Problematyka EMC w inteligentnym budynku

Transkrypt

1 Leszek Kachel, Jan M. Kelner Instytut Telekomunikacji Wojskowa Akademia Techniczna Mieczysław Laskowski WUSM Politechnika Warszawska Andrzej Przybysz Komenda Główna Straży Granicznej w Warszawie Problematyka EMC w inteligentnym budynku Artykuł dotyczy problematyki zabezpieczenia inteligentnych domów przed zaburzeniami elektromagnetycznymi o dużej energii. Określenie budynek inteligentny użyto po raz pierwszy w USA na początku lat osiemdziesiątych. Dotyczy to budowli, która łączy w sobie różne systemy umożliwiające zarządzanie zasobami budynków w trybie koordynacyjnym przy wykorzystaniu najnowszych osiągnięć technicznych oraz przy minimalizacji kosztów operacyjnych budynku. Przy dużym nasyceniu budynku urządzeniami elektronicznymi koniecznym staje się zabezpieczenie urządzeń przed uszkodzeniem lub zakłóceniem ich pracy. Zabezpieczenie dotyczy wszystkich urządzeń elektronicznych i realizowane jest postaci zewnętrznej i wewnętrznej ochrony odgromowej zwanej ochroną przeciwprzepięciową. 1. Wprowadzenie Inteligentny dom [1] został zdefiniowany jako budynek, w którym stworzono zintegrowany i spójny system automatyki reagujący na występujące w jego otoczeniu zdarzenia i czynniki zewnętrzne. System automatyki umożliwia sterowanie i kontrolowanie zainstalowanych wszystkich urządzeń elektrycznych i elektronicznych w taki sposób, aby zapewnić wydajną i oszczędną eksploatację budynku, umożliwiającą w przyszłości dalszą rozbudowę i rekonfigurację kolejnych systemów automatyki. Zasada pracy urządzeń automatyki polega na wzajemnym komunikowaniu się między poszczególnymi systemami, zwanymi inteligencją rozproszoną bez udziału centralnego komputera systemu. Obecnie znanych jest i eksploatowanych jest kilka systemów inteligencji rozproszonej, a mianowicie : system X10, system Duplice, system LonWorks, System LCN oraz system EIB. Wymienione systemy mogą być instalowane w małych, jak i dużych obiektach. Związane jest to z mniejszą lub większą przebudową instalacji elektrycznej oraz z koniecznością stosowania czujników, najczęściej rozproszonych w budynku i w jego otoczeniu. Do najbardziej rozbudowanego przestrzennie systemu inteligencji rozproszonej można zaliczyć ochronę przeciwpożarową oraz antywłamaniową. Instalowane w budynku i jego otoczeniu czujniki będą bardzo rozproszone przestrzennie w stosunku do sterującej centrali. Spowoduje to zatem konieczność zainstalowania zabezpieczeń zapewniających im bezawaryjną pracę podczas zagrożenia impulsowym polem elektromagnetycznym spowodowanym wyładowaniami atmosferycznymi [2]. 2. Charakterystyka inteligentnego budynku Jak wspomniano uprzednio budynek inteligentny wyposażony jest w rozbudowany system czujników, reagujących na zmiany parametrów systemu zarówno w jego otoczeniu, jak i we wnętrzu budynku. Dzięki temu możliwe jest sterowanie np. klimatyzacją, oświetleniem i systemami PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXVIII - nr 8-9/

2 alarmowymi. Inteligentnymi budynkami określa się wyłącznie te obiekty, w których detektory poszczególnych systemów są ze sobą zintegrowane. Oznacza to, że jeżeli następuje jakakolwiek zmiana stanu w jednym systemie, pozostałe systemy są o tym powiadamiane i zmiana ta jest uwzględniana w ich działaniu. System inteligentnego budynku wyposażony jest w tzw. inteligencje rozproszona polegająca na braku komputera sterującego wszystkimi urządzeniami, ponieważ pracują one niezależnie [1]. Wymieniają miedzy sobą telegramy zawierające rozkazy, informacje, warunki pracy, wartości pomiarowe itp. Strukturę inteligentnego budynku tworzą między innymi następujące zintegrowane systemy: ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, ochrony antywłamaniowej i przeciwpożarowej, kontroli dostępu, sterowania oświetleniem, sterowania urządzeniami RTV i AGD. Na rysunku 1 pokazano strukturę zintegrowanych instalacji i urządzeń w inteligentnym domu. Rys. 1. Zintegrowane instalacje i urządzenia w inteligentnym domu Ze względu na konieczność zapewnienia bezawaryjnej pracy wymienionych urządzeń inteligencji rozproszonej budynek zostanie wyposażony dodatkowo w następujące elementy: ochrona odgromowa, ochrona przeciwprzepięciowa, ochrona przeciwporażeniowa. Przypadkowe uszkodzenie jednego członu inteligencji rozproszonej nie wpływa na prace pozostałych urządzeń. Ze względu na to, że praca systemów polega na wzajemnej wymianie informacji między sobą, to dlatego muszą być one między sobą odpowiednio połączone. Struktura połączeń, służących do przesyłu informacji w systemie, nazywana jest topologią. W zależności od rodzaju połączeń można wyróżnić kilka typów topologii sieci. System EIB w znacznej mierze korzysta z doświadczeń i rozwiązań stosowanych w sieciach komputerowych i przemysłowych sieciach automatyki. Sposób w jaki komunikują się miedzy sobą elementy systemu, zwane użytkownikami, jest oparty na strukturze typu magistrala, której schemat blokowy przedstawiono na rysunku 2. Umożliwia ona wymianę danych pomiędzy dużą liczbą uczestników, którzy połączeni są pomiędzy sobą za pomocą jednego przewodu. Na rysunku 2 zamieszczono przykładowe elementy dla wybranego systemu EIB, który został wybrany do instalacji w inteligentnym budynku Wszystkie urządzenia przyłączone do magistrali są równoprawne, sterowane w sposób zdecentralizowany. Poszczególne układy uczestniczące w wymianie informacji, nazywane są elementami magistralnymi. Do grupy tej nie są zaliczane elementy specjalne, służące do elektrycznego połączenia poszczególnych części systemu w jedną strukturę. Komunikowanie się pomiędzy poszczególnymi elementami systemu odbywa się w formie przesyłania telegramów kodowanych binarnie, co może być w łatwy sposób realizowane przy użyciu dwóch żył miedzianych [2]. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXVIII - nr 8-9/

3 Rys. 2. Przykładowe elementy systemu EIB 3. Budowa inteligentnego budynku W przyjętym systemie EIB istnieje możliwość łatwej adaptacji istniejącego obiektu w formie domu jednorodzinnego jako inteligentnego budynku, ponieważ polega to na przeprowadzeniu prostego okablowania połączeń między poszczególnymi systemami inteligencji rozproszonej. Przy projektowaniu instalacji w budynku ważne jest uwzględnienie kompatybilności elektromagnetycznej. Urządzenia i systemy elektroniczne, szczególnie o dużym stopniu integracji charakteryzują się małą odpornością na zaburzenia elektromagnetyczne, ale także mogą być źródłem emisji zaburzeń. Zaburzenia mogą być emitowane m.in. przez domowe odbiorniki radiowe i telewizyjne, urządzenia informatyczne, sieci i aparatura telekomunikacyjna i radiowa, oprawy oświetleniowe lamp fluorescencyjnych i innych źródeł światła. Urządzenia te powinny być tak zaprojektowane i wykonane, aby w normalnym środowisku elektromagnetycznym były odporne na określony poziom zakłóceń i same nie wywoływały zaburzeń elektromagnetycznych o poziomie przekraczającym odporność innych urządzeń występujących w tym środowisku. Aparatura elektroniczna w inteligentnym budynku nie powinna reagować na wymienione uprzednio zaburzenia elektromagnetyczne. W trakcie projektowania inteligentnego budynku należy dążyć do wyeliminowania możliwości powstawania sprzężeń indukcyjnych pomiędzy instalacją przenoszącą dużą energię (instalacja odgromowa), a elementami magistralnymi. Dlatego systemy elektroniczne, które mogą być narażone na bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego oraz na udary dochodzące od strony linii transmisji sygnałów jak i linii energetycznej powinny być chronione. Aby zabezpieczyć urządzenia elektroniczne przed zagrożeniami zaprojektowano kompleksową ochronę składają się z zewnętrznej ochrony odgromowej i wewnętrznej ochrony przeciwprzepięciowej. 4. Ochrona urządzeń elektronicznych instalowanych wewnątrz budynku Ochrona urządzeń elektronicznych polega przede wszystkim na zainstalowaniu na dachu budynku zewnętrznej instalacji odgromowej, której zadaniem jest przejęcie prądu piorunowego i jego odprowadzenie do ziemi bez szkody dla chronionego obiektu oraz w sposób bezpieczny dla przebywających wewnątrz ludzi [2, 3]. Zewnętrzną instalację odgromową należy wykonać zgodnie z zasadami przedstawionymi w następujących normach [4 7]. Uzupełniające informacje dotyczące wybranych problemów ochrony odgromowej zawarto w normach: [8 12]. Przykładowe rozwiązanie zewnętrznej instalacji odgromowej dla wybranego budynku pokazano na rysunku 3. Jak widać na rysunku podczas projektowania tej instalacji uwzględniono również walory estetyczne całego obiektu. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXVIII - nr 8-9/

4 Rys. 3. Trasa zwodów i przewodów odprowadzających i uziemiających instalacji odgromowej (widok od frontu obiektu) Ochrona urządzeń elektronicznych systemu EIB wymaga zainstalowania wewnątrz budynku rozbudowanej ochrony przeciwprzepięciowej podzielonej na strefy. W domach jednorodzinnych należy zastosować kolejne stopnie ochrony, które umieszczane najczęściej na poszczególnych kondygnacjach lub w rozdzielnicach oraz bezpośrednio przed urządzeniami technicznymi jako ostatni stopień ochrony lub niekiedy wewnątrz urządzeń. Zastosowane ochronniki zabezpieczające komputery, urządzenia RTV, urządzenia wchodzące w skład instalacji EIB, systemu sygnalizacji antywłamaniowej i sygnalizacji przeciwpożarowej powinny wchodzić w skład trójstopniowego systemu ochrony. Przykładowe rozwiązanie dla kompleksowej i wielostopniowej ochrony przepięciowej w instalacji elektrycznej i liniach przesyłu sygnałów dla systemu alarmowego przedstawiono na rysunku 4. Umowną granicę ilustrującą poszczególne strefy przedstawiono w formie ekranów. W strefie O A układ ochronny stanowi instalacja odgromowa, w dalszych strefach (1 i 2) ochronę realizują kolejne jej stopnie w postaci ograniczników przepięć. Rys. 4. Przykładowe rozwiązanie koncepcji strefowej ochrony przeciwprzepięciowej 5. Projekt wewnętrznej ochrony przeciwprzepięciowej Projekt ochrony przeciwprzepięciowej [3] składa się z zabezpieczeń instalowanych w następujących sieciach: elektrycznej o napięciu 230V AC, transmisji sygnałów w sieci kablowej TV, instalacji elektrycznej inteligentnego budynku EIB, instalacji przeciw włamaniowej i sygnalizacji przeciwpożarowej oraz w sieci telefonii analogowej. Przy wyborze sprzętu zabezpieczającego kierowano się przede wszystkim jakością i dostępnością oferowanego sprzętu. Po analizie ofert firm dostępnych na rynku takich jak Phoenix Contact, Obo Betterman, Dehn, zdecydowano się wybrać firmę Dehn, której produkty są dostosowane do wymagań ochrony PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXVIII - nr 8-9/

5 inteligentnego budynku. Ochrona urządzeń dołączonych do energetycznej sieci zasilającej znajdujących się w obiekcie oparta jest na trzystopniowym systemie zabezpieczeń, w którym pierwszy i drugi stopień ochrony występuje w formie jednego modułu zainstalowanego w rozdzielnicy głównej. Rys. 5. Schemat blokowy instalacji przeciwprzepięciowej PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXVIII - nr 8-9/

6 Jako podstawowy ogranicznik wybrano ogranicznik typu DEHNventil modular TNS FM, spełniający wymagania jednocześnie pierwszego i drugiego stopnia ochrony. Jest to kompletny ogranicznik zbudowany na bazie iskierników składający się z podstawy instalowanej na stałe i wymiennych modułów ochronnych. Wysoką niezawodność chronionej instalacji odbiorczej zapewnia zastosowana w tym ograniczniku technologia RADAX-Flow zapewniająca ograniczanie i gaszenie zwarciowych prądów następczych. Nawet przy dużych spodziewanych prądach zwarciowych o czasie trwania równym czasowi trwania wyładowania o amplitudzie dochodzącej do 50kA prąd będzie tak silnie ograniczony, że zachowana będzie selektywna współpraca z bezpiecznikami obwodu głównego o małej wartości (nawet od wartości 20A). Oznacza to, że bezpiecznik obwodu głównego nie zadziała podczas gaszenia prądu następczego w ograniczniku. Posiada on układ standardowej sygnalizacji optycznej oznaczonej kolorem zielonym (sprawny) i czerwonym (uszkodzenie) zainstalowany w okienku na obudowie. W trzecim stopniu ochrony zaproponowano zastosowanie ograniczniki, których budowa dostosowana jest do stawianych wymagań w zależności od miejsca ich instalacji. Ograniczniki te występują w postaci urządzenia montowanego wewnątrz gniazdka elektrycznego, bądź zewnętrznego urządzenia w postaci adaptera, lub listwy wyposażonej w kilka gniazd sieciowych. W trzecim stopniu ochrony zastosowano między innymi ogranicznik przepięć typu SFL PRO, który występuje w postaci listwy. Można do niego podłączyć do pięciu urządzeń o poborze prądu do 16A. Wyposażony jest on w dwie diody sygnalizacyjne określające stan pracy urządzenia: świecenie zielonej diody - poprawny stan, czerwonej - uszkodzenie. W inteligentnym domu większość urządzeń jest ze sobą połączona magistralą EIB. Nie dopuszcza się z założenia występowanie jakiejkolwiek awarii, gdyż ciągłość pracy urządzeń jest zbyt uzależniona od tej infrastruktury. Na rysunku 5 pokazano rozmieszczenie elementów ochrony przeciwprzepięciowej w instalacji elektrycznej 230 V. Wszystkie urządzenia elektryczne i elektroniczne muszą działać poprawnie nawet podczas występowania wyładowania atmosferycznego do instalacji odgromowej budynku lub w jej pobliżu i dlatego niezbędne jest zabezpieczenie wszystkich urządzeń zainstalowanych w budynku nie tylko od strony zasilania, ale również od strony przesyłu sygnałów. Urządzenia podłączone do instalacji EIB również są chronione przez ograniczniki przepięć: Zastosowano w tym przypadku ograniczniki przepięć typu BUStector w postaci oddzielnego adapteru, który jest przystosowany do instalowania w magistrali o napięciu zasilania 24V. Jest on zalecany do stosowania w instalacjach EIB przez organizację EIBA. Do zasilacza gwarantowanego doprowadzone są dwa tory zasilania podstawowego. Przy równoległym układzie wejściowym zasilania w przypadku awarii układu wejściowego układ sterujący zasilacza przełącza się automatycznie na BY-PASS wewnętrzny bez zaniku napięcia na wyjściu zasilacza gwarantowanego. Centrala alarmowa jak i urządzenia wchodzące w skład instalacji przeciwwłamaniowej i przeciwpożarowej muszą być bezwzględnie chronione nie tylko od strony zasilania, ale także od strony sygnałowej. Ze względu na znaczne długości kabli występujących w instalacji elektrycznej do centrali alarmowej również przewidziano zainstalowanie dodatkowego ogranicznika przepięć. Wszystkie detektory i sygnalizatory zainstalowane wewnątrz budynku będą podłączone do centrali poprzez wybrany ogranicznik przepięć typu BLITZDUCTOR BXT ML4 BD 12. Na rysunku 6 pokazano zabezpieczenie przeciwprzepięciowe w obwodach sygnalizacyjnych. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXVIII - nr 8-9/

7 Rys. 6. Schemat blokowy instalacji przeciwprzepięciowej dla ochrony instalacji przeciwwłamaniowej i przeciwpożarowej PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXVIII - nr 8-9/

8 6. Wnioski 1. Urządzenia piorunochronne powinny zapewnić pewne i niezawodne zabezpieczenie obiektu budowlanego przed działaniem prądu piorunowego, 2. Odporność udarowa urządzeń elektronicznych pracujących w danej strefie ochronnej musi być zawsze większa od wartości szczytowych sygnałów udarowych, występujących w tej strefie 3. Zapewnienie bezawaryjnego działania wrażliwych elementów elektronicznych inteligentnego domu wymaga zastosowania wielostopniowych systemów ograniczania przepięć, 4. Należy zastosować urządzenia ograniczające przepięcia nie tylko w instalacji elektrycznej, ale również w obwodach systemów przesyłu sygnałów, 5. koszty prawidłowo zaprojektowanej i wykonanej kompleksowej ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej nie powinny przekraczać 1% całości kosztów wybudowania domu (koszty obowiązują w trakcie budowy, a nie po zakończeniu). 7. Literatura 1. E. Niezabitowska, Budynek inteligentny. Tom I, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, R. Petykiewicz, Nowoczesna instalacja elektryczna w inteligentnym budynku, COSiW SEP, Warszawa, A. Sowa, Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa, COSiW SEP, Warszawa, PN-86/E-05003/01 ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne. 5. PN-89/E-05003/03 ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona obostrzona. 6. PN-92/E-05003/04 ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona specjalna. 7. PN-IEC :2001 ochrona odgromowa obiektów budowanych. Zasady ogólne. 8. PN-IEC :2001 ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne. 9. PN-IEC :2001 ochrona odgromowa obiektów budowanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych. 10. PN-IEC :2002 ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B - Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych. 11. PrPN-IEC/TS :2002 ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym (LEMP). Cześć 2. Ekranowanie obiektów, połączenia wewnątrz obiektów i uziemienia. 12. PN-EN :2002(U) elementy urządzenia piorunochronnego (LPS). Cześć 1: Wymagania stawiane elementom połączeniowym. 13. PN-EN :2007 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Cześć 6-1: Normy ogólne. Odporność w środowiskach mieszkalnych, handlowych i lekko uprzemysłowionych. EMC issues in intelligent building This paper concerns protection issues against high energy electromagnetic disturbances. Term intelligent building was used for the first time in USA at eighties during the last century. This term describes buildings consist of various systems allowing for resource buildings management in coordination mode using the latest technical achievements as well as minimal operating building costs. When building is equipped with the large number of the electronics devices it is necessary to protect these devices against damage and work disruption. This protection concerns all electronics devices and is carried out as internal and external lighting protection system named voltage surge protection. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXVIII - nr 8-9/