Ratownictwo i ochrona ludności

Instalacje fotowoltaiczne – jak gasić?

Kategoria: Ratownictwo i ochrona ludności

Systemy fotowoltaiczne są w naszym kraju coraz popularniejsze. Niestety, nie ma jasnych wytycznych, które wskazywałyby, jak postępować w czasie pożaru budynków z instalacją fotowoltaiczną.

Instalacja fotowoltaiczna (zwana w skrócie PV) służy do produkcji energii elektrycznej przy wykorzystaniu energii promieniowania słonecznego. Składa się najczęściej z: paneli fotowoltaicznych, konstrukcji nośnej (na dachu lub gruncie), okablowania, inwertera (urządzenia zamieniającego prąd stały na zmienny, nazywanego również falownikiem), zabezpieczeń po stronie prądu stałego i zmiennego oraz urządzeń magazynujących energię (akumulatorów).

Systemy PV

Panele fotowoltaiczne wytwarzają napięcie zawsze wtedy, gdy pada na nie promieniowanie świetlne (słoneczne lub światło sztuczne). Rano i wieczorem napięcie jest mniejsze lub nawet zerowe, w ciągu dnia osiąga wartości maksymalne. W dni pochmurne lub bardzo mgliste będzie się obniżało lub spadało do zera. W nocy panele nie generują napięcia, ale należy pamiętać, że oświetlenie instalacji najaśnicami strażackimi może spowodować jego wzrost do wartości niebezpiecznych.

Panele łączy się szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle. Pojedynczy panel, w zależności od mocy, wytwarza około 40-60 V napięcia stałego. Instalacja złożona z 20 paneli połączonych szeregowo może w odpowiednich warunkach wytworzyć napięcie nawet ok. 800 V. W niektórych systemach oscyluje ono w okolicach 1000 V. Są to już wartości bardzo niebezpieczne dla życia i zdrowia. Prąd z paneli płynie przewodami do inwertera, który zamienia napięcie stałe na napięcie zmienne, wykorzystywane w domach. Następnie, obniżone przez inwerter do wartości 230 V lub 400 V, płynie przez zabezpieczenia do urządzeń elektrycznych, licznika energii elektrycznej i akumulatorów (jeśli magazynujemy energię). Ewentualne nadwyżki energii oddawane są do sieci elektroenergetycznej. W domach jednorodzinnych inwerter najczęściej znajduje się na zewnętrznej ścianie budynku, rzadziej w kotłowniach czy garażach. W budynkach wielkopowierzchniowych, np. szpitalach, może zostać zainstalowany bezpośrednio na dachu, w pobliżu paneli.

Rozróżnia się trzy rodzaje systemów PV:

  • on-grid – system podłączony do sieci elektroenergetycznej, w którym niewykorzystana energia trafia do sieci lub magazynowana jest w akumulatorach,

  • off-grid – system niepodłączony do sieci, energia wykorzystywana jest na bieżąco, ewentualne nadwyżki magazynowane są w akumulatorach,

  • hybrydowy – system składający się z paneli fotowoltaicznych, do którego można podłączyć inne odnawialne źródła energii, np. turbiny wiatrowe.

    Rodzaj systemu PV nie ma znaczenia dla bezpieczeństwa podczas akcji gaśniczej. Trzeba pamiętać, że w każdym istnieje ryzyko porażenia prądem stałym.

     

 rys 1

rys. 1. Przykładowy schemat systemu PV

 

rys 2  

rys. 2. Inwerter (po lewej) i skrzynka z zabezpieczeniami po stronie DC (po prawej). Z tyłu panele ustawione w pionie oraz widoczne wtyczki i przewody je łączące

Zanim zaczniemy gasić

Instalacje fotowoltaiczne, jak każdy system produkujący prąd, mogą ulec zapaleniu. Zwarcie w instalacji, uderzenie pioruna bądź nieumiejętne jej rozłączanie to najbardziej prawdopodobne przyczyny pożaru. Zwarcie może też nastąpić w panelach fotowoltaicznych, jeśli są słabej jakości, a także wówczas, gdy niewłaściwie dobrano zabezpieczenia elektryczne całego systemu. Pozostałe przyczyny pożaru są już związane głównie z niewłaściwym zabezpieczeniem instalacji prądu stałego (DC) instalacji PV, np. źle dobranymi przewodami, wtyczkami złej jakości, które mogą ulec zapaleniu, lub brakiem jakichkolwiek zabezpieczeń, typu bezpieczniki czy wyłączniki.

Wszystkie przewody na dachu są przewodami prądu stałego DC (chyba że inwerter znajduje się na dachu budynku, wówczas mamy też przewody z napięciem zmiennym). Prowadzą one do inwertera. A od niego, w kierunku sieci energetycznej, biegną już przewody AC, czyli prądu zmiennego.

rys 3  

rys. 3. Płyta czołowa inwertera z widocznymi wartościami napięć po stronie DC 534V i AC 233V

Instalacje PV powinny być zabezpieczane m.in. przez instalację odgromową i przeciwprzepięciową, a także rozłączniki bezpiecznikowe i wyłączniki. Wielu inwestorów niestety rezygnuje z tego, by obniżyć koszty inwestycji, co często może skutkować awarią lub pożarem.

Strażacy po przyjeździe na miejsce pożaru muszą, zgodnie z procedurami, wyłączyć w budynkach jednorodzinnych główny wyłącznik prądu, a w obiektach przemysłowych i użyteczności publicznej – przeciwpożarowy wyłącznik prądu. Właściciel, zarządca lub osoba przez niego wyznaczona powinni poinformować kierującego działaniem ratowniczym (KDR) o wyposażeniu budynku w alternatywne źródła zasilania (samoczynne załączenie rezerwy – agregat prądotwórczy, instalacja fotowoltaiczna lub inne). Informacja ta jest kluczowa dla podjęcia decyzji o sposobie dalszego prowadzenia akcji gaśniczej oraz zastosowaniu środków gaśniczych (woda, piana, proszek gaśniczy, dwutlenek węgla). Jeśli na miejscu nie ma właściciela lub zarządcy, KDR powinien dokładnie przeprowadzić rozpoznanie wkoło budynku, aby upewnić się, czy jest on wyposażony w wyżej wymienione instalacje generujące napięcie. Co ważne, wyłączenie głównego zasilania w budynku wyposażonym w instalację fotowoltaiczną nie powoduje zaprzestania generowania napięcia stałego po stronie paneli PV. Strażacy powinni więc postępować tak, jakby instalacja w budynku znajdowała się pod napięciem (urządzenia elektryczne gasić gaśnicami proszkowymi zgodnie z instrukcją, nie dotykać wystających, nadpalonych przewodów itp.)

Warto wiedzieć, że najmniejsza niebezpieczna wartość prądu płynącego przez ciało człowieka przez dłuższy czas to 30 mA w przypadku prądu przemiennego lub 70 mA, gdy jest to prąd stały. W praktyce jednak częściej od minimalnej niebezpiecznej wartości prądu operuje się pojęciem najwyższej dopuszczalnej wartości bezpiecznego napięcia dotykowego, które może się długotrwale utrzymywać w określonych warunkach środowiskowych. W normalnych, tzw. suchych warunkach (suche podłoże, suche ubranie, sucha skóra), dopuszczalna wartość bezpiecznego napięcia dotykowego wynosi 50 V dla napięcia zmiennego (AC) i 120 V dla napięcia stałego (DC) a jeśli jest mokro – 25 V AC i 60 V DC. Zauważmy, że na instalacji PV napięcie stałe może osiągać w dzień wartości rzędu kilkuset woltów, co przekracza dopuszczalne wartości bezpieczne.

Każda instalacja powinna mieć zabezpieczenia pozwalające w razie pożaru odłączyć inwerter od paneli fotowoltaicznych i od sieci energetycznej. Rozłączenie takie powinno gwarantować przerwę w obwodach zarówno po stronie prądu stałego, jak i po stronie prądu zmiennego. W pierwszej kolejności należy wyłączyć obciążenie za pomocą wyłączników nadprądowych lub rozłączników prądów roboczych po stronie zasilania budynku (główny wyłącznik prądu) lub bezpieczników znajdujących się w rozdzielnicy bezpiecznikowej budynku, a następnie wyłączyć prądy robocze po stronie prądu stałego, np. wyłącznikiem PKZ SOL 16A, który powinien znajdować się w skrzynce obok inwertera. Zastosowanie rozłącznika bezpiecznikowego, na przykład Tytan II 63A 3p, dla każdego stringu (pojedynczy obwód złożony np. z 10 paneli połączonych szeregowo) również gwarantuje (poprzez wyciągnięcie wkładek bezpiecznikowych) widoczną przerwę w obwodach stałoprądowych. Należy jednak pamiętać, że po stronie DC, mimo rozłączenia instalacji PV, na zaciskach przewodów łączących moduły PV będzie występowało napięcie wynoszące kilkaset woltów!

W trakcie pożaru

Niestety, obecne ustawodawstwo oraz standardy nie są w stanie dotrzymać kroku gwałtownemu rozwojowi tej technologii. Nie ma w Polsce przepisów, które obligowałyby do tego, by każdy budynek mający instalację fotowoltaiczną został wyposażony w gaśnicę proszkową, umieszczoną obok falownika i urządzenia zabezpieczające instalację PV.

Pożar może powstać np. w garażu czy kotłowni, gdzie znajduje się inwerter, do którego dochodzą przewody (prądu stałego z paneli) z dachu. Takie urządzenia można gasić gaśnicą proszkową (przeznaczoną do gaszenia urządzeń elektrycznych). Osoba przeszkolona (właściciel instalacji) powinna w pierwszej kolejności odłączyć napięcie w budynku oraz wyłączyć inwerter i zabezpieczenia prądu stałego instalacji PV, jeśli to możliwe. Następnie zaś powinna podjąć próbę ugaszenia pożaru w zarodku za pomocą gaśnicy, po czym wezwać straż pożarną. Jeśli nie ma możliwości odłączenia instalacji, należy wezwać pogotowie energetyczne.

KDR, aby nie narazić strażaków na niebezpieczeństwo porażenia prądem, powinien zawsze dokonać rozpoznania pod kątem obecności instalacji fotowoltaicznej na dachu płonącego budynku. Powinien także wziąć pod uwagę, że instalacje PV znajdujące się na budynkach pobliskich (garażu, budynku gospodarczym, stodole) mogą być połączone z budynkiem objętym ogniem. Należy wówczas zlokalizować elementy systemu, takie jak inwerter czy zabezpieczenia prądu stałego, na tych właśnie budynkach.

Strażacy powinni być wyposażeni w sprzęt i środki gaśnicze służące do gaszenia obiektów będących pod napięciem. KDR musi określić, jakim sprzętem ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym (buty, rękawice, drążki, podesty dielektryczne) ma posługiwać się strażak w czasie działań ratowniczo-gaśniczych.

Należy skontaktować się z firmą, która zamontowała instalację fotowoltaiczną na dachu (jeżeli jest taka możliwość). Dane kontaktowe powinny być umieszczone obok głównego wyłącznika prądu. Kontakt taki, a nawet przyjazd na miejsce pożaru przedstawiciela firmy może znacznie usprawnić działania gaśnicze, szczególnie w przypadku obiektów, na których zamontowane są instalacje dużej mocy o rozbudowanych konstrukcjach.

Większość pożarów, z którymi mają do czynienia strażacy, to pożary wewnętrzne, w których podanie prądów wody nie wiąże się z zagrożeniem ze strony przewodów prądu stałego instalacji PV (o ile nie są zainstalowane w budynku). W sytuacji swobodnego rozwoju pożaru i przedostania się go na dach, na którym zamontowana jest instalacja fotowoltaiczna, zagrożenie to zwiększa się, ponieważ ogień i wysoka temperatura mogą doprowadzić do uszkodzenia izolacji przewodów oraz samych paneli.

Do pracy na dachu należy wyznaczyć tylko niezbędną liczbę strażaków. Jeśli gaszą pożar dachu z zamontowaną instalacją fotowoltaiczną, nie powinni udawać się tam z przewodzącymi prąd środkami gaszenia (wodą, pianą). Instalację fotowoltaiczną można gasić wodą, ale z zachowaniem określonych zasad: przy prądzie zwartym należy zachować odległość min. 5 metrów od paneli i przewodów. Strażacy często skracają ją nawet do pół metra. Stojąc na mokrym metalowym dachu, na którym może leżeć zniszczony przewód „minusowy” instalacji i polewając wodą konstrukcję, gdzie może znajdować się przewód „plusowy”, strażak jest narażony na znalezienie się pod pełnym napięciem instalacji PV. Zagrożenie życia strażaków pojawia się w razie niezachowania bezpieczeństwa podczas podawania prądu wody lub piany na moduły, wtyczki, inwertery oraz w momencie bezpośredniego kontaktu strażaka z instalacją elektryczną modułów. Należy pamiętać, że nawet wyłączenie wszystkich zabezpieczeń nie eliminuje generowania napięcia przez panele w ciągu dnia.

Istnieje ryzyko przerwania obwodu elektrycznego instalacji PV w czasie pożaru budynku na skutek interwencji mechanicznej strażaków na dachu. Napięcie rażenia może pojawić się wówczas między konstrukcją stalową pokrycia dachu i stojącym na nim strażakiem. Rozłączanie przewodów lub ich przecięcie pod obciążeniem w instalacji o mocy 5 kWp (kWpeak) może spowodować powstanie łuku, który jest w stanie zniszczyć standardowe rękawice pożarnicze i doprowadzić do poparzenia palców i oczu.

Odłączenie falownika od sieci elektroenergetycznej nie powoduje zaprzestania generowania napięcia przez moduły fotowoltaiczne. Uszkodzenie (przerwanie) obwodu elektrycznego instalacji PV, uszkodzenie kabli na skutek pożaru może powodować tworzenie nowych i niespodziewanych dróg obwodu elektrycznego, np. prąd z paneli będzie przebijał się do użytkowych elementów wyposażenia budynku (elementy pokryte blachą, metalowe rynny) i stanowił zagrożenie dla ewakuujących się ludzi oraz samych strażaków.

Moduły fotowoltaiczne są trudno zapalne, a zatem nie przyczyniają się do rozprzestrzeniania ognia. Dlatego środki gaśnicze podaje się bezpośrednio na nie wyłącznie w przypadku pożaru dachu, na którym są zamontowane. Nie ma możliwości demontażu paneli na dachu przez strażaków.

Wykonawca instalacji PV powinien w widocznym miejscu umieścić podstawowe informacje na temat systemu fotowoltaicznego – schemat połączeń, rozmieszczenie poszczególnych elementów i kabli. Powinny być one zawarte również w instrukcji bezpieczeństwa pożarowego, ulokowanej w miejscu dostępnym dla kierującego działaniem ratowniczym. Niestety, w Polsce nie ma przepisów, które obligowałby do zawierania informacji o instalacji PV w instrukcji bezpieczeństwa pożarowego, a ponadto nie jest ona sporządzana dla domów jednorodzinnych i farm fotowoltaicznych. W Europie Zachodniej i w USA stosuje się naklejki informujące, że dany budynek wyposażony jest w alternatywne źródło zasilania.

rys 4  

rys. 4 Przykład naklejki z procedurą wyłączenia systemu PV

            Pamiętaj, by:

  • nie dotykać części przewodzących (metalowych) konstrukcji instalacji

  • nie rozłączać wtyczek znajdujących się przy panelach

  • nie stawać na modułach

  • nie demontować uszkodzonych paneli

  • w miarę możliwości unikać kontaktu z metalowymi elementami dachu

  • unikać podawania zwartych prądów wody z odległości mniejszej niż 5 m.

Zabezpieczenie przed porażeniem

Wyłącznik nadprądowy

Najprostszym i najtańszym rozwiązaniem technicznym, które chroni przed porażeniem prądem, jest zamontowanie w skrzynce przeciwpożarowej wyłącznika nadprądowego po stronie prądu stałego (np. C 20 A, DC). Rozbijamy szybkę, wyłączamy wyłącznik, a wówczas styki normalnie otwarte zostaną zwarte i uziemione. W obwodach prądu stałego popłyną prądy zwarcia, które będą większe od prądów znamionowych płynących w łańcuchach modułów (stringach) o ok. 20%. W każdym punkcie połączenia elektrycznego łańcucha modułów PV potencjał względem ziemi będzie równy zeru, nawet jeśli dach zostanie polany wodą w słoneczny dzień. Sytuacja taka utrzyma się, dopóki konstrukcja dachu nie ulegnie zniszczeniu. To spowoduje bowiem zawalenie się konstrukcji nośnej modułów PV i zerwanie przewodów łączących je ze sobą. Wtedy na przewodach może ponownie pojawić się niebezpieczne napięcie. Co więcej, efektem zdeformowania konstrukcji nośnej modułów może być też przerwanie jej uziemienia.

Rozłączniki pożarowe

Strażacy mogą bez obaw gasić płonący budynek dopiero po odłączeniu modułów od napięcia. Wyłącznik pożarowy Q firmy Q3 Energieelektronik GmbH & Co KG to zupełnie nowy, zgłoszony do opatentowania system, który zapewnia najwyższe bezpieczeństwo. Po odłączeniu napięcia zasilającego wszystkie moduły są podłączone do potencjału ziemi (każdy biegun modułów jest bezpośrednio połączony z uziemieniem). Elementy przełączające są umieszczone bezpośrednio na szynie montażowej między modułami. W razie pożaru budynek zostaje odłączony od sieci. Wyłącznik Q automatycznie wyłącza instalację fotowoltaiczną po zaniku napięcia.

rys 5

 rys. 5. Schemat instalacji PV z rozłącznikami pomiarowymi

Optymizery

Optymizery mocy SolarEdge (najczęściej stosowane w tego typu instalacjach) obniżą napięcie DC na modułach i przewodach do bezpiecznego poziomu w razie awarii lub rozłączenia systemu PV.

rys 6

rys. 6. Optymizer mocy SolarEdge P 300

rys 7

rys. 7. Schemat instalacji elektrycznej PV z zamontowanymi optymizerami mocy SolarEdge P 300

Uruchamiają się w momencie zaniku napięcia zasilającego lub odłączenia falownika, automatycznie zmniejszając napięcie paneli do 1 V aż do momentu podłączenia ich do inwertera. Dodatkowo inwerter i optymizery wyłączą się pod wpływem ekstremalnie wysokiej temperatury lub gdy wystąpi łuk elektryczny. Wydaje się, że obecnie są najlepszym i jedynym bezpiecznym sposobem zabezpieczenia instalacji PV od porażeń w sytuacji pożaru. Nawet zerwanie czy zniszczenie przewodów pomiędzy poszczególnymi panelami spowoduje obniżenie napięcia na panelu do 1 V. Musimy bowiem pamiętać, że choć wyłącznik nadprądowy i rozłącznik Q zabezpieczają od porażeń, to w momencie zerwania przewodów, np. podczas zawalenia dachu, napięcie powraca na przewody. Podobną zaletę mają również mikroinwertery montowane przy każdym panelu zamiast jednego centralnego inwertera. Jednym z atutów mikroinwerterów jest obniżenie napięcia paneli do wartości bezpiecznej podczas wyłączenia zasilania głównego (np. w czasie pożaru). Wadą – zbyt wysoka cena i ograniczenia techniczne, przez co inwestorzy i firmy instalatorskie rzadko sięgają po tego typu urządzenia.

rys 8

rys. 8 mikroinwerter firmy SMA

Bocznik pożarowy

Przewody po stronie DC powinny być połączone z urządzeniem zwanym bocznikiem pożarowym. Zwarcie przewodów dodatniego i ujemnego oraz uziemienie zwieracza spowoduje w instalacji PV po stronie DC przepływ prądu zwarciowego. Potencjał każdego modułu w stosunku do ziemi wyniesie 0 V. Bocznik pożarowy może bocznikować (przerzucać połączenie między falownikiem a uziemieniem) do trzech linii modułów fotowoltaicznych. Należy jednak podkreślić, że zerwanie przewodów pomiędzy panelami a bocznikiem spowoduje powrót niebezpiecznego napięcia na przewodach po stronie DC. Zatem jeśli w trakcie pożaru nastąpiło zawalenie się konstrukcji dachu z częścią instalacji lub przewody DC zostały zerwane, strażacy nie powinni ich dotykać, mimo że wyłączyli system poprzez bocznik pożarowy.

rys 9

rys. 9. Bocznik pożarowy              

Wszystkie opisane zabezpieczenia są jedynie przykładowe. Firma instalatorska powinna zastosować co najmniej jedno z nich jako ochronę przed porażeniem. Z reguły stosuje się wyłączniki nadprądowe, ponieważ są najtańsze.

Czym gasić?

W wielu europejskich krajach uznaje się, że elektrownie fotowoltaiczne można gasić wodą w ten sam sposób, jak inne urządzenia elektryczne pod napięciem do 400 V. Podczas gaszenia muszą być jednak przestrzegane następujące zasady (zgodnie z DIN VDE 0132):

  • odległość 1 m między strażakiem i urządzeniem elektrycznym pod prądem,
  • ­odległość 1 m między strażakiem i urządzeniem elektrycznym w czasie gaszenia rozproszonym strumieniem z prądownicy,
  • ­odległość 5 m między strażakiem i urządzeniem elektrycznym podłączonym do prądu w czasie gaszenia zwartym strumieniem z prądownicy.

Australijska firma Solar Development opracowała środek gaśniczy przeznaczony wyłącznie do systemów PV. W gaśnicy znajduje się specjalny płyn, który po kontakcie z szybą tworzy na panelach warstwę nieprzepuszczalną dla promieni słonecznych. Gasi się tym samym, odcinając dostęp do promieniowania słonecznego, bez którego panele nie są w stanie wytworzyć napięcia. Warstwa środka gaśniczego po krótkim czasie zastyga i można ją odkleić od szkła. Niestety, gaśnica PV STOP na razie jest w Polsce niedostępna – poza tym pozostaje wciąż pytanie: co w przypadku instalacji o bardzo dużych mocach i dużych powierzchniach?

***

W ciągu ostatnich kilku lat zdecydowanie zwiększyła się liczba montowanych instalacji, przy czym ich jakość często pozostawia wiele do życzenia. Na rynku co i rusz pojawiają się firmy, które w pogoni za zyskiem skupują używane panele czy falowniki i używają okablowania nienadającego się do systemów PV. Ponadto w krajach, w których technologia ta jest rozwinięta, istnieją przepisy nakazujące zachować konkretne odległości paneli fotowoltaicznych od krawędzi dachu i jego szczytu. Są one przewidziane po to, by strażacy mogli bezpiecznie oprzeć drabiny i wejść na dach, jeśli zachodzi taka konieczność. Okablowanie po stronie DC sprowadzane jest z dachu w metalowych rurach osłonowych, aby uchronić je przed uszkodzeniem. W Polsce przewody często leżą na dachach bez żadnej dodatkowej osłony lub w plastikowych rurkach, które po 2-3 latach nie pełnią już swojej funkcji. Montując instalację fotowoltaiczną, inwestor powinien zwrócić uwagę nie tylko na jej cenę, lecz także na systemy zabezpieczeń przed porażeniem prądem. Jest oczywiste, że w najbliższym czasie powinny pojawić się rozwiązania prawne regulujące montaż instalacji PV w kontekście bezpieczeństwa użytkowników, a także strażaków prowadzących działania ratowniczo-gaśnicze.

mł. bryg. Dariusz Surmacz – zastępca dowódcy JRG w Gorlicach
Artur Łukaszyk – prezes OSP w Ropie, elektryk Elektrowni Wodnej Klimkówka
fot. Artur Łukaszyk

 

Literatura:

Góralczyk, R. Tytko, Fotowoltaika. Urządzenia instalacje fotowoltaiczne i elektryczne, Wydawnictwo i Drukarnia Towarzystwa Słowaków w Polsce, Kraków 2016.
M. Kušnír, P. Kapalo, F. Vranay, Fotowoltaika na świecie, Uniwersytet Techniczny w Koszycach, Koszyce 2014.
A. Cancelliere, C. Liciotti, Fire Behaviour and Performance of Photovoltaic Module Backsheets
www.osha.gov/dep/greenjobs/solar
www.pvstop.com.au
www.mawo-solarteur.de
www.SolarEdge&source.com
www.jeanmueller.pl
www.solsum.pl

marzec 2017