Elektrická zařízení v extrémních podmínkách
V souvislosti s výskytem povodňových událostí jsou elektrická zařízení v postižených oblastech vystavena účinkům extrémních okolních vlivů. Nejde jen o vysokou vlhkost či zatopení, ale například i o vlivy mechanické, vyvolané poškozením stavebních konstrukcí a vlivy chemické, způsobené přítomností agresivních a toxických látek v záplavové vodě. Proto po odeznění těchto vlivů vyvstává řada problémů s následnou opravou a aktivací elektrických zařízení.
Elektrická zařízení, provozovaná v podmínkách zvýšené vlhkosti nebo dokonce zatopení, přinášejí řadu rizik. Prvotní rizika jsou bezpečnostní a souvisejí zejména s možností úrazu elektrickým proudem a selháváním správné funkce elektrického zařízení. Proto je v prvé řadě nutné bezpečné odstavení zařízení pokud možno ještě před jeho zatopením a zajištění jeho beznapěťového stavu.
Následná rizika, spojená s obnovou činnosti zařízení po odeznění záplav, nejsou pouze provozně-technická. Při obnově zařízení je nutné respektovat i hygienická rizika, neboť záplavová voda může být silně kontaminovaná řadou látek lidskému organismu nebezpečných. Proto při prvotní očistě elektrického zařízení je nutná aplikace základních dezinfekčních prostředků.
V případě likvidace následků záplavy v chemických provozech, případně skladech nebezpečných látek, je potřeba konzultovat možná rizika s hygieniky a výběru vhodných ochranných a dezinfekčních prostředků věnovat zvýšenou pozornost.
Degradační faktory působící na elektrické zařízení
Po zatopení a následném očištění elektrického zařízení se projevují vyšší měrou některé faktory, ovlivňující spolehlivost a trvanlivost jeho jednotlivých komponent. Vzhledem k tomu, že elektrické zařízení je během zatopení vystaveno řadě vlivů, které by se za normálních podmínek po celou dobu jeho provozu neuplatnily nebo by se uplatnily v podstatně mírnější formě, je nutné mu po opětovném uvedení do provozu věnovat zvýšenou pozornost.
 Obr. 1 Závislost teploty rosného bodu ts na teplotě vzduchu ti a relativní vlhkosti vzduchu φi |
|
Z těchto vlivů se po zaplavení ve zvýšené míře uplatňují teplota okolí, vlhkost, výskyt cizích pevných těles a korozivních nebo znečišťujících látek.
Vliv vlhkosti a teploty okolí
Vlhkost vzduchu, jeho teplota a teplota povrchu jednotlivých částí elektrického zařízení má výrazný vliv na izolační stav elektrického zařízení. Tyto vlivy se neprojevují pouze u zařízení, která byla delší dobu vystavena přímému působení vody, ale i u zařízení provozovaných v prostředí studeném a vlhkém. Během procesu vysoušení zařízení je nutné udržovat povrchovou teplotu konstrukčních a izolačních částí nad rosným bodem, aby nedocházelo ke kondenzaci vzdušné vlhkosti na jejich povrchu a ke snižování jejich izolačního odporu. Vztah mezi teplotou, při níž dochází ke kondenzaci vodních par na povrchu jednotlivých dílů zařízení (teplotou rosného bodu ts), relativní vlhkostí vzduchu φi a teplotou vzduchu ti vyjadřuje graf na obr. 1.
Z grafu vyplývá nutnost udržovat zejména při vysokých relativních vlhkostech vzduchu dostatečně vysokou teplotu všech částí zařízení, aby při styku vzduchu s jejich povrchem nedocházelo ke kondenzaci vodních par.
Výskyt cizích pevných těles
Výskyt cizích pevných těles působí problémy zejména v mechanických systémech elektrických přístrojů. Je častou příčinou zablokování jejich pohybových mechanismů. Problémy tohoto druhu se vyskytují již u některých přístrojů s krytím IP 30, kde drobné pevné částice mohou pronikat do jejich krytu otvory pro ovladače a mechanické vazební elementy. Vzhledem k tomu, že běžně používané instalační přístroje mají krytí IP 20, je v případě zaplavení vniknutí cizích těles do mechanismu přístrojů velmi pravděpodobné a jejich odstranění u nerozebíratelných provedení bez destrukce krytu nemožné.
Výskyt korozivních nebo znečišťujících látek
Pro dosažení dlouhodobě spolehlivé funkce elektrického zařízení je důležitá jeho ochrana před působením chemických látek, majících korozivní účinky. S ohledem na používané elektrotechnické materiály se sleduje četnost výskytu a koncentrace následujících látek:
|
Kromě oxidových vrstev, které zvyšují odpor kontaktního styku, se nepříznivě projevují i znečišťující vrstvy na povrchu izolantů, které zhoršují elektrické izolační vlastnosti přístrojů a zařízení. Zejména při zvýšené vlhkosti vlivem nasycení povrchových vrstev solemi dochází k výraznému snížení povrchové izolační pevnosti.
Vlivem difuze chemických látek do poréznějších izolačních materiálů může dojít k trvalejšímu snížení jejich izolačního odporu.
Metody obnovy elektrického zařízení
Po provedení základní očisty a odstranění všech nečistot na povrchu i uvnitř elektrického zařízení je nutné zvážit další postup z hlediska odstraňování následků zatopení. Způsob obnovy bude ovlivněn požadavkem na rychlost obnovy provozu zařízení. V případě dostatečné časové rezervy lze postupovat pracnějším a časově náročnějším způsobem, spočívajícím v dokonalém vyčištění zařízení a jeho postupném vysušení. Vyměněny jsou pouze nezbytně nutné části zařízení, které nelze z důvodů nerozebíratelnosti dokonale vyčistit a vysušit.
Druhý způsob spočívá v radikální výměně veškerého elektrického zařízení, které bylo zatopeno. To se týká nejenom elektrických rozváděčů, ale i dalšího zařízení, jako jsou elektrické stroje a propojovací kabely, jejichž izolace je vlivem zaplavení momentálně nevyhovující. Tento postup je většinou volen v případě naléhavé celospolečenské potřeby co nejrychlejší obnovy elektrického zařízení a s ním souvisejícího celého systému. Je evidentní, že finanční nároky tohoto řešení jsou vyšší než u varianty postupného vysoušení a opravování zařízení, avšak i v prvém případě vzhledem k možnosti finančního ocenění časového faktoru a náročnosti vložené práce nejde o výrazněji levnější záležitost. Přitom následná rizika spojená s možností výskytu skrytých vad opravovaných zařízení nejsou zanedbatelná. Použitý způsob by měl být spíše momentálním východiskem z nouze a úplná výměna zařízení by neměla být příliš oddalována. Přitom takto obnovenému a aktivovanému zařízení by měla být věnována následná zvýšená péče, spočívající v častějších kontrolách stavu zařízení a jeho revizích.
Postup čištění a vysoušení vybraných elektrických zařízení
Skříně plastových rozváděčů, domovní rozvodnice
Relativně jednoduché instalace, využívající plastové rozvodnicové skříně, lze vyčistit důkladným vystříkáním teplou vodou (do 75 °C). Následovat by měla dezinfekce vhodným dezinfekčním roztokem a opláchnutí čistou vodou. Následně lze vysušit skříň buď teplým vzduchem, nebo ji ponechat pomalu vyschnout v suché místnosti při teplotě 20 - 25 °C. Zkorodované části (nosné DIN lišty, šrouby) případně vyměnit. Obr. 2 Časový průběh změn teploty a izolačního odporu vinutí během sušení |
Přístrojovou náplň v případě zatopení vyměnit, při zasažení zvýšenou vlhkostí (kondenzované páry) vysušit. Před uvedením do provozu po několik desítek až stovek hodin sledovat časový vývoj izolačních odporů a odporů kontaktního styku (je důležité zejména u ochranných obvodů).
Elektrické stroje
Revitalizace elektrických strojů je poněkud náročnější a vyžaduje jejich úplné rozebrání, aby byl co nejlepší přístup k vinutí a ložiskům. Pokud se jedná o asynchronní motory, bude hlavním problémem vysušení statorového vinutí. V případě komutátorových strojů bude situace ještě komplikovanější, neboť bude nutné ošetřit budicí vinutí, vinutí kotvy s komutátorem a unašeč kartáčů. V případě transformátorů bude nutné ošetřit a vysušit vinutí a podobně jako u ostatních strojů provést antikorozní ochranu magnetických obvodů a ostatních kovových částí konstrukce. Bezpečnostní transformátory (pro obvody PELV, SELV) vyměnit.
Režim sušení vinutí a izolace elektrických strojů
Pro technicky i ekonomicky optimální postup je nutné správně zvolit teplotu vysušování. Pro zrychlené vysušování za nízkých teplot je možno využít i vakua. Zvyšováním sušicí teploty υM se zvyšuje i rychlost odpařování vody z vinutí a izolace. Odpařování je nejintenzivnější, je-li υM > υvaru při odpovídajícím tlaku. Při teplovzdušném sušení za normálního atmosférického tlaku, tj. p = pn, lze použít teplotu sušení mírně nad 100 °C s tím, že s ohledem na třídu izolace nesmí být překročena přípustná teplota, aby nedocházelo ke zrychlenému stárnutí izolace.
Pokud se suší v podmínkách vakua, lze sušit i při teplotách nižších než 100 °C. Vlivem zvýšeného odpařování vody v podmínkách vakua dochází k intenzivnímu odnímání energie sušené součásti, doprovázenému poklesem teploty a nárůstu izolačního odporu vinutí. Tyto závislosti jsou zachyceny na obr. 2. Optimální a maximální teploty sušení stanovené s ohledem na třídu izolace vinutí vysoušeného stroje jsou uvedeny v tabulce 1.
| Teplotní třída | Optimální sušení (°C) p = pn |
Teplota p < pn |
Maximální přípustná teplota sušení (°C) |
| Y | 100 - 105 | 80 - 90 | 110 |
| A | 110 - 120 | 80 - 100 | 130 |
| E | 120 - 130 | 90 - 110 | 140 |
| B | 130 - 140 | 150 | |
| F | 150 - 160 | 180 | |
| H | 180 - 200 | 220 |
Tab. 1 Optimální a maximální teploty sušení podle teplotní třídy izolace
Vysoušení vinutí při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku trvá déle než za zvýšené teploty a sníženého tlaku, operace však nevyžaduje speciální sušicí komoru a vakuovou aparaturu. Kontrolu průběhu vysoušení lze provádět měřením ztrátového činitele vinutí (tg δ). Typická časová závislost procentní hodnoty ztrátového činitele vinutí, zjištěná experimentálně na vinutí velkého stroje během máčení ve vodě a při následném sušení je uvedena na obr. 3.
Obr. 3: Časová závislost procentní hodnoty ztrátového činitele vinutí tg.
během máčení ve vodě a při následném sušení (křivka 1 - šelakové mikafólium
a lakovaná páska, křivka 2 - vakuově impregnované vinutí zalité pryskyřicí)
Proces, prezentovaný na obr. 3, probíhal při teplotě okolí 20-25 °C. Při poklesu hodnoty tg δ na 20 % vzhledem k výchozímu stavu na začátku sušení byla pro urychlení sušení zvýšena vysoušecí teplota na 100 °C.
| Čas sušení (hodiny) |
Kartáč A1 Riz (MΩ) |
Kartáč A2 Riz (MΩ) |
Motor Riz (MΩ) |
| 0 | 19 | 21 | 0,65 |
| 24 | 215 | 744 | 10 |
| 48 | 126 | 380 | 10 |
| 192 | 340 | 790 | 13 |
| 240 | 325 | 680 | 14 |
| 264 | 426 | 830 | 15 |
Tab. 2 Motor č. 1 - rozebraný stav
Výsledky měření na vybraných strojích a přístrojích vystavených zaplavení
Teoretické závěry prezentované v předchozích odstavcích lze doložit některými praktickými výsledky reaktivace elektrických strojů a přístrojů, vystavených účinkům zatopení. Jsou uvedeny časové průběhy postupu sušení a časového vývoje izolačních odporů jednotlivých dílů jednoho ze čtyř komutátorových motorů, které byly po zatopení autorem článku opětovně uvedeny do provozu. Dále byly proměřeny kontaktní odpory a izolační vlastnosti skupiny elektrických přístrojů, které byly dlouhodobě zatopeny a následně samovolně vysušeny.
Cílem těchto měření nebylo posoudit možnost opětovného použití těchto přístrojů, ale získání poznatků o stupni degradace jednotlivých částí přístrojů. Následující tabulky, grafy a fotografie názorně prezentují jak možnosti úspěšného odstranění některých následků zaplavení v elektrických strojích, tak i zajímavé vlastnosti elektrických přístrojů po jejich samovolném vysušení.
Měření izolačního odporu komutátorových motorů
Všechny měřené stroje byly zcela rozebrány, očištěny a následně sušeny při teplotách 19-21 °C.
Výkon motoru: 200 W, buzení permanentními magnety.
Měřeny Riz rotoru a kartáčů.
Použité označení
Riz (MΩ) izolační odpor měřený v megaohmech při zkušebním napětí 500 V DC
Použitý měřicí přístroj
měřič izolace DI 2000M - viz tab. 2.
Poznámka: Při druhém měření (čas 24 h) byl držák kartáčů po dobu 5 minut vysoušen horkým vzduchem - viz obr. 4.
Obr. 4 Časový vývoj nárůstu izolačního odporu
dílů komutátorového motoru č. 1
Výsledky měření izolačního odporu a odporu kontaktního styku vybraných přístrojů po zatopení a následném vysušení bez provedení očisty
Použité označení
Riz - izolační odpor měřený v megaohmech (MΩ) při zkušebním napětí 500 V DC
Rk - odpor kontaktního styku měřený v miliohmech (mΩ)
Použitý měřicí přístroj: měřič izolace DI 2000M
dráha
Vysušený stav bez jakéhokoliv očištění po následcích zatopení (METRO)
Mechanismus ve vypnutém stavu, zablokovaný usazeninami
Osazen pojistkami In = 35 A
| Riz (MΩ) | > 2000 |
kontakty
4 - 6
7 - 9
1100
500
kontakty
4 - 5
7 - 8
600
1200
Přerušená ovládací cívka (U = 380 V)
kontakty
21 - 22
31 - 32
41 - 42
>200 000
400
31 000
kontakty
21 - 24
31 - 34
41 - 44
200
300
>200 000
Po změření izolačního odporu byla vzájemná elektrická pevnost proudových drah testována rázovou vlnou 3 kV - 1,2/50 mikrosekund bez zaregistrovaného průrazu.
 Obr. 5 |
 Obr. 6 |
 Obr. 7 |
Popisky k obrázkům:
Obr. 5: Odkrytovaný jeden pól motorového spouštěče BE 300 010 po zaplavení a samovolném vysušení. Patrné napadení svorek a bimetalového členu korozí. Naměřené izolační odpory mezi sousedními svorkami větší než 2000 MΩ.
Obr. 6: Časové relé ZR 200015 po zatopení a samovolném vysušení. Na krytu relé patrné
zbytky slabého znečištění, svorky silně zkorodované. Naměřené izolační odpory mezi
sousedními svorkami větší než 2000 MΩ. Při testu rázovou vlnou 3 kV - 1,2/50 µs bez
přeskoku. Vysoký přechodový kontaktní odpor rozpínacího kontaktu 15-18 (18 MΩ).
Relativně malé znečištění plošného spoje.
Obr. 7: Relé PT 570 220 s paticí po zatopení a samovolném vysušení. Na krytu relé patrné zbytky kalové vrstvy, svorky silně zkorodované, zanesené zbytky kalu. Naměřené izolační odpory mezi sousedními svorkami větší než 2000 MΩ. Při testu rázovou vlnou 3 kV - 1,2/50 µs registrován
přeskok pouze mezi rozepnutými kontakty. Jednotlivé póly bez přeskoku. Patrná tvorba cizích vrstev na povrchu kontaktů a zvýšený kontaktní odpor v sepnutém stavu.
Závěr
Aktivace elektrických zařízení po zaplavení v důsledku povodní je v našich zeměpisných šířkách poměrně nová problematika, která souvisí s probíhajícími klimatickými změnami na celém světě. Co do rozsahu a míry škod přinesly povodně v roce 2002 nebývalé škody, které se promítly do života všeho našeho obyvatelstva. Na druhé straně však byly i zdrojem poučení pro příští realizace staveb a jejich vybavení. Je proto na místě získané poznatky sbírat, třídit a vyvozovat z nich obecné závěry, které napomohou v případě budoucího výskytu záplav jejich účinkům lépe, bezpečněji a s menšími ztrátami čelit.
Použitá literatura
/1/ Sacharov, P.,V.: Technologie výroby elektrických přístrojů SNTL Praha, 1956
/2/ Barták, A.-Mravinač, L.-Neumann, J.-Vařák, J.: Diagnostika poruch izolací elektrických strojů SNTL Praha, 1984
/3/ Kuba, J.- Mach, P.: Technologické procesy Vydavatelství ČVUT Praha, 2001
/4/ Řehák, J.- Janouš, A.: Tepelné ztráty budov a možnosti jejich zmenšování SNTL Praha, 1985
/5/ Poláček, D. a kol.: Elektrotechnické tabulky MONTANEX, 1996
/6/ Česká norma ČSN 33 2000-6-61, únor 1994
/7/ Mindl, P.: Aktivace motorů JUGS po přechodném zatopení
Technická zpráva, leden 2003