Instalacje elektryczne

Transkrypt

1 Michał Świerżewski Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń przeciwpożarowych czynnych w czasie gaszenia pożaru 1. Wprowadzenie W obiektach budowlanych przewody instalacji elektrycznych są w czasie pożaru narażone na intensywne działanie ognia i nagrzanego powietrza. Pod wpływem tych działań tworzywa sztuczne, z których wykonana jest izolacja i powłoki zewnętrzne przewodów, ulegają rozkładowi i wydzielają związki toksyczne, np. halogeny, niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzi przebywających w zagrożonych pomieszczeniach i członków ekip ratowniczych; ponadto tworzywa te wydzielają gęste dymy, ograniczające widoczność, utrudniające ewakuację i prowadzenie akcji gaśniczej, wzrasta też niebezpieczeństwo porażeń prądem elektrycznym w wyniku zwarć w urządzeniach elektrycznych. Szczególnie niebezpieczne są pożary obiektów, w których na stosunkowo niewielkiej powierzchni przebywa znaczna liczba osób, wymagających ewakuacji w bardzo krótkim czasie. Do takich obiektów i pomieszczeń można m.in. zaliczyć: sale widowiskowe teatrów i kin, sale koncertowe, szpitale, hotele, hale sportowe, sale operacyjne banków, budynki biurowe, supermarkety, porty lotnicze i dworce kolejowe, tunele i stacje metra, tunele samochodowe. Obiekty te są szczegółowo określone w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r., w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z roku 2002 nr 75, poz. 690 z późn. zmianami). W wymienionych obiektach powinny być stosowane podwyższone standardy ochrony przeciwpożarowej i przeciwporażeniowej. Zapewnienie bezpieczeństwa ludzi w czasie pożaru i akcji gaśniczej jest jednym z podstawowych wymagań stawianych współczesnym obiektom budowlanym. Wymaga się, aby przewody instalacji elektrycznych narażone na działanie płomieni i wysokich temperatur wydzielały jak najmniej dymu i jak najmniejsze ilości ciepła, nie wydzielały toksycznych i agresywnych gazów i nie przenosiły płomienia. Im w pomieszczeniu znajduje się większa liczba przewodów, tym występują większe zagrożenia w czasie pożaru. W większości przypadków nie ma potrzeby, aby w czasie pożaru działały wszystkie zainstalowane przewody. Takie wymagania stawia się tylko przewodom w obwodach zasilających urządzenia przeciwpożarowe. W wymienionych obiektach do zasilania urządzeń przeciwpożarowych służących do ewakuacji i prowadzenia akcji gaśniczej, są stosowane przewody i kable odporne na działanie wysokiej temperatury w określonym czasie. 62

2 Do urządzeń przeciwpożarowych stałych lub półstałych uruchamianych ręcznie lub samoczynnie zalicza się zwłaszcza: urządzenia służące zapobieganiu powstawania, wykrywaniu i sygnalizacji pożaru lub ograniczaniu jego skutków, urządzenia inertyzujące, instalacje oświetlenia ewakuacyjnego, hydranty i zawory hydrantowe, pompy w pompowniach przeciwpożarowych, przeciwpożarowe klapy odcinające, urządzenia oddymiające, bramy i inne zamknięcia przeciwpożarowe wyposażone w napędy i sterowania elektryczne, dźwigi dla ekip ratowniczych i do ewakuacji. 2. Podstawowe wymagania wykonania instalacji Przewody i kable wraz z zamocowaniami stosowane w systemach zasilania i sterowania urządzeń służących ochronie przeciwpożarowej powinny zapewniać: ciągłość dostawy energii elektrycznej w warunkach pożaru przez wymagany czas działania urządzenia przeciwpożarowego, jednak nie krócej niż 90 minut, dopuszcza się ograniczenie czasu zapewnienia ciągłości dostawy energii elektrycznej do urządzeń służących ochronie przeciwpożarowej do 30 minut, znajdujących się w przestrzeniach chronionych stałymi urządzeniami gaśniczymi tryskaczowymi oraz do zasilania i sterowania napędów klap dymowych, zespoły kablowe powinny być tak zaprojektowane i wykonane, aby w wymaganym czasie ich działania nie nastąpiła przerwa w dostawie energii elektrycznej lub w przekazie sygnału spowodowana oddziaływaniem elementów budynku lub wyposażenia, zespoły kablowe umieszczone w pomieszczeniach chronionych stałymi wodnymi urządzeniami gaśniczymi powinny być odporne na oddziaływanie wody. Uważa się, że warunek ten jest spełniony przy ułożeniu przewodów i kabli w ognioodpornych kanałach kablowych, przewody i kable elektryczne w obwodach: urządzeń alarmu pożaru, oświetlenia awaryjnego i łączności powinny mieć klasę PH odpowiednią do wymaganego czasu działania tych urządzeń. Zgodnie z wymaganiami określonymi w 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. z 2007 r. nr 143, poz z późn. zmianami) przewody i ich zamocowania przeznaczone do instalacji alarmu pożarowego, oświetlenia awaryjnego i podtrzymujące funkcje w czasie akcji gaśniczej powinny mieć atesty wydane przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej jako upoważnionej jednostki notyfikowanej. Aby sprostać tym wymaganiom, przewody (ich konstrukcje i materiały) wraz z osprzętem badane są w warunkach symulujących warunki występujące w czasie prawdziwego pożaru. Badane są nie same przewody, lecz systemy podtrzymania funkcji składające się z przewodów w izolacji i w powłokach odpornych na działanie płomienia w określonym czasie wraz z ich konstrukcjami nośnymi i uwzględnieniem Nr

3 rodzaju podłoża i przewidywanego sposobu mocowania do niego, zgodnie z wymaganiami określonymi w polskich normach. Przewody przeznaczone do instalacji podtrzymania funkcji można podzielić na trzy grupy: przewody w izolacji polwinitowej (PCW) lub polietylenowej PE w powłoce polwinitowej uniepalnionej, przewody w izolacji i powłoce z samogasnących materiałów bezhalogenowych, wydzielających w czasie pożaru małe ilości dymów i nie wydzielające gazów trujących ani korozyjnych (niszczących elektronikę), przewody w izolacji i powłoce z taśmy mikowej i tworzywa bezhalogenowego gwarantujące działanie wybranych instalacji (służących do podtrzymania funkcji) w określonym czasie. Materiały stosowane do budowy przewodów badane są laboratoryjnie. Wyniki tych badań umożliwiają oszacowanie zachowania się przewodów w warunkach pożaru. Badane są cechy decydujące o palności materiałów oraz skutki palenia się przewodów, obejmujące: rozprzestrzenianie płomieni przez izolację i powłokę zewnętrzną, wydzielanie gazów toksycznych, emisję dymu. Oddzielne badania obejmują określenie czasu funkcjonowania przewodów w warunkach pożaru symulowanego przez zdefiniowane źródło ognia. W zależności od wymaganego minimalnego czasu zasilania urządzeń elektrycznych w trakcie pożaru odpowiednio 30 minut, 60 minut i 90 minut, przewody są sklasyfikowane do klas podtrzymania funkcji E30, E60 i E90 zgodnie z normą niemiecką DIN VDE Zachowanie się elementów i materiałów budowlanych pod wpływem ognia. Podtrzymywanie funkcji urządzeń w czasie pożaru. Wymagania i badania lub równorzędnych klas odporności ogniowej PH30, PH60 i PH90 wg norm polskich. Osprzęt instalacyjny oprzewodowania do podtrzymania funkcji to konstrukcje nośne do mocowania przewodów, kotwy, obejmy kablowe i dystansowe, kanały i koryta kablowe o wzmocnionej odporności ogniowej stalowe i stalowo-gipsowe, puszki rozgałęźne i przelotowe, stalowe i z tworzyw sztucznych o stopniu ochrony co najmniej IP 4X. Bardzo odpowiedzialnym elementem tras przewodów, zwłaszcza tras przewodów systemów podtrzymania funkcji, są przepusty przez ściany i stropy między strefami pożarowymi. Przepusty źle uszczelnione lub uszczelnione nieodpowiednimi materiałami mogą nie przeszkodzić w przeniesieniu płomienia po przewodzie z jednej strefy pożarowej do sąsiedniej i rozprzestrzenianiu się pożaru. Na rynku dostępne są materiały uszczelniające nie zawierające rozpuszczalników palnych, prefabrykowane elementy przepustów i gotowe przepusty m.in.: przepusty kablowe z wełny mineralnej, przepusty kablowe z pianki ogniochronnej, 64

4 Nr 168 Instalacje elektryczne zaprawa ogniochronna, przepusty z elastycznych kształtek, przepusty pojedynczych przewodów i wiązek kabli z półkami i uszczelnieniem z płyt z wełny mineralnej. W czasie budowy instalacji elektrycznych w obiektach o zwiększonym zagrożeniu pożarem konieczne jest uwzględnienie funkcjonalności, komfortu, ale przede wszystkim bezpieczeństwa przeciwpożarowego. Konieczne jest, aby przewody, listwy i kanały kablowe oraz osprzęt instalacyjny spełniały przez wiele następnych lat stale rosnące wymagania bezpieczeństwa przeciwpożarowego i ekologii. Odpowiednio dobrane i zainstalowane przewody ekologiczne, samogasnące i trudno zapalne zapewniają znacznie większe bezpieczeństwo w porównaniu z tradycyjnymi materiałami przewodowymi. Najważniejsze czynniki wpływające na działanie systemu podtrzymania funkcji to: dobór przewodów o odpowiedniej klasie odporności na działanie ognia, sposób przeprowadzania przewodów przez ściany i stropy przy użyciu przepustów, uszczelnionych materiałami ognioodpornymi, zapewniającymi odporność ogniową taką samą jak ściany przez które przechodzi przewód, rodzaj podłoża, na którym układany jest przewód najlepszym podłożem do układania przewodów podtrzymujących funkcje jest podłoże betonowe lub podłoże o klasie odporności ogniowej równej co najmniej klasie podtrzymywania funkcji przewodu wraz z konstrukcją nośną, osprzęt instalacyjny z odpowiednimi dopuszczeniami potwierdzającymi jego klasę odporności ogniowej i tak dobrany, aby zapewniał funkcjonowanie instalacji w wymaganym czasie, sposób mocowania do podłoża należy przez to rozumieć systemy nośne tras kablowych: z przewodami ułożonymi pojedynczo i mocowanymi na szynach obejmami, z przewodami ułożonymi w korytach kablowych. z przewodami ułożonymi na drabinkach kablowych, zachowanie odpowiednich odległości przewodów od elementów konstrukcyjnych budynku i takie ich zabezpieczenie, aby w czasie pożaru nie mogły być uszkodzone przez mocowania innych instalacji. 3. Zasady doboru przewodów Przy doborze przewodów zasilających urządzenia elektryczne funkcjonujące w czasie pożaru przeznaczone do prowadzenia akcji gaśniczej i ewakuacji ludzi, oprócz odpowiedniej klasy podtrzymania funkcji (PH30, PH60 lub PH90), decydujące znaczenie ma określenie przekrojów żył z punktu widzenia obciążalności prądowej, spadku napięcia i ochrony przeciwporażeniowej. Powszechnie stosowane zasady doboru przekrojów żył mogą, w warunkach pożaru, być zawodne. W warunkach podwyższonej temperatury w stosunku do warunków atmosferycznych (przyjmuje się temperaturę otoczenia 30 C) powszechnie przyjętych przy doborze przekrojów żył zmienia się rezystywność materiałów przewodowych, a zatem i rezystancja żył 65

5 przewodów, co może stać się przyczyną błędnego funkcjonowania urządzeń elektrycznych i ich zabezpieczeń, nadmiernych spadków napięcia, utrudnionych rozruchów silników napędowych pomp, a nawet ich utyków oraz braku skutecznego działania ochrony przeciwporażeniowej. W przypadku powstania pożaru, w bardzo krótkim czasie, wzrasta temperatura powietrza otaczającego przewody zasilające i pogarszają się warunki ich chłodzenia; przewody nagrzewające się pod wpływem przepływającego prądu zamiast być chłodzone przez otaczające powietrze, są przez nie nagrzewane. Rezystancja czystych metali zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. A zatem w wyniku działania wysokiej temperatury zwiększa się rezystancja żył przewodów miedzianych i aluminiowych. Można założyć, że temperatura żył przewodu pod koniec jego funkcjonowania będzie równa temperaturze w pomieszczeniu. Przy takim założeniu maksymalne temperatury żył przewodów mogą przykładowo wynieść klasy PH30 (E30) 830 C, a klasy PH90 (E90) 980 C. Tak wysokie temperatury otoczenia w strefach objętych pożarem powodują zmianę parametrów elektrycznych żył przewodów, zwłaszcza ich rezystancji, która w końcowej fazie pracy przewodu może być około 5 razy większa niż w warunkach normalnych. Nie zawsze jednak przewód na całej długości przebiega przez strefę objętą pożarem. Zazwyczaj tylko część trasy przewodu przechodzi przez przestrzeń objętą pożarem, przez tzw. strefę gorącą, reszta zaś znajduje się w tzw. strefie zimnej, czyli w pomieszczeniach nie objętych pożarem. W strefach zimnych temperatura żył przewodu jest równa temperaturze otoczenia lub najwyżej maksymalnej dopuszczalnej temperaturze pracy przewodu. Przy projektowaniu tras przewodów zasilających urządzenia pracujące w czasie pożaru wyznacza się pomieszczenia, które mogą być potencjalnie zagrożone pożarem i oblicza w procentach jaka część trasy poszczególnych przewodów przechodzi przez te pomieszczenia, czyli przez strefę gorącą. Przy wymaganym czasie funkcjonowania przewodu można wyznaczyć maksymalną rezystancję żył odcinka przewodu określonej klasy, przechodzącego przez strefę gorącą. Rezystancja ta jest sumą rezystancji obu stref, będzie ona zawsze większa od rezystancji żył przewodu pracującego w warunkach normalnych. W ostatnim czasie ukazała się, od dawna oczekiwana, norma N SEP-E-005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń przeciwpożarowych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru wydana przez Stowarzyszenie Elektryków Polskich. Normy wydawane przez Stowarzyszenie Elektryk Polskich, na mocy porozumienia z Polskim Komitetem Normalizacyjnym, mają ten sam status jak normy polskie wydawane przez PKN. W nowej normie rozpatrywane są dwa aspekty doboru przewodów elektrycznych do warunków pożaru: dobór przekroju przewodów zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie akcji gaśniczej z uwzględnieniem wzrostu rezystancji żył pod wpływem podwyższonej temperatury, 66

6 sprawdzenia wyznaczonego przekroju przewodów zasilających pod kątem skuteczności samoczynnego wyłączenia napięcia zasilającego w wymaganym czasie. Wzrost rezystancji żył przewodów funkcjonujących w warunkach pożaru pod wpływem temperatury musi być uwzględniony przy doborze przekroju żył przewodów ze względu na ograniczenie maksymalnego dopuszczalnego spadku napięcia oraz wymaganie samoczynnego wyłączenia napięcia zasilającego w wymaganym czasie w przypadku pojawienia się napięcia uszkodzeniowego na częściach przewodzących dostępnych. Przyrost temperatury otoczenia w czasie pożaru odczytuje się z pożarowej krzywej celulozowej zdefiniowanej w normie PN-EN Badanie odporności ogniowej. Część 2: Procedury alternatywne i dodatkowe przytoczonej również w załączniku A omawianej normy (Rys. 1.). Spodziewana wartość temperatury otoczenia występująca w czasie pożaru jest uzależniona od wymaganego czasu pracy zasilanych urządzeń. Czas ten powinien być określony w scenariuszu zdarzeń pożarowych albo przez rzeczoznawcę ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych. Rys. 1. Krzywa normowa temperatura czas obrazująca pożary celulozowe Rezystancję żył przewodów zasilających urządzenia pracujące w czasie pożaru określa się z podanego w normie wzoru: 1,16 To (1) o R = R kx R o rezystancja żyły przewodu w temperaturze pożaru [Ω], R 20 rezystancja żyły przewodu w temperaturze 20 C, Nr

7 k x współczynnik uwzględniający udział odcinka l x, obwodu zasilającego, narażonego na działanie wysokiej temperatury w długości obwodu l określony wzorem (2), T o spodziewana temperatura otoczenia przewodów zasilających w warunkach pożaru [K], l k = x (2) x l l długość przewodów obwodu zasilającego [m], l x długość odcinka przewodu obwodu zasilającego narażonego na działanie wysokiej temperatury [m]. Gdy trasa przewodu zasilającego urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru znajduje się w całości w jednej strefie pożarowej, to trzeba przyjąć, że przewód ten narażony jest na działanie wysokiej temperatury na całej długości i założyć wartość współczynnika k x = 1. Gdy trasa obwodu zasilającego przechodzi przez różne strefy pożarowe, to do obliczenia współczynnika k x przyjmuje się największą długość l x w strefie pożarowej. Przy wyznaczaniu przekroju przewodów zasilających urządzenia pracujące w czasie pożaru ze względu na maksymalny dopuszczalny spadek napięcia trzeba uwzględnić wzrost ich rezystancji pod wpływem wysokiej temperatury zgodnie z wzorami (3) w obwodzie trójfazowym i (4) w obwodzie jednofazowym, jest to również ważne ze względu na skuteczność ochrony przeciwporażeniowej: przekrój żył przewodów w obwodach trójfazowych: l k p S U (3) dop% U n γ X tgϕ I B cosϕ przekrój żył przewodów w obwodach jednofazowych l k p S U dop% U nf γ X tgϕ 200 I B cosϕ (4) l długość trasy przewodów [m], U dop dopuszczalny spadek napięcia [%] określony w normie N SEP-E 002, U n napięcie znamionowe [V], U nf napięcie znamionowe fazowe [V], X reaktancja przewodów linii zasilającej [Ω], spodziewany prąd obciążenia [A], I B 68

8 γ konduktywność żyły przewodu zasilającego [m/(ω. mm 2 )], k p współczynnik przyrostu rezystancji żyły przewodu wg wzoru 4. Ochrona przeciwporażeniowa R k p = R Instalacje elektryczne. (5) Jednym z podstawowych warunków bezpieczeństwa jest skuteczna ochrona przeciwporażeniowa urządzeń elektrycznych wykorzystywanych w czasie akcji gaśniczej i ewakuacji osób. Najczęściej stosowanym środkiem ochrony przeciwporażeniowej urządzeń elektrycznych I klasy ochronności w razie uszkodzenia (przed dotykiem pośrednim) jest samoczynne wyłączenie zasilania w czasie określonym w normie PN-HD z zabezpieczeniami nadprądowymi. Przekroje przewodów zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie akcji gaśniczej dobrane z punktu widzenia ciągłości zasilania i dopuszczalnych spadków napięcia powinny być sprawdzone czy są jednocześnie spełnione wymagania samoczynnego wyłączenia zasilania w określonym czasie. Sprawdzenie obliczonego przekroju żył przewodów zasilających czy spełniony jest warunek samoczynnego wyłączenia zasilania w razie zwarcia jednofazowego należy wykonać zgodnie z wymaganiami normy PN-HD Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. Samoczynne wyłączenie napięcia zasilającego w wymaganym czasie można uznać za skuteczne, jeżeli spełniony będzie warunek określony wzorem (6): I kl U = Z I kl spodziewany prąd zwarcia jednofazowego [A], Z kl impedancja obwodu zwarcia jednofazowego [Ω], I a prąd wyłączający zabezpieczenia obwodu zwarcia jednofazowego w wymaganym czasie [A]. nf kl 5. Impedancja obwodu zwarcia jednofazowego Impedancja obwodu zwarcia jednofazowego zależy od rodzaju zasilania tego obwodu z transformatora sieci elektroenergetycznej lub z zespołu prądotwórczego. Tylko te dwa sposoby zasilania można brać pod uwagę w czasie akcji gaśniczej. W przypadku zasilania obwodu zwarcia jednofazowego z sieci elektroenergetycznej jego impedancja Z kl wyniesie: 0 20 I a (6) Z = 2 ( R + R + R ) + ( X + X X ) 2 kl T p o T p + o (7) Nr

9 R T rezystancja uzwojenia transformatora zasilającego [Ω], R p rezystancja przewodów zasilających budynek [Ω], R o rezystancja przewodów obwodu zasilającego urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru obliczona wg wzoru (1) [Ω], X T reaktancja uzwojenia transformatora zasilającego [Ω], X p reaktancja przewodów zasilających budynek [Ω], X o reaktancja przewodów obwodu zasilającego urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru [Ω]. W przypadku zasilania obwodu zwarcia jednofazowego z zespołu prądotwórczego jego impedancja Z kl wyniesie: Z = 2 ( R + R + R ) + ( X + X X ) 2 kl G p o klg p + o (8) R G rezystancja uzwojenia generatora zespołu prądotwórczego określona wg wzoru (9) [Ω], R p rezystancja przewodów zasilających budynek [Ω], R o rezystancja przewodów obwodu zasilającego urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru obliczona wg wzoru (1) [Ω], X klg reaktancja uzwojenia generatora zasilającego obliczona wg wzoru (10) [Ω], X p X o 70 reaktancja przewodów zasilających budynek [Ω], reaktancja przewodów obwodu zasilającego urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru [Ω], R X G U = 0,03 S klg 1 U = n S, (9) U ng napięcie znamionowe generatora [V], S ng znamionowa moc pozorna generatora [MVA], n krotność prądu znamionowego na zaciskach generatora podczas zwarcia zgodna z DTR producenta generatora. Znajomość impedancji pętli zwarcia jednofazowego pozwala na sprawdzenie, czy dobrany przekrój przewodów zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie akcji gaśniczej jest wystarczający do przepływu prądu zwarcia powodującego zadziałanie urządzeń ochronnych w wymaganym czasie. Jeżeli w warunkach pożaru uzyskanie samoczynnego wyłączenia zasilania nie jest możliwe, norma dopuszcza obniżenie napięcia dotykowego U st, które może pojawić 2 ng ng 2 ng ng (10)

10 się na częściach przewodzących dostępnych chronionego urządzenia do wartości nie przekraczającej napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale U L = 25 V. Aby uzyskać skuteczną ochronę przeciwporażeniową w razie uszkodzenia przez obniżenie napięcia dotykowego, należy połączyć części przewodzące dostępne chronionego urządzenia z główną szyną wyrównawczą obiektu budowlanego. Przekrój przewodu ochronnego S PE [mm 2 ] należy wyznaczyć ze wzoru (11): S a PE γ l l k p U l długość przewodu ochronnego [m], I a prąd wyłączający urządzenie zabezpieczające w wymaganym czasie [A], γ konduktywność żyły przewodu ochronnego [m/(ω.mm 2 )], k p współczynnik przyrostu rezystancji żyły przewodu wg wzoru (5), U L napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale [V]. Stosowanie wyłączników różnicowoprądowych do ochrony urządzeń funkcjonujących w czasie pożaru nie jest odpowiednim rozwiązaniem ze względu na wymaganie niezawodności zasilania w określonym czasie. Pod wpływem wysokich temperatur następuje wzrost prądu upływu między żyłami przewodów i między żyłami przewodów i ziemią. Wzrost prądów upływu może doprowadzić do niespodziewanych wyłączeń zasilanych urządzeń, co może utrudnić, a nawet uniemożliwić akcję gaśniczą. Zaleca się stosowanie wyłączników nadprądowych w obwodach zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie akcji gaśniczej. L (11) Nr