Opublikowano: 11.04.2023
Poprawiono: 13.03.2025
Ukad PELV w instalacjach elektrycznych maszyn
Streszczenie
Układ PELV jest środkiem ochrony przeciwporażeniowej stosowanym powszechnie w obwodach sterowniczych maszyn. Równie powszechne jest ignorowanie i/lub nieznajomość wymagań stawianych układowi PELV.
Zasadniczą cechą decydującą o bezpieczeństwie elektrycznym układów PELV, jest separacja od napięć niebezpiecznych. W maszynach wyposażonych w sterowniki PLC lub inne urządzenia sterujące, jest to szczególnie ważne, ze względu na interfejsy i złącza posiadające dostępne dla dotyku części czynne układu PELV.
1. Dlaczego należy stosować układ PELV w instalacjach elektrycznych maszyn
Zgodnie z wymaganiami normy na bezpieczeństwo maszyn PN-EN 60204-1:2010, wyposażenie elektryczne maszyn, powinno zapewniać ochronę przed porażeniem elektrycznym, powodowanym:
• dotykiem bezpośrednim,
• dotykiem pośrednim.
Ochrona podstawowa (ochrona przed dotykiem bezpośrednim) zapewnia ochronę w warunkach normalnych, a ochrona przy uszkodzeniu (ochrona przed dotykiem pośrednim) zapewnia ochronę w warunkach pojedynczego uszkodzenia.
Jest to zgodne z podstawową zasadą ochrony przed porażeniem elektrycznym, podaną w normie na ochronę przeciwporażeniową PN-EN 61140:2005, zgodnie z którą części czynne niebezpieczne nie mogą być dostępne, a części przewodzące dostępne nie mogą być niebezpieczne w warunkach normalnych i w warunkach pojedynczego uszkodzenia.
Układ PELV (ang. Protective extra low voltage), zasilany ze źródła bezpiecznego, bardzo niskim napięciem (ELV – ang. Extra low voltage) o wartości uznawanej za dopuszczalną długotrwale w danych warunkach środowiskowych, stanowi ochronę zarówno przed dotykiem bezpośrednim, jak i przed dotykiem pośrednim. Układ PELV jest wymagany dla maszyn w normie PN-EN 60204-1:2010 (pkt. 6.1) i jeżeli nie może być zastosowany, może być zastąpiony innymi środkami ochrony wybranymi z IEC 60364-4-41.
Obwody układu PELV w odróżnieniu od obwodów układu SELV (ang. Security extra low voltage) mają jeden biegun uziemiony, poza tym, oba układy są zasilane ze źródła bezpiecznego, mają separację ochronną od obwodów innych niż SELV/PELV, separację zwykłą od innych obwodów SELV/PELV, a obwody SELV mają dodatkowo separację zwykłą od ziemi.
Jeżeli obwód o napięciu ELV nie spełnia wymagań dla SELV/PELV, to jest obwodem FELV (ang. Functional extra low voltage), który posiada wyłącznie izolację podstawową (separację zwykłą) od innych obwodów i wymaga zastosowania środków ochrony przy uszkodzeniu.
W układzie FELV używa się napięcie obniżone do wartości ELV ze względów funkcjonalnych, pod względem ochrony przeciwporażeniowej obwody FELV uważa się za przedłużenie obwodu zasilającego układ FELV.
Norma na eksploatację urządzeń elektrycznych PN-EN 50110-1:2001, dopuszcza prace pod napięciem bez zabezpieczenia przed dotykiem bezpośrednim w obwodach SELV (pkt. 6.3.9), a w przypadku obwodów PELV lub FELV, odsyła do postanowień krajowych lub przy ich braku, wymaga stosowania środków ochronnych przeznaczonych dla napięć niskich (pkt. 6.3.10). To oznacza, że obwody PELV z uziemionym biegunem, uważa się za mniej bezpieczne, niż obwody SELV o potencjale swobodnym.
W układach PELV, o najniższych przedziałach napięć znamionowych, normy wyrobu nie wymagają ochrony przed dotykiem bezpośrednim, np. norma na urządzenia elektroniczne w instalacjach dużej mocy PN-EN 50178:2003, nie wymaga stosowania ochrony przed dotykiem bezpośrednim, jeżeli napięcie decyzyjne, nie jest wyższe niż 25 V prądu przemiennego, lub 60 V prądu stałego, a urządzenie jest eksploatowane w strefie objętej ochronnymi połączeniami wyrównawczymi (pkt. 5.2.8.1).
Podobne wymagania, choć mniej jednoznacznie sformułowane, znajdują się w normie PN-EN 60204-1:2010 (pkt. 6.4.1), wg nich układ PELV może być stosowany w ochronie przed dotykiem bezpośrednim i dotykiem pośrednim, przy napięciach:
• ≤ 24 V wartości skutecznej prądu przemiennego, lub ≤ 60 V prądu stałego, nietętniącego, jeżeli wyposażenie jest eksploatowane przeważnie w pomieszczeniu suchym i jeżeli nie przewiduje się rozległego zetknięcia części czynnych z ciałem człowieka;
• ≤ 6 V wartości skutecznej prądu przemiennego, lub ≤ 15 V prądu stałego, wolnego od tętnień, w pozostałych przypadkach.
Maszyny są często wyposażone w obwody sterownicze zawierające urządzenia, których zaciski, złącza, interfejsy, wtyki, elektrody itp., mogą być dostępne dla dotyku.
Fotografia 1. Przykład złącza wtykowego zawierającego dostępne dla dotyku części czynne.
W przypadku niebudzących respektu napięć, takich jak napięcie 24 V, należy się dodatkowo spodziewać zamierzonego dotykania części czynnych, w czasie prac konserwacyjno-remontowych.
Jeżeli urządzenie zawiera dostępne dla dotyku części czynne, zasilane napięciem bardzo niskim, a obwody zasilające nie spełniają wymagań dla układów SELV/PELV, zawartych w normach wyrobu, to może oznaczać, że są zasilane z obwodów FELV. W takim przypadku ochrona przeciwporażeniowa jest niewystarczająca i nie zapewnia wymaganej ochrony przed dotykiem pośrednim. Pomiędzy dotykanymi częściami czynnymi, a obwodami o napięciu niebezpiecznym jest tylko izolacja podstawowa.
Pod względem zagrożenia elektrycznego, taką sytuację można porównać do eksploatacji urządzenia zasilanego napięciem niebezpiecznym, klasy ochronności I, z odłączonym przewodem ochronnym!
Przed porażeniem elektrycznym chroni wyłącznie izolacja podstawowa i pojedyncze uszkodzenie, spowoduje pojawienie się niebezpiecznego napięcia na częściach dostępnych.
Jeżeli części czynne obwodów FELV znajdą się w wyniku uszkodzenia izolacji pod napięciem niebezpiecznym, to może to, spowodować uszkodzenie izolacji doziemnej w obwodzie FELV, ze wszystkimi konsekwencjami takimi jak: straty materialne spowodowane uszkodzeniem urządzeń, zagrożenie porażeniem lub obrażeniami u ludzi w wyniku eksplozji wyposażenia.
Jeżeli izolacja doziemna nie zostanie uszkodzona, czego nie można wykluczyć, napięcie niebezpieczne może utrzymywać się długotrwale, zagrażając porażeniem. Przy czym urządzenie może działać poprawnie, pomimo niebezpiecznego potencjału względem ziemi, nie dając objawów niebezpiecznego uszkodzenia.
Jeżeli dotknięte uszkodzeniem urządzenia są połączone z innymi urządzeniami np. poprzez interfejsy danych, pod niebezpiecznym napięciem mogą znaleźć się inne urządzenia i cała sieć transmisji danych, powodując zagrożenie elektryczne w innych miejscach i innych urządzeniach.
W obwodach sterowniczych maszyn, o napięciu znamionowym 24 V prądu stałego, wyposażonych w sterowniki programowalne PLC z dostępnymi częściami czynnymi, stosowanie układu FELV, jest niedopuszczalne!
Norma na sterowniki programowalne IEC 61131-2 wymaga aby dostępne dla operatora interfejsy i porty, były objęte ochroną przed porażeniem elektrycznym. Zgodnie z normą, układ SELV/PELV uważa się, za niestwarzający zagrożenia porażeniem elektrycznym (pkt. 11.2).
Dodatkowo stosowane w układach PELV uziemienie jednego z biegunów, ogranicza zakłócenia elektromagnetyczne, oraz zapobiega niespodziewanemu uruchomieniu urządzeń takich jak łączniki samoczynne, zawory elektromagnetyczne itp., w przypadku podwójnego zwarcia części czynnych z częściami przewodzącymi. Stosowanie takiej ochrony jest zgodne z normą PN-EN 60204-1:2010 (pkt. 4.4.2; pkt. 9.4.3.1)
2. Jak należy stosować układ PELV w instalacjach elektrycznych maszyn
Na Rysunku 1 został przedstawiony przykładowy obwód układu PELV z zaznaczonymi miejscami, w których wymagana jest separacja ochronna. Izolacja powinna być zgodna z normą PN-EN 60664 i/lub właściwymi normami wyrobu. Przy wymiarowaniu izolacji, poza wartością napięcia znamionowego, uwzględnia się również inne parametry i czynniki takie jak, znamionowe napięcie udarowe wytrzymywane (Uimp), poziom przepięć, poziom zanieczyszczenia. Dla obwodów zasilających maszyny przyjmuje się kategorię przepięciową III.
Rysunek 1. Układ PELV z zaznaczonymi miejscami w których wymagana jest separacja ochronna:
1 - źródło zasilania układu PELV,
2 - izolacja pomiędzy przewodami obwodów LV i PELV,
3 - izolacja pomiędzy zestykami głównymi, a cewką i zestykiem pomocniczym (przypadek na rysunku) stycznika,
4 - izolacja wewnętrzna urządzenia.
3. Źródła zasilania
Źródłem zasilania układu PELV może być źródło bezpieczne: transformator bezpieczeństwa, przetwornica bezpieczeństwa, prądnica napędzana silnikiem nieelektrycznym, ogniwo galwaniczne, bateria akumulatorów lub zasilacz o specjalnej konstrukcji.
Fotografia 2. Dane znamionowe zasilacza Phaseo f-my Schneider Electric przeznaczonego do zasilania układów SELV/PELV
Rysunek 2. Symbole graficzne transformatorów bezpieczeństwa:
a) transformator bezpieczeństwa;
b) transformator bezpieczeństwa nieodporny na zwarcie;
c) transformator bezpieczeństwa odporny na zwarcie;
d) transformator bezpieczeństwa bezpieczny w przypadku uszkodzenia;
e) transformator bezpieczeństwa tłumiący zakłócenia;
f) transformator bezpieczeństwa tłumiący zakłócenia, odporny na zwarcie.
4. Przewody
Przewody obwodów należących do układu SELV/PELV powinny być prowadzone osobno od przewodów innych obwodów, jeżeli jest to niemożliwe, obowiązują zaostrzone wymagania dotyczące izolacyjnego oddzielenia pomiędzy obwodami. Przewody obwodów SELV/PELV powinny być indywidualnie lub wspólnie izolowane na najwyższe występujące w zgrupowaniu przewodów napięcie, w celu osiągnięcia izolacji podwójnej (PN-EN 61140:2005, pkt. 5.3.2). Ta zasada dotyczy również obwodów innych niż SELV/PELV.
Przewody obwodów SELV/PELV można umieścić w uziemionym ekranie w celu osiągnięcia ekranowania ochronnego (PN-EN 61140:2005, pkt. 5.2.3).
Na fotografii 3a jest pokazana listwa instalacyjna, w której zostały ułożone przewody:
• obwodów odrębnych (pomarańczowe) o izolacji na napięcie 300 V;
• obwodów sterowniczych (niebieskie) o izolacji na napięcie 300 V;
• sieci PROFINET (zielony) o izolacji na napięcie 600 V;
• obwodów sterowniczych (żyły przewodu wielożyłowego) o izolacji na napięcie 63 V.
Przewód wielożyłowy na odcinku wspólnym został pozbawiony powłoki izolacyjnej, pojedyncze żyły mają izolację na napięcie 63 V, najwyższe występujące napięcie w zgrupowaniu przewodów wynosi 230 V. Instalacja jest wykonana nieprawidłowo, pod względem oddzielenia izolacyjnego przewodów różnych obwodów prowadzonych wspólnie.
Fotografia 3. Przewody prowadzone w listwie instalacyjnej: a) - nieprawidłowo, b) - prawidłowo.
5. Łączniki
Konstrukcja łączników powinna zapewniać odpowiednie właściwości izolacyjne pomiędzy przyłączonymi obwodami. Pomiędzy obwodami SELV/PELV, a innymi obwodami powinna być stosowana izolacja odpowiadająca izolacji wzmocnionej.
Zgodnie z normą na koordynację izolacji PN-EN 60664-1:2011 izolacja wzmocniona ze względu na przepięcia przejściowe, powinna mieć znamionowe napięcie udarowe wytrzymywane o jeden stopień wyższe niż znamionowe napięcie udarowe wytrzymywane wymagane dla izolacji podstawowej.
Izolacja podstawowa powinna mieć przy kategorii przepięciowej III, znamionowe napięcie udarowe wytrzymywane 4 kV (1,2/50 μs), czyli izolacja wzmocniona powinna mieć znamionowe napięcie udarowe wytrzymywane 6 kV (1,2/50 μs).
Izolacja podstawowa powinna wytrzymywać przepięcia dorywcze:
• Uo + 1200 V AC, przy czasach trwania do 5 s;
• Uo + 250 V AC, przy czasach trwania powyżej 5 s.
Izolacja wzmocniona powinna wytrzymywać podwójne wartości, czyli:
• 230 V + 1200 V · 2 = 2860 V AC, przy czasach trwania do 5 s;
• 230 V + 250 V · 2 = 960 V AC, przy czasach trwania powyżej 5 s
Fotografia 4. Przekaźnik 34.51.7.024.0010 f-my FINDER z wewnętrznymi przegrodami izolacyjnymi
Rysunek 3. Dane katalogowe przekaźnika f-my finder [9]
6. Urządzenia
Urządzenia przyłączone równocześnie do obwodów SELV/PELV i innych obwodów, muszą posiadać wewnętrzną separację ochronną, pomiędzy obwodami SELV/PELV, a innymi obwodami. W dokumentacji technicznej f-my SIEMENS dotyczącej sterownika programowalnego S7-1200, zasilanego napięciem 230 V AC i w którym porty I/O są zasilane napięciem 24 V DC, znajduje się informacja, zgodnie z którą pomiędzy zasilaniem, a obwodami ELV jest zapewniona separacja ochronna:
Rysunek 4. Dane katalogowe sterownika PLC f-my SIEMENS [8]
Rysunek 5. Dane katalogowe sterownika PLC f-my SIEMENS [8]
Bibliografia:
1. PN-EN 60204-1:2010 Bezpieczeństwo maszyn -- Wyposażenie elektryczne maszyn -- Część 1: Wymagania ogólne
2. PN-EN 61140:2005 Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym -- Wspólne aspekty instalacji i urządzeń
3. PN-EN 50178:2003 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy
4. IEC 61131-2:2007 Programmable controllers – Part 2: Equipment requirements and tests
5. PN-EN 60664-1:2011 Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskiego napięcia -- Część 1: Zasady, wymagania i badania
6. E. Musiał Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach niskiego napięcia. Konsekwencje ustanowienia normy PN-HD 60364-4-41:2009
7. E. Musiał Zasilanie i zabezpieczanie obwodów sterowniczych
8. Dokumentacja techniczna firmy SIEMENS – SIMATIC S7-1200 Programmable controller V4.3.0 02/2019
9. Karta katalogowa firmy finder – Seria 34 - Wąski przekaźnik elektromagnetyczny do gniazd i obwodów drukowanych 6 A