Fotowoltaika - dylematy i zagrożenia (cz. 1)

Instalacje fotowoltaiczne są coraz częstszym elementem krajobrazu. Dla strażaków to obiekty niosące nowe wyzwania. „Standardowe zasady postępowania podczas zdarzeń w obrębie instalacji fotowoltaicznych” wydane w marcu przez KG PSP są pierwszą próbą usystematyzowania wiedzy na temat postępowania ratowniczego przy takich obiektach.

Instalacja fotowoltaiczna (ang. photovoltaic system, PV) to zbiór elementów połączonych ze sobą funkcjonalnie, których głównym przeznaczeniem jest produkcja energii elektrycznej. Cały układ można podzielić na dwie części (obwody): stało- i zmiennoprądową. Sama budowa instalacji nie jest skomplikowana. W pewnym uproszczeniu moduły fotowoltaiczne łączy się w obwody (stringi) szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle, a następnie z falownikiem, czyli urządzeniem przekształcającym prąd ze stałego na przemienny, o pożądanej częstotliwości napięcia wyjściowego. W tej formie energia elektryczna przesyłana jest do sieci elektroenergetycznej.

Instalacja ta wydaje się być stosunkowo nieskomplikowana i nic nie powinno stanowić zagrożenia. Niestety rzeczywistość jest bardziej złożona. Wynika to z faktu, że tak naprawdę każda instalacja PV to indywidualny, dostosowany do zastanych warunków układ połączeń, w których zastosowane rozwiązania mogą się znacząco między sobą różnić, również dlatego, że podchodzą od różnych producentów. Trudno o dwa identyczne obiekty o tych samych warunkach naświetlenia i tak samo wykonanej instalacji. Owszem, elementy składowe mogą być zbliżone, występować w takich samych konfiguracjach, jednak miejsce montażu modułów PV, prowadzenie tras kablowych i lokalizacja falownika będą się od siebie różniły.

Dlatego też na początku prac nad standardowymi zasadami postępowania (SZP) podczas zdarzeń w obrębie instalacji fotowoltaicznych za cel obrane zostało wypracowanie procedur uniwersalnych, które nie tylko będą wspomagały kierującego działaniem ratowniczym (KDR) w wypracowaniu decyzji, ale przede wszystkim nie będą wiązały mu rąk. Dodatkowo ważną kwestią był sam odbiorca opracowania, czyli strażacy biorący udział w działaniach ratowniczo-gaśniczych. Dlatego też dokument ten nie mógł być szczegółowym opisem budowy takiej instalacji, zasad jej działania, zagrożeń oraz reguł postępowania w jej obrębie, a jedynie zbiorem praktycznych wskazówek. 

Napięcie, czy prąd elektryczny? 

W powszechnej świadomości skutki porażenia prądem elektrycznym zależą od wartości znamionowej prądu płynącego w danym łańcuchu instalacji fotowoltaicznej. Nic bardziej mylnego. Prąd elektryczny jest zawsze skutkiem różnicy potencjałów pomiędzy dwoma elementami obwodu elektrycznego. W przypadku łańcucha instalacji fotowoltaicznej chwilowa wartość natężenia prądu wynika zatem z różnicy potencjałów pomiędzy biegunami modułu fotowoltaicznego. W sytuacji, w której strażak dotyka elementu pod napięciem, stojąc na ziemi, rozpatruje się zupełnie inny obwód niż obwód zasilania falownika. Istotna jest różnica potencjałów względem potencjału ziemi i to (między innymi) od jej wartości zależał będzie prąd rażeniowy. Od wartości prądu rażeniowego zależą skutki porażenia prądem elektrycznym, zgodnie z rys. 1. 

W tym miejscu należy także poczynić komentarz do aktualnych zapisów prawa. Ustawodawca łagodnie traktuje instalacje PV o mocy zainstalowanej nie większej 6,5 kW, zwalniając je z obowiązku uzgodnienia przez rzeczoznawcę do spraw przeciwpożarowych. Przyczyna tego stanu rzeczy wynika raczej z potrzeb sektora energetyki i niestety niewiele wnosi z punktu widzenia bezpieczeństwa działań ratowniczych. Instalacje PV można projektować w taki sposób, że te o mocy poniżej 6,5 kW będą cechowały napięcia (po stronie DC) wyższe niż w instalacjach o większej mocy, stąd z punktu widzenia bezpieczeństwa działań ratowniczych znacznie lepszym kryterium byłoby maksymalne napięcie po stronie DC. 

Ryzyko pożaru

Poprawność wykonania strony stałoprądowej instalacji fotowoltaicznej jest podstawą do minimalizacji zagrożenia pożarowego ze strony systemu PV. Duże rezystancje złączy, niska jakość izolacji okablowania, uszkodzenia termiczne i mechaniczne modułów, niedopasowanie parametrów zastosowanych modułów w łańcuchu, pojawianie się wysokiego potencjału na nieuziemionych elementach konstrukcji wsporczej - to tylko kilka potencjalnych źródeł pożaru.

Szczegółowa analiza działań ratowniczych podczas pożarów z udziałem systemów fotowoltaicznych jako główną przyczynę wskazała wystąpienie łuku elektrycznego (źródło: www.forum-fronius.pl/bezpieczenstwo-pozarowe-instalacji-fotowoltaicznych/ (dostęp 29.04.2020). Przyczyny te są wymienione w tabeli, posortowane malejąco, według częstości występowania.

Łączenie wtyczek i gniazd DC pochodzących od różnych producentów może skutkować ich trwałym uszkodzeniem. Również duża część nierenomowanych złączy charakteryzuje się znaczną rezystancją, co przekłada się na wydzielanie niebezpiecznej ilości ciepła, skutkującej degradacją termiczną konektorów (fot. 1).

Oprócz zewnętrznych przyczyn większość zdarzeń prowadzących do pożarów była spowodowana awarią instalacji po stronie DC (prądu stałego) systemu fotowoltaicznego, przy czym najczęstszą przyczyną były punkty połączeń instalacji (złącza DC). Według niemieckiego TÜV Rheinland (źródło: Assessing fire risks in photovoltaic systems and developing safety concepts for risk minimization) liczba pożarów wywołanych przez instalacje fotowoltaiczne stanowi niewielki ułamek wszystkich pożarów. Oznacza to, że przy właściwie wykonanym projekcie oraz rzetelnym wykonawstwie instalacje fotowoltaiczne są bezpieczne.

Na podstawie kilkuletnich obserwacji rynku i rozmów z użytkownikami można domniemać, że w Polsce wiele instalacji zostało zaprojektowanych i/lub wykonanych w niepoprawny sposób. Istotna jest także kwestia niezawodności stosowanych urządzeń. Oznacza to, że w kolejnych latach należy się spodziewać wzrostu liczby zdarzeń związanych z instalacjami PV. 

Jak się chronić

Podczas prowadzenia działań ratowniczo-gaśniczych strażak, zgodnie z rozporządzeniem MSWiA z 31 sierpnia 2021 r. w sprawie szczegółowych warunków bezpieczeństwa i higieny służby strażaków PSP (DzU poz. 1681), § 17 ust. 1 pkt 2, wykonuje czynności ratownicze i bierze udział w ćwiczeniach i szkoleniach w kompletnej odzieży specjalnej oraz z wykorzystaniem wymaganych środków ochrony indywidualnej i wyposażenia osobistego. Zapisy te również należy stosować podczas postępowania w obrębie instalacji fotowoltaicznej.

Strażacy PSP i OSP mają w swoim wyposażeniu osobistym jedynie buty gumowe, które spełniają kryteria obuwia elektroizolacyjnego. Obuwie takie powinno gwarantować ochronę do wysokości napięć na poziomie 1000 V AC i 1500 V DC. Co to oznacza w praktyce? Aby prąd elektryczny mógł przepłynąć przez organizm człowieka, musi pojawić się napięcie, czyli różnica potencjałów między dwoma punktami. Fragmenty instalacji i urządzeń elektrycznych mają potencjał elektryczny wyższy niż potencjał ziemi (przyjmowany jako 0 V). Strażak, dotykając nieosłoniętych przewodzących elementów instalacji fotowoltaicznej będących pod napięciem, staje się fragmentem toru prądowego między dwoma punktami o różnych potencjałach elektrycznych. Efektem tego będzie przepływ prądu przez organizm człowieka, czyli porażenie.

Typowa droga przepływu: ręka - noga nie jest jedynym kierunkiem przepływu prądu elektrycznego przez organizm człowieka. Należy podkreślić, że jeżeli człowiek będzie skutecznie odizolowany od drugiego bieguna instalacji PV (np. stosując obuwie elektroizolacyjne), dotknięcie obiektu pod napięciem nie spowoduje porażenia. Sprawi jedynie, że strażak będzie znajdował się pod napięciem względem innego punktu obwodu, jednak obwód ten nie zostanie zamknięty. Ważne jest również, aby stosowana ochrona osobista była właściwa, z zachowaniem określonych w instrukcji użytkowania i normach okresów badań i przeglądów.

Skutki rażenia prądem elektrycznym mogą być nieodwracalne dla człowieka, dlatego też w SZP często powtarza się zapis „Stosuj środki ochrony indywidualnej”. Aby maksymalnie ograniczyć prawdopodobieństwo porażenia, warto zastosować dodatkową formę ochrony osobistej w postaci rękawic elektroizolacyjnych. Aktualnie obowiązujący standard wyposażenia samochodu ratowniczo-gaśniczego GBA 2/16 (Standard wyposażenia samochodu ratowniczo-gaśniczego. Samochód ratowniczo-gaśniczy typoszeregu GBA 2/16, edycja II, KG PSP 2015 r.) nie przewiduje tego typu elementów, jednak należy podkreślić, że zapisy te dotyczą minimalnych wymagań, zatem każda jednostka PSP i OSP, według własnych potrzeb i możliwości finansowych, może doposażyć się w taki zestaw. W tym miejscu rodzi się pytanie: kiedy i jakich środków ochrony indywidualnej używać, a kiedy nie? Prowadzenie działań gaśniczych z zachowaniem opisanych w SZP odległości i wydajności prądownic sprawia, że strażak nie musi mieć założonych rękawic czy butów elektroizolacyjnych. Rezystancja ciała człowieka, prądu wody gaśniczej, obuwia i rękawic strażackich jest na tyle duża, aby nie dopuścić do porażenia. Oczywiście obligatoryjne jest stosowanie obuwia specjalnego, jednak niekoniecznie musi być to obuwie gumowe, w kontekście bezpieczeństwa przez porażeniem elektrycznym.

Jeśli strażak podejmuje próbę dezaktywacji systemu przez odłączenie dopływu prądu elektrycznego do budynku, wyłączenie falownika lub rozłączenie bezpieczników i wyłączników nadmiarowo-prądowych, zasadne jest stosowanie rękawic elektroizolacyjnych, wobec małej odległości nieosłoniętych elementów przewodzących, np. zacisków w rozdzielnicy elektrycznej. Podobnie w sytuacji, gdy istnieje konieczność rozłączania modułów PV. Ponadto należy mieć świadomość, że rozłączanie przewodów łączących moduły PV, które są obciążone (instalacja pracuje i przesyła energię do sieci) może wiązać się z powstaniem łuku elektrycznego. Dlatego należy zapewnić także ochronę oczu.

Niezależnie od zastosowania ochrony indywidualnej niedozwolone jest wchodzenie na moduły PV, poruszanie się po ich powierzchni oraz ich niszczenie (z zasady nieskuteczne pod kątem eliminacji możliwości porażenia) np. hooliganem lub toporem strażackim.  

Waga szkolenia

Oczywiste jest, że bezpieczna ingerencja w instalację PV wymaga stosownej wiedzy. W SZP nie zaleca się rozłączania modułów, chyba że KDR uzna, iż dysponuje siłami i środkami pozwalającymi na bezpieczne wykonanie tych czynności. Niezależnie od tego najrozsądniejszym wyjściem z sytuacji jest zawsze podnoszenie kwalifikacji z zakresu bezpieczeństwa działań ratowniczych w obrębie instalacji PV. Tego typu szkolenia organizowane są przez szkoły pożarnicze i mają zapoznać uczestników zarówno z niezbędną teorią, jak i z aspektami praktycznymi, podczas części poligonowej. 

Podsumowanie

• Dla zapewnienia odpowiedniego bezpieczeństwa strażaków podczas działań w obrębie instalacji fotowoltaicznych kluczowa jest znajomość podstawowych zasad funkcjonowania takiej instalacji PV oraz znajomość zjawisk elektrycznych.
• Pod kątem zagrożenia pożarowego instalacje PV należy rozpatrywać z punktu widzenia przyczyny pożaru stanowiącej element składowy instalacji, jak również w kontekście pożaru o przyczynie zewnętrznej, który rozprzestrzenia się na instalację PV.
• Standardowe i dostępne na rynku środki ochrony indywidualnej (elektroizolacyjne) mogą przyczynić się do poprawy warunków bezpieczeństwa strażaków prowadzących działania w obrębie instalacji PV.
• Opublikowane SZP w obrębie instalacji PV stanowią zbiór praktycznych wskazówek postępowania, jednak poziom szczegółowości jest ograniczony, aby decydujące zdanie miał KDR. Opracowanie jednej, uniwersalnej procedury nie jest możliwe, wobec mnogości rozwiązań technicznych. Z tego względu właściwe szkolenie stanowi podstawę do zrozumienia podstaw działania instalacji i metod skutecznego i bezpiecznego prowadzenia działań ratowniczych w ich obrębie.

mł. kpt. dr inż. Adrian Barasiński pełni służbę w Centralnej Szkole PSP

st. bryg. Michał Langner - w Biurze Planowania Operacyjnego KG PSP

st. kpt. dr inż. Szymon Ptak - w Szkole Głównej Służby Pożarniczej

kpt. Mateusz Urbańczyk - w Komendzie Miejskiej PSP m.st. Warszawa