Transcript Kryteria doboru przewodów do urządzeń elektrycznych funkcjonujących w czasie pożaru st.kpt.mgr inż.

Kryteria doboru przewodów do urządzeń elektrycznych
funkcjonujących w czasie pożaru
st.kpt.mgr inż. Skiepko Edward
SGSP
przy współpracy:
mgr inż. Juliana Wiatra
Wojskowe Biuro Studiów Projektów Budowlanych i Lotniskowych
1
Rodzaje instalacji funkcjonujących w czasie pożaru
sygnalizacji pożarowej (układy sterowań, sygnalizacja o zagrożeniu)
oświetlenia bezpieczeństwa i ewakuacyjne (rozwiązania z centralną baterią),
dźwiękowego systemu ostrzegawczego (linie głośnikowe, połączenia między CSP a CDSO
wtedy kiedy znajdują się w różnych pomieszczeniach),
urządzeń gaszących (linie sterujące),
wentylacji pożarowej (sterowanie),
zasilające i sterujące wind pożarowych,
urządzeń do odprowadzania dymu i ciepła (zasilanie siłowników i przyciski sterujące),
zasilające pompy wodne do gaszenia pożaru, pompy substancji chemicznych,
bezpiecznego wyłączania urządzeń,
zasilające i sterujące drzwiami i bramami pożarowymi
2
Kryteria doboru przewodów
Przewody powinny być:
 dobrane do wymaganego czasu funkcjonowania w czasie pożaru,
 mocowane za pomocą specjalnych systemów mocowań zapewniających podtrzymanie
ich funkcji w czasie pożaru,
 mocowane w sposób powodujący spełnienie wymagań techniczno-budowlanych
 odpowiednio dobrane ich parametry elektryczne i przekroje.
Wymagania w zakresie czasu funkcjonowania urządzeń przeciwpożarowych w czasie pożaru
określa Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim
powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [Dz. U. Nr 75/2002 poz. 690 z późniejszymi
zmianami zawartymi min. w RMI z dnia 12 marca 2009r. Dz.U. nr 56 poz.461.
3
Przykład - rodzaje stosowanych kabli w systemie SAP
4
Wymagania przepisów – przed nowelizacją
RMI w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich
usytuowanie określało wymagania stawiane instalacjom elektrycznym i
urządzeniom przeciwpożarowym w zakresie funkcjonowania i dostaw energii
elektrycznej w warunkach pożaru przez wymagany czas działania urządzenia nie
krótszy niż 90 minut.
W obiektach budowlanych w których przewody i kable przebiegają w obszarach
chronionych stałymi urządzeniami gaśniczymi tryskaczowymi – a więc takimi które
z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej przyczyniają się w znacznym stopniu
do ograniczenia rozprzestrzeniania się pożaru dopuszcza się ograniczenie czasu
zapewnienia dostaw energii do 30min. Ponieważ:
•Instalacje działają samoczynnie w przypadku nadmiernego wzrostu temperatury
•Posiadają dużą skuteczność gaśniczą,
•Działają samoczynnie.
Zasilanie przez 30min wymagane było również dla instalacji zasilających i
sterujących urządzeniami klap dymowych, - wymagane jest to że powinny one
zadziałać w początkowej fazie pożaru, oraz nie wymagają późniejszego
sterowania.
5
Instalacje funkcjonujące w czasie pożaru – po nowelizacji
w § 187:
a)
ust. 3 i 4 otrzymują brzmienie:
„3. Przewody i kable elektryczne oraz światłowodowe wraz z ich zamocowaniami,
zwane dalej „zespołami kablowymi”, stosowane w systemach zasilania i
sterowania urządzeniami służącymi ochronie przeciwpożarowej, powinny
zapewniać ciągłość dostawy energii elektrycznej lub przekazu sygnału przez czas
wymagany do uruchomienia i działania urządzenia. Ocena zespołów kablowych w
zakresie ciągłości dostawy energii elektrycznej lub przekazu sygnału, z
uwzględnieniem rodzaju podłoża i przewidywanego sposobu mocowania do niego,
powinna być wykonana zgodnie z warunkami określonymi w Polskiej Normie
dotyczącej badania odporności ogniowej.
6
Instalacje funkcjonujące w czasie pożaru
4. Zespoły kablowe umieszczone w pomieszczeniach chronionych stałymi wodnymi
urządzeniami gaśniczymi powinny być odporne na oddziaływanie wody. Jeżeli
przewody i kable ułożone są w ognioochronnych kanałach kablowych, to wówczas
wymaganie odporności na działanie wody uznaje się za spełnione.”
7
Instalacje funkcjonujące w czasie pożaru
w § 187:
b)
dodaje się ust. 5-7 w brzmieniu:
5. Przewody i kable elektryczne w obwodach urządzeń alarmu pożaru,
oświetlenia awaryjnego i łączności powinny mieć klasę PH odpowiednią do czasu
wymaganego do działania tych urządzeń, zgodnie z wymaganiami Polskiej Normy
dotyczącej metody badań palności cienkich przewodów i kabli bez ochrony
specjalnej stosowanych w obwodach zabezpieczających.
6. Zespoły kablowe powinny być tak zaprojektowane i wykonane, aby w
wymaganym czasie, o którym mowa w ust. 3 i 5, nie nastąpiła przerwa w dostawie
energii elektrycznej lub przekazie sygnału spowodowana oddziaływaniami
elementów budynku lub wyposażenia.
7. Czas zapewnienia ciągłości dostawy energii elektrycznej lub sygnału do
urządzeń, o których mowa w ust. 3, może być ograniczony do 30 minut, o ile
zespoły kablowe znajdują się w obrębie przestrzeni chronionych stałymi
samoczynnymi urządzeniami gaśniczymi wodnymi.”
8
Wymagania przepisów
Do przewodów i kabli odnoszą się kryteria uzupełniające badań dotyczące zapewnienia
ciągłości dostawy energii. Zgodnie z PN-B-02851-1:1997 (Ochrona przeciwpożarowa
budynków. Badania odporności ogniowej elementów budynku. Wymagania ogólne i
klasyfikacja.) kryteria uzupełniające dotyczą:
pH - ciągłości dostawy energii przez kable o przekroju do 2,5 mm2,
H - ciągłości dostawy energii przez kable o przekroju przewodów równej lub większej niż 2,5
mm2.
Ponadto elementy konstrukcyjne budynku w zależności od przeznaczenia spełniać powinny
kryteria:
R - nośność ogniowa (w minutach), określona zgodnie z Polską Normą dotyczącą zasad
ustalania klas odporności ogniowej elementów budynku. Jest to stan w którym element
przestaje spełniać funkcję na skutek zniszczenia mechanicznego, utraty stateczności lub
przekroczenia granicznych wartości przemieszczeń lub odkształceń.
E - szczelność ogniowa (w minutach), określona jw. Jest to stan w którym element przestaje
spełniać swoją funkcję na skutek odpadnięcia od konstrukcji lub powstania pęknięć i
szczelin przez które przedostają się płomienie lub gorące gazy.
I - izolacyjność ogniowa (w minutach), określona jw. Jest to stan w którym element przestaje
spełniać swoją funkcją oddzielającą na skutek przekroczenia granicznej wartości
temperatury powierzchni nienagrzewanej.
S – szczelność dymowa
9
Wymagania przepisów
Badania przeprowadzane są wg normy niemieckiej DIN 41021-12 „Zachowanie się
materiałów i elementów budowlanych pod wpływem ognia. Podtrzymywanie funkcji urządzeń
w czasie pożaru. Wymagania i badania”. Norma ta określa sposób badania i wymagania dla
systemów podtrzymywania funkcji w przypadku pożaru:
• kabli,
• zamocowań, wraz z przynależnymi kanałami, powłokami i okładzinami
• elementami łączeniowymi.
Podczas badania określa się czas funkcjonowania systemu podczas pożaru testowego kiedy
w instalacji nie występuje zwarcie i nie występuje żadna przerwa w przepływie prądu w
badanych instalacjach.
Zgodnie z cytowaną normą uważa się że funkcja kabla została podtrzymana, jeżeli w liniach
kablowych w czasie próby ogniowej nie nastąpiło zwarcie oraz przerwa przepływu prądu w
sprawdzanych elektrycznych liniach kablowych..
10
Wymagania przepisów
Zawarte w niej standardowe konfiguracje systemów mocowań kabli określają następujące
rozwiązania:
• trasy kablowe z systemem mocowań konstrukcji nośnej co 1200mm prowadzone w
drabinkach o szerokości 400mm, maksymalny ciężar zastępczy 20kg/m
• trasy kablowe z systemem mocowań konstrukcji nośnej co 1200mm prowadzone w
korytkach kablowych o szerokości 300mm i maksymalny ciężar zastępczy 10kg/m.
• pojedyncze kable mocowane na suficie za pomocą szyn i obejm kablowych z rynienkami
zamocowanymi co 600mm rys.1 i 2.
• pojedyncze kable mocowane na suficie za pomocą pojedynczych obejm zamocowanych
co 300mm rys.3 jako linię kablową
Rys.1. Mocowanie pojedynczych kabli obejmą
kablową lekką
Rys.2. Mocowanie pojedynczych kabli obejmą
kablową z rynienką długą
11
a)
Wymagania przepisów
Rys.3. Obejma pojedyncza kabla
a) sposób montażu
b) sposób mocowania
12
Wymagania przepisów
Podczas badania mierzony jest czas podtrzymania
funkcji, na jego podstawie określa się klasę
podtrzymania funkcji, zgodnie z tabelą 1:
L.p.
Klasa podtrzymania funkcji
Minimalny czas podtrzymania funkcji w
min.
1.
E 30
≥ 30
2.
E 60
≥90
3.
E 90
≥90
nagrzanie pomieszczenia do odpowiedniej
temperatury następuje zgodnie z krzywą
narastania temperatury określoną wzorem:
T  345lg(8t  1)  20
w którym:
T – standardowa temperatura nagrzewania
elementu próbnego w stopniach Cencjusza
t – czas w minutach
13
Wymagania przepisów
Kable i osprzęt poddany badaniom powinien prawidłowo
funkcjonować w przedziałach czasu 30, 60 i 90min. Co
odpowiada kryterium zachowania funkcji zespołu
kablowego (kabel + osprzęt) E30; E60 i E90 [1] lub
PH15; PH30; PH60; PH90 – wg PN-EN 50200
Rys.5. Trasa kablowa– przykład mocowania kabla (1)
•Dopuszczalny promień gięcia
•Obejma
•Kabel
1) pozioma długość kabla ≥300mm
2) odległość pomiędzy obejmami ≤ 300mm
Wymagania elektryczne
Wraz z upływem czasu od zainicjowania pożaru, bardzo szybko wzrasta temperatura
pomieszczeń objętych pożarem. Pod wpływem wysokiej temperatury rośnie rezystancja
przewodu, która jest uzależniona od temperatury w jakiej znajduje się przewód.
W temperaturze nie wyższej niż 2000 C, zmiany rezystancji przewodów można opisać liniową
zależnością [12]
R  R20 (1   20 T )
(1)
gdzie:
R20 - rezystancja przewodu w temperaturze 200 C , w [  ]
 -pierwszy współczynnik temperaturowy rezystancji w temperaturze 200C, w [1/K]
T  Tk  20 - różnica temperatur, w [K]
Tk – temperatura końcowa, w [K]
15
Wymagania elektryczne
W temperaturach wyższych niż + 200 0 C, zależność opisująca rezystancje przewodu w
określonej temperaturze staje się nieliniowa i wyraża następującym wzorem [13;21]:
R  R20 (1   20 T   20 T 2 )
(2)
gdzie:
 30
1 d 2 R20
- drugi współczynnik temperaturowy rezystancji w temperaturze 200C [21], w

2
2 R20 dt
[1/K2]
16
Wymagania elektryczne
Krzywa normowa
„temperatura – czas” obrazująca pożary celulozowe, która jest
powszechnie stosowana w badaniach ogniowych budynków.
Krzywą tą opisuje następujące równanie [14]:
T  345lg(8t  1)  20
(3)
gdzie:
T – temperatura, w
t – czas, w [min]
[ 0 C]
Przykład krzywej normowej odzwierciedlającej rozwój temperatury w pożarach celulozowych,
to jest w pożarach, w których paliwem jest głównie drewno i materiały drewnopodobne
została przedstawiona niżej.
17
Wymagania elektryczne
Przy doborze przewodów zasilających urządzenia przeciwpożarowe należy uwzględnić
wzrost ich rezystancji spowodowany wzrostem temperatury w strefie przez którą
przechodzą przewody, który znacząco wpływa na wymagany przekrój przewodu
wyznaczany z warunku spadku napięcia oraz warunku samoczynnego wyłączenia zasilania
podczas zwarć doziemnych.
Największe problemy pojawiają się w obwodach zasilających pompy pożarowe napędzane
silnikami elektrycznymi lub inne urządzenia charakteryzujące się dużymi prądami
rozruchowymi.
Silniki elektryczne podczas rozruchu pobierają znacznie większy prąd niż wartość prądu
znamionowego.
Do napędu pomp pożarowych stosuje się silniki indukcyjne klatkowe z uwagi na ich prostą
konstrukcje oraz wysoką niezawodność.
18
Rozruch silnika klatkowego
Zwykłe silniki klatkowe charakteryzują się dużymi prądami rozruchowymi, wynoszącymi (57,5)In co powoduje, że w normalnych warunkach eksploatacji dla silników klatkowych o
mocach większych niż 5,5 kW stosuje się układy rozruchowe.
Silnik indukcyjny klatkowy charakteryzuje się dużymi prądami rozruchowymi oraz
zmiennym współczynnikiem mocy, którego wartość zależy od obciążenia.
19
Rozruch silnika klatkowego
Podczas rozruchu nieobciążonego silnika pojawia się mała wartość jego współczynnika
mocy oraz znaczny prąd rozruchowy przez co spadek napięcia w obwodzie zasilającym
silnik podczas rozruchu jest znacznie większy jak w warunkach normalnej pracy.
20
Moment obrotowy
Nadmierny spadek napięcia na zaciskach silnika może spowodować jego utknięcie.
Moment obrotowy silnika jest proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilającego zgodnie z
następującą zależnością [4]:
M  c U 2
(4)
gdzie:
c – stała silnika
M- moment obrotowy silnika
U – napięcie zasilające
Zgodnie ze wzorem (2) zmniejszenie napięcia zasilającego zaledwie o 10% powoduje
zmniejszenie momentu o 19% [ M  c(0,9  U 2 )  c(0,81U 2 ] .
Charakterystyki momentu obrotowego indukcyjnego silnika klatkowego dla różnych wartości
napięcia zasilającego przedstawia poniższy rysunek.
21
Tabela 1
Rodzaj rozruchu silnika
Dopuszczalny spadek napięcia U [%]
Rozruch lekki
35
Rozruch ciężki i częsty
15
Rozruch ciężki i rzadki
10
22
Założenia
Ponieważ z reguły budynek sanowi lub jest podzielony na strefy pożarowe w celu
ograniczenia możliwości rozwoju pożaru, rzadko zdarza się, że cały/niecały przewód
zasilający urządzenia przeciwpożarowe znajduje się pod działaniem temperatury
pożarowej. W strefie nieobjętej pożarem kabel (przewód) znajduje się pod działaniem
temperatury otoczenia lub w skrajnym przypadku temperatury dopuszczalnej długotrwale
spowodowanej przepływem prądu o wartości dopuszczalnej długotrwale.
23
Tabela 2
Względny udział
strefy gorącej w
długości trasy
kabla (przewodu)
[%]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Współczynnik wzrostu rezystancji żył kabla
Dla warunków klasy E 30
Dla warunków klasy E 90
od 300 C
od 900 C
od 300 C
od 900 C
1,0
1,3
1,6
2,0
2,3
2,6
2,9
3,2
3,5
3,9
4,2
1,0
1,2
1,5
1,7
1,9
2,1
2,4
2,6
2,8
3,1
3,3
1,0
1,4
1,8
2,1
2,5
2,9
3,3
3,6
4,0
4,4
4,8
1,0
1,3
1,5
1,8
2,1
2,4
2,6
2,7
3,2
3,5
3,7
24
Przykład
Dobrać przewód do zasilania pompy pożarowej o następujących parametrach silnika:
  0,9; Pn  10kW; cosn  0,85; k r  4; cos r  0,3
Trasa linii zasilającej o ogólnej długości l  100m przebiega przez dwie strefy pożarowe o
długościach odpowiednio:
- strefa 1: l  30 m
- strefa 2: l  70 m
W przykładzie założono, wzniecenie pożaru w jednej strefie pożarowej. Do obliczeń ze
względu na bardziej niekorzystne warunki została przyjęta strefa 2.
Impedancja obwodu zwarciowego na początku obwodu zasilającego silnik pompy wynosi
Z k1  0,25 (wartość uzyskana w wyniku pomiaru)
25
Dobór zabezpieczeń
Prąd znamionowy silnika oraz
zabezpieczenia przeciążeniowego):
IB 
Pn
3  U n  cos n 

dobór
10000
3  400 0,85  0,9
jego
zabezpieczenia
(pominięto
dobór
 18,87 A
Do zabezpieczenia silnika zostanie przyjęty wyłącznik nadprądowy S303C20:
I r  k r  I B  4 18,87  75,48 A  I 4  10  20  100 A
gdzie:
Pn - moc znamionowa silnika, w [W]
 - sprawność silnika, w [-]
kr 
Ir
- współczynnik rozruchu silnika, w [-]
IB
I r - prąd rozruchowy silnika, w [A]
I 4 - prą dolnej granicy zadziałania wyzwalacza przeciążeniowego elektromagnetycznego wyłącznika
instalacyjnego nadprądowego zgodnie z jego charakterystyką prądowo-czasową, [A]
cos n - znamionowy współczynnik mocy silnika, w [-]
cos r - współczynnik mocy silnika podczas rozruchu, w [-]
Wyłącznik ten umożliwi rozruch silnika bez zbędnych zadziałań.
26
Dobór przewodu
Wymagany przekrój przewodu ze względu na długotrwała obciążalność prądową i
przeciążalność:
IB  In  IZ
I 2  1,45I Z
I B  18,87 A  I n  20 A  I Z
IZ 
k 2  I n 1,45  20

 20 A
1,45
1,45
Na podstawie normy PN-IEC 60364-5-523, warunki spełni przewód NKGsżo 4 x 2,5 o
dopuszczalnej długotrwałej obciążalności prądowej I Z  24 A  20 A .
27
Praca w warunkach pożaru
Wyznaczenie współczynnika określającego względny udział strefy gorącej w długości
trasy kabla (przewodu):
kp 
l2
70
 100 % 
 100 %  70%
l
100
gdzie:
k p - względny udział strefy gorącej w długości trasy kabla (przewodu), w [-] – tabela 2
I z - wymagana dopuszczalna długotrwała obciążalność prądowa, w [A]
k 2 - najmniejszy prąd niezawodnie wywołujący zadziałanie zabezpieczenia (dla wyłączników
instalacyjnych nadpradowych należy przyjmować wartość 1,45, bez względu na charakterystykę), w [-]
I n - prąd znamionowy zabezpieczenia chroniącego przewód, w [A]
l1 - długość trasy kablowej w strefie 2, w [m]
l - całkowita długość trasy kablowej, w[m]
Ponieważ przewód dostarcza energie elektryczna tylko podczas pożaru, na podstawie tabeli
2 dla warunków klasy E90 od 30 0 C, należy przyjąć współczynnik kp = 3,6.
28
Praca w warunkach pożaru
Wymagany przekrój przewodów zasilających silnik pompy ze względu na warunek
spadku napięcia:
- podczas rozruchu silnika pompy:
s

kp l

U r %  U n
'
 (
 x  l  tgr )
100 3  I rM  cosr
3,6  100
 6,47 m m2
10  400
55  (
 0,1  0,1  3,18)
100 3  75,48  0,3
Uwaga
U % - dopuszczalny spadek napięcia zgodnie z Tabela 2.
-
w warunkach pracy ustalonej:
S  100 3 
k p  I  l  cos
  U %  U n
 100 3 
3,6 18,87 100 0,85
 15,14m m2
55  3  400
Uwaga
U % =3% - dopuszczalny spadek napięcia zgodnie z wymaganiami normy
N-SEP –E 002 [15].
Zatem warunek spełni przewód NKGsżo 4 x16 o odporności ogniowej PH90.
29
Dobór przewodu
Dobrany przewód NKGsżo 4 x 16 o odporności ogniowej PH90 spełnia wymagania w
zakresie spadku napięcia podczas rozruchu silnika oraz w warunkach pracy ustalonej.
Spełnia również wymagania w zakresie samoczynnego wyłączenia zasilania podczas zwarć.
samoczynnego wyłączenia, przez co przekrój przewodu zasilającego silnik pompy pożarowej
musi ulec zwiększeniu.
Należy zatem uznać, że wszelkie wymagania w warunkach pożaru przy założeniu, ze
pożarem zostanie objęta strefa 2 spełni kabel NKGSżo 4 x 16 o odporności ogniowej PH90.
Uwaga:
W normalnych warunkach pracy (nie pożarowych) warunki spełniłby przewód YDYżo 4 x 6
co wynika z następującego rozumowania:
30
Normalna praca – rozruch i praca ustalona
- w czasie rozruchu silnika:
I  l  cos
18,87  100 0,85
 100 3 
 4,20m m2
  U %  U n
55  3  400
- w stanie ustalonej pracy silnika:
kp l
s

U r %  U n
 (
 x '  l  tg r )
100 3  I rM  cos r
S  100 3 

100
 5,54m m2
10  400
55  (
 0,1  0,1  3,18)
100 3  75,48  0,3
31
Wnioski
Przedstawiony przykład rachunkowy wyjaśnia istotę zjawiska i obrazuje wpływ
temperatury powstającej podczas pożaru na jakość dostarczanej energii
elektrycznej do zasilania urządzeń pożarowych oraz bezpieczeństwo strażaków
biorących udział w akcji gaśniczej.
Nieuwzględnienie wzrostu rezystancji powodowanego wysoką temperaturą
może spowodować brak skutecznej ochrony przeciwporażeniowej urządzeń
przeciwpożarowych w czasie akcji gaśniczej, trudności w ich uruchomieniu a
ostateczności nawet ich uszkodzenie wskutek zniszczenia izolacji silnika
spowodowanej jego utknięciem pod wpływem zbyt dużego spadku napięcia
podczas rozruchu co w konsekwencji spowoduje utratę funkcji urządzenia, które
musi poprawnie funkcjonować w czasie pożaru.
32