Zaciski i kable muszą spełniać restrykcyjne warunki testów w celu zapobiegania wypadkom
Wyładowania łukowe powstają wtedy, gdy prąd elektryczny przepływa w powietrzu pomiędzy dwoma przewodnikami. Jest to tzw. łuk elektryczny. Niemalże natychmiast łuk może doprowadzić do przegrzania najbliższego otoczenia do temperatury ok 20 000°C, czyli około cztery razy więcej niż wynosi temperatura na powierzchni Słońca. Ekstremalna temperatura jonizuje wszystkie otaczające łuk materiały, włączając miedź, izolację i obudowy metalowe. Powoduje to powstawanie wybuchowej plazmy, gdyż na skutek przegrzania materiały te powiększają swoją objętość tysiące razy.
W tych warunkach miedź przechodzi w stan plazmy, zwiększając swoją objętość o około 67 tys. razy w porównaniu do formy stałej. Inaczej mówiąc, 1 mm3 miedzi zamienia się w 67 cm3 pary miedzi.
Wyładowania łukowe różnią się od zwarć wykonanych za pomocą zwór skręcanych na zaciskach standardowej rozdzielnicy przedziałowej. Wyposażenie rozdzielnicy jest zaprojektowane tak, aby wytrzymać prądy zwarcia metalicznego do momentu przerwania przepływu prądu przez wyłącznik lub wkładki bezpiecznikowe. Gdy dochodzi do zwarcia metalicznego, napięcie w punkcie zwarcia wynosi praktycznie zero, a całkowita energia zwarcia rozprasza się na cały układ zasilania. Powstałe wyładowania łukowe są zatrzymywane i schładzane w komorach gaszeniowych wyłączników lub w bezpiecznikach.
Inaczej jest z wyładowaniami łukowymi. Energia łuku jest dużo trudniejsza do opanowania i prawie całkowicie zlokalizowana w miejscu zwarcia. Łuk może rozpraszać gorącą, zjonizowaną plazmę na dystansie około 6 m i więcej z towarzyszącymi jej falami dźwięku i wstrząsami. Siła wybuchu może spowodować poważne urazy lub śmierć osób znajdujących się w bliskim sąsiedztwie.
Wyładowania łukowe są odpowiedzialne za około 80% wypadków elektrycznych w USA każdego roku. Inaczej mówiąc, są one odpowiedzialne za setki przypadków śmierci, tysiące poważnych urazów oraz wiele przypadków utraty zdolności do pracy każdego roku.
Rozwój standardów bezpieczeństwa
Wyładowania łukowe mają różne przyczyny, które można podzielić na dwie kategorie. Jedna zawiera przyczyny inwazyjne, spowodowane przez otoczenie: wilgotność, uszkodzenie izolacji, przepięcia, skorodowane zaciski, kurz, bród, zwierzęta, m.in. gryzonie i węże. Druga kategoria to błędy ludzkie: niewłaściwe procedury wytwarzania, porzucone narzędzia, luźne połączenia, nieumyślny kontakt z elementami pod napięciem.
Niewłaściwa konserwacja często ma wpływ na obie te kategorie. Ilość zdarzeń z wyładowaniami łukowymi sugeruje ich nadrzędne znaczenie pod względem zachowania bezpieczeństwa, dla którego zostały opracowane przemysłowe standardy bezpieczeństwa.
W Ameryce Północnej głównym standardem bezpieczeństwa dla prac z urządzeniami elektrycznymi jest NFPA 70E: Standard for Electrical Safety in the Workplace. Przepisy te regulują sprawy bezpieczeństwa w miejscach pracy, chroniąc pracowników podczas takich czynności, jak instalacja, operowanie, konserwacja oraz demontaż przewodów elektrycznych, urządzeń, przewodów sygnalizacyjnych i komunikacyjnych, urządzeń komunikacyjnych, torów z przewodami w miejscach publicznych i prywatnych.
W polskich przepisach o charakterze technicznym, jak np. w normie PN – EN 50110 – 1:2005 Eksploatacja urządzeń elektrycznych oraz w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach i instalacjach energetycznych z 17 września 1999 r. (Dz. U. Rok 1999, Nr 80, poz. 912) nie ma konkretnych zapisów na temat rodzaju i sposobu ochrony pracowników przed działaniem łuku elektrycznego. Natomiast kodeks pracy (Dz. U. Rok 1998, Nr 21, poz. 94 z późniejszymi zmianami) jednoznacznie nakazuje pracodawcy ochronę pracownika przed zagrożeniami poprzez poinformowanie go o potencjalnych niebezpieczeństwach w miejscu pracy, przeprowadzenie szkolenia, dostarczenie odpowiedniego sprzętu do wykonania pracy i wyegzekwowania jego prawidłowego użycia oraz właściwego przeprowadzenia procedury pracy zgodnie z opracowanymi na te potrzeby instrukcjami.
Według NFPA 70E pracownicy, których praca naraża ich na potencjalne porażenie łukiem elektrycznym, są zobowiązani do noszenia odzieży ochronnej odpornej na skutki działania łuku elektrycznego. Odzież ta jest wykonana z materiału, który zapewnia izolację termiczną i jest samogasząca w celu zminimalizowania poparzeń.
Odzież ochronna jest głównym elementem zmniejszającym skutki porażenia łukiem elektrycznym i może dodatkowo składać się z takich elementów, jak kask, ochronne nakrycie głowy, osłona twarzy, rękawice i nauszniki.
Ilość zabezpieczeń zależy od obliczonej energii łuku elektrycznego przypadającej na powierzchnię ciała pracownika. Energia ta zależy od prądu łuku, napięcia systemu, czasu trwania łuku oraz odległości od łuku. NFPA 70E definiuje 5 kategorii środków ochrony osobistej. Każda kategoria zwiększa stopniowo ochronę przeciwko coraz większym poziomom energii. Poziomy energii odpowiadają określonym granicom definiującym stopień zagrożenia i wymaganą ochronę.
Najwyższy stopień kończy się na 40 cal/cm2 odsłoniętej skóry i wymaga zastosowania najwyższego stopnia ochrony (porównywalny jest on do uleczalnego drugiego stopnia poparzenia wywołanego przez 1,2 cal/cm2 skóry). W przypadku gdy poziom energii wzrasta powyżej 40 cal/cm2, wtedy trudno jest zapewnić jakikolwiek praktyczny środek ochrony osobistej.
Bezpieczniejsze wyposażenie, bezpieczniejsze otoczenie
Oczywiście najprostszym i najbardziej efektywnym środkiem zapobiegania wyładowaniom łukowym jest odłączenie zasilania od urządzeń, na których będą wykonywane prace. Siemens radzi, aby odłączyć całkowicie zasilanie od MCC (rozdzielnice sterownicze, Motor Control Center) lub innych urządzeń elektrycznych, na których wykonywane są prace. Właściwie jest to często wymagane poprzez obowiązkowe procedury odstawienia od pracy i zablokowania urządzeń zasilających i sterujących.
Zapobieganie powstawaniu łuku elektrycznego, szkolenia z zakresu bezpieczeństwa oraz środki ochrony osobistej mogą tylko zabezpieczać pracowników przed urazami do momentu wystąpienia łuku elektrycznego. Chociaż środki ochrony osobistej mogą ochronić przed skutkami łuku elektrycznego, to jednak nie mogą ochronić przed uderzeniem przez drzwi obudowy wyrwane lub otwarte przez skutki łuku elektrycznego lub inne elementy wyrzucone z obudowy.
Z tego powodu producenci podjęli się zaprojektowania środków łagodzących skutki łuku elektrycznego oraz elementów odpornych na działanie łuku w swoich urządzeniach. Środki te są projektowane w ten sposób, aby się nawzajem uzupełniać. Celem środków łagodzących skutki łuku elektrycznego są:
- utrzymanie pracowników poza granicami działania łuku elektrycznego
- skrócenie czasu trwania łuku.
Zadaniem urządzeń łukoochronnych jest zapewnienie, że w przypadku wystąpienia łuku elektrycznego, podczas gdy drzwi MCC są zamknięte i zablokowane, zwarcie – włączając w to łuk, jego ciepło, plazmę i ciśnienie – zostanie zatrzymane w urządzeniu i skierowane w inną stronę z daleka od pracownika.
Dodatkowo przemysł ustalił warunki testowania cech łukoochronności urządzeń według rygorystycznych wymagań przedstawionych w IEEE Guide for Testing Metal-Enclosed Switchgear Rated Up to 38 kV for Internal Arcing Faults (ANSI/IEEE C37.20.7-2007).
Biorąc pod uwagę jako przykład rozdzielnicę niskiego napięcia typu WL firmy Siemens, łukoochronne cechy mogą być następujące:
- ochrona typu 2 wg ANSI/IEEE, zapewniająca ochronę personelu z przodu, z tyłu i po bokach danego urządzenia (Typ 1 odnosi się tylko do przedniej części urządzeń),
- umieszczenie na liście UL (Underwriters Laboratories), przetestowanie pod kątem funkcjonalności i sklasyfikowanie jako urządzenie łukoochronne według ANSI/IEEE C37.20.7,
- wzmocniona obudowa w celu wytrzymania ciśnienia od łuku wewnętrznego,
- posiadanie wewnętrznego systemu wentylacji z klapami wydmuchowymi i kanałami w celu wyprowadzenia gazów do góry urządzenia i z daleka od obsługi,
- wzmocniony przód z uszczelnieniem i drzwi z dodatkowymi zawiasami oraz mocniejszym systemem zamków,
- jednoczęściowe drzwi przedziału wyłącznikowego z wstawianymi modułami dla urządzeń sterujących, takie jak: wkładki bezpiecznikowe, lampki sygnalizacyjne i jeśli jest to wymagane – łączniki sterujące wyłącznikiem,
- wzmocnione, przykręcane na śruby pokrywy tylne,
- system izolowanych szyn zbiorczych,
- zasłony w przedziałach wyłącznikowych,
- elementy mocujące z połączonym kanałem wydmuchowym,
- brak ograniczeń konfiguracyjnych,
- odpowiednie dla trwale uziemionych lub uziemionych przez rezystancję konfiguracji.
ANSI/IEEE C37.20.7-2007 zawiera pięć następujących kryteriów:
Kryterium 1: Odpowiednio zablokowane lub zabezpieczone drzwi, pokrywy itd. nie zostaną otwarte. Wygięcie lub inne odkształcenie jest dozwolone pod warunkiem, że żadna część nie odstaje więcej niż pozycja wskaźnika dla konstrukcji lub ścian (którekolwiek jest bliżej) na jakiejkolwiek testowanej powierzchni.
Kryterium 2: Podczas przeprowadzania testów obudowa musi być w całości zmontowana. Wyrzucanie małych elementów do wagi poniżej 60 g z jakiejkolwiek badanej powierzchni zewnętrznej powyżej 2 m i z jakiejkolwiek innej niebadanej powierzchni zewnętrznej – jest dopuszczalne. Nie ma ograniczenia co do ilości takich elementów.
Kryterium 3: Ocena przepalenia: Zakłada się, że jakiekolwiek otwory w rozdzielnicy, powstałe poprzez bezpośredni kontakt z łukiem, spowodują także zapłon wskaźnika zamocowanego na zewnątrz rozdzielnicy w tym samym punkcie. Ponieważ nie jest możliwe pokrycie całej badanej powierzchni wskaźnikami, każdy otwór na ocenianej powierzchni powstały w wyniku przepalenia łukiem elektrycznym jest powodem do nieuznania próby. Otwory powyżej ramy mocującej wskaźnik (2 m), które nie powodują zapłonu poziomo zamocowanych wskaźników, są pomijane.
Dostęp typu 1: łuk nie wypala otworów w swobodnie dostępnym przodzie obudowy.
Dostęp typu 2: łuk nie wypala otworów w swobodnie dostępnym przodzie obudowy, po jej bokach oraz z tyłu obudowy.
Kryterium 4: Wskaźniki nie zapalą się pod wpływem uciekających gazów. Wskaźniki zapalone w wyniku płonącej farby lub naklejek, żarzących się cząsteczek itd. nie są brane pod uwagę. Do oceny przyczyny zapłonu wskaźnika mogą zostać użyte szybkie kamery.
Otwory w poziomo zamontowanych wskaźnikach, wypalone przez cząsteczki, które nie zapalają wskaźnika, są pomijane. Odbarwienia lub przepalenia powierzchni, które nie powodują żarzenia lub zapalenia wskaźnika wykonanego z materiału, są dozwolone. Każdy wskaźnik wykonany z materiału, na którym doszło do przebarwienia lub przypalenia, ma zostać wymieniony na nowy przed dokonaniem kolejnej próby.
Kryterium 5: Wszystkie połączenia uziemiające mają pozostać skuteczne.
Wniosek
Łuk elektryczny stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Podczas gdy najlepszym zabezpieczeniem jest zapobieganie poprzez egzekwowanie surowych zasad bezpieczeństwa, właściwe wydawanie poleceń konserwacji i przechodzenie odpowiednich szkoleń z zakresu BHP, postęp w technologii pozwala producentom urządzeń elektrycznych takim jak Siemens projektować i konstruować dużo więcej środków zwiększających bezpieczeństwo i łukoochronność w ich produktach i systemach, takich jak rozdzielnice i MCC.
Pomimo tego, że przepisy ciągle się zmieniają, to właściwie wspierają one tego typu innowacje. Niemniej jednak właściwe testowanie funkcjonalności nowo wprowadzonych udoskonaleń poprawiających łukochronność nie może oczekiwać na przepisy. Jednocześnie ważne jest, aby testowanie nowych udoskonaleń było zatwierdzone przez autoryzowaną jednostkę, jaką jest np. UL, aby być pewnym, że nowe systemy bezpieczeństwa pracują w sposób zaplanowany i zapobiegają tragicznym wypadkom.
Udostępnił: Siemens Industry
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Pablo Medina, Walt Karstens, Keith Flowers
