Fotowoltaika - dylematy i zagrożenia (cz. 2)

W ostatnim odcinku przedstawiliśmy informacje dotyczące specyfiki systemów fotowoltaicznych, a także zasad bezpieczeństwa. Pora na omówienie aspektów związanych z działaniami ratowniczo-gaśniczymi.

Pierwszą czynnością KDR podczas rozpoznania zdarzeń w obrębie instalacji fotowoltaicznych powinno być sprawdzenie, czy podzespoły instalacji PV są poddane bezpośredniemu działaniu ognia. Jeżeli nie i nie są bezpośrednio zagrożone, należy postępować zgodnie z ogólną taktyką gaszenia pożarów. Określając stan instalacji PV na podstawie oznak zewnętrznych (jej wyglądu) oraz otoczenia, można posłużyć się kamerą termowizyjną. Okopcenia modułów, widoczne przebarwienia, uszkodzenia termiczne złączy lub przewodów świadczyć mogą, że doszło do uszkodzenia instalacji i pojawienia się napięcia na metalowych elementach instalacji i budynku. Dobrą praktyką jest przyjmowanie, że instalacja DC pozostaje zawsze pod napięciem.

Ratownicze ABC

Jednym z ważniejszych działań podejmowanych przez ratowników podczas zdarzeń w obrębie instalacji PV jest odłączenie dopływu zasilania prądu przemiennego (AC) do samego budynku, jak i wyłączenie falownika (często obiegowo zwanego inwerterem). Odłączenie falownika od sieci elektroenergetycznej nie powoduje jednak zatrzymania generowania napięcia przez moduły fotowoltaiczne. Stąd też nadal należy zachować szczególną ostrożność podczas działań w obrębie instalacji fotowoltaicznej, pamiętając przy tym, żeby nie dotykać elementów instalacji PV ani innych elementów mogących przewodzić prąd elektryczny, jeśli nie jest to konieczne. Trzeba nadmienić, że przy instalacjach elektrycznych o napięciach takich, jak w instalacjach fotowoltaicznych porażenie grozi jedynie przy dotyku elementów przewodzących instalacji, nigdy zaś (poza przypadkiem powstania łuku elektrycznego podczas rozłączania obciążonej instalacji) na odległość. Tego typu zagrożenia, skutkujące wydzielaniem stref pracy pod napięciem i w okolicy napięcia (dla zawodowych energetyków), należy utożsamiać jedynie z instalacjami elektrycznymi o napięciach wyższych niż 1500 VDC (1000 VAC).

KDR musi mieć świadomość, że w razie pożaru lub innego miejscowego zagrożenia załoga pogotowia energetycznego może jedynie odłączyć zasilanie od budynku i nie ingeruje w elementy instalacji elektrycznej samego budynku, w tym instalacji fotowoltaicznej. Innymi słowy - pomoc z jej strony nie daje gwarancji bezpieczeństwa.

Kolejnymi urządzeniami, z których należy korzystać podczas działań w obrębie instalacji fotowoltaicznych, są rozłączniki DC, a także wyłącznik ppoż. (jeśli obiekt jest w nie wyposażony). Strażacy nie powinni jednak ulegać fałszywemu poczuciu bezpieczeństwa. Zgodnie z wynikami prac badawczych przeprowadzonych przez BRE National Solar Center (BRE 2017b) (Fronius Fire Safety of PV Systems, Insights and Recommendations, Version 01/2020) wyłączniki systemów PV w obwodzie DC (tzw. Safe DC) nadal są bowiem postrzegane jako niesprawdzona technologia. Ten sam wniosek można odnieść do wyłączenia napięcia na poziomie modułów przy wykorzystaniu optymalizatorów mocy.  Błędem jest zakładanie, że optymalizatory całkowicie wyeliminują zagrożenia, m.in. napięcie na modułach PV, stanowiące realne zagrożenie dla ratowników. Warto podkreślić, że im bardziej złożony system, tym większe niebezpieczeństwo jego wadliwej instalacji, a w konsekwencji ryzyko powstania pożaru. Systemy z optymalizatorami prądu stałego brzmią obiecująco, ale zwielokrotniają liczbę połączeń wtykowych na dachu, tym samym zwiększając prawdopodobieństwo awarii instalacji. Przepalenie, uszkodzenie jednego z elementów systemu zapewniającego optymalizację instalacji nie daje gwarancji, że system nadal będzie działał w sposób należyty, tzn. będzie obniżał napięcie do poziomu bezpiecznego!

Podsumowując: zawsze najbezpieczniej jest przyjąć, że strona DC instalacji fotowoltaicznej pozostaje pod napięciem, niezależenie od poczynionych kroków i zastosowanych rozwiązań.

Innym rodzajem zdarzenia w obrębie instalacji fotowoltaicznej jest miejscowe zagrożenie, np. jej częściowe zerwanie na skutek silnych wiatrów. W takiej sytuacji w pierwszej kolejności należy zadbać o bezpieczeństwo ratowników i osób postronnych mogących znajdować się w pobliżu. Niezależnie od tego, gdzie zostaną zlokalizowane moduły fotowoltaiczne i w jakim będą stanie, zawsze należy zakładać, że ich elementy znajdują się pod napięciem elektrycznym! Równocześnie KDR powinien zadbać o wyłączenie instalacji fotowoltaicznej przez przełączenie falownika w pozycję „OFF” i odłączenie zasilania od budynku. Kiedy nie ma bezpośredniego zagrożenia życia, co do zasady strażacy nie powinni podczas działań ingerować w elementy instalacji fotowoltaicznej. Gdy KDR podejmie jednak decyzję o chociażby częściowym demontażu elementów instalacji, zasadne będzie zastosowanie rękawic dielektrycznych, specjalnych kluczy do rozpinania złączy oraz - w miarę możliwości - zabezpieczenie luźnych złączy i przewodów.

Rozłączanie modułów PV

Instalacja fotowoltaiczna stanowi kompletny system, zaprojektowany i wykonany przez osoby mające stosowną wiedzę i doświadczenie. W kontekście ochrony przeciwpożarowej należy wyróżnić dwie sytuacje. W pierwszej instalacja fotowoltaiczna znajduje się w obrębie obiektu (najczęściej na dachu budynku), w którym powstał pożar, przy czym przyczyna pożaru nie ma związku z samą instalacją. W przypadku niektórych zdarzeń konieczne okazało się wykonanie otworu w dachu, możliwe wyłącznie po demontażu modułów. W drugiej sytuacji element to składowy instalacji stanowi przyczynę pożaru, ten zaś rozprzestrzenia się na sąsiednie budynki. Praktyka pokazuje, że prawidłowo zaprojektowana, wykonana i serwisowana instalacja PV stanowi stosunkowo bezpieczne urządzenie. Jednak każda ingerencja w instalację będzie potencjalnym czynnikiem ryzyka.

Niedawno miało miejsce zdarzenie drogowe, w wyniku którego uszkodzony pojazd wpadł na prywatną posesję i naruszył instalację PV. Inny przykład - intensywny wiatr wyrwał moduły z konstrukcji wsporczej zamontowanej na dachu sklepu wielkopowierzchniowego, przez co zwisały one na przewodach przy ścianie szczytowej obiektu, stwarzając zagrożenie dla ruchu pieszego. Opisane zdarzenia wymagały od KDR podjęcia decyzji o demontażu części modułów. W jaki sposób podchodzą do tego problemu „Standardowe zasady postępowania podczas zdarzeń w obrębie instalacji fotowoltaicznych”? Zdecydowana większość strażaków nie ma stosownego przeszkolenia, wiedzy ani doświadczenia związanego z instalacjami fotowoltaicznymi. Każda ingerencja w instalację niesie ze sobą pewne ryzyko, dlatego też nie zaleca się demontażu modułów. Powodem jest choćby możliwość wystąpienia łuku elektrycznego podczas rozłączania obciążonego łańcucha, brak wyposażenia pojazdów PSP w specjalny klucz do złączy stosowanych w instalacjach PV czy też brak przeszkolenia strażaków w tym zakresie.

Rolą straży pożarnej jest w tym wypadku zabezpieczenie miejsca zdarzenia, a nie demontaż np. naruszonej w pożarze instalacji - tym powinna zająć się wyspecjalizowana firma. Z drugiej strony jednak standardowe zasady postępowania nie mogły kategorycznie zabraniać tego typu działań. Wobec mnogości rozwiązań technicznych, a także bogatego zbioru potencjalnych zdarzeń w obrębie instalacji PV należało w tym miejscu pozostawić przestrzeń decyzyjną dla KDR, który może dysponować wiedzą na temat bezpiecznego rozłączenia modułów, ale przede wszystkim właściwym oglądem sytuacji, pozwalającym stwierdzić, czy czynność ta jest absolutnie konieczna.

Podsumowując: możliwe jest interwencyjne rozłączenie modułów w sposób bezpieczny, jednak wymaga to zachowania szczególnej ostrożności. Czynność ta powinna być wykonywana w razie absolutnej konieczności, przy zastosowaniu rękawic dielektrycznych i przez osoby mające doświadczenie w tym zakresie. Rękawice minimalizują ryzyko porażenia łukiem elektrycznym. Ważne jest także zabezpieczenie przewodów, aby część czynna (pod napięciem) nie miała możliwości zetknięcia się z elementem przewodzącym, np. blaszanym pokryciem dachu.

Działania gaśnicze

Instalacja składa się z połączonych modułów, z których każdy ma biegun dodatni i ujemny. W odróżnieniu od domowej instalacji elektrycznej, gdzie początki uzwojeń generatora są uziemione, w sytuacji pracy normalnej żaden z biegunów modułu PV nie jest uziemiony (ale także nie jest odsłonięty), uziemiona pozostaje jedynie konstrukcja wsporcza. W instalacji domowej dotknięcie przewodu fazowego poskutkuje porażeniem, ponieważ obwód elektryczny zamknie się przez ziemię. W instalacji PV, nawet jeżeli z jakichś przyczyn możliwe byłoby podanie prądu wody na odsłoniętą część pod napięciem (np. na skutek przetarcia izolacji przewodu), do porażenia nie dojdzie, ponieważ obwód nie zostaje zamknięty. Aby doszło do porażenia, musi nastąpić koincydencja zdarzeń. 

Istnieje jednak niezawodne wyjście z tej sytuacji. Prąd wody gaśniczej wraz z odległością będzie się rozpraszał - zwarty strumień rozpadnie się początkowo na pasma, a następnie przybierze postać lecących w powietrzu kropli różnych rozmiarów. W pewnej odległości od prądownicy strumień wody nie będzie mógł przewodzić prądu, ponieważ ulegnie rozpadowi, a więc jego ciągłość (z punktu widzenia elektrycznego) zostanie przerwana. Ma to niebagatelne znaczenie dla prowadzenia działań gaśniczych, ponieważ fizyka zjawiska pozwala określić bezpieczną odległość, powyżej której prąd elektryczny nie będzie mógł płynąć przez środek gaśniczy, a zatem strażak pozostanie bezpieczny.

Na potrzeby opracowanych zasad autorzy artykułu przeprowadzili badania eksperymentalne pozwalające określić bezpieczną odległość, powyżej której nie dojdzie do porażenia strażaka, wykorzystując do tego celu typowe prądownice wodne stosowane w Polsce, jak również typowe ciśnienia wytwarzane przez autopompy pojazdów gaśniczych oraz typowe wydajności.

Ważnym parametrem mającym wpływ na taki stan rzeczy jest wydajność. Stosowanie najwyższej wydajności dostępnej w prądownicach PWT φ 52 TURBO (> 400 dm³/min) oraz dużego ciśnienia (7-8 bar) sprawia, że bezpieczna odległość zwiększa się do ok. 10 m. Dla piany sprężonej z urządzeń CAFS przy zachowaniu maksymalnej wydajności wodnej 250 l/min i prądownicy PWT TURBO o średnicy pyszczka do 25 mm należy stosować te same odległości, co przy wodzie. Bezpieczna odległość przy podawaniu proszków lub gazów gaśniczych wynosi już zaledwie 1 m. Nie należy stosować piany ciężkiej, średniej lub lekkiej. Piany te są dobrym przewodnikiem prądu, a krótki zasięg podawania determinuje zagrożenie.

Podsumowując: zastosowanie bezpiecznej odległości od urządzeń pod napięciem, które w przypadku instalacji PV nie przekroczy nigdy wartości 1500 VDC, jest gwarantem bezpieczeństwa.

Dlaczego detektor prądu nie pomoże?

Każda jednostka PSP i OSP, zgodnie z obowiązującym standardem wyposażenia średniego samochodu ratowniczo-gaśniczego GBA 2/16, musi mieć w wyposażeniu odpowiedni osprzęt. Należy do niego detektor prądu przemiennego. Najczęściej jest to urządzenie Hot Stick, charakteryzujące się bardzo szerokim zakresem pracy i dużą czułością, co sprawdza się w warunkach bojowych. Ponadto przez wiele lat pozostawało ono jedynym dostępnym na rynku detektorem napięcia AC. Innym urządzeniem, znacznie rzadziej spotykanym w wyposażeniu straży, jest AC FireCraft. Ten poręczny detektor (wielkości przeciętnego smartfona) sprawdza się w wykrywaniu prądu przemiennego, a przy tym łatwo go przechowywać i transportować. Zakres pracy i czułość nie są regulowane, co ogranicza próg detekcji obiektu pod napięciem. Kolejne urządzenie, częściej stosowane przez energetyków, stanowi detektor przemiennego pola elektrycznego DPPE-1. Zgodnie z charakterystyką producenta, próg zadziałania detektora umieszczonego na ręce dla napięcia 230 V wynosi jednak ok. 10 cm, co dyskwalifikuje go z punktu widzenia bezpieczeństwa działań ratowniczych.

Wszystkie te urządzenia mają jedną wspólną cechę: wykrywają prąd przemienny. Zasada ich działania w dużym uproszczeniu sprowadza się na wykrywania przemiennego pola elektrycznego towarzyszącego przepływowi prądu AC.

Prąd DC z kolei powoduje wytworzenie stałego pola elektrycznego. Jak wspomniano wcześniej, instalacja fotowoltaiczna składa się z części stało- i zmiennoprądowej. Część stałoprądową stanowią moduły PV i oprzewodowanie od panelu do falownika, co sprawia, że strażak podczas prowadzenia działań nie ma możliwości detekcji napięcia na przewodach i modułach przy użyciu dostępnych detektorów. Jest to bardzo niebezpieczna sytuacja, ponieważ nie jest w stanie ocenić, czy np. zainstalowane rozłączniki bezpieczeństwa DC zadziałały prawidłowo, odłączając zasilanie w przewodach, bądź czy izolacja przewodów w wyniku oddziaływania mechanicznego lub termicznego nie uległa uszkodzeniu i nie dotyka elementów przewodzących budynku, np. metalowego pokrycia dachu.

Wiele osób w tym momencie zapewne widzi rozwiązanie tego problemu w uzupełnieniu standardowego wyposażenia o detektor prądu stałego.  Niestety, nie jest to takie proste. Obecnie na rynku nie ma mierników/detektorów prądu stałego umożliwiających zdalną detekcję i wykrywanie zagrożenia. Owszem, dostępne są mierniki cęgowe, które wykrywają napięcie w zakresie 1000 V bezkontaktowo, ale wymagają od użytkownika znajomości zasad pomiaru oraz zbliżenia się do elementu instalacji pozostającego pod napięciem. Innym rozwiązaniem jest użycie zwykłego multimetru i pomiar metodą kontaktową. To jednak również wymaga zbliżenia się do instalacji, a co gorsza - w przypadku ciągu trasy kablowej dodatkowej ingerencji w jej izolację. Kolejnym rozwiązaniem, nad którym debatował zespół opracowujący SZP, są wskaźniki napięcia prądu stałego i przemiennego typu CATU MS-415. - w sklepach internetowych oferujących sprzęt i wyposażenie straży pożarnych często umieszczane w kategoriach powiązanych z fotowoltaiką i autami elektrycznymi. Miernik ten co prawda wyposażony jest w przedłużone elektrody, nadające się do użytku w ciasnych przestrzeniach, jednak podobnie do wcześniej opisywanych przyrządów działa kontaktowo. Ponadto zgodnie z instrukcją producenta urządzenie to przeznaczone jest tylko do użytku w pomieszczeniach, co w znacznym stopniu ogranicza możliwości wykorzystania go podczas zdarzeń w obrębie instalacji fotowoltaicznej.

W tym miejscu należy jednak zadać pytanie: czy detekcja napięcia stałego jest potrzebna? Odpowiedź na nie w przeważającej większości przypadków będzie negatywna. Z punktu widzenia bezpieczeństwa działań ratowniczych należy przyjąć, że część stałoprądowa znajduje się zawsze pod napięciem, szczególnie wobec udowodnionej niskiej skuteczności metod przykrywania modułów PV w celu ograniczenia produkcji energii elektrycznej. Skutecznie chroni niedotykanie nieosłoniętych części przewodzących instalacji stałoprądowej, a jeżeli jest to absolutnie konieczne, wystarczającym zabezpieczeniem będą rękawice dielektryczne dostosowane do napięć DC instalacji PV, nieprzekraczających nigdy 1,5 kV.

Uszkodzona instalacja PV, np. na skutek pożaru, może powodować pojawienie się napięcia na przewodzących elementach konstrukcji wsporczej czy dachu o przewodzącym pokryciu. Najpierw należy rozważyć zabezpieczenie miejsca zdarzenia, zakazanie właścicielowi użytkowania instalacji i nakazanie jej demontażu przez wyspecjalizowaną firmę. Dotyczy to sytuacji, w których istnieją jakiekolwiek przesłanki do tego, że instalacja mogła ulec uszkodzeniu. Pamiętajmy, że straż pożarna jest formacją ratowniczą, a demontaż uszkodzonej instalacji bardzo rzadko wchodzi w zakres działań ratowniczych. Takim przypadkiem może być wiszący na przewodach moduł stanowiący zagrożenie dla ruchu pieszego lub drogowego.

Mimo to także w tej sytuacji należy założyć, że instalacja PV pozostaje pod napięciem (część DC). Zastosowanie rękawic dielektrycznych, gdy KDR podejmie decyzję o częściowym chociaż demontażu, będzie wystarczającym środkiem bezpieczeństwa. Ponowna detekcja nie jest tutaj konieczna.

Rozwiązania alternatywne

Prowadzenie działań gaśniczych stanowi kluczowy element likwidacji zagrożenia. Instalacja fotowoltaiczna, w odróżnieniu od innych urządzeń elektrycznych, nie da się łatwo wyłączyć i dezaktywować. Wynika to z ciągłego oddziaływania światła słonecznego lub sztucznego, a tym samym ciągłej produkcji energii elektrycznej. Rozwiązanie testowane, niejednokrotnie opisywane w literaturze, stanowi przykrycie modułów. Od strony technicznej w przypadku instalacji wolnostojącej jest to teoretycznie możliwe do wykonania (zależnie od mocy instalacji i liczby zainstalowanych modułów), jednak w przypadku instalacji zamontowanej na poszyciu dachu już nie. Wiąże się to przede wszystkim z miejscem montażu (często kilka metrów nad ziemią) oraz nachyleniem dachu, co eliminuje lub utrudnia poruszanie się po jego powierzchni. Często też otoczenie budynku i złożoność dachu sprawia, że moduły PV rozlokowane są na kilku jego połaciach i w różnej konfiguracji połączenia.

Kolejne ograniczenie to fakt, że w wyposażeniu pojazdów pożarniczych zwykle nie ma wystarczająco wiele materiału, którym można byłoby przykryć cały panel PV. Co więcej, skuteczne mogą być tylko materiały o odpowiedniej grubości, całkowicie nieprzepuszczalne dla promieni świetlnych. Nie nadają się do tego celu cienkie plandeki, folie itp. Z tych względów nie zaleca się przykrywania modułów, za czym przemawiają wyniki badań (źródło: Firefighter Safety and Photovoltaic Installations Research Project, Robert Backstrom, David A. Dini, P.E., Underwriters Laboratories Inc. 2011).

Ponieważ przykrycie modułów stanowiącymi wyposażenie samochodów foliami, plandekami lub innych dużymi płachtami jest z reguły nieskuteczne i nieefektywne, świat przemysłu wyszedł naprzeciw potrzebom straży pożarnych, oferując urządzenie przypominające wyglądem gaśnicę. Produkt ten ma oznakowanie CE, potwierdzające spełnienie wymagań dyrektywy dotyczącej urządzeń ciśnieniowych (tzw. dyrektywy PED). Wydobywająca się z niej substancja pokrywa moduły PV, tworząc na nich ciemną, zwartą powłokę. To rozwiązanie ma jednak kilka wad - największe to zasięg działania, niszczące oddziaływanie ognia i przede wszystkim cena. Sprawia ona, że nie każda jednostka mogłaby pozwolić sobie na zakup tego środka, a wskazywanie takiego rozwiązania w SZP mogłoby zostać odebrane jako sugestia zakupu.

Podczas rozwiniętego pożaru budynku, przy gęstym zadymieniu i dużej emisji ciepła, każde opisane dotychczas rozwiązanie staje się bezskuteczne. Podobnie wygląda skuteczność dezaktywacji instalacji PV przy próbie pokrycia modułów PV warstwą piany. Kąt nachylenia modułów PV oraz szybkie niszczenie piany daje szansę na obniżenie napięcia o nie więcej niż kilkadziesiąt procent jedynie na kilka minut w przypadku piany lekkiej/CAFS. Piana średnia czy ciężka od razu spłynie z modułów, tego typu działania będą zupełnie nieskuteczne. Nie bez znaczenia pozostaje także wysoka przewodność prądu piany gaśniczej.

Podsumowanie

• Porażenie prądem elektrycznym podczas działań w obrębie instalacji PV jest zagrożeniem, którego nie można wyeliminować.
• Niezawodnym sposobem ochrony przed porażeniem podczas podawania środków gaśniczych na moduły fotowoltaiczne jest zachowanie właściwej odległości. Odpowiednia długość prądu gaśniczego eliminuje możliwość powstania porażenia.
• Detekcja napięcia stałego jest problematyczna i z reguły wymaga szkolenia, aby właściwie wykonywać i interpretować pomiary. Jednak sama w sobie nie jest elementem koniecznym, w znaczący sposób wpływającym na bezpieczeństwo działań ratowniczych w obrębie instalacji PV.
• Konieczne jest prowadzenie ciągłych szkoleń i warsztatów zwiększających wiedzę i umiejętności strażaków. Znajomość zasady działania instalacji PV i związanych z nim zagrożeń ułatwia prowadzenie działań, a przede wszystkim ogranicza zagrożenie porażeniem prądem.
• Istnieją alternatywne metody zabezpieczania i dezaktywacji modułów PV. Ich skuteczność, zasięg i/lub cena stanowią jednak przesłanki do porzucenia tych rozwiązań na rzecz czynności opisywanych w zatwierdzonych SZP.
• Szybki rozwój gałęzi szeroko rozumianych odnawialnych źródeł energii sprawi, że z biegiem czasu wprowadzone zostaną nowe, skuteczniejsze rozwiązania zabezpieczające instalację PV. Dziś to KDR, będący na miejscu działań, ma najlepszy ogląd sytuację i do niego należy wypracowanie optymalnej taktyki. Rolą SZP jest w tym wypadku jest wsparcie procesu podejmowania decyzji.

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. Warszawy

 fot. archiwum autorów

Literatura

• Rozporządzeniem MSWiA z dnia 31 sierpnia 2021 r. w sprawie szczegółowych warunków bezpieczeństwa i higieny służby strażaków PSP (DzU 2021 poz. 1681).
• Standardowe zasady postępowania podczas zdarzeń w obrębie instalacji fotowoltaicznych, wyd. I, KG PSP, 2022.
• Standard wyposażenia samochodu ratowniczo-gaśniczego. Samochód ratowniczo-gaśniczy typoszeregu GBA 2/16, ed. II, KG PSP, 2015.
• forum-fronius.pl/bezpieczenstwo-pozarowe-instalacji-fotowoltaicznych/.
• Assessing fire risks in photovoltaic systems and developing safety concepts for risk minimization (praca zbiorowa), Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, Denver 2018.
• Firefighter safety and photovoltaic installations research project, Robert Backstrom, David A. Dini, P.E., Underwriters Laboratories Inc., 2011.