Použití proudových chráničů v prostředí se zvýšeným nebezpečím požáru

Požadavky na nové instalace

Pro nové instalace v prostorách se zvýšeným rizikem požáru je nutné brát v úvahu ČSN 33 2000-4-482: Ochrana proti požáru v prostorách se zvláštním rizikem nebo nebezpečím. V čl. 482.1.7 se uvádí, že "soustava rozvodů jiná, než jsou kabely s minerální izolací, a přípojnicové rozvodné soustavy, musejí být chráněny před poruchami izolace v sítích TN a TT pomocí proudových chráničů s I_Δn ≤ 300 mA" (podle čl. 531.2.4 normy IEC 364-5-53). Uvedené ustanovení velmi významně zlepšuje kvalitu ochrany před požáry, které jsou způsobeny zejména plazivými proudy.

Dále se v této normě uvádí, že "tam, kde by snížením kvality izolace mohl vzniknout požár, např. přístropní topení s tenkovrstvými topnými články, musí být I_Δn ≤ 30 mA".

Čl. 482.1.8 zakazuje použití vodičů PEN (s výjimkou vedení, která pouze procházejí těmito nebezpečnými prostory) a čl. 482.1.9 nařizuje odpínání středního vodiče. Tyto podmínky zajišťují zvýšení úrovně bezpečnosti a současně vytvářejí podmínky pro použití proudových chráničů, případně i pro používání jističů s odpínaným středním pólem.

Zde je vhodné zmínit dlouholeté zkušenosti ze zahraničí, zejména z Německa a Rakouska, kde se touto problematikou zabývají velmi podrobně. Důležité a zajímavé informace je přitom možno převzít ze statistik tamních pojišťoven, které detailně sledují všechny pojistné události.

Příčiny vzniku požárů od elektrické instalace

Na základě hodnocení znalců je závada na elektrickém zařízení velmi častým zdůvodněním, proč došlo k požáru. Takto formulovaný závěr se však mnohdy nabízí i v případech, kdy se pravá příčina již ani nedá zjistit, protože oheň zahladil veškeré stopy vedoucí k objasnění příčiny požárů. Není nic jednoduššího, než elektrotechnickým laikům dát vysvětlení, že příčinou byl zkrat v elektrické instalaci, a nikdo proti tomu nic nenamítá, protože většina laiků je podvědomě pod vlivem akčních filmů, kde jsou téměř všechny scény provázeny efektním ohňostrojem jisker. Odborníci však vědí, že při dobře provedeném jištění nepřipadá tzv. dokonalý zkrat jako příčina požáru v normálních podmínkách prakticky v úvahu. Předřazené jističe nebo pojistky totiž dokáží elektrické zařízení s poruchou odpojit během několika milisekund a jimi propuštěná energie není v tak krátkém čase schopna iniciovat požár. Konstrukce moderních jisticích přístrojů navíc musí splňovat podmínky přísných předmětových norem i z hlediska požární bezpečnosti. Pokud parametry jisticího přístroje odpovídají parametrům sítě v daném místě instalace a způsob instalace přístroje odpovídá doporučení výrobce, je riziko vzniku požáru při vypínání zkratového proudu naprosto minimální. Samozřejmě pokud je instalace v nepořádku, vedení je přetěžováno a v bezprostředním okolí rozváděčů (nebo dokonce i v nich!) se nacházejí hořlavé předměty nebo kapaliny, riziko vzniku požáru se významně zvyšuje. V praxi se setkáme i s případy, kdy ve zprávách znalců je vina za vznik požáru v rozváděči jednoznačně přiřčena na vrub vzniku oblouku při vypínání jističe, ale pokud se objektivně a se znalostí materiálů, konstrukce a teplotních poměrů v jističi podíváme na skutečné riziko, skutečnou příčinou požáru nejsou jističe nebo pojistky. Přestože jsou těla přístrojů vyrobena z plastů, jedná se o samozhášivé plasty, a tudíž nehrozí ani jejich hoření (to je možné pouze v případě, kdy je trvale přítomen zdroj tepla). Z hlediska rizika vzniku požáru jsou proto mnohem nebezpečnější tzv. nedokonalé zkraty a nedokonalé spoje s vysokým přechodovým odporem, které dlouhodobě tepelně zatěžují okolí a vedou k únavě a degradaci izolace. Vyhoření nedotažených svorek a izolace na připojených vodičích je velmi častou příčinou lokálního vznícení, ale protože se jedná o dlouhodobější proces, lze tyto problémy během provádění kontrol a revizí dostatečně včas odhalit, například pomocí bezdotykových přístrojů na měření teplot.

Jako zcela specifický druh poruchových proudů se označují tzv. plazivé proudy (angl. leakadge currents), které jsou vlastně unikajícími proudy a jsou samostatně zmiňovány i v elektrotechnických normách. Problém spočívá v tom, že většina kabelů používá izolaci z měkčeného PVC, která při zvýšené teplotě a vlivem působení UV záření postupně tvrdne, protože dochází k uvolňování změkčovadel z plastu. Tím dochází ke vzniku mikrotrhlinek v izolaci. Vlivem poruch celistvosti izolace může z fázových vodičů prostřednictvím nečistot a vzdušné vlhkosti v trhlinkách unikat do okolí proud. Pokud se k uvedenému jevu přičtou vibrace nebo mechanické namáhání, riziko vzniku plazivých proudů narůstá. V případech, kdy by mohl i poměrně malý plazivý proud způsobit lokální oteplení izolace nebo hořlavého okolí a být příčinou požáru, je nutné použít kvalitní izolace kabelů, a navíc i proudový chránič, který je schopen průběžně kontrolovat i poměrně malé unikající proudy. Z tohoto důvodu se v ČSN 33 2000-4-482 zmiňuje i možnost přednostního použití kabelů s kovovým pláštěm, který by měl být uzemněn, a tím se vlastně cíleně omezí výše uvedené riziko.

V závislosti na typu jsou proudové chrániče schopny přenášet prakticky jakkoli vysoké pracovní proudy a na jejich funkci nemá vliv ani nerovnoměrná zátěž v jednotlivých fázích. Vedle klasických kompaktních přístrojů s proudy běžně do 100 A je možno použít i proudové chrániče s nepřímým vypínáním pro jmenovité proudy stovek až tisíců ampér. Podle konstrukce můžeme tyto přístroje sloužící pro tzv. diferenciální ochranu dělit na přístroje vypínající při vzniku reziduálního proudu (RCD - Residual Current Device) a přístroje pro monitorování izolačního stavu instalace (RCM - Residual Current Monitoring Device), které při dosažení nastavené hodnoty pouze hlásí nastalý poruchový stav. V případě potřeby je možno je využít i pro vypínání výkonového jističe či vypínače. Z hlediska trvalé a samočinné ochrany instalace přicházejí v úvahu ponejvíce proudové chrániče (RCD), které po překročení určité hodnoty unikajícího proudu vypnou napájení. Jak již bylo uvedeno, citlivost proudových chráničů je v prostorách s nebezpečím požárů omezena hodnotou 300 mA, která je odvozena z výsledků mnoha měření. Bylo zjištěno, že pro zapálení dřeva, slámy, sena a dalších obvyklých hořlavých hmot postačuje ztrátový výkon od 20 do 100 W. Jako průměrná hodnota se uvažuje asi 60 W, což odpovídá reziduálnímu proudu 0,26 A. Z tohoto důvodu se předepisuje použití proudových chráničů s citlivostí právě do 300 mA. Vzhledem k toleranci vybavovacích proudů (0,5 až 1násobku jmenovitého reziduálního proudu) nepřesahuje ztrátový výkon 40 W. V běžných instalacích s relativně malými trvalými unikajícími proudy je samozřejmě možno použít i citlivost 100 mA.

Příčiny porušení izolace vedení a kabelů

Hlavní příčinou porušení izolace, tedy i vzniku plazivých proudů, je tepelné a mechanické namáhání. Po čase dochází k usazení nečistot na povrchu izolace a při následném kolísání okolní teploty a vzdušné vlhkosti se vytvářejí předpoklady pro vznik plazivých proudů na povrchu izolace, případně i pro vznik výbojů (vliv přepětí). Plazivé proudy s následkem lokálního přehřátí vznikají i v případech poškození izolace zvířaty především v zemědělství a dále v dutých prostorách budov (půdní meziprostory, kanály, šachty apod.), kde hlodavci narušují izolaci až na holé vodiče. Dalším zdrojem vzniku požáru jsou neodborně zakryté svorkovnice, kde vodivé části jsou v poměrně malých vzdálenostech a při velkém znečištění nejsou splněny podmínky pro izolační oddělení, které jsou výrobcem garantovány pouze pro určitý stupeň znečištění. V ČSN 33 2000-4-482 je stanoveno (čl. 482.1.3), že v prašných prostorách je nutné dodržet stupeň krytí minimálně IP 5X. Pro prostory s nebezpečím požáru platí obecné pravidlo, že by zde neměly být umisťovány žádné spínací a jisticí přístroje, které nesplňují požadavek na stupeň krytí (např. jističe a proudové chrániče splňují požadavek pouze pro IP 20).

V prašném prostředí vzniká i nadměrné ukládání prachu, zhoršuje se chlazení, a tím se zvyšuje vnitřní teplota elektrických zařízení. Toto je zmíněno hned v několika technických normách, uveďme například čl. 482.1.2 z citované normy, kde je na tuto skutečnost výslovně upozorněno. Nízká zápalná teplota snadno hořlavých látek (bavlněný prach, piliny, seno, sláma) vytváří velké nebezpečí požáru, a proto je v těchto případech nutné zajistit pravidelné odstraňování usazeného prachu a elektrická zařízení provozovat s nižší povrchovou teplotou. Protože se o problému vzniku požáru od narušené elektrické instalace u nás vědělo již v minulosti, byly proudové chrániče s citlivostí 100 mA již v sedmdesátých letech minulého století povinně používány v textilních provozech, kde byla zpracovávána zejména bavlna.

Na závěr výčtu rizik souvisejících s nebezpečím vzniku požáru od plazivých proudů je třeba uvést i negativní vliv přepětí na dlouhodobou životnost izolace. Zejména u budov s přívodním vzdušným vedením, kde doposud nejsou použity svodiče přepětí, je vznik lokální poruchy stárnoucí izolace jen otázkou času. Pokud se jedná o provozy pro skladování lehce hořlavých materiálů, existuje zde zvýšené riziko vzniku plazivých proudů přes trhlinky v izolaci.

Popsané procesy mohou trvat velmi dlouho a často je nelze odhalit ani podrobnou prohlídkou nebo měřením. V okamžiku měření izolačního odporu může mít narušené místo dobrý izolační stav (vyschnutí působením okolní teploty, vzduch s nízkou vlhkostí, příznivá doba pro provedení měření). Stav zařízení je proto při revizi vyhodnocen jako dobrý, ačkoliv se na něm vyskytuje skrytá závada, která se projeví náhodně a většinou v nejméně vhodnou dobu.

Zahraniční praxe

Obr. 1 Požár zámku Hofburg, Vídeň (1992)

Požadavek na použití proudových chráničů souvisí s výběrem a provedením instalací v prostorách se zvýšeným nebezpečím vzniku požáru. Při uvádění tohoto ustanovení do praxe musíme brát v úvahu vlastnosti zpracovávaných nebo skladovaných materiálů, jakými jsou hořlavé materiály a nahromaděný hořlavý prach (truhlárny, papírny, textilní továrny atd.). Vzhledem k tomu, že německé předpisy v mnohém předbíhají i požadavky uvedené v normách IEC a EN, můžeme se jimi inspirovat, protože se s nimi postupně setkáváme i u nás (viz obdobné číslování článků IEC). Například norma DIN VDE 0100 v části 720 pojednává o způsobech ochrany kabelů a vedení před poškozením. Při projektování a realizaci instalací budov konstruovaných převážně z hořlavých materiálů musíme dbát zvýšené opatrnosti. Na tomto místě je vhodné upozornit na velmi častý případ ukládání vedení do tzv. dutých stěn, které jsou řešeny jako sádrokartonové nebo dřevěné dělicí příčky s nosnou dřevěnou konstrukcí. Zde se můžeme inspirovat částí 730 (VDE DIN 0100): Pokládání kabelů a vedení v dutých stěnách a budovách z převážně hořlavých materiálů. Do rozsahu platnosti této normy spadají například prefabrikované dřevěné domy, chaty, dřevěné stropy a stěny, dřevěná obložení, hořlavé tepelné izolace a duté stěny. Obdobnou cestou se ubírají i rakouské předpisy pro instalace na hořlavých podkladech. Výsledkem je skutečnost, že pro všechny nové a rekonstruované obytné budovy je předepsáno povinné použití proudových chráničů s citlivostí 300 mA na vstupu instalace. Na rozdíl od naší legislativní praxe je uvedené ustanovení povýšeno na úroveň zákona a její plnění je tedy právně vymáhatelné. Vedle výše zmíněných případů zaměřených na ochranu průmyslových a obytných prostor však musíme stejně seriózně posuzovat i možná rizika v dalších místech s ohrožením nenahraditelných předmětů (muzea, galerie, knihovny, depozitáře, historické budovy atd.) a rovněž v prostorách, jakými jsou výstaviště, divadla, diskotéky, nákupní centra atd., kde by při vzniku požáru nastalo ohrožení osob. Vyjdeme-li ze zahraniční praxe, tak se o plnění předepsaných a doporučených pravidel nejdůsledněji starají pojišťovny, které mají na každou oblast vypracovány směrnice, o jejichž dodržování se starají jejich specialisté. Jako základ se berou platné elektrotechnické předpisy v daném státu. Například statistiky příčin požáru svazu pojišťovatelů silnoproudých zařízení z Německa ještě před dvanácti lety vykazovaly, že asi 18 % všech požárů bylo způsobeno závadami na elektrických zařízeních. Dnes se tento podíl dostal na úroveň kolem 10 %. Z hodnocení sdružení pojišťovatelů vyplývá, že toto zlepšení je důsledkem jak obecné protipožární prevence vykonávané v minulosti (lepší výběr typů kabelů, stupeň krytí spotřebičů, způsoby uložení atd.), tak i toho, že se ve stále větší míře začaly cílevědomě používat proudové chrániče. Vzhledem k tomu, že se tímto opatřením vylepšuje i ochrana neživých částí celé instalace, lze tento požadavek bez větších problémů obecně akceptovat. Při použití selektivního typu proudového chrániče (300 mA), který se používá pro omezení nežádoucího vybavení, je takto splněna i podmínka selektivního vypínání poruchy v případě vzniku poruchy za některým z citlivějších proudových chráničů (30 mA).

Jako další informace je možné použít podklady z Rakouska. Pojišťovny zde ročně zaplatí kolem 190 milionů euro za ztráty způsobené požáry soukromého majetku. Přitom polovina všech požárů byla podle posudků znalců způsobena od přímých a nepřímých úderů blesku a dále od plazivých proudů. Jako zajímavost se uvádí, že příčinou požáru zámku Hofburg ve Vídni v roce 1992 a rovněž i požáru Anenské knihovny ve Wiemaru v roce 2004 byla závada na elektrické instalaci s podezřením právě na plazivé proudy.

Volba charakteristiky proudových chráničů

Obecně platí, že vhodnou volbou typu proudového chrániče je možné řešit mnoho problémů s nežádoucím vypínáním proudových chráničů. To je však pravda jen v případech, kdy ke změně hodnoty reziduálního proudu dochází náhle a jedná se o změny v řádech milisekund. Použitím zpožděných typů lze účinně snížit počet nežádoucích vypnutí, ovšem v případech, kdy potřebujeme sledovat pomalu se měnící unikající proudy, jakými jsou právě plazivé proudy, nemá volba charakteristiky žádný význam. Rozhodujícím parametrem je pouze hodnota jmenovitého reziduálního proudu (nebo přesněji řečeno pracovní vypínací proud).

Zvláštním případem, se kterým se v praxi setkáváme stále častěji, jsou provozy, kde se musí povinně použít proudové chrániče s citlivostí do 300 mA, ale použité spotřebiče způsobují vybavování i těchto relativně málo citlivých proudových chráničů. Zmíníme se proto o nejčastějších případech.

Proudový chránič v instalacích s dřevoobráběcími stroji

Poměrně časté jsou dotazy na provedení instalace s proudovými chrániči v truhlářských dílnách, kde je vždy vysoké riziko vzniku požáru od usazeného dřevěného prachu. V těchto prostorách se podle ČSN 33 2000-3 jedná o prostředí BE2 (s nebezpečím požáru, podle starší, dnes již neplatné ČSN 33 0300 se jednalo o prostředí prašné). Dřevoobráběcí stroje jsou většinou umístěny v prostředí s vnějšími vlivy BE2N2, tudíž pro tento případ platí požadavek ČSN 33 2000-4-482, čl. 482.1.7 a. Zde se často setkáváme s dotazem, zda není možné najít řešení bez použití proudového chrániče, protože panuje obava z nežádoucího vypínání vlivem unikajících proudů. Vynechání proudového chrániče je možné připustit pouze tehdy, jestliže by prostor kolem kabelů byl tak těsně uzavřen, že by jej bylo možno kvalifikovat jako prostor, který je od prostoru dílny zcela oddělený (například spojený s prostorem mimo dílnu), aby nedocházelo k nežádoucímu usazovaní hořlavých prachů. Vzhledem k tomu, že toto provedení nelze tak snadno zajistit u všech přívodů k jednotlivým zařízením, uvedená možnost se v podstatě omezuje na výjimky a instalace proudového chrániče s citlivostí do 300 mA je vyžadována. Pak nezbývá než provést měření hodnoty unikajících proudů ochranným vodičem a při překročení hodnoty asi nad 1/3 I_Δn (tj. nad 100 mA) a případně provést rozdělení na více samostatných obvodů se samostatnými proudovými chrániči.

Obr. 2 Vznik unikajícího zemního proudu při použití frekvenčních měničů

Mezní proudy unikající ochranným vodičem elektrického zařízení jsou uvedeny v ČSN EN 61140 ed. 2 z roku 2003. Z čl. 7.5.2 této normy plyne, že pro zařízení, jejichž unikající proud je větší než minimální reziduální proud, který by mohl způsobovat vybavení proudového chrániče s I_Δn ≤ 300 mA, vyplývá, že se musí jednat o trvale připojená elektrická zařízení se zesíleným ochranným vodičem, přičemž maximální hodnoty proudu ochranným vodičem (které však nesmějí překročit 5 % jmenovitého napájecího, tedy fázového proudu) by měly stanovit výrobkové komise. Výrobkovými komisemi se rozumí výrobkové technické normalizační komise mezinárodních nebo evropských normalizačních organizací. Ty by také měly zvážit, že z důvodů ochrany může být instalace vybavena přístroji na reziduální proud, kdy proud ochranným vodičem musí být v souladu s uplatňovanými ochrannými opatřeními. Takže otázka uplatnění uvedeného proudového chrániče s I_Δn ≤ 300 mA, jak jej předepisuje ČSN 33 2000-4-482, by měla být pro zařízení s velkými proudy ochranným vodičem projednána normalizační komisí. Řešení s použitím transformátoru s oddělenými vinutími, které nabízejí pro případ nesplnění uvedeného požadavku ČSN 33 2000-4-482 a ČSN EN 61140 ed. 2, nelze z praktického hlediska považovat za vhodné řešení. Pokud nelze vedení ke stroji již od začátku rozdělit na několik přívodů k různým sekcím stroje, které by byly samostatně chráněny proudovým chráničem s I_Δn = 300 mA, pak zbývá jen provedení přívodu ke stroji kabelem s minerální izolací, jak se uvádí v ČSN 33 2000-4-482. V tomto případě však nastává problém s dostupností těchto kabelů, nicméně jiné řešení se dosud nenabízí.

Obr. 3 Frekvenční charakteristika proudového chrániče typu U

Pokud bereme v úvahu pouze běžné pracovní, resp. truhlářské stroje poháněné asynchronními nebo univerzálními komutátorovými motory, nevzniká zde žádný větší problém s použitím chráničů s citlivostí 300 mA, protože celkový svodový proud ochranným vodičem je dán součtem poměrně malých unikajících proudů jednotlivých spotřebičů a instalace. Poměrně větší problémy přicházejí v úvahu v nových instalacích s frekvenčními měniči, které se používají pro regulaci otáček asynchronních motorů s výkony v jednotkách až desítkách kW. Při regulaci otáček se v napájecích obvodech zvyšuje poměr proudů vyšších harmonických, ale ty je nutné eliminovat použitím vhodných filtrů. Svodový zemní proud odváděný filtrem do země se proudovému chrániči jeví jako reziduální proud a při překročení určité hodnoty dojde k jeho vypnutí. V důsledku toho může docházet k vybavení i za normálního provozního stavu a provozovatel se oprávněně ptá, jak tuto situaci řešit, aby dané zařízení vyhovělo požadavkům norem, ale zároveň se dalo vůbec provozovat k účelu, pro který bylo zakoupeno.

Uvedenou situaci je možno do určité míry řešit i použitím speciálních typů proudových chráničů s charakteristikou U, které jsou schopny kompenzovat změny nárůstu unikajících proudů odrušovacích filtrů a tím podstatně snížit počet nežádoucích vybavení. Jedná se o proudové chrániče, které mění svůj vybavovací proud v závislosti na frekvenci. Při jmenovité frekvenci sítě má proudový chránič vlastnosti selektivního typu (vypínací charakteristika S s dobou nepůsobení minimálně 40 ms) a typu A (citlivost na pulzující stejnosměrný proud). Při zvýšení nebo snížení frekvence se jeho citlivost snižuje, což kompenzuje nárůst unikajícího proudu. Přestože se proudové chrániče typu U nabízejí poměrně krátce, praktické zkušenosti s jejich použitím jsou velice dobré, protože při jejich nasazení téměř vymizelo nežádoucí vypínání.

Popsaná problematická situace by se měla pro opodstatněné případy zjednodušit, pokud bude přijat návrh připravované normy IEC 60364-4-42, která přebírá znění doposud platné normy IEC 60364-4-482 a doplňuje je o některá nová ustanovení. Připouštěla by se i možnost, že rozvody uzavřené v krytech se stupněm ochrany alespoň IP 4X nemusí být chráněny proudovými chrániči. Tomu by vyhovovalo například provedení instalace v chráničkách nebo trubkách, které zamezí ukládání prachu přímo na kabely a tím se eliminuje riziko vzniku plazivých proudů. Připomíná to situaci, kdy bylo v minulosti předepisováno povinné nasazení citlivých proudových chráničů u všech zásuvkových obvodech ve staveništních rozváděčích a teprve až po několika letech diskusí došlo k potřebným změnám s ohledem na citlivost, které odpovídaly reálným provozním podmínkám.

Závěr

Ochrana před vznikem požáru od elektrické instalace si jistě zasluhuje patřičnou pozornost a při respektování požadavků platných norem je možno významně omezit rozsah škod. Nelze tvrdit, že použití proudových chráničů je samospasitelné. Vezmeme-li v úvahu i zpřísňující se požadavky na používání požárních hlásičů, jsou proudové chrániče jednou ze součástí stále se zlepšujícího systému prevence před požáry.

Literatura:

ČSN 33 2000-4-482:2000: Ochrana proti požáru v prostorách se zvláštním rizikem nebo nebezpečím
ČSN 33 2000-3:1995: Stanovení základních charakteristik (Vnější vlivy)
IEC60364-4-42 (návrh)
INEL Praha - internetové diskusní fórum
Katalog Moeller 2007 - Instalační přístroje a rozváděče