Zarządzanie bezpieczeństwem elektrycznym w inteligentnych budynkach

Transkrypt

1 Zarządzanie bezpieczeństwem elektrycznym w inteligentnych budynkach Jarosław Mielczarek, Maciej Sałasiński Inteligentny budynek to określenie, które coraz częściej pojawia się w naszym słowniku. Zakres tej inteligencji bywa jednak dość różny i jest zależny od wyposażenia obiektu budowlanego w odpowiednie instalacje sterownicze i kontrolne. Do inteligentnych budynków coraz częściej można zaliczyć biurowce, centra biznesu, szpitale, centra komputerowe, szkoły. Inteligentny obiekt budowlany to miejsce, w którym występują obok siebie różne instalacje, w tym również 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 i które są na te zakłócenia bardzo wrażliwe. Instalacje i urządzenia zakłócające to przede wszystkim komputery z UPS, oświetlenie elektroniczne, zasilacze impulsowe, napędy z regulowaną częstotliwością. Natomiast łatwo podlegają zakłóceniom instalacje komputerowe, przesyłu danych, telefoniczne i teletechniczne, sterownicze, przeciwpożarowe oraz kontroli dostępu. Jak nietrudno się domyślić, bliskość tych dwóch typów instalacji i urządzeń może powodować poważne problemy, do których można zaliczyć: 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 uszkodzeń urządzeń i systemów komputerowych oraz interfejsów. W tym artykule chcemy zaproponować pewne rozwiązania, które pozwolą rozpoznać występujące zagrożenia i dostarczą wiedzy niezbędnej do tego, aby budynek był nie tylko inteligentny, ale także w pełni bezpieczny. 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, urządzeń i stosowanych procedur. Mgr inż. Jarosław Mielczarek, mgr inż. Maciej Sałasiński Biuro Projektów i Usług Inwestorskich, PRO-MAC, Łódź 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 jest zależny od ważności sieci i odbiorników z niej zasilanych oraz koniecznego poziomu bezpieczeństwa. W obiektach, w których występują różnorodne instalacje elektryczne i sterownicze, od których zależy w dużym stopniu bezpieczeństwo ludzi i całego budynku, już na etapie projektowania musi być wzięta pod uwagę 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 wiedzieć, na jakie koszty nas stać. Rysunek 1 pokazuje, do jakiego celu powinniśmy dążyć, biorąc pod uwagę powstawanie możliwych przerw z zasilaniu, które z biegiem czasu mogą się nasilać (począwszy od krótkotrwałych uszkodzeń pojedynczych odbiorów, poprzez tymczasowy zanik zasilania w pewnych obszarach budynku, aż po pełną awarię, przy której następuje kompletne załamanie systemu zasilającego w dużych obszarach budynku lub w jego całości). Z drugiej strony ważne są koszty, które jesteśmy skłonni ponieść. Głównym zadaniem jest ustalenie dwóch granicznych wartości: celu eksploatacyjnego i limitu wydatków, a przy tym takie zaprojektowanie instalacji elektrycznych i ich środków kontroli, aby poruszać się pomiędzy tymi dwoma wartościami. Rys. 1. Wyznaczenie celu, jakim jest wysoka sprawność systemu zasilającego Kontrola stanu izolacji Każda instalacja elektryczna jest narażona na szereg zagrożeń i zakłóceń wynikających bądź to z praw fizyki (jak np. starzenie się izolacji), bądź też czynników zewnętrznych (np. możliwość uszkodzeń mechanicznych czy wpływ środowiska). Podstawowym niebezpieczeństwem, z jakim mamy do czynienia, jest obniżenie wartości rezystancji izolacji sieci i zasilanych z niej urządzeń. 76 Rok LXXVI 2008 nr 9

2 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 (np. w obwodach odbiorczych lub sieciach sterowniczych), jak również o wartości kilkunastu czy kilkudziesięciu amperów, co może mieć miejsce w głównych liniach zasilających. Zasadę monitoringu stanu izolacji poprzez pomiar poszczególnych prądów różnicowych objaśnia rysunek 3. Obniżenie się rezystancji izolacji poniżej dopuszczalnego poziomu ma bezpośredni wpływ zarówno na pewność zasilania instalacji, jak i bezpieczeństwo ludzi i urządzeń. Rys. 2. Wykres wartości rezystancji izolacji w czasie Przyjmuje się, że ok. 80% uszkodzeń izolacji powoduje natychmiastowe zadziałanie urządzeń zabezpieczających (bezpieczniki, wyłączniki instalacyjne czy też wyłączniki różnicowoprądowe). Sposób zadziałania tych urządzeń jest niemożliwy 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 izolacji sieci zasilających, odbiorczych i sterowniczych na poziomie wyższym niż krytyczny, przy którym za względu na bezpieczeństwo ludzi, urządzeń, czy też ze względu na ochronę pożarową wyłączenie jest konieczne (rys. 2). Oczywiście, spadek rezystancji w czasie może być powolny, jak to pokazano na wykresie, ale może też być gwałtowny w przypadku uszkodzenia czy doziemienia. Kontrola przewodu PE i prądów błądzących Prawidłowe działanie instalacji elektrycznych, a więc ich zdolność do zasilania odbiorników i zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa, zagwarantowana jest wyłącznie w przypadku ciągłości przewodu ochronnego PE. Przerwa w tym przewodzie powoduje, że prądy płynące podczas eksploatacji sieci poprzez PE znajdują inną drogę przepływu. Mogą to być metalowe instalacje nieelektryczne budynku, takie jak rurociągi, zbrojenia czy ekrany kabli sygnalizacyjnych lub komunikacyjnych. Powoduje również wystąpienie zagrożeń nie tylko dla urządzeń komputerowych i przesyłu danych, ale również możliwość wystąpienia znacznych napięć dotyku i w związku z tym niebezpieczeństwa porażenia ludzi. Rys. 3. Przykładowe wykorzystanie systemu monitoringu prądów różnicowych w instalacjach zasilających i odbiorczych Rok LXXVI 2008 nr 9 77

3 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 nie jest zalecane. Międzynarodowe przepisy zabraniają wręcz wykonywania układów sieciowych w systemie TN-C we wszystkich obiektach szpitalnych, począwszy od głównej rozdzielnicy budynkowej. 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 urządzeń, systemów informatycznych czy też powodować niezdefiniowane błędy zapisu na dyskach twardych komputerów. Powstaje wtedy zjawisko tzw. 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 sytuacja 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 4 pokazuje możliwości kontroli prądów błądzących oraz ciągłości przewodu PE. Do tego celu można wykorzystać ten sam system, którym kontrolujemy prądy różnicowe przy innym umieszczeniu przekładnika pomiarowego. Przeciążenia instalacji z powodu wyższych harmonicznych We współczesnych budynkach występuje coraz większe nasycenie 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 powszechnie stosowane zasilacze impulsowe, oświetlenie świetlówkowe, wyładowcze czy kompaktowe i oczywiście, falowniki coraz częściej używane również w biurowcach. Rys. 4. Możliwości pomiaru prądów znamionowych i pasożytniczych jednym spójnym systemem: I ΔN prąd różnicowy instalacji odbiorczej, I N prąd płynący w przewodzie neutralnym N i kontrola ciągłości tego przewodu, I PE prąd płynący w przewodzie ochronnym PE i kontrola ciągłości tego przewodu, I PEN-PE prąd płynący w miejscu rozdziału przewodu PEN (główna rozdzielnica budynku) na PE i N, I PAS prąd płynący pomiędzy przewodem PE a układem połączeń wyrównawczych

4 Zestawienie zagrożeń występujących w inteligentnych budynkach i sposobów ich rozwiązywania Zakłócenie Możliwa przyczyna Skutki Możliwe rozwiązania Przetężenie Prąd niedomiarowy Przerwa w przewodzie PE Wyższe harmoniczne System zasilający Przeciążenie Rozruch dużych odbiorników Wzajemne połączenia elementów instalacji System zasilający Zadziałanie bezpieczników Przerwa w obwodzie elektrycznym Przerwa w obwodzie elektrycznym Wadliwa instalacja Odbiory nieliniowe (zasilacze impulsowe, regulatory oświetlenia, falowniki itp.) Duże prądy różnicowe Uszkodzenia izolacji Zbyt duża liczba odbiorników podłączona do jednego obwodu Prądy błądzące Powielanie uziemienia Stosowanie systemu TN-C Przeciążenie kabli i linii Wyzwalanie urządzeń zabezpieczających Wyłączenie zasilania Nie nadające się do naprawy uszkodzenia różnych urządzeń Przestój urządzeń Zatrzymanie lub przestój produkcji Wyłączanie styczników Wadliwe działanie urządzeń Przegrzewanie silników Podskoki napięcia Ryzyko porażenia Wadliwe działanie urządzeń zabezpieczających Przeciążenie kabli i linii Przegrzewanie się urządzeń Poważne uszkodzenia urządzeń, szczególnie silników i kondensatorów Przesunięcie punktu neutralnego zasilania Zakłócenia w systemie zasilającym Zanik zasilania Ryzyko porażenia Wyzwalanie urządzeń zabezpieczających Nieprawidłowe działanie różnych urządzeń Niewytłumaczalne zakłócenia Wyłączanie urządzeń Migotanie ekranów monitorów Zakłócenia w pracy sieci sterowniczych Zakłócenia w pracy instalacji teletechnicznych Korozja elementów metalowych Smog elektryczny Zmiana struktury zasilania Powiększenie mocy zwarciowej Zmiana elementów wyposażenia Monitoring prądów (nadmiarowych) Zmiana struktury zasilania Monitoring prądów (niedomiarowych) Regularne inspekcje Monitoring prądu w przewodzie PE (kontrola ciągłości PE) Zwiększenie przekroju przewodu N Stosowanie filtrów Zmodyfikowanie rozmieszczenia urządzeń Monitorowanie prądu w przewodzie N Wybór odpowiedniej struktury zasilania Wybór odpowiednich urządzeń zabezpieczających przed porażeniem Regularne inspekcje obiektu Monitoring prądów różnicowych w różnych częściach obiektu Stosowanie systemu TN-S Wykonanie tylko jednego centralnego uziemienia Monitorowanie prądu w centralnym punkcie uziemienia Monitorowanie prądów błądzących

5 Rys. 5. Koncepcja zarządzania bezpieczeństwem elektrycznym budynku 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 w głównych obwodach zasilających (rys. 4). W tabeli przedstawiono zbiorcze zestawienie możliwych zakłóceń, ich przyczyn oraz możliwości kontroli w sieciach zasilających i odbiorczych w dużych obiektach budowlanych szczególnie tych nasyconych dużą ilością sieci sterowniczych i tzw. inteligentnych instalacji. Zarządzanie bezpieczeństwem w inteligentnym budynku W procesie zarządzania bezpieczeństwem elektrycznym musi współistnieć kilka elementów, na trzech podstawowych poziomach. Pierwszy poziom to poziom obiektu, a więc stosowanie odpowiednich urządzeń czy 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. 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 całą 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 oraz minimalizując możliwość występowania awarii. 80 Rok LXXVI 2008 nr 9