Wybrane środki ochrony przeciwporażeniowej w systemach automatyki budynkowej

fot. Hager

W artykule przedstawione są aktualne wymagania prawne w zakresie ochrony przeciwporażeniowej, z perspektywy ochrony instalacji wykorzystujących automatykę budynkową. W systemach automatyki budynkowej stosuje się urządzenia elektroniczne do sterowania pracą odbiorników. Urządzenia te wykorzystują elementy półprzewodnikowe, zmieniające kształt prądu zasilającego. W przypadku porażenia osoby prądem elektrycznym, o kształcie innym niż sinusoidalnie przemienny, typowe wyłączniki różnicowoprądowe, stosowane w budownictwie mieszkalnym i biurowym, nie zapewniają wystarczającego stopnia ochrony.

Wymagania ochrony przeciwporażeniowej wg aktualnych aktów prawnych

Instalacje i urządzenie elektryczne, obok innych wymagań, powinny zapewniać ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym [1]. Wymagania w stosunku do instalacji wyposażonych w system automatyki budynkowej BMS (Building Management System) są nie mniejsze niż w instalacjach tradycyjnych. Niemniej przy zabezpieczaniu takich obwodów należy uwzględnić ich specyfikę.

W arkuszu normy PN-HD 60364-4-41 wymienione są rodzaje i środki ochrony przeciwporażeniowej z podziałem na te, które mogą być stosowane do zabezpieczenia obwodów obsługiwanych przez osoby niewykwalifikowane oraz na te obsługiwane przez osoby wykwalifikowane lub poinstruowane. Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych i biurowych użytkowane są przez osoby niewykwalifikowane, co w pewnym stopniu organiczna możliwe do zastosowania środki ochrony przeciwporażeniowej (tab. 1).

Tab. 1. Rodzaje i środki ochrony przeciwporażeniowej [2]:

Rezystancja izolacji 

W instalacjach i urządzeniach elektrycznych ochronę podstawową przed porażeniem elektrycznym zapewnia się poprzez wykorzystanie izolacji części czynnych (tab. 1). Minimalne wartości rezystancji izolacji oraz wartości napięcia pomiarowego dla różnych napięć znamionowych obwodów przedstawiono w tabeli 2. Przeprowadzając pomiar rezystancji izolacji należy pamiętać o odłączeniu odbiorników elektrycznych.

Tab. 2. Minimalne wartości rezystancji izolacji [7]:

W systemach automatyki budynkowej często można spotkać elementy montowane w puszkach instalacyjnych, schowanych w ścianie lub przykrytych wszelkiego rodzaju łącznikami. Jeżeli elementy te wykorzystują  przekaźniki elektromagnetyczne do sterowania pracą odbiorników, to do przeprowadzenia pomiaru powinno wystarczyć ich załączenie (rys. 1). W takiej sytuacji nie powinno pojawić się napięcie mogące spowodować uszkodzenie sterownika, gdyż każdy z wyprowadzonych zacisków znajdzie się pod tym samym potencjałem względem siebie, a także względem przewodu neutralnego (w przypadku instalacji TN-S). Zazwyczaj takie sterowniki nie są podłączone do przewodu ochronnego PE. 

Rys. 1. Pomiar rezystancji izolacji instalacji sterowanej z wykorzystaniem przekaźnika elektromagnetycznego jako łącznika

Dodatkowy problem pojawia się w momencie, kiedy urządzenie sterujące wymaga napięcia sieciowego lub dodatkowego napięcia magistralnego do działania. Ponieważ przy pomiarze rezystancji izolacji odłącza się przewody czynne, to nie będzie możliwe załączenie takiego elementu.

Inaczej wygląda sytuacja, kiedy zastosowane sterowniki wykorzystują elementy półprzewodnikowe do regulacji pracą odbiorników (rys. 2). Najczęściej dzieje się tak, gdy są one wykorzystywane do sterowania oświetleniem żarowym. Może to prowadzić do wystąpienia przerwy w badanym obwodzie, nawet pomimo pozornego załączenia sterownika. Dodatkowo sam sterownik może nie być przystosowany do pracy, nawet krótkotrwałej, przy podwyższonym napięciu stałym.

Rys. 2. Pomiar rezystancji izolacji instalacji sterowanej z wykorzystaniem sterownika elektronicznego jako łącznika

Jeżeli pojawi się taki problem, konieczne może okazać się odłączenie takich sterowników, a także wykonanie większej liczby pomiarów ze względu na powstałe przerwy w obwodzie. Jeżeli odłączenie takich urządzeń jest w sposób uzasadniony niewykonalne (np. w przypadku stałych gniazd wtyczkowych z wbudowanymi SPD), napięcie probiercze dotyczące szczególnego obwodu może być obniżone do 250 V d.c., ale rezystancja izolacji powinna mieć wartość co najmniej 1 MΩ [7].

Dobór wyłączników różnicowoprądowych 

Ze względu na nakaz stosowania wyłączników różnicowoprądowych do zabezpieczenia instalacji elektrycznych, należy zastanowić się nad prawidłowym sposobem ich doboru. Najczęściej stosowanym WRP jest wyłącznik typu AC, rzadziej typu A. Wyłączniki typu AC działają na prądy różnicowe sinusoidalnie przemienne [3]. Ich minimalne oraz maksymalne czasy zadziałania przedstawiono w tablicy 3. Widać z niej, że maksymalne czasy są znacznie krótsze, niż dopuszczalne przy ochronie poprzez samoczynne wyłączenie zasilania określone w normie [2] (najczęściej przyjmuje się czas 0,4 s).

Tab. 3. Minimalne i maksymalne czasy wyłączenia wyłączników typu AC [4]:

Podane w tablicy 3 maksymalne czasy wyłączania odnoszą się również do wyłączników typu A i B, z tym, że wartości prądów uszkodzeniowych (różnicowych) I_Δn, 2 I_Δn, 5 I_Δn niesinusoidalnych należy powiększyć przy pomiarze czasu zadziałania, mnożąc je przez współczynnik 1,4 w przypadku wyłączników, których I_Δn > 0,01 i przez 2 w przypadku wyłączników, których I_Δn ≤ 0,01 A [4]. 

Coraz częściej wykorzystywanie urządzeń, wyposażonych w elektroniczne i energoelektroniczne elementy półprzewodnikowe, prowadzi do pojawienia się w instalacji elektrycznej prądów różnych od sinusoidalnych, zarówno w warunkach pracy normalnej, jak i w przypadku uszkodzenia [3]. W systemach automatyki budynkowej, ze względu na użytkowanie znacznej liczby urządzeń sterujących, staje się to zjawiskiem normalnym. Wytworzyło to zapotrzebowanie na wyłączniki typu A, reagujące na przepływ prądu odkształconego, w tym jednopołówkowo wyprostowanego, a także stałego pulsującego [3]. W odróżnieniu od wyłączników typu AC, dla typu A nie podaje się wprost prądów powodujących zadziałanie, uzależnia się je natomiast od kąta wysterowania przebiegu prądu rażeniowego (tablica 4).

Tab. 4. Zakresy prądu zadziałania wyłączników typu A [4]:

Aby prawidłowo dobrać wyłącznik WRP niezbędna jest wiedza o tym, jaki rodzaj odbiornika będzie zasilany z danego obwodu. W systemach automatyki budynkowej można wyróżnić trzy warianty obwodów:

• wariant I: wykorzystany jest element sterujący, ale tylko w zakresie załącz/wyłącz, odbiornik nie posiada elementów półprzewodnikowych,
• wariant II: element sterujący może wpłynąć na kształt prądu rażeniowego lub odbiornik wyposażony jest w elementy półprzewodnikowe,
• wariant III: obwód służy do zasilania elementów SELV, PELV lub części instalacji na napięcie stałe.

Ochrona przy uszkodzeniu – wykorzystanie wyłączników różnicowoprądowych 

Na rysunku 3 przedstawiono pierwszy wariant obwodu elektrycznego. W obwodzie tym element automatyki budynkowej, w tym przypadku LCN-SH+ [5], steruje pracą odbiornika o charakterze rezystancyjnym. Sterownik wykorzystany jest jako włącznik, a odbiornik nie jest wyposażony w elementy półprzewodnmikowe.

Rys. 3. Element sterujący automatyki budynkowej LCN-SH+ wykorzystany do sterowania odbiornikiem rezystancyjnym. Prąd rażeniowy i_rjest sinusoidalnie przemienny

W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym zarówno od strony zasilania sterownika, jak i bezpośrednio przy odbiorniku, prąd rażeniowy będzie miał kształt sinusoidalnie przemienny. Oznacza to, że można zastosować wyłącznik różnicowoprądowy typu AC do zabezpieczenia tego rodzaju obwodu. Powinien on zapewnić wymagany poziom ochrony przeciwporażeniowej. Przykładowy przebieg prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego przedstawiono na rysunku 4. Wyłącznik zadziałał w czasie ok. 15 ms przy wartości skutecznej prądu ok.21 mA. Zarówno zarejestrowany czas działania jak i prąd powodujący wyzwolenie wyłącznika spełniają wymagania normatywne. Początkowy skoku wartości prądu wynika z niedoskonałości układu pomiarowego, wykorzystującego stycznikowe załączanie prądu rażeniowego. Prowadzi to do pojawienia się odskoku styków i wystąpienia zakłóceń w rejestrowanym przebiegu.

Rys 4. Wykres prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego wyłączanego przez WRP typu AC

W wariancie drugim rozpatrywanych obwodów elektrycznych zarówno sterownik i odbiornik mogą przyczynić się do powstania prądu rażeniowego o kształcie innym niż sinusoidalnie przemienny. Na rysunku 5 przedstawiono obwód elektryczny sterowany poprzez urządzenie LCN-SH+ [5], zasilający żarowe źródło światła. Sterowanie lampą odbywa się poprzez zmianę wartości skutecznej napięcia zasilania, a co za tym idzie zmianę jego kształtu.

Rys. 5. Element sterujący automatyki budynkowej LCN-SH+ wykorzystany do sterowania oświetleniem żarowym. Prąd rażeniowy i_r ma kształt pulsacyjny.

Jeżeli w takim obwodzie nastąpi porażenie prądem elektrycznym, prąd rażeniowy może mieć kształt daleki od sinusoidalnego. W takiej sytuacji wyłącznik różnicowoprądowy typu AC może nie wyłączyć uszkodzonego obwodu. Na rysunku 6 przedstawiono wykres prądu rażeniowego w czasie, przy czym wykorzystano prostownik jednopołówkowy do uzyskania danego przebiegu. Dla tak odkształconego prądu rażeniowego wyłącznik różnicowopradowy nie spowodował wyłączenia uszkodzonego obwodu, pomimo znacznej wartości skutecznej prądu rażeniowego, wynoszącej w przybliżeniu 62 mA.

Rys. 6. Wykres prądu rażeniowego jednopołówkowo wyprostowanego nie wyłączanego przez WRP typu AC.

Podobne warunki mogą wystąpić, kiedy sterownik pracuje w trybie załącz/wyłącz i sam nie wprowadza odkształcenia napięcia zasilającego, jednak odbiornik jest wyposażony w elementy elektroniczne i energoelektroniczne, mogące wpłynąć na kształt prądu rażeniowego. W takich okolicznościach, w celu zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej, do zabezpieczenia tego obwodu konieczne będzie zastosowanie wyłącznika różnicowoprądowego typu A. Wyłączniki tego typu zapewniają ochronę zarówno przed skutkami działania prądów sinusoidalnie przemiennych jak i odkształconych. Na rysunku 7 przedstawiono przebieg prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego wyłączonego przez WRP typu A. Obserwowany czas i prąd zadziałania są podobne do zaobserwowanych dla wyłącznika typu AC.

Rys. 7. Wykres prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego wyłączanego przez WRP typu A.

Podobnie jak dla wyłącznika typu AC zastosowano prostownik jednopołówkowy w celu sprawdzenia działania WRP typu A na prąd rażeniowy odkształcony. Na rysunku 8 przedstawiono wykres przebiegu prądu rażeniowego dla omawianego przypadku. Wyłącznik typu A, również dla rozpatrywanego kształtu prądu, zadziałał. Czas zadziałania wyniósł ok. 10 ms, natomiast wartość skuteczna prądu powodująca wyzwolenie wynosiła w przybliżeniu 22 mA.

Rys. 8. Wykres prądu rażeniowego jednopołówkowo wyprostowanego wyłączanego przez WRP typu AC.

W systemach automatyki budynkowej często stosuje się magistrale komunikacyjne zasilane napięciem niskim (także napięciem stałym). Do ich zasilania stosowane są dedykowane urządzenia zasilające, które często spełniają dodatkowe funkcje. Magistrala w systemie KNX pełni podwójną funkcję; zasila urządzenia napięciem bezpiecznym 24V DC typu SELV oraz zapewnia komunikację urządzeń między sobą [6]. Jest to wariant trzeci z omawianych obwodów elektrycznych (rys. 9).

Zasilacz zasilany jest napięciem sieciowym 230V AC i wymaga zabezpieczenia jak każde urządzenie. Jeżeli nie jest to zasilacz impulsowy, to prąd rażeniowy, który może pojawić się przy uszkodzeniu, powinien mieć kształt sinusoidalny. W takim przypadku do ochrony takiego obwodu może wystarczyć wyłącznik różnicowoprądowy typu AC.

W przypadku uszkodzenia instalacji magistralnej, ze względu na stosowanie napięcia 24V DC SELV, nie występuje zagrożenie porażeniowe.

Rys. 9. Zasilacz zespolony z dławikiem w systemie KNX wraz z częścią magistrali komunikacyjnej zasilanej napięciem SELV: i_r – prąd rażeniowy.

Podsumowanie 

W systemach automatyki budynkowej zapewnienie wymaganego poziomu ochrony przeciwporażeniowej może być bardziej problematyczne niż w instalacjach tradycyjnych. Szeroko stosowane elementy półprzewodnikowe mogą powodować pojawienie się prądów rażeniowych niesinusoidalnych. W ocenie autora do ochrony tychże instalacji należy stosować wyłącznie wyłączniki różnicowoprądowe typu A. Przy wykonywaniu okresowych badań rezystancji izolacji konieczne może się okazać wykonanie większej liczby prób ze względu na wymagany podział instalacji elektrycznej na części rozdzielone sterownikami. Dodatkowo należy upewnić się, czy zastosowane napięcie probiercze nie spowoduje uszkodzenia elementów półprzewodnikowych. Jeżeli wystąpiło by takie zagrożenie to należy rozważyć odłączenie takiego elementu z sieci na czas trwania pomiarów lub, dopuszczone w szczególnych przypadkach, wykorzystanie obniżonego napięcia probierczego.

Bibliografia:

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75, poz. 690 z późn. zm.)
2. PN-HD 60364-4-41, Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym
3. Markiewicz H., Bezpieczeństwo w elektroenergetyce, wydanie trzecie zmienione, WNT, Warszawa, 2009
4. Danielski L., Osiński S., Budowa, stosowanie i badania wyłączników różnicowoprądowych, COSIW SEP, Warszawa, 2005
5. LCN, Inteligentne Instalacje Elektryczne, 2010
6. Mikulik J., Europejska Magistrala Instalacyjna. Rozproszony system sterowania bezpieczeństwem i komfortem, COSIW SEP, Warszawa, 2008
7. PN-HD 60364-6, Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzenie