dodatkowym efektem ubocznym przepływu prądów błądzących jest występowanie korozji elementów metalowych budynku, przez które te prądy przepływają (instalacje wodociągowe, tryskaczowe, grzewcze, konstrukcje metalowe budynku itp.). Rysunek nr 4 pokazuje możliwości kontroli prądów błądzących oraz ciągłości przewodu PE. Możliwe jest to przy pomocy tego samego systemu, którym kontrolujemy również prądy różnicowe, przy innym umieszczeniu przekładnika pomiarowego. PRZECIĄŻENIA INSTALACJI Z POWODU WYŻSZYCH HARMONICZNYCH. We współczesnych budynkach występuje coraz większe wysycenie odbiornikami o charakterystyce nieliniowej. Są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko przetwarzania energii i są wyposażone w prostowniki, kondensatory wygładzające i filtry, co znacznie odkształca sinusoidalny przebieg prądu, wprowadzając do sieci wyższe harmoniczne. Te nieliniowe odbiory to przede wszystkim bardzo powszechnie stosowane falowniki, przekształtniki, prostowniki, UPS, zasilacze impulsowe, oświetlenie świetlówkowe, wyładowcze czy kompaktowe. Te nieliniowe odbiory powodują przede wszystkim wzrost obciążenia przewodu neutralnego, powodując że może w nim płynąć wynikający z 3 harmonicznej prąd większy niż w przewodach fazowych, co z kolei może doprowadzić do jego przegrzewania i zwiększa ryzyko przerwania ciągłości (upalenie na zaciskach). Stanowi to również poważne zagrożenie pożarowe i może prowadzić do poważnych zagrożeń w użytkowaniu instalacji elektrycznych Dlatego również w tym przypadku konieczna staje się ciągła kontrola wartości prądów płynących w przewodach N instalacji zarówno w poszczególnych odbiorach jak i głównych obwodach zasilających. Rysunek 4 obrazuje tę możliwość. Tabela nr 1 przedstawia zbiorcze zestawienie możliwych zakłóceń ich przyczyn i możliwości kontroli w sieciach zasilających i odbiorczych w obiektach przemysłowych szczególnie tych wysycanych dużą ilością energoelektronicznych. 200 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 2011

10 Rysunek 4. Możliwości pomiaru prądów znamionowych i pasożytniczych jednym spójnych systemem. IΔN- prąd różnicowy instalacji odbiorczej IN- prąd płynący w przewodzie neutralnym N i kontrola ciągłości tego przewodu IPE- prąd płynący w przewodzie ochronnym PE i kontrola ciągłości tego przewodu IPEN-PE- prąd płynący w miejscu rozdziału przewodu PEN (główna rozdzielnica budynku) na PE i N IPAS- prąd płynący w pomiędzy przewodem PE a układem połączeń wyrównawczych ZAKŁÓCEN IE MOŻLIWA PRZYCZYNA SKUTKI MOŻLIWE ROZWIĄZANIA Przetężenie System zasilający Przeciążenie Rozruch dużych odbiorników Wzajemne połączenia elementów instalacji Przeciążenie kabli i linii Wyzwalanie zabezpieczających Wyłączenie zasilania Zagrożenie pożarowe Nie nadające się Zmiana struktury zasilania Powiększenie mocy zwarciowej Zmiana elementów wyposażenia Monitoring prądów (nadmiarowych) II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

11 Prąd niedomiarowy Przerwa w przewodzie PE Wyższe harmoniczne Duże prądy różnicowe System zasilający Zadziałanie bezpieczników Przerwa w obwodzie elektrycznym Przerwa w obwodzie elektrycznym Wadliwa instalacja Odbiory nieliniowe (zasilacze impulsowe, regulatory oświetlenia, falowniki itp.) Uszkodzenia izolacji Zbyt duża liczba odbiorników podłączona do jednego obwodu do naprawy uszkodzenia różnych Przestój Zatrzymanie lub przestój produkcji Wyłączanie styczników Wadliwe działanie Przegrzewanie silników Zagrożenie pożarowe Podskoki napięcia Ryzyko porażenia Wadliwe działanie zabezpieczających Przeciążenie kabli i linii Przegrzewanie się Poważne uszkodzenia szczególnie silników i kondensatorów Zagrożenie pożarowe Przesunięcie punktu neutralnego zasilania Zakłócenia w systemie zasilającym Zanik zasilania Zagrożenie pożarowe Ryzyko porażenia Wyzwalanie zabezpieczających Nieprawidłowe działanie różnych Zmiana struktury zasilania Monitoring prądów (niedomiarowych) Regularne inspekcje Monitoring prądu w przewodzie PE (kontrola ciągłości PE) Zwiększenie przekroju przewodu N Stosowanie filtrów Zmodyfikowanie rozmieszczenia Monitorowanie prądu w przewodzie N Wybór odpowiedniej struktury zasilania Wybór odpowiednik zabezpieczających przed porażeniem Regularne inspekcje obiektu Monitoring prądów różnicowych w różnych częściach 202 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 2011

12 Prądy błądzące Powielanie uziemienia Stosowanie systemu TN-C Niewytłumaczalne zakłócenia Wyłączanie Migotanie ekranów monitorów Zakłócenia w pracy sieci sterowniczych Zakłócenia w pracy instalacji teletechnicznych Korozja elementów metalowych Smog elektryczny obiektu Stosowanie systemu TN-S Wykonanie tylko jednego centralnego uziemienia Monitorowanie prądu w centralnym punkcie uziemienia Monitorowanie prądów błądzących Tabela 1. Zbiorcze zestawienie zagrożeń występujących w zakładach przemysłowych i sposobów ich rozwiązania. ZARZĄDZANIE BEZPIECZEŃSTWEM W ZAKŁADZIE PRZEMYSŁOWYM. Aby móc mówić o procesie zarządzania bezpieczeństwem elektrycznym musi współistnieć kilka elementów na trzech podstawowych poziomach. Pierwszy poziom to poziom obiektu, a więc stosowanie odpowiednich czy też systemów monitorujących te elementy instalacji, które bezpośrednio wpływają na bezpieczeństwo i niezawodność zasilania. Urządzenia monitorujące umieszczane są na ogół w rozdzielnicach zasilających począwszy od głównej rozdzielnicy zasilającej budynku, a skończywszy na końcowych tablicach odbiorczych; mogą też monitorować poszczególne urządzenia. Drugi poziom to komunikacja, co oznacza, że wszystkie urządzenia i systemy monitorujące muszą być spięte wspólną magistralą komunikacyjną, dzięki której następuje wymiana informacji pomiędzy poszczególnymi elementami oraz możliwość wyprowadzenia ich do poziomu trzeciego, a więc właściwego zarządzania obiektem, poprzez nadrzędne systemy sterowania. Systemy te mogą być wspólne z cała automatyką budynku mogą być też dedykowane do określonych zastosowań np. kontroli bezpieczeństwa instalacji elektrycznych. Ważne jest przy tym aby informacja była możliwie pełna a więc zawierała dane o alarmach, wartościach progowych, prognozach, jakości energii itp. Ponadto komunikowanie się z urządzeniami i systemami obiektowymi powinno być dwukierunkowe, a więc również z możliwością zmiany parametrów obiektowych z systemu nadrzędnego. Dopiero ta pełna wymiana informacji pomiędzy pierwszym a trzecim poziomem zarządzania bezpieczeństwem pozwala na zgromadzenie wszystkich niezbędnych informacji w jednym punkcie dając użytkownikowi obiektu możliwość podejmowania szybkich decyzji i znacznie redukując koszty eksploatacyjne i minimalizując możliwości występowania awarii. II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

13 Rysunek 5. Koncepcja zarządzania bezpieczeństwem elektrycznym w obiekcie przemysłowym. 204 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 2011