Zwarcia łukowe w rozdzielnicach średniego i niskiego napięcia
Część 1. Podstawy teoretyczne
![Rys. Skutki zwarcia łukowego [8]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202409/rys-skutki-zwarcia-lukowego.jpg)
Rys. Skutki zwarcia łukowego [8]
Artykuł stanowi pierwszą część cyklu publikacji dotyczących zwarć łukowych w rozdzielnicach elektrycznych. Ukazujące się cyklicznie poszczególne części publikacji będą stanowiły bogate źródło wiedzy teoretycznej i praktycznej na temat zjawiska zwarć łukowych oraz środków ochrony. Cykl artykułów jest skierowany głównie do projektantów, inspektorów nadzoru oraz kierowników budowy, którzy zgodnie z ustawą Prawo budowlane [1] odpowiadają za proces budowlany, a tym samym powinni mieć wiedzę na temat tego groźnego zjawiska. Prezentowana na łamach czasopisma seria tematyczna może być również przydatnym źródłem wiedzy dla osób związanych z utrzymaniem ruchu lub podejmujących inwestycyjne procesy decyzyjne.
Zobacz także
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
Anna Kuziemska Nowe źródła, nowe wymagania: rozdzielnice SN w projektach OZE i magazynów energii
Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, magazynów energii oraz nowych przyłączeń przemysłowych zmienia sposób projektowania infrastruktury elektroenergetycznej średniego napięcia. Rozdzielnica SN...
Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, magazynów energii oraz nowych przyłączeń przemysłowych zmienia sposób projektowania infrastruktury elektroenergetycznej średniego napięcia. Rozdzielnica SN nie jest już wyłącznie elementem klasycznej stacji transformatorowej – coraz częściej staje się węzłem, który musi obsłużyć dwukierunkowy przepływ energii, współpracę z automatyką zabezpieczeniową, systemami telemechaniki, układami pomiarowymi, magazynami energii oraz rozproszonymi źródłami wytwórczymi.
W artykule:
|
Rozdzielnica elektryczna to zespół aparatów i urządzeń służących do bezpiecznego rozdziału, zabezpieczenia oraz pomiaru energii elektrycznej na każdym poziomie napięcia zasilającego. W toku pracy rozdzielnicy elektrycznej może w niej dojść do wielu stanów awaryjnych, z których najbardziej powszechne są zwarcia. Zwarciem elektrycznym można nazwać połączenie dwóch lub więcej punktów sieci zasilającej, pomiędzy którymi występuje różnica potencjałów. Zwarcie charakteryzuje przepływ prądów o wartości znacznie przewyższającej prądy płynące w stanie ustalonym. W klasycznej teorii zwarć rozpatrywane są zwykle zwarcia metaliczne lub przez stosunkowo niewielką impedancję [2], [3] – jednofazowe, wielofazowe i doziemne.
Omawiając tematykę dotyczącą zwarć, często przywołuje się teorię związaną z rodzajami, przyczynami i skutkami klasycznych zwarć metalicznych. W ramach tego cyklu postanowiono tę kwestię pominąć. Została ona bowiem dostatecznie rozwinięta chociażby w artykułach [3], [4], publikowanych już na łamach czasopisma. Pozostawia to pole do szerokiego rozwinięcia traktowanej zwykle powierzchownie tematyki zwarć łukowych. Chociaż zwarcia metaliczne są powszechnie występującymi stanami awaryjnymi, nie są one najniebezpieczniejsze. Stosując aparaty elektryczne o odpowiedniej wytrzymałości zwarciowej, można takie zwarcia wykryć i bezpiecznie wyłączyć w wymaganym czasie.
Rozdzielnice elektryczne odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu bezpiecznej dystrybucji energii elektrycznej oraz ochrony instalacji elektrycznych. Jednakże wciąż istnieje wiele zagrożeń związanych z eksploatacją tych rozdzielnic. Jednym z najpoważniejszych zagrożeń w rozdzielnicach elektrycznych jest ryzyko wystąpienia zwarć łukowych, które mogą prowadzić do poważnych uszkodzeń sprzętu i stanowić bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia i życia personelu.
Zwarcia łukowe, nazywane również zwarciami łukowymi awaryjnymi lub wewnętrznymi, nie występują tak często jak klasyczne zwarcia, jednakże ze względu na swój charakter, a więc palący się w zjonizowanym powietrzu łuk elektryczny, są szczególnie niebezpieczne i stanowią bezpośrednie zagrożenie dla życia i zdrowia oraz powodują liczne straty materialne [6], [7]. Najbardziej negatywnymi skutkami wystąpienia łuku awaryjnego są śmierć osób wykonujących prace w pobliżu miejsca awarii oraz pożar.
Jak przedstawiono na rysunku 1., skutki zwarcia łukowego nie są tylko ograniczone do uszkodzeń rozdzielnicy lub ewentualnie elementów w jej bezpośredniej bliskości.
Rys. 1. Skutki zwarcia łukowego [8]
Szkody, jakie może ze sobą nieść wystąpienie zwarcia łukowego, wykraczają daleko poza typowe stany awaryjne występujące w instalacji elektrycznej. Do najbardziej znamiennych skutków zwarcia łukowego można zaliczyć:
- wzrost temperatury nawet do 20 000°C, i tym samym wysokie ryzyko powstania pożaru,
- wystąpienie fali uderzeniowej i wzrost natężenia dźwięku mogący spowodować okaleczenie i utratę słuchu,
- rozprysk elementów konstrukcyjnych i stopionych elementów metalowych.
Stąd też zasadne jest, aby szczególnie osoby odpowiedzialne za proces budowlany oraz eksploatację urządzeń i instalacji elektrycznych miały świadomość ryzyka, jakie niesie ze sobą to zjawisko.
Statystyki
Przytoczenie wiarygodnych statystyk dotyczących wypadków związanych ze zwarciami łukowymi jest niezwykle trudne, ponieważ bardzo często takie informacje nie są udostępniane do wiadomości publicznej ani do urzędów statystycznych. Z informacji publikowanych przez Occupational Health & Safety Association [9] w USA wynika, że każdego roku w Stanach Zjednoczonych dochodzi do ponad 7 000 pożarów wywołanych przez zwarcia łukowe, powodujących w sposób pośredni lub bezpośredni śmierć ponad 400 osób.
Dla porównania w Indiach statystyka wypadków spowodowanych łukiem elektrycznym została przedstawiona w tabeli 1.
Tab. 1. Statystyka wypadków w Indiach w latach 2015–2018 [11]
Rys. 2. Statystyka wypadków w Stanach Zjednoczonych Ameryki w roku 2018, gdzie przyczyną był łuk elektryczny (prawdopodobieństwo wyznaczone na próbie 1 521 000 aktywnie pracujących elektryków w USA) [10]
Porównując statystyki z tego samego roku dotyczące USA i Indii, uzyskujemy następujące wartości:
- całkowita liczba osób poszkodowanych w wypadkach:
a) USA – 7 000 poszkodowanych;
b) Indie – 172 osoby poszkodowane (maks. w 2018 r.); - liczba ludności w obu krajach w 2018 r. [12]:
a) USA – 326,8 mln mieszkańców;
b) Indie – 1 369 mln mieszkańców.
Z powyższych danych wynika, że w USA 40 razy więcej osób niż w Indiach ulega wypadkom spowodowanym łukiem elektrycznym!; jednocześnie w USA żyje ponad 4 razy mniej ludzi niż w Indiach.
Dla uzyskania jeszcze szerszego obrazu należy podać, iż w Stanach Zjednoczonych w 2021 r. doszło do 353 500 pożarów w budynkach mieszkalnych – pożary te spowodowały 2840 zgonów i 11 400 obrażeń [13]. Przytoczone powyższe dane są bardzo skrajne, tzn. dane z USA są bardziej realne, co prawdopodobnie wynika z wymagań firm ubezpieczeniowych. Większość krajów nie prowadzi szczegółowych statystyk z podziałem na czynniki powodujące wypadki. Na podstawie danych z USA można stwierdzić, że łuk elektryczny stanowi poważną część przyczyn wypadków, dlatego też należy traktować ochronę przed łukiem elektrycznym jako jedno z kryteriów przy projektowaniu, wykonywaniu i eksploatacji instalacji elektrycznych.
W Polsce brak jest takich danych na poziomie krajowym. Dane np. z górnictwa, kolejnictwa są bardzo szczątkowe. Z dokumentu na temat wypadków przy pracy w 2023 r., opublikowanego przez Główny Urząd Statystyczny (GUS) [14], można się dowiedzieć, że:
a) liczba osób poszkodowanych wynosiła 68 663;
b) kontakt z prądem elektrycznym, wysoką temperaturą, substancjami stwarzającymi zagrożenie lub mieszaninami stwarzającymi zagrożenie oraz materiałami zawierającymi szkodliwe czynniki biologiczne odpowiada za 3% wszystkich wypadków – tzn. generuje to 2 060 poszkodowanych.
Niestety, brakuje głębszego podziału na przyczyny wypadków, a „prąd elektryczny” jako przyczyna jest łączony z innymi czynnikami. Nieprecyzyjność w raportowaniu przyczyn wypadków jest niestety problemem ogólnokrajowym i nie dotyczy jedynie GUS, ale również raportów publikowanych cyklicznie przez POZ do Ministerstwa Zdrowia [15].
Zwarcie łukowe
Powietrze znajdujące się pod ciśnieniem atmosferycznym stanowi dielektryk (izolator) o wytrzymałości napięciowej rzędu 32 kV/cm. Nie oznacza to, że w gazie tym nie może dojść do wyładowania elektrycznego. Zasadniczo w gazach wyróżnia się trzy rodzaje wyładowania (przepływu prądu elektrycznego): wyładowanie jarzeniowe, wyładowanie iskrowe, wyładowanie łukowe.
Do zainicjowania wyładowania jarzeniowego oraz iskrowego niezbędne jest wysokie napięcie. Ich wpływ na pracę urządzeń elektrycznych WN i NN jest często utożsamiany z wyładowaniami niezupełnymi, które także negatywnie wpływają na pracę i bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych.
W urządzeniach pracujących przy napięciu średnim (do 30 kV) i niskim (do 1 kV) dominującym rodzajem wyładowania elektrycznego, jakie może powstać w przestrzeni izolacyjnej, jest jednak wyładowanie łukowe [16].
Wyładowanie łukowe charakteryzuje – w przeciwieństwie do pozostałych – duża gęstość prądu elektrycznego, dochodząca do 104 kA/m2, oraz niewielki spadek napięcia na kolumnie łukowej, w której dochodzi do przepływu prądu (nawet do 10 V). Wyładowanie to zachodzi w tzw. kanale plazmowym, pełniącym rolę przewodnika. Jest podtrzymywane przez emisję elektronów z rozgrzanej powierzchni lub/i termiczną jonizację cząstek związaną z wysoką temperaturą gazu w przestrzeni, w której dochodzi do wyładowania. W przypadku wyładowania łukowego bardzo szybko dochodzi do jonizacji kanału plazmowego na tyle trwałej, że samoistne zgaszenie się łuku jest niemożliwe, chociaż nie oznacza to, że wyładowanie zawsze będzie się charakteryzować stabilnością – może mieć charakter przerywany i jest nazywane wtedy łukiem uporczywym. Jedynym sposobem przerwania tego rodzaju wyładowania w rozdzielnicy elektrycznej jest odłączenie źródła energii. Istotne jest zatem jego jak najszybsze wymuszone zgaszenie poprzez odłączenie napięcia zasilającego.
Jest to szczególnie niebezpieczny rodzaj zwarcia, ponieważ do przepływu prądu o dużej wartości należy dodać wydzielanie się energii cieplnej z kolumny łukowej, która może osiągać temperaturę nawet ponad 10 000 K [17].
Zwarcia łukowe stanowią zatem najbardziej niebezpieczne awarie w sieciach i urządzeniach elektrycznych i są realnym zagrożeniem dla zdrowia i życia ludzi.
Pomimo tego, że na tle wielu innych stanów awaryjnych i zwarć bezpośrednich zwarcia łukowe występują rzadko, ich katastrofalny charakter powinien być brany pod uwagę w toku projektowania urządzeń elektroenergetycznych, a w szczególności rozdzielnic na każdym poziomie napięcia zasilania. Z problematyką awaryjnych zwarć łukowych można mieć do czynienia na wszystkich poziomach powszechnie stosowanych napięć zasilania. Zarejestrowane wypadki dowodzą, że napięcie zasilające poniżej 230 V również może być groźne.
Najczęstszą przyczyną wystąpienia zwarcia łukowego w obrębie rozdzielnicy są błędy ludzkie, związane m.in. z błędnymi operacjami łączeniowymi, pracą pod napięciem lub w pobliżu napięcia, pozostawionymi podczas pracy narzędziami w rozdzielnicy i nieprzestrzeganiem harmonogramu napraw, przeglądów i remontów rozdzielnicy. Do innych przyczyn można zaliczyć: postępującą w czasie degradację izolacji, ponadnormatywny wzrost temperatury spowodowany słabym stykiem, niewystarczającą wentylacją rozdzielnicy, błędami w doborze pod kątem obciążalności długotrwałej oraz odporności zwarciowej oprzewodowania, kondensację pary wodnej, przepięcia powodujące przebicia izolacji, nadmierną gęstość upakowania [4] oraz działalność zwierząt i gryzoni.
Analizy oraz eksperymenty wskazują, że trójfazowe zwarcia łukowe, których przyczyną nie są błędy ludzkie, rozpoczynają się zwykle od zwarcia jednofazowego doziemnego lub dwufazowego. Przekształcaniu się tego rodzaju zwarć w zwarcie trójfazowe sprzyja metalowa i uziemiona konstrukcja rozdzielnicy. Pod wpływem sił elektromagnetycznych, a także za sprawą konwekcji, łuk awaryjny przemieszcza się wzdłuż torów prądowych – aż do momentu, gdy zostanie zatrzymany przez przegrody izolacyjne. Szybkość przemieszczania się kolumny łukowej zależy od wartości prądu łuku, konfiguracji torów prądowych oraz konstrukcji rozdzielnicy.
Skutki zwarć łukowych
Skutki zwarcia łukowego są niebezpieczne dla: samego urządzenia, w którym doszło do uszkodzenia, budynku, w którym urządzenie było usytuowane, sieci elektroenergetycznej i osób przebywających w pobliżu takiego urządzenia. Skutki ekspozycji człowieka na łuk awaryjny zależą od czasu trwania ekspozycji, odległości od kolumny łukowej i energii samego łuku. Można wśród nich wyróżnić następujące skutki (w kolejności od najcięższego do najlżejszego) [18]:
- śmierć,
- utrata słuchu i wzroku,
- poparzenia lekkie i rozległe,
- porażenie prądem elektrycznym,
- obrażenia wtórne: złamania, krwotoki wewnętrzne, lekkie obrażenia, otarcia, stłuczenia w wyniku pośrednich skutków spowodowanych falą uderzeniową,
- głuchota, porażenie narządu wzroku.
Możliwe fatalne skutki, jakie niesie ze sobą obecność człowieka w miejscu, w którym powstało zwarcie łukowe, należy minimalizować. Kluczowym elementem jest stosowanie specjalistycznej odzieży ochronnej. Pracownicy powinni być również wyposażeni w rękawice, kaski, osłony twarzy oraz buty ochronne, które są odporne na działanie łuku elektrycznego (rys. 3.).
Rys. 3. Narażenie obsługi i osób przebywających w pobliżu rozdzielnicy, w której nastąpi zwarcie łukowe, w zależności od odległości od niej [opracowanie własne]
Ważnym środkiem ochronnym jest również ograniczenie konieczności manualnej obsługi urządzeń narażonych na zwarcia łukowe. Dzięki zastosowaniu zdalnego monitoringu oraz systemów automatycznego wyłączania, można skutecznie zredukować ryzyko narażenia pracowników na bezpośrednie skutki wyładowania. Zdalne sterowanie i pomiar pozwalają na bezpieczne zarządzanie operacjami technicznymi, co jest szczególnie istotne w miejscach o podwyższonym ryzyku.
Dodatkowo wdrożenie procedur okresowej oceny ryzyka oraz regularne szkolenia pracowników mają kluczowe znaczenie dla utrzymania wysokiego poziomu bezpieczeństwa w miejscu pracy. Ocena ryzyka powinna obejmować nie tylko analizę potencjalnych zagrożeń, ale także aktualizację środków ochronnych w miarę rozwoju technologii i zmieniających się warunków pracy. Pracownicy muszą być regularnie szkoleni w zakresie rozpoznawania sytuacji niebezpiecznych oraz prawidłowego korzystania z dostępnych środków ochrony, co znacząco zmniejsza ryzyko wypadków (rys. 4.).
Rys. 4. Możliwe narażenia personelu na działanie łuku elektrycznego [19]
Łuk elektryczny, który powstał w urządzeniu w wyniku zwarcia łukowego, cechuje się dużą wartością gęstości energii, co w efekcie doprowadza do gwałtownego wzrostu temperatury zjonizowanego gazu, w którym rozwinęła się kolumna łukowa, i do szybkiego wzrostu ciśnienia wewnątrz zamkniętej przestrzeni rozdzielnicy. Zjawisko ma charakter dynamiczny. Jeden okres palącego się łuku, a więc 20 ms, wystarczy, aby temperatura wzrosła do ponad 10 000°C, a ciśnienie do 2 atmosfer (rys. 5.).
Rys. 5. Zależność temperatury oraz ciśnienia wewnątrz rozdzielnicy w funkcji czasu przepływu prądu zwarciowego [20]
Podczas zwarcia charakteryzującego się występowaniem łuku uporczywego bardzo często dochodzi do silnych przepięć, które mogą doprowadzić do uszkodzenia izolacji w innych, nieobjętych awarią miejscach sieci zasilającej. W konsekwencji może to doprowadzić do pojawiających się lawinowo kolejnych zwarć – niekoniecznie podczas tej awarii. Przepięcia, które występują podczas zwarcia łukowego, mogą osiągać wartość nawet trzy razy większą niż znamionowe napięcie pracy danej sieci. Należy podkreślić, że ograniczniki przepięć mogą nie zareagować prawidłowo, gdyż nie są badane pod kątem tego typu przepięć. Przypadek, o którym mowa, można zaobserwować na rysunku 6., pokazującym przebiegi prądów i napięć podczas uporczywego zwarcia łukowego doziemnego.
Rys. 6. Przebieg napięć w poszczególnych fazach oraz prądu zwarciowego w instalacji, w której wystąpiło zwarcie łukowe L3-PE [2]
Podczas zwarcia łukowego na skutek przepływu prądów o znacznej wartości uwidaczniają się siły elektrodynamiczne, które działają na kable, przewody, szyny i inne elementy zasilające. W rozdzielnicach niskiego napięcia jest to szczególnie widoczne ze względu na duże wartości prądów i niewielkie odległości pomiędzy przewodnikami. W wyniku wzajemnego oddziaływania na siebie przewodników z prądem w czasie zwarcia, może dojść do uszkodzenia mechanicznego rozdzielnicy, wywołującego kolejne zwarcia potęgujące to zjawisko. Zdarza się też, że pierwsze zwarcie, z pozoru niegroźne, spowoduje degradację izolacji innych elementów rozdzielnicy. Jeśli nie zostanie to wykryte podczas oględzin i pomiarów po tym zwarciu, a rozdzielnica zostanie załączona, wówczas może dojść do kolejnego zwarcia łukowego, które może mieć znacznie poważniejsze skutki.
Literatura
- USTAWA z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane, Kancelaria Sejmu, 1994.
- P. Kacejko, J. Machowski, P. Pijarski, i A. Smolarczyk, Zwarcia w systemach elektroenergetycznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2022.
- H. Markiewicz, Urządzenia elektroenergetyczne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.
- M. Orzechowski, Rozdzielnice niskich napięć – wpływ temperatury na bezpieczeństwo eksploatacji rozdzielnic niskiego napięcia (zagadnienia wybrane), „elektro.info” 1-2/2024.
- M. Orzechowski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – część 1., „elektro.info” 11/2020.
- I. Surówka, Instalacje elektryczne. Zwarcia łukowe w rozdzielnicach elektroenergetycznych SN i nn. Europejski Instytut Miedzi, 2017. [Online]. Dostępne na: https://leonardo-energy.pl/wp-content/uploads/2017/01/zwarcia-lukowe-w-rozdzielnicach-elektroenergetycznych-SN-i-nn.pdf
- S. J. Kulas, H. Supronowicz, Analiza łuku elektrycznego awaryjnego i sposoby ograniczania jego skutków. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, 2014.
- ABB, Smarter safety. IEC low- and medium-voltage arc flash mitigation solutions for greater protection and productivity. ABB, 2021.
- OSHA, Occupational Safety and Health Administration. [Online]. Dostępne na: https://www.osha.gov/
- ABB i Jarbas Ferro, „Arc protected Assembly. How to increase safety of the Switchgear”. 2018.
- Elegrow Technology, „Arc Flash – What Is It? How To Prevent It”. [mało danych]
- USCB, „United States Census Bureau”. [Online]. Dostępne na: https://www.census.gov
- Aleksandra Redlak, „Przegląd pożarniczy”. [mało danych]
- GUS, „Wypadki przy pracy w 2023 r.” [Online]. Dostępne na: https://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/rynek-pracy/warunki-pracy-wypadki-przy-pracy/wypadki-przy-pracy-w-2023-r-dane-wstepne,3,54.html
- Michał Czosnyka i Bogumiła Wnukowska, Porażenie prądem elektrycznym Statystyka POZ w latach 2020-2021, „elektro.info” 3/2023.
- Z. Flisowski, Technika wysokich napięć, WNT, Warszawa 2014.
- D. Maliczewski, Wyładowania w gazach pod niskim ciśnienim. Słupsk: Pomorska Akademia Pedagogiczna w Słupsku, Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, 2002.
- S. Gierlotka, Łuk elektryczny i skutki jego działania na człowieka, „elektro.info” 9/2008.
- HUBIX, OPEN ARC oraz Środki Ochrony Indywidualnej. [Online]. Dostępne na: https://www.youtube.com/watch?v=kMsqnESIiuA
- Hager, System Manual Passive arc fault protection. Agardio.arc. Hager.
- A. Klajn, H. Markiewicz, I. Surówka, Nowa metoda eliminacji łuku zakłóceniowego w urządzeniach elektrycznych.
- M. Orzechowski, Rozdzielnice niskich napięć – stopień ochrony (kod IP), „elektro.info” 7-8/2023.
- M. Orzechowski, M. Mikulski, Połączenia wewnętrzne w rozdzielnicach niskich napięć – studium przypadków – odporność zwarciowa elementów realizujących rozdział energii, „elektro.info” 1-2/2022.
