Požáry fotovoltaiky a riziko úrazu elektrickým proudem

Poplašné zprávy v médiích

V německých médiích, podobně jako o něco později v České republice, se začaly kolem roku 2010 objevovat poplašné zprávy, které zveličovaly nebezpečnost fotovoltaiky v případě požáru. Vybrané mediální zprávy z německých médií byly proto v rámci výzkumného projektu s názvem Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagen und Erstellung von Sicherheitskonzepten zur Risikominimierung (Posouzení požárního rizika u fotovoltaických systémů a vývoj bezpečnostních konceptů pro zmírnění rizika) [Bewertung] podrobeny detailnímu šetření, které porovnalo zprávy v médiích s informacemi v oficiálních zprávách jednak samotných hasičů a jednak pojišťovacích společností a likvidátorů pojistných událostí. Ukázalo se, že informace prezentované v médiích byly vesměs chybné.

Například při hašení budovy v obci Rösrath média referovala o zranění hasiče elektrickým proudem při hašení budovy s fotovoltaickýcm systémem. Ze záběrů z televizní reportáže však bylo evidentní, že na budově byl solární termický systém, viz obrázek.

V souvislosti s tvrzením, že hasiči budovy s FVE nehasí, je často citován případ požáru budovy s fotovoltaickým systémem v obci Schwerinsdorf z února 2010, viz obrázek. V oficiální zprávě velitele zásahu je však uvedeno, že hasiči budovuopustili, protože hrozilo její zřícení (jednalo se o dřevostavbu). Ve zprávě je přímo uvedeno, že fotovoltaický systém nebyl příčinou zničení budovy požárem […], ale bránil hasebnímu zásahu.

Často opakované tvrzení, že fotovoltaické systémy jsou zvlášť nebezpečné, protože je nelze vypnout, je pravdivé pouze ve druhé části, tj. fotovoltaické systémy v současnosti většinou nejsou provedeny tak, aby bylo možno je v případě potřeby uvést do beznapěťového stavu.

Napětí na fotovoltaickém panelu při požáru

Z hlediska rizika úrazu elektrickým proudem je možno považovat fotovoltaické panely za zdroj stejnosměrného napětí/proudu se specifickými vlastnostmi.

Maximální proud, který jsou panely schopny generovat (I_SC – proud nakrátko) je přímo úměrný intenzitě osvětlení. Naproti tomu maximální napětí (U_OC – napětí naprázdno) sice s intenzitou ozáření roste, ale závislost je nelineární. Při velmi malých intenzitách ozáření do zhruba 100 W/m² (v závislosti na typu a kvalitě panelu) napětí naprázdno roste relativně rychle, zatímco při intenzitě ozáření nad 200 W/m² už vcelku zanedbatelně. Napětí naprázdno kromě toho závisí na teplotě panelu – s rostoucí teplotou napětí naprázdno klesá.

Důsledky výše uvedených vlastností z hlediska rizika úrazu jsou pozitivní. Jednak již při teplotách kolem 150 °C může klesnout napětí naprázdno na polovinu nominální hodnoty. Pokud jsou panely přímo zasaženy požárem, klesne napětí vlivem vysoké teploty na bezpečné hodnoty, i kdyby snad zůstala zachována funkčnost panelů. Kromě toho při velmi malých intenzitách ozáření lze sice naprázdnonaměřit vysoké napětí, ale účinnost panelů je tak nízká, že při připojení zátěže napětí klesne.

Požár mimo fotovoltaickou elektrárnu

Jiná je situace, pokud k požáru dojde v jiné části objektu, kterou prochází vodiče od fotovoltaických panelů. Typickým příkladem je umístění střídače v suterénní místnosti. I při odpojení střídače od distribuční soustavy nebo od panelů zůstávají vodiče pod napětím, které odpovídá napětí naprázdno. Pro tyto situace však v současnosti jižjsou k dispozici technická řešení, která umožňují odpojit vedení blíže u panelů.

V praxi málo rozšířené, ale z hlediska bezpečnosti při požáru výhodné řešení představují mikrostřídače a výkonové optimizéry (DC/DC měniče) umístěné přímo u fotovoltaických panelů. Mikrostřídače potřebují k provozu připojení k distribuční soustavě s odpovídajícím napětím a frekvencí. Při odpojení od sítě není na jejich výstupu napětí. Výkonové optimizéry ke své funkci zase potřebují elektrické propojení a datovou komunikaci se střídačem, pokud je toto propojení přerušeno, na výstupu DC/DC měniče je nulové napětí.

Účinky elektrického proudu na lidský organismus

Úrazy stejnosměrným proudem jsou mnohem méně časté, než by se očekávalo z počtu používání stejnosměrného proudu a smrtelné úrazy se vyskytují pouze za velmi nepříznivých podmínek, např. v dolech. Děje se tak částečně proto, že u stejnosměrného proudu odpoutání od uchopených částí je snadnější, a že u doby trvání zasažení elektrickým proudem delším než je perioda srdečního cyklu zůstává práh komorové fibrilace podstatně vyšší než u střídavého proudu [CSN332010].

Hlavní rozdíly mezi účinkem střídavého a stejnosměrného proudu na lidské tělo pramení ze skutečnosti, že excitační účinky proudu (stimulace nervů a svalů, vyvolání síňové nebo komorové fibrilace) souvisí se změnami velikosti proudu, zejména s jeho připojením a odpojením. K vytvoření stejných excitačních účinků je velikost stejnosměrného proudu konstantní intenzity dvakrát až čtyřikrát větší než u střídavého proudu [CSN332010].

Pro posouzení bezpečnostielektrického proudu lze použít mezní (prahové) hodnoty podle ČSN IEC 479-1 [IEC479] (zrušená norma). Mez uvolnění, tj. proud, který již zasažené osobě zabrání uvolnění od vodiče, je podle této normy 5 mA u střídavého proudu a 25 mA u proudu stejnosměrného. Závažnější negativní účinky na organismus (fibrilace srdečních komor a následná zástava srdce, zástava dechu nebo popálení) nastávají u střídavého proudu od 30 mA a u stejnosměrného od 120 mA, přičemž riziko roste s rostoucím proudem. Například s pravděpodobností 5 % nastávají komorové fibrilaceu osob zasažených elektrickým proudem při střídavém proudu 40 až 50 mA nebo při stejnosměrném proudu 150 až 170 mA.

Za předpokladu stejného elektrického odporu je tedy lidský organismus schopen snést několikanásobně vyšší stejnosměrné napětí než napětí střídavé. Riziko úrazu lze snížit zvýšením elektrického odporu použitím vhodné obuvi, oděvu nebo ochranných pomůcek.

Snižování rizik

Pro posouzení rizik spojených s požáry v budovách s instalovanými fotovoltaickými systémy byl v Německu realizován výzkumný projekt s názvem Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagenund Erstellung von Sicherheitskonzepten zur Risikominimierung (Posouzení požárního rizika u fotovoltaických systémů a vývoj bezpečnostních konceptů pro zmírnění rizika) [Bewertung], který byl ukončen v lednu 2014.

Projekt se zaměřil na analýzu rizik a slabých míst ve fotovoltaických systémech a jejich komponentách, vyhodnocení vzniku požárů a analýzu vlastností elektrického oblouku, jeho detekce, případně prevence. Na základě analýz byly doporučeny opatření a postupy k uvedení fotovoltaického systému do bezpečného stavu. Zároveň byla vypracována doporučení pro případ hasebního zásahu.

Pro snížení rizik byl v Německu připraven návrh směrnice VDE-AR-E 2100-712, který obsahuje organizační, stavební a technická opatření ke snížení rizika úrazu elektrickým proudem při hašení fotovoltaických systémů. U stávajících systémů se doporučuje viditelně umístit základní informace o fotovoltaickém systému – schéma zapojení, umístění jednotlivých komponent a vedení kabelů. V každém případě by takové informace měl mít k dispozici velitel zásahu. U nových systémů se doporučuje vést kabely mimo obálku budovy, alespoň pro stejnosměrné kabely používat instalace s požární ochranou podle normy a instalovat dálkově ovládané odpojovače nebo zkratovací spínače na úrovni jednotlivých panelů nebo stringů.

Fotovoltaické systémy lze bezpečně hasit vodou při dodržení následujících zásad [DIN VDE 0132]:

• Vzdálenost 1 m mezi hasičem a elektrickým zařízením pod napětím
• Vzdálenost 1 m při hašení rozptýleným proudem u proudnice C podle DIN 14365
• Vzdálenost 5  m při hašení plným proudem u proudnice C podle DIN 14365
• U jiných proudnic dodržovat vzdálenost podle údajů výrobce

V České republice byl proveden experimentální požár a následně vypracován metodický list s taktickými postupy zásahu při požáru fotovoltaických elektráren.

Experimentální požár

Na začátku roku 2012 byl v opuštěném objektu letiště Líně proveden zkušební požár dvou malých fotovoltaických systémů. Panely byly umístěny na plechové krytině bývalé tělocvičny. V průběhu požáru byly měřeny elektrické parametry obou systémů.

Větší systém se skládal z 12 ks fotovoltaických panelů s články z monokrystalického křemíku se jmenovitým výkonem jednoho panelu 150 Wp. Celkový výkon systému byl 1,8 kWp, roční výrobu takového systému lze uplatnit v běžném rodinném domě bez potřeby významných přetoků do elektrizační soustavy. Napětí naprázdno u tohoto systému může za mrazivého počasí přesáhnout 500 V. V optimálním pracovním bodě se napětí pohybuje kolem 360 V. V současnosti je obdobný výkon realizován spíše 8 ks panelů o jmenovitém výkonu kolem 240 Wp. Napětí naprázdno se v takovém případě pohybuje kolem 300 V, maximálně kolem 400 V, v optimálním pracovním bodě je napětí kolem 250 V. V případě hasičského zásahu je však nutno počítat s napětím naprázdno, protože se předpokládá, že objekt bude odpojen od distribuční soustavy.

Z hlediska rizika úrazu elektrickým proudem je varianta s menším počtem panelů o větším jmenovitém výkonu vhodnější a lze proto doporučit, aby při návrhu systému byla preferována.

Menší experimentální systém se skládal z 2 ks panelů výše uvedeného typu umístěných na krytině z pálených tašek. Krytina z pálených tašek byla dodatečně instalována na stejné střeše namísto části původní plechové krytiny, aby mohlo být ověřeno chování panelů na jiném typu střešní krytiny. Výkon menšího systému – 300 Wp – odpovídá potřebě malého rekreačního objektu. Panely byly zapojeny paralelně, pracovní napětí se proto pohybuje kolem 30 V, maximální napětí naprázdno je menší než 50 V. Takový systém za běžných podmínek nepředstavuje pro zasahující hasiče nebezpečí z hlediska rizika úrazu elektrickým proudem.

Před samotným požárem byla provedena řada měření se zaměřením na potenciální (ne)bezpečnost stejnosměrné silové elektroinstalace v průběhu hasičského zásahu. Při přerušování stejnosměrných silových rozvodů, kterými prochází proud, pomocí standardní hasičské techniky se potvrdilo, že i při zatažené obloze vzniká oblouk s proudem až 2 A. Nutno ovšem podotknout, že při přerušení vodiče, kterým neprochází žádný proud, k vytvoření oblouku nedojde, přestože mezi vodiči je plné napětí naprázdno.

U obou testovaných systémů byly v průběhu požáru měřeny jejich voltampérové charakteristiky a byly zaznamenány průběhy teplot na FV panelech. Teploty byly měřeny bodově pomocí termistorů a zároveň celoplošně s využitím termokamery. Prokázalo se, že panely vyrábějí elektřinu i při teplotách vysoko nad 100 °C až do chvíle, kdy dojde k jejich viditelnému poškození požárem.

Počasí nebylo z hlediska výroby elektřiny fotovoltaickým systémem optimální, průměrný příkon dopadajícího záření se pohyboval kolem 200W/m². Ze změřených VA charakteristik je však možno po přepočtu usuzovat na chování systému za jiných světelných podmínek.

V průběhu experimentu byly pořízeny videozáznamy a termovizní snímky z celého průběhu požáru a následného hasičského zásahu. Výsledky měření a z toho vyplývající doporučení pro případný hasičský zásah byly prezentovány na České fotovoltaické konferenci, jejíž 7. ročník se konal ve dnech 3. a 4. května 2012 v Brně.

Metodický list HZS ČR

Generální ředitelství Hasičského záchranného sboru České republikyvydalo v prosinci 2012 dva metodické listy s taktickými postupy zásahu při požáru fotovoltaických elektráren [ML47, ML48].

Základním pravidlem je, že se hasební zásah vede, jako by se jednalo o zařízení pod napětím, protože ani při odpojení fotovoltaické elektrárny od sítě, nebo panelů od střídače, nelze vyloučit, že vodiče vedoucí od fotovoltaických panelů budou pod napětím.

V zásadě se fotovoltaické elektrárny hasí vodou obdobnými postupy, jaké jsou předepsány pro jiná elektrická zařízení a vedení pod napětím 400 V [ML25]. V Německu existují pro hašení elektrických zařízení pod napětím obdobná pravidla, platí však pro napětí až do 1000 V, což je u většiny typů fotovoltaických panelů maximální systémové napětí (napětí sériově propojených panelů).

Při požáru střešní konstrukce s FV elektrárnou je třeba především požadovat a zajistit odpojení FV elektrárny od vnější elektrické sítě a odpojení panelů od střídače. Je nutno zabránit šíření požáru mimo požárem zachvácenou část na střeše a to jednak zásahem ze spodu, k ochraně nosných konstrukcí (ochlazováním, aby nedošlo ke ztrátě jejich nosnosti) a k zabránění šíření požáru dovnitř budovy, a jednak vnější zásahovou cestou, na střešní konstrukci z výškové techniky (nepoužívat nastavovací žebříky) nebo jiného vhodného místa mimo zasaženou střechu roztříštěným proudem obdobně jako běžná zařízení a vedení pod napětím do 400 V.

Při rozvinutých požárech o velké ploše tvořit proluky v konstrukci střechy v dostatečné vzdálenosti od fronty šíření požáru, přičemž je nařízeno neodmontovávat či jinak odstraňovat FV panely.

Z důvodu rizika úrazu elektrickým proudem je nutno vyhýbat se kontaktu s vodivými částmi střechy a panelů; nešlapat po panelech, nedotýkat se kovových konstrukcí nebo střechy pokud jsou viditelně spojeny s nosnou konstrukcí panelů. Pro práce na střeše určovat jen nezbytný počet hasičů, a nenasazovat na střechu hasiče při současném hašení střechy vodivými hasivy.

Fotovoltaické panely jsou málo hořlavé a nepřispívají k intenzitě požáru, proto se hasí, jen pokud je to bezprostředně nutné. Je však nutno pamatovat na riziko zhroucení nosné konstrukce nebo sesutí panelů, v takovém případě je nutno prostor okamžitě opustit.

Při požáru budovy, na které je umístěna FV elektrárna, je především nutno zjistit rozsah požáru v budově. Pokud požár zasahuje do hlavních elektrických rozvodů a nelze vyloučit, zda se jedná o rozvody FVE, postupuje se jako při hašení elektrických zařízení pod napětím. Je třeba požadovat a zajistit odpojení FV elektrárny od vnější elektrické sítě a panelů od střídače. Přednostně se zajišťuje, aby se požár nešířil k technologickému objektu FVE nebo do kabelových rozvodů vedoucích k FVE.

Závěr

Rizika spojená s požárem fotovoltaických elektráren jsou rozhodně menší, než jak by se mohlo zdát na základě zpráv v masových médiích v Německu i v České republice. Určitý problém představuje pouze skutečnost, že většinu stávajících FVE nelze uvést do beznapěťového stavu.

Pro hašení elektrických zařízení pod napětím jsou vypracovány standardní postupy. Rozdíl mezi ČR a Německem je pouze v horní hranici napětí. Zatímco v Německu se standardně hasí vodou elektrická zařízení pod napětím do 1000 V, v České republice je to jen do 400 V.

Na základě poznatků z fyziologie je riziko úrazu elektrickým proudem za jinak stejných podmínek nižší u stejnosměrného proudu, než u proudu střídavého.

Z metodického listu HZS ČR je zřejmé, že fotovoltaické elektrárny na střechách budov hasičům v případě požáru komplikují práci, omezují možnosti zásahu. Příkaz nezasahovat však neexistuje a nikdy neexistoval.

V současnosti již jsou k dispozici technická řešení, která umožňují dosažení beznapěťového stavu, případně stavu se sníženým bezpečným napětím. Lze je proto jedině doporučit a lze očekávat, že do budoucna se tato řešení prosadí.

Reference

• [Bewertung] Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagenund Erstellung von Sicherheitskonzepten zur Risikominimierung, [online]. Dostupné http://www.pv-brandsicherheit.de/pv-brandschutz
• [CSN332010] ČSN 33 2010 – Účinky proudu na člověka a domácí zvířectvo – Část 1: Obecná hlediska. Dostupné http://csnonlinefirmy.unmz.cz/html_nahledy/33/52653/52653_nahled.htm
• [DIN VDE 0132] Brandbekämpfung im Bereichelektrischer Anlagen
• [IEC479] Uhrová H. a kol.: Laboratorní cvičení z fyziky. VŠCHT v Praze. Dostupné
  https://vscht.cz/ufmt/cs/pomucky/uhrovah/skripta/skripta_lab_fyz.html
• [ML14] Nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Metodický list číslo 14N. Metodický list číslo 25P. Praha: MVČR – GŘ HZS, 2001. Dostupné www.hzscr.cz/soubor/n-14-elektricky-proud-pdf.aspx
• [ML25] Hašení vodou elektrických zařízení a vedení pod napětím do 400 V. Metodický list číslo 25P. Praha: MVČR – GŘ HZS, 2004. Dostupné http://metodika.cahd.cz/bojovy%20rad/P.25%20Napeti%20400V.pdf
• [ML47] Požáry střešních konstrukcí s fotovoltaickým systémem. Metodický list číslo 47P. Praha: MVČR – GŘ HZS, 2012. Dostupné www.hzscr.cz/soubor/ml-47-p-pdf.aspx
• [ML48] Požáry fotovoltaických elektráren. Metodický list číslo 48P. Praha: MVČR – GŘ HZS, 2012. Dostupné www.hzscr.cz/soubor/ml-48-p-pdf.aspx
• [Pozar] Hermann Laukamp, Robin Grab, Heribert Schmidt. Představuje fotovoltaika při požáru vážné riziko pro hasiče? Mýty a fakta podle zkušeností z Německa. TZB-info [online]. Dostupné
  http://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/10179-predstavuje-fotovoltaika-pri-pozaru-vazne-riziko-pro-hasice