Jak działa AFDD

Problem, który rozwiązuje AFDD

Łuki elektryczne na poluzowanych połączeniach lub uszkodzonych izolacjach to jeden z mechanizmów, którymi instalacja zapala otaczające ją materiały. Prąd płynący przez łuk szeregowy jest zwykle niższy od prądu znamionowego wyłącznika nadprądowego — łuk o natężeniu kilku amperów w obwodzie z wyłącznikiem o nastawie 16A niczego nie wyzwala. Różnicówka również nie zadziała, ponieważ prądy w L i N są równe. Łuk pali się po cichu godzinami, przegrzewając otaczające materiały palne.

Częste przyczyny zwarć łukowych w instalacjach mieszkaniowych:

• Przewody zaciśnięte pod śrubą lub przez mebel (uszkodzenie izolacji)
• Poluzowane połączenia w puszkach, rozdzielnicach lub gniazdkach (przerywany styk)
• Kable uszkodzone podczas remontów (wiercenie, tarcie mechaniczne)
• Zużyta izolacja na starych kablach lub na giętkich odcinkach
• Gryzonie przegryzające izolację kabli
• Wilgoć przenikająca do puszek lub gniazdek
• Gniazdka z uszkodzonymi lub źle zamontowanymi wtyczkami

Czym jest zwarcie łukowe

Łuk elektryczny to ciągłe wyładowanie elektryczne przez ośrodek gazowy — zjonizowana plazma może osiągnąć ponad 6000°C w instalacjach niskiego napięcia, co wystarcza, aby natychmiast zapalić każdy pobliski materiał palny. Zwarcia łukowe występują w trzech postaciach:

Rys. 1 — Trzy rodzaje zwarcia łukowego wykrywane przez AFDD

Różnica wobec łuku „normalnego” (tego przy otwieraniu wyłącznika nadprądowego lub przekaźnika):

• Łuk łączeniowy (wyłącznik nadprądowy, przekaźnik): trwa kilka milisekund, komora gaszeniowa kontroluje go celowo
• Zwarcie łukowe: trwałe, przerywane, pojawia się w nieprzewidzianych miejscach (puszki, gniazdka, za urządzeniami), niemożliwe do ugaszenia bez przerwania prądu

Jak AFDD wykrywa łuk

Zasada podstawowa: łuk elektryczny generuje wysokoczęstotliwościowy szum elektromagnetyczny (100 kHz – 1 MHz) nałożony na sinusoidę 50 Hz. Szum ten pojawia się zwłaszcza w momentach przejścia sinusoidy przez zero — chwili, w której łuk może się ponownie zapalić. AFDD odbiera prąd obwodu przez przekładnik prądowy (CT lub cewkę Rogowskiego), odfiltrowuje składową 50Hz i cyfrowo analizuje to, co pozostaje.

Procesor DSP (cyfrowy procesor sygnałowy) wykonuje algorytmy dopasowywania wzorców, które rozpoznają sygnaturę łuku i odróżniają ją od szumu normalnych odbiorników (ściemniacze, silniki, zasilacze impulsowe). Jeśli sygnatura odpowiada zwarciu łukowemu, AFDD wydaje polecenie natychmiastowego wyłączenia obwodu.

Wewnętrzna budowa AFDD

Kompaktowy AFDD o funkcji łączonej (AFDD + RCBO) integruje kilka odrębnych mechanizmów fizycznych:

Kluczowe podzespoły nowoczesnego AFDD:

• Cewka Rogowskiego — czujnik prądu o odpowiedzi w paśmie WCz (100kHz–1MHz); rejestruje sygnaturę łuku, nie ulegając nasyceniu prądem o częstotliwości przemysłowej
• Płytka PCBA z mikroprocesorem DSP — wykonuje przetwarzanie analogowo-cyfrowe i uruchamia algorytm detekcji, który odróżnia sygnaturę łuku od szumu zwykłych obciążeń
• Przekaźnik wyzwalający — sterowany przez mikroprocesor; odłącza obwód w ciągu kilkudziesięciu milisekund
• Toroid różnicowy (w wersjach łączonych) — wykrywa prąd różnicowy 30mA, identycznie jak w RCCB/RCBO
• Bimetal (w wersjach łączonych) — wyzwalanie termiczne przy przeciążeniach, identycznie jak w wyłączniku nadprądowym
• Komora gaszeniowa łuku — gasi łuk łączeniowy przy wyłączeniu, jak w każdym wyłączniku nadprądowym

Czasy wyłączania według IEC 62606

Norma IEC 62606 (SR EN 62606 w Rumunii) narzuca maksymalne czasy wyłączania w zależności od prądu łuku — im silniejszy łuk, tym szybciej AFDD musi zareagować:

Norma oblicza całkowitą energię łuku, aby ocenić ryzyko pożaru. AFDD nie działa przy pierwszym „podejrzeniu”, lecz dopiero gdy nagromadzona energia przekroczy próg zagrożenia — zapobiegając fałszywym alarmom przy przypadkowych iskrach. Pełna tabela normy ma jeszcze dwa stopnie: 16 A → 0,15 s i 63 A → 0,12 s. Wszystkie wartości dotyczą łuku szeregowego, którego prąd jest ograniczony przez obciążenie. Łuk równoległy (faza–neutralny lub faza–PE) bada się osobno, przy znacznie większych prądach spodziewanych, według kryterium opartego na liczbie półokresów łuku w danym przedziale czasu.

Wyzwanie fałszywych alarmów

Kluczowym problemem przy projektowaniu AFDD jest unikanie fałszywych alarmów. Niektóre normalne odbiorniki generują szum WCz podobny do łuku:

• Ściemniacze (triak) — przycinają sinusoidę pod sterowanym kątem, generując WCz
• Silniki elektryczne — iskry na komutatorze (szczotka) lub na stykach przekaźników rozruchowych
• Zasilacze impulsowe (SMPS) — celowo pracują przy dziesiątkach–setkach kHz
• Suszarki, odkurzacze — silnik uniwersalny ze szczotkami
• Falowniki i szybkie ładowarki — gwałtowne zmiany napięcia

IEC 62606 nie określa statystycznego współczynnika fałszywych alarmów. Odporność sprawdza się próbami z typowymi obciążeniami — odkurzacz, ściemniacze triakowe, zasilacze impulsowe, narzędzia z silnikiem uniwersalnym — oraz próbami maskowania, w których łuk musi zostać wykryty także przy pracujących obciążeniach. To, jak dokładnie urządzenie odróżnia łuk od ich szumu, zależy od algorytmu danego producenta.

Warianty integracji w rozdzielnicy

Norma SR EN 62606, do której odsyłają aktualizacje 2023 (pkt 4.1.5.8.3), opisuje trzy warianty konstrukcyjne: a) pojedyncze urządzenie wyposażone w układ otwierający chroniony obwód; b) pojedyncze urządzenie integrujące aparat zabezpieczeniowy — wyłącznik nadprądowy wg SR EN 60898-1 albo wyłącznik różnicowoprądowy wg SR EN 61008-1, SR EN 61009-1, SR EN 62423; c) odrębny moduł montowany na miejscu z deklarowanym aparatem zabezpieczeniowym. W rozdzielnicy trafiają zwykle w postaci poniższych produktów:

Wariant AFDD + RCBO jest najpełniejszy: jedno urządzenie o szerokości 2 modułów zapewnia ochronę przed łukami (AFDD), porażeniem (RCD 30mA) i przetężeniami (wyłącznik nadprądowy). Zastępuje trzy osobne aparaty i oszczędza miejsce w rozdzielnicy.

Gdzie jest zalecany/obowiązkowy

Norma IEC 60364-4-42 (punkt 421.7) zaleca AFDD w obwodach końcowych prądu przemiennego w:

• Sypialniach — kable ukryte w ścianach, materiały palne (materace, dywany, zasłony)
• Salonach i biurach — nie ma ich na liście normy, ale warto je uwzględnić jako zalecenie projektowe: duże zagęszczenie urządzeń, intensywnie obciążane gniazdka
• Budynkach o palnej konstrukcji — domy drewniane, strychy, poddasza
• Strefach o wysokim ryzyku pożaru — magazyny z materiałami łatwopalnymi, kolekcje dóbr niezastąpionych
• Mieszkaniach typu HMO (Houses in Multiple Occupation) i akademikach — przykład z brytyjskich przepisów BS 7671 (A2:2022), nie z IEC 60364-4-42
• Wysokich budynkach mieszkalnych (powyżej 18m lub 6 kondygnacji) — regulacja w Wielkiej Brytanii od 2022, wzór dla przyszłych aktualizacji europejskich

Odniesienie normatywne — aktualizacje 2023

Międzynarodową normą dla AFDD jest IEC 62606 (SR EN 62606 w Rumunii), która definiuje wymagania dotyczące parametrów, metody badań i progi detekcji.

Aktualizacje 2023 do I7-2011 (zarządzenie MDLPA nr 959/2023, Monitorul Oficial nr 512 z 12 czerwca 2023) czynią AFDD obowiązkowym. Art. 4.2.2.10 wymaga go „jako środka specjalnego” we wszystkich obwodach prądu przemiennego o prądzie znamionowym nie większym niż 32 A w pomieszczeniach przeznaczonych do spania w budynkach mieszkalnych — zarówno w gniazdkach, jak i w oświetleniu. Ten sam obowiązek dotyczy obiektów noclegowych, żłobków, przedszkoli, szkół podstawowych oraz budynków o konstrukcji drewnianej o poziomie stabilności pożarowej III–V. Art. 4.2.2.11 wyłącza obwody odbiorników pełniących funkcję bezpieczeństwa pożarowego, a art. 4.2.2.12 wymaga, aby AFDD był zainstalowany na początku obwodu, który chroni.

W zwykłym mieszkaniu oznacza to AFDD w każdym obwodzie zasilającym sypialnię, zarówno w gniazdkach, jak i w oświetleniu. Salonu i biura nie ma na liście; tam AFDD pozostaje wyborem projektanta.