Urządzenia elektroenergetyczne. Jakie są wymagania dla urządzeń i instalacji elektroenergetycznych?

Prawidłowa, długotrwała i niezawodna praca każdego urządzenia elektroenergetycznego zależy nie tylko od technicznych warunków jego zasilania i eksploatacji, ale również od środowiska, w którym jest zainstalowane i wykorzystywane. Jak wygląda określenie minimalnych wymagań środowiskowych dla urządzeń elektroenergetycznych i instalacji?

Warunki dla urządzeń elektroenergetycznych

Warunki dla urządzeń elektroenergetycznych określane są m.in. przez temperaturę otoczenia, wilgotność powietrza, wysokość nad poziomem morza, ciśnienie atmosferyczne, występowanie wody, obcych ciał stałych, substancji powodujących korozję, zanieczyszczeń, a także narażenia mechaniczne, udary, wibracje, obecność flory i fauny, promieniowanie m.in. elektromagnetyczne, jonizujące elektrostatyczne, słoneczne, wstrząsy sejsmiczne, wyładowania atmosferyczne, ruch powietrza, wiatr i inne.

Zastosowane materiały i sposób ochrony przed oddziaływaniem środowiska powinny być odpowiednie do spodziewanej intensywności zjawisk negatywnie wpływających na urządzenie, jak również gwarantować ich skuteczną ochronę.Urządzenia elektroenergetyczne mogą być użytkowane stacjonarnie lub niestacjonarnie, instalowane w warunkach napowietrznych, a więc w miejscach niezabezpieczonych przed wpływem czynników atmosferycznych, a także w budynkach mających ogrzewanie oraz wentylację.Dodatkowo mogą być umieszczane w kioskach, szafach wyposażonych w system ogrzewania i wentylacji, montowanych zarówno w warunkach napowietrznych (poza budynkami), jak i obiektach mających ogrzewanie oraz wentylację, a także bez systemu ogrzewania. Miejsca te są chronione przed wpływem czynników atmosferycznych. Mogą być również realizowane jako:

• napowietrzne - przeznaczone do pracy na zewnątrz pomieszczeń,
• wewnętrzne - instalowane w budynkach.

Urządzenia elektroenergetyczne wyposaża się w osłony zapewniające wymagane bezpieczeństwo ludzi oraz ochronę przed zniszczeniem i wadliwym działaniem wskutek przedostania się do ich wnętrza ciał stałych, pyłu czy wody, a także przed uszkodzeniem mechanicznym.

Warunki środowiskowe dla urządzeń elektroenergetycznych

Położenie geograficzne i warunki środowiska mają zasadniczy wpływ na użytkowane i planowane do zainstalowania urządzenia elektroenergetyczne. Te w wykonaniu napowietrznym są budowane dla określonej strefy klimatycznej.W pewnych przypadkach warunki środowiskowe w miejscu pracy urządzenia mogą być jednak różne od tych, jakie wynikają z klimatu naturalnego. Jest to tzw. mikroklimat, związany głównie z działalnością gospodarczą człowieka, wywołującą np. zwiększone zapylenie, wilgotność lub obecność szkodliwych związków chemicznych. Niezależnie od stref klimatycznych i mikroklimatu istotna jest analiza lokalnych warunków środowiskowych, które mogą być bardzo różne i zmienne w czasie. Szczególnie dotyczy to pewnych obiektów i pomieszczeń zamkniętych, zlokalizowanych w zakładach przemysłowych bądź kopalniach lub wnętrz kiosków, szaf i obudów, głównie w przypadkach zgrupowania w ograniczonej przestrzeni wielu różnych urządzeń technicznych. Obudowy i osłony powinny chronić je przed narażeniami środowiska, jednak ze względu na zamknięcie urządzeń w ograniczonej przestrzeni i utrudnioną wskutek tego wymianę ciepła z otoczeniem, wytwarzają się nowe warunki wewnątrz obudowy, przede wszystkim związane z podwyższeniem się temperatury [3]. Taka sytuacja może uniemożliwiać wykorzystanie znamionowych parametrów zainstalowanych urządzeń.

Urządzenia elektroenergetyczne - przegląd norm, dokumentów i specyfikacji

Warunki i wymagania środowiskowe dla urządzeń i aparatów elektroenergetycznych określone są w wielu normach, dokumentach i specyfikacjach funkcjonalnych opracowanych przez operatora systemu przesyłowego i operatorów systemów dystrybucyjnych. Kluczowe znaczenie ma grupa norm krajowych i międzynarodowych dotyczących klasyfikacji warunków oraz badań środowiskowych, do której należą: PN-EN 60721-1:2002, PN-EN 60721-2-1:2014-10, PN-EN 60721-2-2:2014-02, PN-EN 60721-2-3:2014-10, PN-EN 60721-3-0:2002, PN-EN 60721-3-3:2002, PN-EN 60721-3-4:2002, PN-EN 60068-1:2005, PN-EN 60068-2-1:2009, PN-EN 60068-2-2:2009, PN-EN 60068-2-11:2002, PN-EN 60068-2-30:2008, PN-EN 60068-2-5, PN-IEC 60364-3:2000, IEC 60721-2-6, IEC 60815.

Przy czym szczególnie istotne są postanowienia normy PN-EN 60721-3-3 w przypadku urządzeń i aparatów użytkowanych w miejscach chronionych przed wpływem czynników atmosferycznych (rozwiązania wnętrzowe) oraz PN-EN 60721-3-4, jeśli nie są one zabezpieczone (rozwiązania napowietrzne). Dla urządzeń i instalacji elektrycznych w obiektach budowlanych ważne są postanowienia normy PN-IEC 60364-3:2000. Warunki środowiskowe zostały również określone w postanowieniach ogólnych, wspólnych lub innych zawartych w szczegółowych normach przedmiotowych dotyczących urządzeń, aparatów i przekaźników stosowanych w instalacjach elektroenergetycznych. Należą do nich m.in.: PN-EN 50102:2001, PN-EN 50110-1:2013-05, PN-EN 60071-1:2008, PN-EN 60071-2:2000, PN-EN 60529:2003, PN-EN 61439-1:2011, PN-EN 61439-2:2011, PN-EN 61869-1:2009, PN-EN 61869-2:2013-06, PN-EN 61869-3:2011, PN-EN 61936-1:2011, PN-EN 62271-1:2009, PN-EN 62271-200:2012, PN-EN 62271-202:2007, PN-EN 62271-203:2012, PN-E-06303:1998.Z racji znacznej liczby przepisów, w których zawarte są zalecenia środowiskowe dla urządzeń, aparatów i przekaźników powyższe zestawienie ma charakter przykładowy i wybiórczy.Warunki środowiskowe zostały również określone w specyfikacjach, wymaganiach funkcjonalnych, wytycznych i standardach opracowanych przez operatorów systemu przesyłowego i systemów dystrybucyjnych. Przy czym kluczowe znaczenie dla danego obiektu mają dokumenty przygotowane przez właściwego operatora systemu. Największa grupa specyfikacji i wymagań funkcjonalnych dotyczących urządzeń i aparatów wykorzystywanych w instalacjach elektroenergetycznych została opracowana przez operatora systemu przesyłowego PSE S.A. Wprawdzie dotyczą one różnych elementów infrastruktury przesyłowej, ale stosowane są do analizy wymagań środowiskowych dla innych urządzeń.

Warunki środowiskowe pracy instalacji i urządzeń elektroenergetycznych w obiektach budowlanych

Jak wspomniano, urządzenia elektroenergetyczne mogą pracować w różnych warunkach środowiskowych, które jednak działają szkodliwie na ich pracę i stan. Podobna sytuacja dotyczy instalacji elektrycznych. Do głównych zagrożeń środowiskowych, jakie trzeba uwzględnić na etapie projektowania i budowy instalacji, należą:

• temperatura,
• wilgotność,
• zapylenie,
• udary i wibracje mechaniczne,
• obecność substancji żrących, łatwopalnych, wybuchowych.

Na pracę instalacji elektrycznych oraz jej poziom bezpieczeństwa mogą wpływać jeszcze, np.: konstrukcja obiektu budowlanego, w którym ma działać instalacja, dostęp osób postronnych oraz kwalifikacje obsługi.W celu ułatwienia oceny stopnia zagrożenia środowiskowego opracowano system kodyfikacji, zawarty w normie PN-IEC 60364-3:2000 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ustalenie ogólnych charakterystyk” [4]. Dokonana tu klasyfikacja ingerencji otoczenia opiera się na podziale wpływów zewnętrznych na trzy kategorie: warunki środowiskowe, użytkowanie, konstrukcja obiektów budowlanych. Każda z nich dzieli się z kolei, w zależności od rodzaju czynnika środowiskowego, na podgrupy. Klasyfikuje się je w formie kodu, składającego się z dwuliterowego oznaczenia wpływu środowiskowego, uzupełnionego cyfrą charakteryzującą intensywność działania (z przedziału 1–8), przy czym:

• pierwsza litera oznacza: A – warunki środowiskowe, B – użytkowanie, C – konstrukcję obiektów budowlanych,
• druga litera (od A do S) określa charakter wpływu zewnętrznego: temperaturę otoczenia, wilgotność powietrza, wysokość n.p.m., obecność wody, obcych ciał stałych, substancji powodujących korozję, zanieczyszczeń, narażenia mechaniczne, udary, wibracje, obecność flory i fauny, promieniowanie (np. elektromagnetyczne), promieniowanie słoneczne, wstrząsy sejsmiczne, wyładowania atmosferyczne, ruch powietrza i wiatr.

W tabeli przedstawiono opis kodu A, oznaczającego warunki środowiskowe. Instalacje i urządzenia elektryczne mogą być użytkowane w różnych obiektach, odróżniających się pod względem panujących w nich warunków środowiskowych i wynikających stąd zagrożeń. Zasadniczo rozróżnia się normalne i nienormalne warunki eksploatacji.

Stopnie ochrony urządzeń elektroenergetycznych

Dostosowanie instalacji i urządzeń elektrycznych do panujących warunków środowiskowych jest istotne z uwagi na bezpieczeństwo ludzi i otoczenia. Zapylenie, podwyższona temperatura, obecność wody czy oddziaływanie osób postronnych mogą bardzo niekorzystnie wpływać na pracę urządzeń elektrycznych i doprowadzić do powstania różnych zagrożeń (porażeń, oparzeń łukiem elektrycznym, pożarów instalacji i budynków, wybuchów w atmosferze łatwopalnej itp.) [1]. Z uwagi na potencjalne niebezpieczeństwa wszystkie urządzenia pracujące w danej instalacji powinny być dobrane z uwzględnieniem wpływu warunków zewnętrznych, czyli z obudowami charakteryzującymi się odpowiednim stopniem ochrony w stosunku do warunków środowiskowych, w jakich będą pracować. Jest on określany za pomocą kodu IP (ang. International Protection), zgodnie z normą PN-IEC 60529:2003 „Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy” [5]. Kod ochrony oznacza się za pomocą liter IP oraz umieszczonych za nimi dwóch charakterystycznych cyfr, ewentualnie dodatkowo dwóch liter uzupełniających. Pierwsza cyfra określa stopień ochrony osób przed dostępem do części niebezpiecznych urządzeń i jednocześnie poziom zabezpieczenia urządzenia przed wnikaniem do wnętrza obudowy obcych ciał stałych (0–6 lub litera X, jeżeli nie jest on określony), druga zaś – stopień ochrony przed przenikaniem wody (0–8 lub litera X, jeśli obudowa nie przeszła badań w tym zakresie). Dodatkowa litera uzupełniająca jest stosowana w sytuacji, gdy rzeczywista ochrona ludzi przed dostępem do części niebezpiecznych urządzenia jest większa niż to wynika z wartości pierwszej cyfry charakterystycznej albo jeśli obudowa zapewnia tylko ochronę ludzi, natomiast nie zabezpiecza urządzenia przed wnikaniem obcych ciał stałych. W takim wypadku pierwsza cyfra kodu IP zastąpiona zostaje literą X, a w zamian stosuje się dodatkową literę A, B, C lub D umieszczoną po drugiej cyfrze charakterystycznej [1]. Druga litera uzupełniająca występuje, gdy określane są dodatkowe informacje o urządzeniu (H, M, S, W).

Wymagania środowiskowe dla urządzeń elektroenergetycznych

Wymagania środowiskowe dla urządzeń i aparatów elektroenergetycznych zasadniczo dzieli się na grupy dotyczące urządzeń i aparatów użytkowanych w warunkach napowietrznych, wnętrzach, kioskach/szafach/szafkach instalowanych w warunkach napowietrznych oraz szafach/szafkach instalowanych we wnętrzach.

Standardowe wymagania środowiskowe dla urządzeń i aparatów użytkowanych w warunkach napowietrznych obejmują następujące elementy:

• maksymalna temperatura otoczenia: 40°C,
• średnia temperatura otoczenia mierzona w ciągu 24 godzin nie przekracza 35°C,
• minimalna temperatura otoczenia: –30°C,
• wysokość nad poziomem morza: ≤ 1000 m,
• średnia wilgotność powietrza w ciągu 24 godzin: ≤ 95%,
• ciśnienie atmosferyczne: 86–106 kPa,
• poziom zabrudzenia: d – silny (odpowiada III strefie zabrudzeniowej),
• grubość warstwy lodu: 10 mm (klasa 10),
• prędkość wiatru nie przekracza: 34 m/s,
• parcie wiatru na powierzchni cylindrycznej: 700 Pa,
• poziom izokerauniczny: 27 dni/rok,
• zanieczyszczenie powietrza dwutlenkiem siarki: 100 μg/m³,
• zanieczyszczenie powietrza innymi substancjami aktywnymi chemicznie: klasa 4C1 (norma PN-EN 60721-3-4),
• poziom nasłonecznienia: 1000 W/m²,
• aktywność sejsmiczna: ≤ 0,2 g (strefa I),
• występowanie lodu i kondensacji pary wodnej: tak,
• stopień ochrony obudowy: IP65.

Standardowe wymagania środowiskowe dla urządzeń użytkowanych we wnętrzu na terenie kraju obejmują następujące elementy:

• maks. temp. otoczenia: 55°C,
• średnia temperatura otoczenia mierzona w ciągu 24 godzin nie przekracza 35°C,
• min. temperatura otoczenia: –10°C,
• wysokość nad poziomem morza: ≤ 1000 m,
• średnia wilgotność powietrza w ciągu 24 godzin: ≤ 95%,
• ciśnienie atmosferyczne: 86–106 kPa,
• zanieczyszczenie powietrza dwutlenkiem siarki: 100 μg/³,
• zanieczyszczenie powietrza innymi substancjami aktywnymi chemicznie: klasa 3C1 (norma PN-EN 60721-3-3),
• zanieczyszczenie powietrza substancjami aktywnymi mechanicznie: klasa 3S1 (norma PN-EN 60721-3-3),
• aktywność sejsmiczna: ≤ 0,2 g (strefa I),
• występowanie lodu i kondensacji pary wodnej: nie,
• stopień ochrony obudowy: IP54.

Dobór urządzeń elektroenergetycznych do warunków środowiskowych

Urządzenia powinny być dobrane i zainstalowane w sposób zapewniający ich działanie zgodnie z przeznaczeniem w warunkach normalnej eksploatacji oraz przewodzenie dopuszczalnych prądów zakłóceniowych bez negatywnych następstw w czasie określonym przez charakterystyki czasowo-prądowe urządzeń ochronnych.

Powinny być również spełnione wymagania dotyczące ochrony przeciwporażeniowej oraz wpływów środowiska. Zasadniczo dobór urządzeń polega na wyznaczaniu ich parametrów znamionowych i cech charakterystycznych, wśród których znajduje się odporność na wpływy środowiskowe. Cechy charakterystyczne urządzeń, określone stopniem ochrony, powinny być odpowiednie do wpływów środowiska, jakim będą podlegać. Jeżeli tak nie jest lub mogą wystąpić jednocześnie różne wpływy o skutkach niezależnych lub oddziałujących na siebie nawzajem, to należy przewidzieć odpowiednie zabezpieczenie przed nimi. Zastosowane środki ochrony nie powinny pogarszać warunków pracy urządzeń.Środowisko, w którym są instalowane urządzenia elektroenergetyczne muszą zapewniać właściwe chłodzenie przez odprowadzenie ciepła spowodowanego stratami energii elektrycznej w urządzeniach i układzie zasilania. Chłodzenie może być realizowane w sposób naturalny lub sztuczny. Inne warunki, takie jak wilgotność, zanieczyszczenie powietrza nie powinny ograniczać możliwości wykorzystania znamionowych parametrów urządzenia ani nie przyspieszać jego zużycia.Przy doborze urządzeń elektroenergetycznych należy zwrócić uwagę, aby nie wpływały one ujemnie na pracę innych urządzeń technicznych np. przez nadmierne podwyższenie temperatury w pomieszczeniu, wibracje, zakłócenia elektromagnetyczne oraz aby nie powodowały znacznej uciążliwości dla przebywających w pobliżu osób. Szczególnie istotne jest wzajemne dopasowanie urządzeń elektrycznych i elektronicznych do warunków środowiskowych i technicznych, które określa się mianem kompatybilności. Spełnienie wymagań i warunków środowiskowych dotyczących miejsca, w jakim urządzenia elektroenergetyczne mają pracować, umożliwia poprawne i bezpieczne ich działanie. Dobór urządzeń o cechach konstrukcyjnych nieodpowiednich do spodziewanych wpływów środowiska może spowodować szereg zagrożeń. Wiele czynników zewnętrznych może bowiem doprowadzić do niebezpiecznych uszkodzeń, zarówno urządzeń, jak i instalacji elektrycznych, co wpływa na ochronę ludzi i otoczenia (porażenia, pożary, wybuchy). Szkodliwe zagrożenia, jak wspomniano, mogą pochodzić od naturalnych czynników matmosferycznych (klimatu) lub być spowodowane techniczną działalnością człowieka (silne zapylenie, podwyższona temperatura, narażenia mechaniczne, występowanie wody itp.). Czynniki te mogą oddziaływać niekorzystnie na pracę urządzeń, a w pewnych przypadkach ograniczać lub blokować instalowanie i pracę niektórych z nich. Ponadto, mogą spowodować szybkie ich uszkodzenie w stopniu uniemożliwiającym dalszą pracę lub zagrażającym wybuchem pożaru czy porażeniem elektrycznym.Środowisko może negatywnie wpływać na urządzenia elektroenergetyczne, ale też urządzenia elektroenergetyczne na środowisko, wywołując zagrożenia dla ludzi, zwierząt i otoczenia. Mogą bowiem powodować zarówno porażenie elektryczne istot żywych, ich oparzenie i oślepienie wywołane łukiem elektrycznym, jak i pożar lub wybuch w środowisku zawierającym środki palne lub mieszanki wybuchowe gazów, par i pyłów, a także występowanie pól elektromagnetycznych [3]. Urządzenia muszą więc być prawidłowo dobrane i wykonane z odpowiednich materiałów w sposób zapewniający poprawną i bezpieczną pracę w miejscu ich zainstalowania.Literatura1. W. Dołęga, M. Kobusiński, „Projektowanie instalacji elektrycznych w obiektach przemysłowych. Zagadnienia wybrane”, wyd. 2, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.2. H. Markiewicz, „Instalacje elektryczne”, wyd. 8, WNT, Warszawa 2014.3. H. Markiewicz, „Urządzenia elektroenergetyczne”, wyd. 4, WNT, Warszawa 2008.4. PN-IEC 60364-3:2000 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ustalenie ogólnych charakterystyk”.5. PN-EN 60529:2003 „Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy”.6. PN-EN 60721-3-3:2002 „Klasyfikacja warunków środowiskowych – Część 3–3: Klasyfikacja grup czynników środowiskowych i ich ostrości – Stacjonarne użytkowanie wyrobów w miejscach chronionych przed wpływem czynników atmosferycznych”.7. PN-EN 60721-3-4:2002 „Klasyfikacja warunków środowiskowych – Część 3–4: Klasyfikacja grup czynników środowiskowych i ich ostrości – Stacjonarne użytkowanie wyrobów w miejscach nie chronionych przed wpływem czynników atmosferycznych”.8. IEC 60815 „Guide for selection and dimensioning of high-voltage insulators for polluted conditions – Part 1: Definitions, information and] general principles”.