Elektryczne zwarcie powodujące powstanie łuku jest absolutnie nieporównywalne z powszechnie zwanym ?kopnięciem prądu?. Rozładowanie energii elektrycznej w formie prądu przepływającego przez wrażliwe tkanki ludzkiego ciała, w szczególności nerwy, wywołuje bowiem porażenie, przeżywane jako szok.
Z kolei wyładowanie elektryczne, które jest rezultatem zwarcia przewodów, ma postać łuku wytworzonego w powietrzu. Jest to raczej piorun mikroskopijnej wielkości.
Ogólnie biorąc, łuk elektryczny powstaje wtedy, gdy przewody lub inne elementy urządzeń pozostające pod napięciem nadmiernie zbliżą się do siebie.
Natężenie pola elektrycznego jest, jak wiadomo, odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między przewodami. Zbliżenie elementów przewodzących pozostających podnapięciem powoduje gwałtowny wzrost natężenia pola elektrycznego, które jonizuje cząsteczki powietrza w szczelinie między tymi przewodzącymi elementami.
Rezultatem tego zjawiska jest wytworzenie się plazmy w sferze zjonizowanego powietrza. Plazma jako bardzo dobry przewodnik elektryczny o znikomej impedancji (oporności zespolonej) umożliwia przepływ prądu między zbliżonymi przewodami.
Ponieważ natężenie prądu jest ilorazem napięcia i oporności (znane wszystkim prawo Ohma), zatem prąd wyładowania jest olbrzymi. Dlatego powoduje powstanie łuku.
Z potencjalną możliwością powstania łuku elektrycznego mamy do czynienia w przypadku każdego źródła napięcia wyższego niż 50 V*.
Czas trwania łuku to tylko maleńka chwila, ponieważ energia wyładowania bardzo szybko spada na skutek jej zużywania, a następnie rozproszenia.
Zużywanie energii powoduje poniższe skutki:
- w pierwszym etapie przed wywołaniem łuku zachodzi zużytkowanie pewnej części energii cieplnej na wywołanie zmiany stanu skupienia powietrza z gazowego na plazmę (rozbicie wiązań cząsteczek, jonizacja i parowanie w obszarze łuku);
- w momencie powstania łuku występuje natychmiastowa emisja fal elektrycznych i elektromagnetycznych w szerokim zakresie częstotliwości, to jest w pasmach fal radiowych, podczerwieni, nadfioletu i najbardziej odczuwalnego pasma widzialnego w postaci błysku; na to zużywa się druga część energii wyładowania;
- trzecia część energii powoduje gwałtowne adiabatyczne rozprężanie, typowy wybuch z uderzeniową falą powietrza i towarzyszącym jej hukiem.
Temperatura powstałego łuku jest szacowana na ?zaledwie? kilka tysięcy stopni Kelvina. Wartość ta nadal przewyższa wszystkie inne, powszechnie spotykane przez nas w różnych życiowych sytuacjach. Taka temperatura razem z oślepiającym błyskiem, hukiem i emisją fal stwarza potencjalne możliwości spowodowania szkód w organizmie człowieka, znajdującego się w najbliższej sferze.
Pośród nich można wyliczyć:
- zapalenie,
- oparzenie,
- chwilowe oślepienie,
- zakłócenie słuchu,
- uraz, wstrząs psychiczny,
- zranienie.
W obliczu wyżej opisanego niebezpieczeństwa mamy do wyboru przyjęcie trzech strategii postępowania, w celu ochrony pracownika przed skutkami działania łuku elektrycznego wywołanego zwarciem:
Po pierwsze, wyłączyć zasilanie urządzenia energią elektryczną przed podjęciem pracy przy tym urządzeniu.
Druga strategia wynika z faktu, że zagrożenie spowodowania urazu spada wraz z odległością. Dwukrotnie większa odległość pracownika od miejsca pojawienia się łuku oznacza czterokrotnie mniejszą energię rażenia. Jeśli zatem musimy coś wykonać przy ciągle zasilanym urządzeniu, starajmy się być tak daleko, jak to tylko możliwe od elementów pozostających pod napięciem, grożących powstaniem łuku. Oczywiste jest przy tym wskazanie, aby personel, który nie uczestniczy w działaniu, był poza zasięgiem rażenia, w czasie gdy my przy nim pracujemy. Najlepiej wyznaczyć strefę zagrożoną i oznakować ją, pilnując, aby nikt postronny jej nie naruszył. Nawet ten pan w białej koszuli z ważną miną człowieka odpowiedzialnego za bezpieczeństwo całego zakładu… On też musi się trzymać w odległości 5 m od miejsca naszego działania.
T
rzecia strategia, to odpowiednie ubranie ochronne. Maska na twarzy, rękawice ochronne, również ochronne okrycie zewnętrzne, które można nabyć u wielu dostawców.
John Kay, przedstawiciel Rockwell Automation wyraża opinię, że w sprawach zapobiegania niebezpieczeństwu wystąpienia wyładowania elektrycznego w postaci łuku przedsiębiorstwa przemysłowe mogą i powinny działać w dwóch obszarach.
Jeden z nich to zapobieganie powstaniu wyładowania, drugim jest rozbudowywanie swojego systemu ochronyzdrowia pracowników. Dla osiągnięcia celu powinno się opracować odpowiednie programy zabezpieczeń oraz stosować nowe rozwiązania techniczne umiejscowione w wyposażeniu elektrycznym. Będą one w stanie skierować destrukcyjne oddziaływanie energii wyzwolonej w łuku w inną stronę, z dala od obsługującego personelu, na przykład poprzez elementy ochronne wbudowane w zespoły sterowania pracą silników.
Innymi znanymi sposobami ochrony stosowanymi w elektrycznych układach sterowania silnikami oraz innymi urządzeniami elektrycznymi o znacznej mocy są zabezpieczenia mechaniczne, takie jak: zatrzaski na wszystkich drzwiach, pokrywy ochronne czy automatycznie uruchamiane przesłony; na przykład na czas obecności człowieka w zagrożonej strefie.
Bardziej wyszukane rodzaje zabezpieczeń stosowane są do zdalnego monitorowania stanu technicznego elektrycznego wyposażenia silników. Obserwowanie i diagnozowanie stanu tych urządzeń za pomocą sieci informatycznej pozwala na podjęcie czynności zapobiegawczych po uzyskania informacji o zaistnieniu ryzyka ze strony elektrycznie naładowanych elementów.
Takie rozwiązania umożliwiają zapobieganie powstaniu wyładowań, a często nawet usunięcie przyczyny powstania zagrożenia bez konieczności osobistego ingerowania personelu bezpośrednio przy urządzeniu. Dla urządzeń nisko- lub średnionapięciowych, poprzez sieciowe połączenia i współczesne oprogramowanie wizualizacyjno-diagnozujące możliwe jest też usunięcie błędu i zapobieganie wyładowaniom w postaci łuku z każdego miejsca w zakładzie, a nawet z dowolnego miejsca na świecie.
C.G. Masi
Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula