Sposoby zabezpieczania przed zagrożeniami wynikającymi z awarii w instalacjach elektrycznych

W budynkach komercyjnych o krytycznym znaczeniu energetycznym, takich jak zakłady przetwórcze, szpitale i fabryki niezbędne jest ciągłe zasilanie energią elektryczną. Zapewnienie niezawodnego zasilania w takich budynkach zależy od paneli dystrybucyjnych niskiego napięcia, które leżą u podstaw instalacji elektrycznej. Wymagania stawiane tym panelom, w szczególności gdy operacje i infrastruktura rozwijają się w czasie, pozostawiają te urządzenia niezwykle podatne na zwarcia łukowe. W niniejszym artykule Bernhard Gegenbauer, kierownik ds. dystrybucji energii w firmie Eaton, bada konsekwencje zwarć łukowych i analizuje, czy firmy i zakłady produkcyjne robią wszystko, aby zminimalizować to ryzyko.

Błędy łuku elektrycznego stanowią zagrożenie, którego nie można zignorować. Ogromny wzrost ciśnienia w panelu, dochodzący do 25 ton na metr kwadratowy, prowadzi do zdarzenia, które można nazwać eksplozją. Zachodzi wówczas wysyłanie w powietrze różnych elementów, destrukcja instalacji i może wystąpić zagrożenie życia osób znajdujących się w pobliżu miejsca awarii. Jeśli ten początkowy wybuch nie okaże się wystarczająco szkodliwy, jego następstwa przynoszą dalsze zagrożenia, a mianowicie perspektywy długich przestojów w pracy i produkcji.

Nowe badania zlecone przez firmę Eaton szacują, że w przypadku typowego zakładu przemysłu spożywczego koszt zaistnienia czasu przestoju produkcyjnego może wzrosnąć do 40 tys. EUR w ciągu 24 godzin. Pojawiają się również koszty wymiany rozdzielnicy, potencjalne działania prawne i utrata dobrego wizerunku firmy. Krótko mówiąc, osoby, mienie i kontynuacja działalności są narażone na poważne zagrożenie zarówno w bezpośrednim okresie po awarii, jak i w dłuższej perspektywie.

Pomimo tych oczywistych zagrożeń, przy analizie bezpieczeństwa w komercyjnych budynkach budowlanych można łatwo pominąć rozdzielnice elektryczne. Sprzęt jest zwykle umieszczony poza zasięgiem wzroku, a dominujący pogląd jest taki, że rozdzielnica jest absolutnie bezpieczna, jeśli tylko jest zgodna z wymaganiami normy IEC 61439 (Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej).

Badania przeprowadzone przez firmę Eaton sugerują, że zgodność ze standardem może nie wystarczyć, aby zmaksymalizować ochronę przed tymi zagrożeniami. Eksperci z firmy Eaton sugerują, że można osiągnąć wyższy poziom bezpieczeństwa wdrażając nowe technologie. W rezultacie możliwe jest dalsze zmniejszenie ryzyka wystąpienia katastrofalnej awarii łuku elektrycznego i jej kosztownych następstw.

Panele rozdzielcze niskiego napięcia są sercem instalacji elektrycznych przy dostawach energii. Właściciele i zarządcy budynków są prawnie zobowiązani do zapewnienia, aby zespół rozdzielnic, napędzający procesy, spełniał wymagania określone przez IEC, międzynarodowe normy i jednostki oceny zgodności we wszystkich dziedzinach elektrotechniki. Firmy i zakłady produkcyjne muszą zapewnić, że sprzęt jest projektowany, konstruowany i przetestowany zgodnie z odpowiednią wersją normy IEC 61439.

W białej księdze firmy Eaton, „Bezpieczeństwo i ryzyko w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia”, ekspert ds. bezpieczeństwa elektrotechnicznego Alfred Mörx, wyjaśnia, że „celem planowania i realizacji instalacji niskiego napięcia jest osiągnięcie bezpieczeństwa, z wyłączeniem ryzyka”.

Oznacza to, że właściciele i zarządcy budynków muszą zadbać o to, aby wszelkie zagrożenia pozostałe po wprowadzeniu środków ochronnych, były możliwie jak najmniejsze i nie przekraczały „najwyższego dopuszczalnego ryzyka”.

Jednak nawet firmy, które spełniają swoje obowiązki prawne, nie są odporne na ryzyko wystąpienia zwarć łukowych. Z biegiem czasu przedsiębiorstwa energochłonne mogą rozszerzyć działalność, dodając nowe instalacje do istniejących systemów. Skutkiem takiej ewolucji jest to, że zespół rozdzielnic może ulec przeciążeniom, powodując błędy łuku elektrycznego, w ten sposób nie tylko niszcząc cenną własność i aktywa, w tym instalację, ale również poważnie zakłócając ciągłość działalności i potencjalnie zagrażając ludzkiemu życiu.

W niektórych przypadkach może się zdarzyć, że wybrana rozdzielnica całkowicie nie nadaje się do wyznaczonego zastosowania, co może powodować jej niebezpieczne przegrzania. W innych przypadkach zwarcie łukowe może wynikać z nieprawidłowego działania urządzeń, niedostatecznego serwisowania lub pracy w gorących czy wilgotnych warunkach.

Zwarcia łukowe mogą również wystąpić, jeśli inżynier serwisujący upuści narzędzie przewodzące na szynę zbiorczą podczas pracy rozdzielnicy. Ten scenariusz jest prawdopodobny podczas instalacji lub konserwacji, gdy życie ludzkie jest najbardziej narażone na niebezpieczeństwo. Istnieje również możliwość, że niszczycielskie zwarcie łukowe zostanie wywołane przez coś tak banalnego, jak małe zwierzę, które dostało się do rozdzielnicy. Takie przypadki zostały już udokumentowane.

Częściowe lub całkowite zniszczenie systemu dystrybucji energii nieuchronnie doprowadza do przerw w działalności zakładu lub firmy, które mogą trwać kilka dni, tygodni, a nawet miesięcy. Kluczowym spostrzeżeniem jest fakt, że szkody w następstwie takiej awarii (koszty powstałe w trakcie przerw w pracy) znacznie wzrastają, im dłuższa jest taka przerwa.

Obiekty komercyjne o krytycznych potrzebach energetycznych są szczególnie podatne na awarie zasilania. Niezawodność systemu i ciągłość zasilania są niezbędne. Ostatecznie nagła utrata mocy w trakcie procesu przemysłowego może oznaczać, że cenne produkty muszą zostać zniszczone. Koszty początkowej awarii wzrastają bardzo szybko, na przykład jeśli niebezpieczne substancje lub materiały wymagają pilnej utylizacji, żeby uniknąć zanieczyszczenia środowiska.

Niniejsza biała księga zawiera szczegółową ekonomiczną ocenę całkowitych kosztów, z jakimi mogą się zmierzyć firmy w przypadku wystąpienia błędu łuku elektrycznego, prezentuje ona szacowane koszty przestojów na godzinę w typowych zastosowaniach. Całkowite koszty w następstwie takiej awarii, w okresie 24-godzinnym, w tym utrata zysków, koszty czyszczenia i ponownego uruchomienia oraz dodatkowe koszty, takie jak kary za nieprzestrzeganie terminów dostawy, mogą wynieść nawet 40 000 EUR.

Obliczenia te opierają się na średniej produkcji lub zakładzie napełniającym w przemyśle spożywczym i przekładają się na rosnące z godziny na godzinę koszty.

Warto też pamiętać, że typowy koszt wymiany rozdzielnicy wynosi około 300 tys. EUR, podczas gdy proces projektowania, produkcji i instalowania części zamiennych może potrwać do sześciu tygodni. W tym czasie obiekt jest skutecznie wykluczony z działania.

Podczas gdy przedsiębiorstwa muszą spełniać minimalne wymagania określone w normie IEC 61439, art. 6 ust. 2 dyrektywy 89/391/EEC podkreśla, że pracodawcy powinni rozważyć technologię „najnowszej generacji” w celu stworzenia bezpiecznych warunków pracy. Według Mörxa, najnowocześniejsza technologia, taka jak ochrona przed zwarciami łukowymi, jest kluczowym sposobem, którego pracodawcy powinni użyć w celu zmniejszenia możliwych szkód w następstwie tychże awarii i zwiększenia ochrony pracowników, wykraczając jednocześnie poza minimalne wymogi.

Według Mörxa: „Zespoły rozdzielnic, które spełniają jedynie minimalne wymogi bezpieczeństwa, najprawdopodobniej spadną poniżej najwyższego dopuszczalnego poziomu ryzyka w kierunku prawdziwego zagrożenia, gdy wystąpi awaria. W przypadku podjęcia dodatkowych działań zabezpieczających, można zmniejszyć ryzyko uszkodzenia instalacji i/lub przerwy w pracy, które to występują w następstwie awarii. To samo dotyczy uszczerbku na zdrowiu pracowników pracujących w zakładach lub ich otoczeniu. Zestawy rozdzielnic niskiego napięcia wyposażone w dodatkowe środki ochronne posiadają pewien rodzaj „rezerwy bezpieczeństwa”.

Aby maksymalnie zwiększyć bezpieczeństwo, dwie najbardziej skuteczne strategie to najpierw monitoring nadzwyczajnych skoków temperatur, które mogą wskazywać na nadchodzącą awarię, a następnie upewnienie się, że w przypadku zwarcia łukowego zdarzenie zostanie zidentyfikowane w czasie rzeczywistym i rozdzielnica zostanie szybko wyłączona, w ten sposób minimalizując uszkodzenia samego panelu, a także podłączonego do niej sprzętu.

W monitorowaniu temperatury tradycyjne zastosowanie obrazowania termicznego charakteryzuje się ograniczoną migawką, która niekoniecznie obejmuje wszystkie główne obszary rozdzielnicy, a w niektórych przypadkach nie pokazuje ona nawet najważniejszych szyn. Jednak nowa technologia firmy Eaton w sposób ciągły monitoruje trendy temperatur w krytycznych punktach i bezprzewodowo wysyła dane do oddzielnego kontrolera, umożliwiając inżynierom analizowanie poziomu ciepła z wybranego okresu czasu i przeprowadzenie dalszych badań lub konserwacji prewencyjnej.

Wieloletnie doświadczenie firmy Eaton w zakresie bezpieczeństwa przełączników zostało dodatkowo potwierdzone przy opracowaniu systemu ochrony przed zwarciami łukowymi Arcon, który wyłącza rozdzielnicę w czasie dwóch pierwszych milisekund, aby zminimalizować szkody. Reagując znacznie szybciej niż powszechnie akceptowane ramy czasowe od 15 do 30 milisekund, system ogranicza poziom uszkodzeń.

Aby ocenić poziom ryzyka i odpowiednio zareagować, eksperci z firmy Eaton zalecają, aby odpowiednie osoby zarządzające w budynkach komercyjnych o krytycznym znaczeniu energetycznym przeanalizowały szereg zasadniczych pytań:

• Jakie są techniczne skutki awarii zespołu rozdzielnicy?
• Jak duże są szkody w następstwie takiej awarii?
• Jakie są możliwe skutki awarii zespołu rozdzielnicy dla obsługujących go pracowników?
• Jak poważne są szkody dla dobrego wizerunku firmy z powodu niedotrzymania terminów dostaw?
• Jakie są skutki awarii zespołu rozdzielnicy dla środowiska?

Studium przypadku

Firma Eaton pomogła zwiększyć niezawodność, bezpieczeństwo i ochronę personelu w największej placówce produkcyjnej Airbus w Niemczech poprzez unowocześnienie części jednostki rozdzielczej niskiego napięcia zgodnie z najnowszymi standardami. Firma zarządzająca energią została poproszona o dostarczenie kompleksowego rozwiązania obejmującego monitorowanie rozdzielnic, ciągłą kontrolę temperatury w krytycznych punktach wewnątrz szaf oraz systemu ochrony przed zwarciami łukowymi.

Instalacja tego rozwiązania, w dziewiątej hali zakładów Airbus w Hamburg-Finkenwerder, zapewnia zespołowi ds. utrzymania i energii firmy kompleksową wiedzę na temat funkcjonowania niskonapięciowego systemu dystrybucji energii, tak aby można było szybko wykryć, przeanalizować i naprawić potencjalne problemy takie jak nadmiar prądu, rozładowanie napięcia, przeciążenie lub zwarcia łukowe. Pomaga to zapewnić maksymalną niezawodność zasilania, a także ochronę pracowników przed wszelkimi zwarciami łukowymi.

Zakład, który specjalizuje się w końcowym montażu maszyn A320, działa 24/7 i jego praca zależy od maksymalnej niezawodności systemu technicznego.

System diagnostyczny Eaton do badania temperatury pozwala na ciągłe jej monitorowanie w krytycznych obszarach rozdzielnicy. System ten oparty jest na kontrolerze diagnostycznym i autonomicznych czujnikach temperatury do monitorowania wszystkich szyn i punktów połączeń, jak również na uniwersalnych czujnikach temperatury dla wszystkich innych miejsc pomiarowych. W ramach projektu w rozdzielnicy dla dziewiątej hali zainstalowano prawie 80 czujników temperatury. W przypadku odchyleń od normy, system generuje ostrzeżenie o trwającym błędzie lub wyzwala alarm, jeśli przekroczone zostaną określone wartości graniczne.

Aby wzmocnić główną jednostkę dystrybucji energii pod kątem bezpieczeństwa personelu, zainstalowano również system ochrony przed zwarciami łukowymi Arcon firmy Eaton.