Funkční pospojování v Ex

Často se v průmyslové oblasti vyskytují velká zařízení a stroje, které jsou rozloženy přes celé areály a nacházejí se jak ve vnitřním, tak venkovním prostředí. Protože kov je zde hojně používaným konstrukčním materiálem, hraje z hlediska elektrické bezpečnosti zásadní roli pospojování.

Funkční pospojování

Existuje několik důvodů, které hovoří pro zřízení funkčního pospojování např. u dlouhých ocelových roštů v prostředí s nebezpečím výbuchu v zóně Ex 1 (obr. 1). Jako základ pro vyhodnocení každého jednotlivého případu by se měla především aplikovat ustanovení příslušných platných norem pro danou oblast – např. pro informační a telekomunikační techniku. V této souvislosti je třeba zmínit normu ČSN EN 50310 ed. 4 [2]. V ní jsou uvedeny konkrétní požadavky na funkční pospojování v telekomunikačních zařízeních a mnoho dalších užitečných informací.

Funkční pospojování plní nejrůznější úkoly. Příslušné požadavky se řídí podle způsobu funkce připojených přístrojů. V zásadě je cílem funkčního pospojování spolu s funkčním uzemněním vylepšení elektromagnetické kompatibility (EMC).

Jde především o:
– zamezení vzniku rušivých napětí omezením úbytků napětí na svodech poruchových proudů,
– vytvoření společného vztažného potenciálu pro signální napětí a stínění,
– uzemnění antén a rádiových přístrojů.

Požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu se zpravidla uplatňují až při frekvencích nad 10 MHz.

Hledisko norem

Často pro danou situaci v Ex prostředí vyhoví již splnění požadavků normy ČSN EN 60079-14 ed. 4:2014 [3]. Všechny ostatní požadavky na funkční pospojování musejí minimálně splňovat dále uvedené platné požadavky na nevýbušná zařízení, protože funkční pospojování se nachází současně v prostředí s nebezpečím výbuchu zóny 1. Z tohoto důvodu je třeba provést kombinované pospojování, ve kterém budou upřednostňovány požadavky na ochranné pospojování.

V zóně 1 je rovněž požadována ochrana před bleskem, takže je třeba ještě zde dodržet ustanovení odst. 6.2 normy pro ochranu před bleskem ČSN EN 62305-3 ed. 2 [4]. Pro prostředí s nebezpečím výbuchu zóny 1 je požadována hladina ochrany před bleskem LPL II s třídou ochrany před bleskem II. Pospojování proti blesku musí být provedeno co nejkratším a nejpřímějším způsobem. Jsou-li zapojeny do soustavy pospojování proti blesku vodivé součásti stavby, je třeba vzít v úvahu skutečnost, že část bleskového proudu může téci do objektu. Minimální hodnoty průřezů vodičů pospojování spojujících různé přípojnice pospojování a vodičů spojujících přípojnice pospojování k uzemňovací soustavě jsou uvedeny v tab. 1. Minimální hodnoty průřezů vodičů pospojování spojujících vnitřní kovové instalace s přípojnicí pospojování jsou uvedeny v tab. 2.

Tab. 1. Minimální rozměry vodičů spojujících různé přípojnice pospojování nebo spojujících přípojnice pospojování k uzemňovací soustavě [4]

Tab. 2. Minimální rozměry vodičů spojujících vnitřní kovové instalace k přípojnici pospojování [4]

Podle odst. 6.4.1 normy ČSN EN 60079-14 ed. 4 [3] je zásadně požadováno pospojování pro instalace v prostředích s nebezpečím výbuchu. Toto pospojování v Ex prostředí se považuje za místní doplňující pospojování.

Pro sítě TN, TT a IT musejí být všechny přístupné a vnější neživé vodivé části propojeny se soustavou pospojování. Soustava pospojování může zahrnovat ochranné vodiče, kovová potrubní vedení, kovové pláště kabelů, kovový drátový pancíř a kovové části staveb. Nesmí však zahrnovat střední (nulové) vodiče N.

Může být použita vnitřní propojovací uzemňovací deska, jejíž materiál a rozměry musejí odpovídat očekávanému poruchovému proudu.

Je-li armování nebo stínění kabelů uzemněno pouze mimo nebezpečné prostory, musí se tento uzemňovací bod zahrnout do soustavy vzájemného pospojování v nebezpečném prostoru.

Přístupné neživé vodivé části nemusejí být samostatně připojeny k soustavě pospojování, jsou-li pevně uchyceny a kovově propojeny s konstrukčními částmi nebo metalickým potrubím, které je připojeno na soustavu pospojování. Vnější vodivé části, které nejsou součástí konstrukce nebo elektrické instalace nemusejí být propojeny na soustavu pospojování, je-li vyloučeno nebezpečí přenosu potenciálu, např. kovovými rámy dveří nebo oken.

Jako prostředek vzájemného pospojování mohou být použity kabelové vývodky, které mají uchycovací zařízení pro uchycení opletení nebo armování kabelu.

Minimální rozměr propojovacích vodičů pro hlavní přívod k ochranné liště musí být 6 mm² a doplňkové propojky musejí mít průřez alespoň 4 mm² (zde se doporučuje zvážit použití vodičů s většími průřezy z důvodu mechanické pevnosti).

Kovové závěry jiskrově bezpečných zařízení nebo zařízení s omezenou energií nemusejí být propojeny se soustavou pospojování, není-li to požadováno v dokumentaci tohoto zařízení nebo pro zabránění hromadění elektrostatického náboje.

Cizí vodivé části

Ocelový rošt o délce např. 80 m lze s velkou pravděpodobností považovat za cizí vodivou část. Jde o obecný případ, kdy existuje kontakt k uzemněným elektrickým zařízením nebo k jiným neizolovaným vodivým částem procházejícím celým objektem, jako jsou např. metalická vodovodní nebo plynová potrubí, zábradlí apod., přes které může být do instalace zavlečen cizí potenciál. Cizí vodivé části, které nejsou součástí konstrukce nebo elektrické instalace, se nemusejí k soustavě pospojování připojovat za předpokladu, že lze vyloučit nebezpečí zavlečení napětí (např. kovovými rámy dveří apod.).

V prostředích s nebezpečím výbuchu musí být pro pospojování zajištěno, že při přechodu proudu spojem pospojování nedojde k jiskření ani k nepřípustnému oteplení.

Vzniku jisker a nepřípustnému oteplení lze při průchodu proudu zabránit jednak dostatečnou proudovou propustností spoje pro očekávaný poruchový proud, jednak spolehlivým metalickým kontaktem spoje. Má-li být tento kontakt spolehlivý, musí být spoj zajištěn proti samouvolnění a musí minimalizovat nebezpečí koroze, která by mohla snižovat jeho účinnost.

Ochrana proti samouvolnění

V zásadě by měl uživatel používat pouze taková spojení, pro které výrobce již deklaroval (osvědčil) ochranu proti samouvolnění. Toto je splněno u určitých přípojnic pospojování a připojovacích míst pro pospojování k elektrickým nevýbušným přístrojům podle směrnice 2014/34/EU, která se zabývá harmonizací právních předpisů členských států týkajících se zařízení a ochranných systémů určených k použití v prostředí s nebezpečím výbuchu (ATEX). Uživatel se pak musí spoléhat na vlastní posouzení situace pouze u metalických potrubí a ostatních přípojek k cizím vodivým částem. Potřebuje k tomu mít dobré znalosti o možných příčinách samouvolňování a o vhodných metodách spojování.

V případě samouvolňování jde o otázku relativně komplexní a není na ni jednoduchá odpověď. Existují normalizované, stejně jako nenormalizované zajišťovací prvky. Navíc ne všechny zajišťovací metody, které jsou vhodné v oblasti mechaniky, jsou použitelné také v elektrotechnice. Důležité přitom je pochopit, které principy působí při uvolňování šroubů. Je třeba rozlišovat mezi ztrátou předpětí a samovolným uvolňováním. Ztrátu předpětí je možné řešit konstrukčními opatřeními, např. změnou poměru svěrné délky nebo použitím elastičtějších prvků. Proti samovolnému uvolňování se používají speciální zajišťovací prvky, které zachycují vibrace v lepených závitech nebo zamezují otáčivému pohybu pomocí pojistky proti samovolnému uvolnění.

Pokud se v daném případě nevyskytují žádné velké vibrační síly a nejsou-li požadovány žádné vysoké pevnostní třídy, což je zpravidla splněno u spojů pospojování, lze bezpečně použít pružicí prvky s předpětím (s výjimkou ozubených a vějířovitých podložek). Tímto způsobem lze dostatečně zajistit takovýto spoj z hlediska mechanického, ale ne už tak docela z hlediska elektrického kontaktu. Pro vyšší požadavky se proto doporučuje použít blokovací prvky.

Stejně jako u všech normalizovaných zajišťovacích prvků je v jednotlivých případech prokázání vhodnosti použití daných prvků na odpovědnosti uživatele. Kdo chce mít jistotu – zvláště lze-li očekávat vibrace – měl by použít šrouby s přírubou s pilovitými zuby, s žebrovanými zuby, klínové pojistné podložky nebo podložky Schnorr. Toto v konečném důsledku nevylučuje, že pro spojení ochranných vodičů a vodičů pospojování jsou použitelné dále již nenormalizované zajišťovací prvky, jako např. pérové a rozpěrné kroužky či pérové podložky (i když jen u malých mechanických namáháních s ohledem na nezbytné předpětí, vibrace a oteplení). Rozhodující pro jejich použití jsou zkušenosti výrobce a uživatele.

Obr. 1. Příklad z chemického průmyslu, kde existuje mnoho prostorově rozměrných zařízení ve vnitřním a vnějším prostředí

Průřez pospojování

Pospojování je třeba provést tak, aby bylo možné počítat pouze s malými rozdíly napětí. Toto se vždy týká případů, kdy má spojení dostatečný průřez. Při dimenzování průřezů je třeba se řídit ustanoveními normy ČSN 33 2000-5-54 ed. 3 [5]. Tato norma požaduje průřez pro spoje pospojování mezi neživými částmi, který odpovídá minimálně průřezu menšího ochranného vodiče, a pro spoje mezi neživou částí a cizí vodivou částí průřez, který má alespoň poloviční velikost příslušného ochranného vodiče. Pro spoje pospojování mezi cizími vodivými částmi nesmí průřez vodičů ochranného pospojování určených pro připojení k hlavní uzemňovací svorce být menší než polovina průřezu vodiče ochranného uzemnění (PE), jehož průřez je v elektrické instalaci největší.

Průřez těchto vodičů ochranného pospojování nesmí být tedy menší než:
– 6 mm² u mědi,
– 16 mm² u hliníku,
– 50 mm² u oceli.

Jako další omezující podmínka platí pro prostředí s nebezpečím výbuchu, že průřez vodiče pospojování nesmí být menší než 2,5 mm² Cu, resp. 16 mm² Al, pokud je chráněn před mechanickým poškozením, a nesmí být menší než 4 mm² Cu, resp. 16 mm² Al, pokud není chráněn před mechanickým poškozením.

Požadavky na minimální průřezy u všeobecných elektrických instalací a u ochrany před výbuchem slouží pouze pro zajištění dostatečné proudové propustnosti a dostatečné mechanické tuhosti k ochraně před mechanickým poškozením. Neřeší hledisko vysokofrekvenčních vlivů – viz dále.

Vliv vysokých frekvencí

Má-li funkční pospojování splňovat rovněž hlediska elektromagnetické kompatibility, je třeba u takovýchto spojů vzít v úvahu také skinefekt (povrchový jev). To znamená, že se vysokofrekvenční proudy šíří pouze po povrchu vodičů a že tedy průřez vodičů pospojování nehraje u těchto proudů až tak velkou roli. K tomu ještě přichází skutečnost, že kruhové vodiče mají menší povrch než ploché (pravoúhlé) vodiče se stejným průřezem. Z toho vyplývají další požadavky na spoje funkčního pospojování. Jde jednak o dodržení průřezu pro ochranné pospojování, jednak o dostatečně velký povrch pro vysokofrekvenční proudy. Jen tak může funkční pospojování zajistit rovněž elektromagnetickou kompatibilitu.

Pospojování za účelem minimalizace rušivých napětí musí proto být provedeno jako nízkoohmové a vysokofrekvenčně vhodné. To se často řeší plochými spoji (pásky apod.). Pro tento účel se osvědčily především splétané zemnicí pásky. Mají zpravidla průřez 10 až 25 mm². Díky tomu je impedance spoje malá, což je zvláště důležité pro frekvence vyšší než 10 MHz. Kovové proužky nebo pásky by měly být co nejkratší, mít velkou kontaktní plochu a velký poměr délky k šířce. Poměr délka/šířka u vodičů pospojování pro oblast informační techniky by neměl být větší než 5/1.

Pro dosažení účinného, nízkoimpedančního spoje mezi jednotlivými přípojkami a zemí je třeba dodržet tyto podmínky:
– použití plochých (pravoúhlých) plechových proužků nebo flexibilních metalických pásků s velkou kontaktní plochou,
– vytvoření co nejkratších spojů (snížení indukčnosti, která je délkově závislá),
– spojované kontaktní plochy se musejí zbavit tuku a nečistot a nesmějí se lakovat ani mít oxidové vrstvy (pro zamezení vzniku dodatečných oxidačních vrstev na kontaktních místech se upřednostňují svařované spoje před šroubovými),
– stejnosměrný přechodový odpor kontaktu by měl být < 0,1 mW, – lícované plochy všech spojovaných dílů musejí být vyrobeny z jednoho materiálu, který má elektrochemický potenciál < 0,3 V (s ohledem na ČSN EN 60950-1 ed. 2).

Závěr

Malá chyba v projektu nebo nedbalost či neodbornost při instalaci pospojování ve výbušném prostředí (Ex prostředí) může vést k fatálním následkům. Výbušná prostředí je třeba v zásadě posuzovat jak z hlediska ochranného a funkčního pospojování, tak z hlediska pospojování s ohledem na ochranu před bleskem a přepětím. Odborně provedené spoje pospojování vyžaduji dodržování určitých zásad, které vycházejí z příslušných norem. Zásadní roli zde hrají ochrana proti samouvolnění spoje pospojování, minimální průřez vodičů pospojování a dostatečně velký povrch přípojek pro svedení vysokofrekvenčních proudů u funkčního pospojování s požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu. Pouze pečlivým dodržením těchto zásad mohou být splněny podmínky pro bezpečný provoz elektrické instalace v Ex prostředí.

Literatura:
[1] Německý odborný časopis pro elektrotechniku de, č. 8/2019, vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München (www.elektro.net/ heftarchiv).
[2] ČSN EN 50310 ed. 4:2017 Soustavy pospojování pro telekomunikace v budovách a jiných stavbách.
[3] ČSN EN 60079-14 ed. 4:2014 Výbušné atmosféry – Část 14: Návrh, výběr a zřizování elektrických instalací.
[4] ČSN EN 62305-3 ed. 2:2012 Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a ohrožení života.
[5] ČSN 33 2000-5-54 ed. 3:2012 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-54: Výběr a stavba elektrických zařízení – Uzemnění a ochranné vodiče.

Některé normy související s tématem článku

– ČSN EN 50310 ed. 4
ČSN EN 50310 ed. 4:2017 Soustavy pospojování pro telekomunikace v budovách a jiných stavbách. Tato norma je českou verzí evropské normy EN 50310:2016. Překlad byl zajištěn Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Má stejný status jako oficiální verze. Norma stanoví požadavky a poskytuje doporučení pro návrh a instalaci propojení (pospojování) mezi různými elektricky vodivými prvky v budovách a ostatními konstrukcemi, během jejichž výstavby nebo přestavby se plánuje instalace informační technologie (IT) nebo více obecně telekomunikačního zařízení. Cílem je minimalizovat riziko vlivu elektrického proudu na řádnou funkci těchto zařízení a vzájemně propojené kabeláže, zajistit instalace telekomunikací se spolehlivou referencí signálu, která může zvýšit odolnost vůči elektromagnetickému rušení (EMI). Tato evropská norma nepoužívá rozvod napájení s napětím nad 1 000 V AC.

– ČSN EN 60079-14 ed. 4
ČSN EN 60079-14 ed. 4:2014 Výbušné atmosféry – Část 14: Návrh, výběr a zřizování elektrických instalací. Tato norma je českou verzí evropské normy EN 60079-14:2014. Překlad byl zajištěn Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Má stejný status jako oficiální verze. Tato část IEC 60079 obsahuje specifické požadavky pro navrhování, výběr, zřizování a výchozí revize elektrických instalací v nebezpečných prostorech nebo prostorech souvisejících s výbušnými atmosférami. Pokud zařízení musí být vyhovující pro další podmínky okolí, např. ochranu proti vnikání vody a odolnost proti korozi, mohou být nutné dodatečné metody ochrany. Požadavky této normy platí pouze pro použití elektrických zařízení v normálních atmosférických podmínkách, jak jsou definovány v IEC 60079-0. Pro jiné podmínky mohou být nutná dodatečná opatření a zařízení má být certifikováno pro tyto jiné podmínky (např. většina hořlavých materiálů a mnoho materiálů, které jsou normálně považovány za nehořlavé, mohou prudce hořet v podmínkách s obohaceným kyslíkem).

– ČSN EN 62305-3 ed. 2
ČSN EN 62305-3 ed. 2:2012 Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a ohrožení života. Tato norma je českou verzí evropské normy EN 62305-3: 2011. Překlad byl zajištěn Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Má stejný status jako oficiální verze. Tato část EN 62305 obsahuje požadavky na ochranu staveb před hmotnými škodami pomocí systému ochrany před bleskem (LPS) a pro ochranu před úrazem živých bytostí dotykovým a krokovým napětím v blízkosti LPS. Norma platí pro projektování, instalaci, revizi a údržbu LPS pro stavby bez omezení s hledem na jejich výšku, pro dosažení ochranných opatření před úrazem živých bytostí dotykovými a krokovými napětími.

– ČSN 33 2000-5-54 ed. 3
ČSN 33 2000-5-54 ed. 3:2012 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-54: Výběr a stavba elektrických zařízení – Uzemnění a ochranné vodiče. Tato norma je českou verzí harmonizačního dokumentu HD 60364- -5-54:2011. Překlad byl zajištěn Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Norma je určena pro zřizování uzemnění a pro ochranné vodiče včetně vodičů ochranného pospojování tak, aby elektrická instalace byla bezpečná. Norma je zaměřena na provedení uzemnění a pospojování v objektech a prostorech s elektrickými instalacemi. Doplňuje požadavky ČSN 33 2000-4-41 z hlediska ochrany automatickým odpojením od zdroje a je také výchozím dokumentem pro pospojování prováděné z hlediska ochrany před elektromagnetickým rušením. V normě jsou uvedeny požadavky na ochranné vodiče a vodiče pro uzemnění (minimální průřezy a materiál). Nově norma zohledňuje také požadavky na uzemnění z hlediska ochrany před bleskem.

– ČSN EN 60950-1 ed. 2
ČSN EN 60950-1 ed. 2:2006 Zařízení informační technologie – Bezpečnost – Část 1: Všeobecné požadavky. Tato norma je českou verzí evropské normy EN 60950-1:2006. Překlad byl zajištěn Českým normalizačním institutem. Má stejný status jako oficiální verze. Norma se vztahuje na zařízení informační technologie napájená ze sítě nebo z baterií, včetně elektrických kancelářských zařízení a přidružených zařízení, s jmenovitým napětím nepřevyšujícím 600 V. Dále se tato norma vztahuje na zařízení informační technologie, která jsou navržena pro použití jako telekomunikační koncové zařízení a zařízení infrastruktury telekomunikační sítě, bez ohledu na zdroj napájení, nebo jsou navržena a určena k přímému připojení ke kabelovému distribučnímu systému, případně jsou použita jako zařízení infrastruktury tohoto systému, bez ohledu na zdroj napájení, anebo jsou navržena k využívání střídavé napájecí sítě jako komunikačního přenosového média. Norma stanovuje požadavky určené ke snížení nebezpečí vzniku požáru, úrazu elektrickým proudem nebo poranění operátora nebo osoby bez elektrotechnické kvalifikace, která může přijít do styku se zařízením, případně i pro osoby provádějící údržbu.