Opublikowano: 3.04.2023

Poprawiono 8.03.2025

Zagrożenie łukiem elektrycznym

 Podczas wykonywania prac pod napięciem i prac w pobliżu napięcia istnieje ryzyko spowodowania zwarcia łukowego. Zwarcia łukowe często wynikają z błędów osób pracujących i/lub nadzorujących pracę, polegających na: nieuwadze, nieprawidłowej ocenie zagrożeń w miejscu pracy, niestosowaniu instrukcji, błędów w organizacji pracy, upuszczeniu przewodzących narzędzi i innych. Zwarcie łukowe może spowodować poważne obrażenia u osób pracujących związane z wysoką temperaturą łuku, wyrzucaniem elementów urządzeń i roztopionych kropli metali, promieniowaniem optycznym, gwałtownym przyrostem ciśnienia, toksycznymi oparami i falą dźwiękową o dużym natężeniu.

Zagrożenie spowodowane łukiem elektrycznym 

Osoby wykonujące prace pod napięciem i prace w pobliżu napięcia powinny być wyposażone w środki ochrony indywidualnej, uzależnione od stopnia narażenia na działanie łuku elektrycznego. Stopień narażenia jest uzależniony od wielu czynników, głównymi są: prąd łuku (Iarc), czas trwania zwarcia łukowego (tarc) i odległość osoby pracującej od miejsca zwarcia (D). Istnieje wiele sposobów oceny stopnia zagrożenia łukiem elektrycznym, najbardziej znanym jest norma Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników IEEE 1584 - IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations.

Dane związane z obliczeniem zagrożenia łukiem wg normy IEEE 1584-2018: Voc – napięcie znamionowe instalacji,
tarc – czas trwania łuku, Iarc – prąd łuku, G – odległość biegunowa, D – odległość robocza, E – spodziewana emisja energii,
AFB – granica strefy ochrony przeciwłukowej

Norma IEEE 1584-2018 podaje sposoby obliczania prądu łuku (Iarc), spodziewanej energii padającej (E) i granicy strefy ochrony przeciwłukowej (AFB – ang. Arc Flash Boundary). Wartość spodziewanej energii padającej i granica łuku (AFB) jest uzależniona m.in. od wartości prądu łuku, czasu trwania łuku, układu elektrod i rozmiarów obudowy.
Prąd łuku oblicza się na podstawie spodziewanego prądu zwarciowego (Ik3), obliczonego zgodnie z normą PN-EN 60909. Na podstawie obliczonego prądu łuku ustala się czas trwania łuku za pomocą charakterystyk  t-I lub I2t-I urządzeń zabezpieczających. Uwzględnia się największą (Ik3) i najmniejszą (Ik3 min) spodziewaną wartość prądów zwarciowych. Ze względu na zmienność prądu łuku w czasie trwania zwarcia, norma przewiduje obliczenie najmniejszej spodziewanej wartości prądu łuku (Iarc min). Uwzględnienie najmniejszego spodziewanego prądu zwarciowego i najmniejszego spodziewanego prądu łuku ma wpływ na ustalany czas trwania łuku (czas wyłączenia urządzenia zabezpieczającego).
Czas wyłączenia jest drugim ważnym parametrem obok prądu łuku, decydującym o wartości wyemitowanej energii. Przy czym większa wartość prądu łuku oznacza, krótszy czas wyłączenia, czyli niekoniecznie większą energię wyemitowaną, co widać na rysunku.

Zależność pomiędzy prądem łuku, a czasem trwania łuku przy wyznaczaniu spodziewanej energii padającej 

Obliczenia spodziewanej energii padającej są podstawą do doboru środków ochrony indywidualnej, które mają zapewnić niedopuszczenie do oparzeń 2-go i 3-go stopnia. Za wartość graniczną energii padającej, która nie powoduje oparzeń 2-go i 3-go stopnia uważa się 5 J/cm2 (1,2 cal/cm2). Graficznie skutki oddziaływania energii w wartości 1,2 cal/cm2 (zaczerwienienie skóry) przedstawia rysunek.

Graficzne przedstawienie spodziewanych skutków oddziaływania energii o wartości 1,2 cal/cm2, na ciało człowieka 

Rysunek nie jest przeznaczony do sprawdzania oddziaływania energii na skórę, ten rysunek ma oddziaływać na wyobraźnię, eksperymentów nie należy przeprowadzać. Dobór środków ochrony indywidualnej opiera się o krzywą Stoll-Chianta przedstawiającą przyrost temperatury w funkcji czasu. Wartości znajdujące się nad krzywą powodują oparzenia 2-go i 3-go stopnia. Wartości znajdujące się poniżej krzywej powodują przeważnie zaczerwienienie skóry, które nie wymaga pomocy lekarskiej. Sporadycznie mogą się zdarzać oparzenia 1-go stopnia, które mogą wymagać pomocy lekarskiej i mogą powodować utratę czasu pracy. Środki ochrony indywidualnej mają zapobiegać ryzyku oparzeń 2-go i 3-go stopnia.

 Krzywa Stoll-Chianta

Kategorię zagrożenia łukiem ustala się w zależności od obliczonej spodziewanej energii padającej. Środki ochrony indywidualnej stosuje się w zależności od kategorii zagrożenia łukiem.

Jeżeli obliczona energia padająca jest większa niż 40 cal/cm2 praca nie może być wykonywana, również z zastosowaniem środków ochrony indywidualnej wytrzymujących taką energię. Fala uderzeniowa towarzysząca wyładowaniu o energii większej niż 40 cal/cm2 powoduje odrzucenie ciała człowieka na kilka metrów, co może spowodować poważne obrażenia.
W takich przypadkach stosuje się m. in. rozdzielnie o budowie łukochronnej, zdalnie sterowane roboty do wykonywania prac, przekaźniki światłowodowe do wykrywania łuku, powodujące szybkie zadziałanie zabezpieczeń zwarciowych.

Dobierając środki ochronne należy pamiętać o nadrzędnej zasadzie wynikającej o ogólnych przepisów BHP (Dz.U. 2008 nr 108 poz. 690), o priorytecie środków ochrony zbiorowej przed środkami ochrony indywidualnej.
W zamieszczonym na końcu publikacji przykładzie obliczeń, dotyczącym szyn zbiorczych rozdzielnicy, obliczono spodziewaną energię padającą E = 5,74 cal/cm2. Obliczona energia odpowiada kategorii zagrożenia łukiem 2. Obliczenie zostało wykonane dla czasu trwania łuku 200 ms (czas wyłączenia). Po zastosowaniu przekaźnika światłowodowego do wykrywania łuku i skróceniu czasu trwania łuku do 50 ms, spodziewana energia padająca wyniesie E = 1,43 cal/cm2, a kategoria zagrożenia łukiem zmieni się na kategorię 1.

Na obudowach urządzeń umieszcza się tabliczki ostrzegawcze z informacjami na temat ustalonej kategorii zagrożenia, spodziewanej energii padającej, granicy strefy ochrony i wymaganych środkach ochrony indywidualnej.

Przykład tabliczki ostrzegawczej

Norma IEEE 1584-2018 wydana w roku 2018 zawiera istotne zmiany w stosunku do normy z roku 2002 (IEEE 1584-2002). Głównymi zmianami są inne metody obliczeń, uwzględnienie różnych układów elektrod i uwzględnienie rozmiaru obudowy.
W normie są dwie metody obliczeń, pierwsza dla napięć od 208 do 600 V, którą można uznać za uproszczoną. Druga dla napięć od 601 V do 15 kV, w której wykonuje się obliczenia dla trzech poziomów napięcia: 600 V, 2700 V, 14300 V, a następnie przez interpolację wyników, oblicza się wynik końcowy dla napięcia znamionowego instalacji.
Obliczenia wg normy IEEE 1584-2002 uwzględniały jedynie pionowy układ elektrod, w normie IEEE 1584-2018 uwzględniono pięć układów elektrod: VCB, VCBB, HCB (wewnątrz obudów) i VOA, HOA (w otwartej przestrzeni).

Układy elektrod wg normy IEEE 1584-2018

Poziomy układ elektrod HCB (HOA) powoduje większe narażenie osób pracujących na skutki oddziaływania łuku elektrycznego w stosunku do układu pionowego VCB (VOA). Z tego powodu obliczenia wg normy IEEE 1584-2018 przy uwzględnieniu poziomego układu elektrod mogą znacząco różnić się od obliczeń wg normy IEEE 2002. Przeliczenie wyników wg normy IEEE 1584-2018 może spowodować zmianę kategorii (na wyższą) i zmianę wymaganych środków ochrony indywidualnej.

Porównanie zagrożenia łukiem elektrycznym dla osób pracujących przy różnych układach elektrod 

Przykład obliczeń wg normy IEEE 1584-2018

Strona internetowa IEEE dotycząca normy IEEE 1584-2018

  Bibliografia:

1. S. Giard-Leroux - The Impact of the New IEEE 1584-2018 Standard on Arc Flash Studies
2. IEEE 1584-2018 – In Depth Arc Flash Calculations Using Mathcad Express & Etap 19.0
3. M. A. Ali – IEEE 1584 Arc Flash Calculations
4. M. Szadkowski – Zarys analizy kategorii zagrożenia porażenia łukiem elektrycznym w instalacjach elektrycznych zakładów przemysłowych
5. M. Szadkowski – Metody zmniejszania zagrożenia porażeniem łukiem elektrycznym
6. M. Szadkowski – Metoda ochrony przed skutkami łuku elektrycznego
7. G. Matusiak, M. Włodarczyk, R. Nader, H. Nowikow, B. Dudek – Metodyka badań odporności osłon twarzy, chroniących przed termicznymi skutkami łuku elektrycznego
8. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 6 czerwca 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy
9. E. Musiał Prądy zwarciowe w niskonapięciowych instalacjach i urządzeniach prądu przemiennego