Odbierz bezpłatnie wydanie

 

Odbierz bezpłatnie wydanie miesięcznika elektro.info [PDF]

 

Łuk elektryczny i skutki jego działania na człowieka

W artykule opisano fizyczne właściwości łuku elektrycznego. Omówiono sprawy związane z wypadkami elektrycznymi, w wyniku których poszkodowani doznali urazów oparzenia ciała. Przedstawiono również zmiany patologiczne w tkankach organizmu człowieka powodowane łukiem elektrycznym.

Ciepło łuku elektrycznego działające na ciało człowieka może spowodować w nim zmiany patologiczne nazywane oparzeniem elektrycznym. Wypadkom poparzenia łukiem ulegają głównie elektrycy podczas wykonywania napraw i przeglądów urządzeń. Łuk elektryczny powstaje najczęściej na skutek zwarć w urządzeniach elektrycznych, których przyczyną są zarówno uszkodzenia, jak i błędne postępowanie człowieka. Energia termiczna łuku elektrycznego uszkadza podczas wypadków najczęściej odsłonięte części ciała poszkodowanych lub słabiej chronione przez odzież. Zazwyczaj jest to skóra rąk i twarz poszkodowanych. Groźne są oparzenia łukiem przy urządzeniach elektrycznych o napięciu większym niż 6 kV. W tych przypadkach na człowieka działa większa energia cieplna łuku niż w urządzeniach niskiego napięcia, a oparzenia są na ogół bardziej rozległe. Uszkodzenia skóry i tkanek podskórnych przez łuk elektryczny zazwyczaj rozprzestrzeniają się poza pierwotny obszar oparzeń. Często występuje pożar ubrania.

łuk elektryczny i jego właściwości

Powstawanie łuku jest związane z jonizacją kanału wyładowania elektrycznego, który przekształca się w strumień plazmy o bardzo wysokiej temperaturze. Łuk wytwarza ciśnieniową falę uderzeniową, która gwałtownie nagrzewa powietrze wzdłuż osi łuku. Powstający gorący strumień gazów unosi z powierzchni przewodnika roztopione cząsteczki metali, które podczas oparzenia wnikają w głąb skóry poszkodowanego wywołując jej metalizację. Następuje wtedy elektroliza płynu tkankowego, w której kwasy tłuszczowe reagują ze związkami metalu tworząc sole metaliczne, przenikające do głębszych warstw skóry. Poszkodowani czują ból pochodzący od oparzenia skóry cząsteczkami metalu oraz napięcie skóry pochodzące od obecności ciał obcych na naskórku.

Palący się w powietrzu łuk elektryczny charakteryzuje się wysoką temperaturą, dużą gęstością prądu oraz małym spadkiem napięcia na jego długości. Łuk elektryczny w powietrzu nie ogranicza swojej długości tylko do przestrzeni między elektrodami, lecz wydłuża się pod działaniem siły powstałej od własnego pola elektromagnetycznego. Przy przejściu prądu przemiennego przez zero rezystancja łuku dąży do nieskończoności i łuk powinien zgasnąć. Jednak przy dostatecznie wysokim i szybko narastającym napięciu powrotnym następuje natychmiastowy ponowny zapłon łuku. Jest to przypadek łuku swobodnego występującego przy napięciu większym od 300 V oraz dwukrotnie wyższym od amplitudy spadku napięcia na łuku, zwanego napięciem łuku. Jeśli te warunki nie są spełnione, łuk staje się niestabilny i samogasnący. Spadek napięcia na jednostkę długości łuku, zwany gradientem łuku, jest stały o wartości około 15 V/cm przy prądzie 5 kA i wzrasta do ok. 20 V/cm przy prądzie 20 kA. W przypadku łuku intensywnie chłodzonego jego gradient może być większy, a lepsze chłodzenie powoduje wzrost strat energii łuku do otaczającego gazu. Zwiększenie chłodzenia łuku pociąga za sobą wzrost jego mocy, a temperatura łuku chłodzonego jest wyższa niż łuku swobodnego. Energię łuku elektrycznego E wyznacza się całką oznaczoną, którą określa równanie:

(1)

 

gdzie:
E – energia łuku,
u – napięcie łuku,
i – natężenie prądu zwarcia płynącego w łuku,
t – czas palenia się łuku.

Napięcie łuku (u) jest napięciem wzdłuż rdzenia łuku, które jest zmienne w czasie i rośnie wraz ze wzrostem długości łuku. Czas palenia się łuku (t) trwa od chwili wystąpienia łuku aż do chwili jego zgaśnięcia. Moc elektryczna doprowadzona do rdzenia łuku jest rozpraszana do otoczenia przez promieniowanie, przewodnictwo i konwekcję, a niewielka jej część przetwarzana jest na energię fali akustycznej i to tylko w przypadku, gdy chwilowa moc łuku ulegnie zmianie. Przyjmuje się, że moc promieniowania z rdzenia łuku stanowi od 50 do 75 % całkowitej mocy doprowadzonej.

Po zapłonie łuk elektryczny wytwarza ciśnieniową falę uderzeniową, która powstaje na skutek gwałtownego nagrzania powietrza wzdłuż osi łuku. Amplitudę (A) tej fali ciśnieniowej można w przybliżeniu oszacować ze wzoru:

(2)

 

gdzie:
i – prąd zwarcia w miejscu łuku, w [kA],
t – czas palenia się łuku, w [s],
d – długość łuku, w [m].

W zależności od odległości od łuku, ludzie doznają obrażeń bądź od fali ciśnieniowej lub od odłamków urządzeń elektrycznych zniszczonych przez tę falę. Jednak najwięcej szkody powoduje termiczne działanie łuku na otoczenie. Temperatura łuku osiąga wartość 10 000 - 15 000 K. Zgodnie z prawem Boltzmana, energia wypromieniowana ze źródła o temperaturze q jest proporcjonalna do θ4. Ilość ciepła otrzymana przez ciało zależy od gęstości wypromieniowanej energii, która maleje z kwadratem odległości od osi łuku. Wydzielona energia cieplna w ciele dotkniętego człowieka powoduje wzrost jego temperatury, której wartość zależy od ciepła właściwego ciała człowieka. Średnia wartość ciepła właściwego tkanek ciała człowieka wynosi 3,3 J/g·°C.

Materiały organiczne będące w styczności z łukiem ulegają pirolizie. Są to procesy endotermiczne pochłaniające pewne ilości energii doprowadzonej przez łuk. Powstają wówczas różne gazy, przeważnie chemicznie aktywne, które wchodzą w reakcje egzotermiczne z tlenem powietrza wytwarzając niekiedy duże ilości dodatkowego ciepła.

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 9/2008

Komentarze

(0)
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
Zapisz się na bezpłatny newsletter!
Najnowsze informacje na Twoją skrzynkę:

Bez wysiłku, prosto na Twoją skrzynkę:
- nowości techniczne i wydarzenia branżowe
- praktyczne porady ekspertów.
7-8/2014

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 7-8/2014
W miesięczniku m.in.:
  • - metody ograniczania zawartości wyższych harmonicznych
  • - wyłączniki RCD w obwodach zasilania napędowych przemienników częstotliwości
Zobacz szczegóły
P-touch E300VP dla elektryków

P-touch E300VP dla elektryków

P-touch E300VP to wytrzymała i kompaktowa drukarka etykiet, która znajdzie zastosowanie w pracy elektryków i elektroinstalatorów. Model charakteryzuje się intuicyjną...
KARLIK ELEKTROTECHNIK Sp. z o.o. KARLIK ELEKTROTECHNIK Sp. z o.o.
Karlik Elektrotechnik Sp. z o. o. jest ogólnopolskim producentem osprzętu elektroinstalacyjnego funkcjonującym na rynku od 1978 roku. Od...
POLECANE PUBLIKACJE
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowo-akcyjna, nr KRS: 0000439720. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl