Kompatybilność elektromagnetyczna w urządzeniach przeciwpożarowych

Transkrypt

1 Piotr ANTOSIEWICZ 1 Paweł SULIK Wojciech WĘGRZYŃSKI Zakład Badań Ogniowych, Instytut Techniki Budowlanej, Pracownia Kontroli Dymu, Sygnalizacji i Automatyki Pożarowej ul. Ksawerów 21, Warszawa Kompatybilność elektromagnetyczna w urządzeniach przeciwpożarowych 1. Wprowadzenie Kompatybilność elektromagnetyczna (KEM, ang. Electro Magnetic Compatibility, EMC) towarzyszy nam codziennie, choć nie zawsze zdajemy sobie z tego sprawę. Telefony komórkowe, telewizory, nadajniki i odbiorniki radiowe, a tak naprawdę cała otaczająca nas elektronika objęta jest wymaganiami kompatybilności elektromagnetycznej, ponieważ w innym wypadku nie mogłaby współistnieć we współczesnym świecie. Dynamiczny rozwój najnowszych technologii, miniaturyzacja układów elektronicznych oraz ich coraz bardziej skomplikowana architektura, dążenie do pełnej automatyzacji produkcji, powodują wzrost źródeł zakłóceń elektromagnetycznych i jednocześnie wzrost wrażliwości elementów na te zakłócenia. Producenci już na etapie projektu optymalizują swoje urządzenia pod względem kompatybilności elektromagnetycznej, gdyż ewentualne "poprawki" po rozpoczęciu już masowej produkcji, nierzadko skutkujące wycofaniem całej partii produktów z rynku, wiążą się z olbrzymimi stratami finansowymi. Postęp w automatyzacji i cyfryzacji towarzyszących nam urządzeń jest również obecny w obszarze bezpieczeństwa pożarowego. Spełnienie wymagań norm kompatybilności elektromagnetycznej jest zatem niezbędnym elementem poprzedzającym wprowadzenie do powszechnego użytku wyrobów, których celem jest zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa chronionego obszaru i/lub mienia. Urządzeniami bezpieczeństwa pożarowego objętymi obowiązkiem sprawdzenia kompatybilności elektromagnetycznej są przede wszystkim systemy sygnalizacji pożarowej (SSP) - w obszarze zarówno detekcji pożaru jak i realizacji sterowań, centrale i tablice sterownicze urządzeń wykonawczych oraz inne elementy współpracującej automatyki pożarowej. Co ważne, w świecie bezpieczeństwa pożarowego postęp w rozwoju elektroniki nie ustępuje rozwiązaniom cywilnym. Powszechnie wykorzystywane są systemy różnicowania ciśnień, bez których nie sposób wyobrazić sobie budynku wysokościowego [1] czy skomplikowane układy zasilające systemy wentylacji pożarowej garaży [2, 3]. 2. Badania kompatybilności elementów automatyki pożarowej Systemy sygnalizacji pożarowej (SSP) mają za zadanie wykryć pożar we wczesnej fazie jego rozwoju, zaalarmować zagrożone osoby oraz przekazać odpowiedni sygnał do Stanowiska Monitorowania Państwowej Straży Pożarnej i elementów automatyki pożarowej w obiekcie. Pod pojęciem automatyki pożarowej kryją się wszystkie urządzenia takie jak systemy oddzielenia ppoż., drzwi i bramy pożarowe, systemy wentylacji pożarowej, niektóre stałe urządzenia gaśnicze, dźwiękowe systemy ostrzegawcze i inne, których zadaniem jest przede 1 Autor do kontaktu: p.antosiewicz@itb.pl

2 wszystkim ograniczanie rozwoju i skutków pożaru. Urządzenia te wpływają na bezpieczeństwo obiektu i osób w nim przebywających, ich niezawodność musi być na najwyższym poziomie, a ewentualne uszkodzenia jednego z podzespołów nie mogą wpływać negatywnie na pozostałe. Z tego też względu zostały określone restrykcyjne wymagania dla tych urządzeń. W jaki sposób zakłócenie EMC mogło by wpłynąć na działanie systemów bezpieczeństwa pożarowego? Najprostszą ilustracją tego problemu może być przykład połączenia analogowego pomiędzy centralą a elementem wykonawczym, które interpretowane jest w następujący sposób: do urządzenia nie podaje się prądu elektrycznego, w momencie otrzymania sygnału urządzenie przechodzi w stan pracy. Zakłócenie elektromagnetyczne w pobliżu przewodu którym transmitowany jest sygnał może spowodować powstanie prądu w przewodzie, co urządzenie zinterpretuje jako otrzymany sygnał którego nie wydał system sygnalizacji pożaru. Skutek takiego zadziałania może zmienić obraz działania automatyki pożarowej w obiekcie, co może przyczynić się do nieoczekiwanego rozprzestrzenienia się pożaru. Jest to zdecydowane uproszczenie problematyki badawczej do banalnego przykładu, jednak dobrze ilustrujące potencjalną skalę zagrożeń. Należy mieć na uwadze, że kompatybilność elektromagnetyczna obejmuje nie tylko prądy indukowane, ale także zagrożenia związane z elektrycznością statyczną, zmiany napięcia zasilania, zagrożenia ze strony pól elektromagnetycznych wysokich częstotliwości itp. Programy badań KEM wynikają z zapisów zawartych w normach wyrobów np. w przypadku elementów systemów sygnalizacji są to normy serii EN 54 [4]. Normy te szczegółowo określają jakim badaniom powinny być poddane i jakie warunki powinny spełnić takie urządzenia. Oprócz bardzo restrykcyjnych badań środowiskowych wśród których możemy znaleźć odporność na suche gorąco (+75 o C przez określony czas), odporność na zimno (do -25 stopni), oddziaływanie dwutlenku siarki na styki i połączenia, wibracje sinusoidalne i inne, wyróżniamy cały pakiet badań kompatybilności elektromagnetycznej. Urządzenia przeciwpożarowe z grupy systemów sygnalizacji pożarowej możemy nazwać kompatybilnym elektromagnetycznie wówczas gdy zakłócenia zaburzeniami emitowanymi przez inne urządzenia nie wpływają negatywnie na ich prawidłową pracę. Do podstawowego zakresu badań EMC urządzeń przeciwpożarowych należy zaliczyć narażenia związane z (na przykładzie [5]): wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD); polami elektromagnetycznymi o częstotliwości radiowej; zaburzeniami przewodzonymi indukowanymi przez pola o częstotliwości radiowej (SINUS); seriami szybkich elektrycznych stanów przejściowych (BURST); powolnymi udarami napięciowymi o wysokiej energii (SURGE); zapadami i zanikami napięcia sieciowego; zmianami napięcia zasilania sieciowego. Badania te są badaniami odporności danego urządzenia na zaburzenia zawiązane z EMC i są wykonywane na podstawie normy EN [6]. Emisyjność elektromagnetyczna urządzeń przeciwpożarowych jest bardzo rzadko badana i na etapie badań zgodnych z serią norm EN 54 praktycznie całkowicie pomijana.

3 3. Praktyka badań EMC Wieloletnia praktyka Laboratorium Badań Ogniowych działającym w Instytucie Techniki Budowlanej pokazuje jak ważne są badania EMC urządzeń przeciwpożarowych, przed ich wprowadzeniem do obrotu. Badania te odwzorowują często stany ekstremalne sieci energetycznej, ale również i samego urządzenia. Należy pamiętać, że dotyczą one urządzeń odpowiedzialnych za nasze bezpieczeństwo oraz mienie, nierzadko znacznych wartości. Niezawodność urządzeń przeciwpożarowych musi być zagwarantowana również w stanach awaryjnych otoczenia, często odbiegających od normalnych warunków pracy takiego urządzenia. Warto pamiętać, że tak naprawdę dopiero układ pomiarowy składający się z wszystkich elementów, które docelowo mają ze sobą współpracować na obiekcie może dać nam pogląd na wzajemną kompatybilność jego składowych. Doświadczenie Laboratorium ukazuje skalę tej zależności. Często zmiana jednego elementu składowego może spowodować nieprawidłową pracę pozostałych elementów i odwrotnie - zmiana jednego elementu może znacznie poprawić kompatybilność całego układu. Wyobraźmy sobie doskonały układ sterowania zamknięciami przeciwpożarowymi, który jest przewidziany do współpracy z elektrotrzymaczami, sygnalizatorami akustyczno-optycznymi oraz co najważniejsze z elementami detekcji zagrożenia, w tym przypadku czujkami dymu. Sam sterownik (centrala) poprawnie zaprojektowany, w pełni funkcjonalny i spełniający najwyższe oczekiwania klientów musi poprawnie współpracować z elementami dodatkowymi. Nie przypadkowo mówi się, że poziom bezpieczeństwa całego systemu zależy najczęściej od niezawodności jego najsłabszego elementu. Zastosowanie do takiego układu czujki dymu o wątpliwej jakości może spowodować wprowadzenie do układu zakłóceń elektromagnetycznych. Dzieje się tak dlatego, ponieważ od strony czujki dymu do całego układu wprowadzone mogą zostać zaburzenia przewodzone. Zaburzenia przewodzone to zaburzenia w postaci sygnałów elektrycznych, które propagują się w przewodach elektrycznych (zasilających i sygnałowych). Niechciane zaburzenia mogą spowodować błędną zmianę stanu pracy urządzenia (dozór/alarm), jego zblokowanie a w najgorszym przypadku trwałe uszkodzenie. Wyładowania elektrostatyczne (ESD) to jedno ze zjawisk z którym mamy na co dzień do czynienia. Każdy z nas nieraz spotkał się z sytuacją, gdy dotykając drugą osobę lub metalowy przedmiot dochodzi do tzw. przeskoku iskry. Dzieje się tak ponieważ doszło do gwałtownego wyrównania się potencjałów elektrycznych dwóch elementów. Bardziej widowiskowym, a zarazem groźnym przykładem wyładowań ESD są wyładowania podczas burzy. Urządzenia przeciwpożarowe w postaci central, tablic, paneli sterowniczych są bezpośrednio narażone na ESD ze strony osób je obsługujących. Ochrona obiektu, pracownik serwisu lub nawet sam strażak musi mieć możliwość sterowania tymi urządzeniami, a więc co za tym idzie będzie on miał bezpośredni kontakt z elementami tych urządzeń. Są to sytuacje naturalne, konieczne do zbadania i ewentualnego zabezpieczenia już na etapie produkcji. Trudno sobie wyobrazić kasę fiskalną, która nie jest zabezpieczona przed ESD. Kontakt człowieka (kasjera) z elementem wrażliwym, podatnym na zaburzenia powoduje "zmianę" kwoty na rachunku końcowym. W dzisiejszych czasach taki przykład wydaje się być abstrakcyjny, jednak jeszcze kilka lat temu gdy badania EMC nie były jeszcze tak popularne i obowiązkowe dla danych grup wyrobów, takie sytuacje mogły się zdarzać i zapewne nie były rzadkością.

4 Rys. 1. Stanowisko do badania odporności na wyładowania elektrostatyczne Podobnym w możliwych skutkach narażeniem któremu poddawane jest badane urządzenie (EUT) są wysoko energetyczne stany przejściowe pojawiające się na złączach urządzeń elektronicznych (tzw. potocznie SURGE). Impulsy te są najczęściej skutkiem pobliskich wyładowań atmosferycznych lub też spowodowane są przełączeniami w publicznej sieci zasilającej (zwarcia, załączenia kondensatorów). Włączanie i wyłączanie urządzeń dużej mocy, może powodować powstawanie przepięć w danej sieci energetycznej, oraz znajdujących się w pobliżu urządzeniach. Normy dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej określają parametry jakie powinny posiadać zastępcze sygnały elektryczne, które są stosowane do symulacji przepięć w trakcie badań urządzeń. Generator wykorzystywany w badaniach powinien wytwarzać udar napięciowy 1,2/50 µs dla otwartego obwodu wyjściowego i udar prądowy 8/20 µs dla obwodu zwartego. Maksymalne napięcie jakie może się pojawić na zasilaniu danego urządzenia jest ograniczone przez zjawisko przeskoku iskry. W badaniach urządzeń przeciwpożarowych wynosi ono maksymalnie 2 kv, natomiast przykładowo okablowanie typowej, domowej sieci zasilającej wytrzymuje nie więcej niż 6 kv. Badania odporności na udary napięciowe są niebezpieczne. Mogą powodować iskrzenie, zapalenie się lub nawet w ekstremalnym przypadku wybuch, któremu może towarzyszyć wystrzelenie odłamków lub części badanego urządzenia.

5 Rys. 2. Aparatura pomiarowa wykorzystywana w trakcie badania Sinus Oprócz możliwych zaburzeń przewodzonych wyróżniamy zaburzenia na drodze promieniowanej. Kolejnym badaniem wartym przedstawienia jest badanie odporności urządzeń na pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej. Środowisko pracy urządzeń przeciwpożarowych bywa zróżnicowane. Coraz gęstsza sieć stacji bazowych telefonii komórkowej, stacji radiowych a także samych odbiorników nasila wpływ zaburzeń promieniowanych w postaci pól elektromagnetycznych o częstotliwości radiowej. Zaburzenia te mogą negatywnie wpływać na pracę urządzeń przeciwpożarowych. Badania sprawdzające odporność urządzeń na te zaburzenia wykonuje się w komorach GTEM, które stanowią szczelne środowisko, z odpowiednią warstwą absorbującą. Badania te wykonywane są dla każdego stanu pracy urządzenia (dozór, alarm lub inny), w odpowiednim zakresie częstotliwości (np. 80 MHz 2700 MHz), w trzech pozycjach (X-Y-Z) oraz dla dwóch modulacji (AM, PM). Odzwierciedlają one wpływ naturalnego środowiska elektromagnetycznego na badane urządzenie. Próbki podczas badań są monitorowane pod względem zmiany stanu pracy, niepożądanego zblokowania oraz nieprawidłowej interpretacji sygnałów urządzeń wej/wyj.

6 Rys. 2. Wnętrze komory GTEM Rys. 3. Przykładowa konfiguracja komory GTEM do badań Parametry jakościowe energii elektrycznej, która jest dostarczana do naszych mieszkań oraz zakładów pracy są uzależnione w dużej mierze od prawidłowego zaprojektowania i wykonania instalacji elektrycznej, a także od poprawnego funkcjonowania wszelkich urządzeń podłączonych do sieci energetycznej. Parametry energii elektrycznej dostarczanej do odbiorców, są określone w normach i przepisach krajowych. Na chwilę obecną napięcie znamionowe 230 V powinno być w zakresie nie przekraczającym 207 V 253 V, co odpowiada wartościom -10% oraz +15% napięcia znamionowego. W sieci elektroenergetycznej występują jednak różnego rodzaju i pochodzenia zakłócenia związane zarówno z pracującymi w niej urządzeniami, jak i przyczynami zewnętrznymi (np. zmianami pogody). Zakłócenia te na ogół mają charakter krótkotrwały, lecz mimo tego mogą spowodować poważną awarię lub zablokowanie (niepoprawne zadziałanie) systemu. Zapady

7 napięcia w urządzeniach przeciwpożarowych mogą być przyczyną braku transmisji sygnałów lub błędów w ich wzajemnym przekazie. Szczególnie podatne na te zaburzenia są programowalne sterowniki logiczne PLC. W instalacjach szeroko pojętego bezpieczeństwa ma to bardzo duże znaczenie. Nie do zaakceptowania byłaby sytuacja w której sygnał alarmu pożarowego z czujki dymu zostaje zignorowany (nieodebrany) przez centralę sygnalizacji pożaru. Urządzenia te mają zapewnić najwyższy stopień bezpieczeństwa chronionego obszaru i jakakolwiek ich awaria związana może być z milionowymi stratami w mieniu lub też w najgorszym przypadku życiu ludzi. Zapady napięcia charakteryzowane są jako krótkotrwałe obniżenia napięcia, natomiast zaniki napięcia to krótkotrwałe wyłączenia napięcia. Badania te również stanowią kluczowy filar w programie badawczym urządzeń przeciwpożarowych, realizowanym zgodnie z serią norm EN Podsumowanie Tematyka związana z kompatybilnością elektromagnetyczną wciąż się rozwija i jest tematem przewodnim wielu sympozjów i konferencji organizowanych na całym świecie. Rozwój najnowszych technologii powoduje, że EMC to dziedzina nauki wymagająca dalszych badań i wniosków na przyszłość. Z jednej strony za odpowiedni stopień ochrony kompatybilności elektromagnetycznej są odpowiedzialni producenci, jednak z drugiej musi być zapewniony odpowiedni nadzór nad urządzeniami wprowadzanymi do sprzedaży na rynku. Tutaj ważną rolę odgrywają laboratoria badawcze, które jednak bez odpowiednich wytycznych i aktualnych norm nie są w stanie odpowiednio zweryfikować i zdefiniować kompatybilności badanego urządzenia. Należy jednak pamiętać, że nawet odpowiednio zaprojektowany i wykonany system nie zadziała poprawnie, gdy będzie eksploatowany w nieprawidłowy sposób, bez odpowiedniej i wymaganej zazwyczaj przepisami prawa konserwacji oraz bez odpowiedniego poziomu wyszkolenia jego obsługi. Bibliografia [1] Sulik P., Sędłak B., Turkowski P., Węgrzyński W.: Bezpieczeństwo pożarowe budynków wysokich i wysokościowych, [W:] A. Halicka: Budownictwo na obszarach zurbanizowanych, Nauka, praktyka, perspektywy, Politechnika Lubelska 2014, pp [2] Węgrzyński W., Krajewski G., Systemy wentylacji pożarowej garaży. Projektowanie, ocena i odbiór., Publikacja z serii Instrukcje, Wytyczne, Poradniki nr 493/2015, Wydawnictwo ITB 2015 [3] G. Sztarbała, G. Krajewski, W. Węgrzyński, P. Głąbski, Projektowanie systemów wentylacji pożarowej w obiektach budowlanych. Kurs organizowany przez Zakład Badań Ogniowych. Warszawa : Instytut Techniki Budowlanej, 2011 [4] PN-EN 54-2:2002/A1:2007 Systemy sygnalizacji pożarowej Część 2: Centrale sygnalizacji pożarowej [5] PN-EN :2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła Część 10: zasilacze [6] PN-EN Systemy alarmowe Część 4: Kompatybilność elektromagnetyczna -- Norma dla grupy wyrobów: Wymagania dotyczące odporności urządzeń systemów sygnalizacji pożarowej, sygnalizacji włamania, sygnalizacji napadu, CCTV, kontroli dostępu i osobistych słowa kluczowe: kompatybilność elektromagnetyczna, urządzenia przeciwpożarowe, EMC, SURGE, BURST, SINUS, ESD, badania kompatybilności, komora GTEM, EUT streszczenie: Przedstawiono zagadnienia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną w obszarze bezpieczeństwa pożarowego. W pracy omówiono metodologię prowadzenia badań EMC w obszarze elementów automatyki pożarowej z uwzględnieniem wieloletniej praktyki Laboratorium Badań

8 Ogniowych działającym przy Instytucie Techniki Budowalnej. Zaprezentowano także potencjalne zagrożenia wynikające z niepoprawnej kompatybilności elektromagnetycznej. key words: electro-magnetic compatibility, fire safety automation, EMC, Surge, Burst, Sinus, ESD, GTEM chamber, EUT Summary: This paper presents some basic view on the issue of electro-magnetic compatibility in fire safety automation. Paper presents methodology for performing EMC tests, also with commentary based on long experience of Fire Testing Laboratory (ITB) in this field. Article also presents some hazards connected to invalid EMC.