Skutki i zagrożenia związane z zapłonem niskonapięciowego łuku elektrycznego

W otoczeniu kanału łukowego występują ponadto zakłócenia elektromagnetyczne, fala dźwiękowa i uderzeniowa oraz znaczne siły elektrodynamiczne działające na przewodniki zasilające [1–5]. Poglądowe zestawienie najważniejszych skutków oddziaływania łuku elektrycznego na otoczenie przedstawiono na rysunku 1.

W praktyce zawodowej łuk elektryczny jest najczęściej analizowany w kontekście rozdzielnic średniego i wysokiego napięcia lub dużych rozdzielnic niskiego napięcia [1, 2, 4, 6]. W takich obiektach eksploatacją zajmuje się personel techniczny, a ocena ryzyka bazuje na rozwiniętych metodach obliczeniowych i normatywnych. Do obliczeniowej oceny zagrożenia łukowego w rozdzielnicach nn powszechnie stosuje się wytyczne normy IEEE 1584 [7], która pozwala na wyznaczanie energii cieplnej łuku oraz granicy ochrony przed porażeniem łukowym. Metoda ta uwzględnia głównie promieniowanie cieplne i konwekcję w otwartej przestrzeni.

Tymczasem zapłon niskonapięciowego łuku elektrycznego może wystąpić również w typowej instalacji domowej lub małej instalacji nn, np. w niewielkiej puszce łączeniowej, gnieździe wtyczkowym czy skrzynce przyłączeniowej [5, 6, 8, 9]. Przyczyną takiego zakłócenia bywają poluzowane zaciski, degradacja izolacji, zawilgocenie, obecność zanieczyszczeń przewodzących lub błędy montażowe [8, 9]. W takich miejscach w bezpośrednim otoczeniu elementów instalacji przebywają osoby całkowicie niepoinstruowane i nieświadome skali zagrożenia, a obudowy urządzeń są najczęściej wykonane z lekkich tworzyw sztucznych.

Jeżeli miejsce zwarcia łukowego zlokalizowane jest w ograniczonej objętości (np. wewnątrz niewielkiej obudowy lub rozdzielnicy), to skutki zjawiska obejmują nie tylko lokalne nadpalenia przewodów, lecz także dynamiczny wzrost ciśnienia gazu i możliwe rozszczelnienie lub rozerwanie obudowy, wyrzut gorących gazów i kropli stopionego materiału na zewnątrz oraz oddziaływanie strumienia energii cieplnej na osoby znajdujące się w pobliżu [4, 5, 10]. Jak wykazano w pracy [11], dla prądu rzędu 1 kA i czasu trwania kilkudziesięciu milisekund energia łuku może przekraczać kilka kilodżuli, co jest wystarczające do poważnych uszkodzeń osprzętu oraz zapłonu materiałów palnych.

Standardowe podejście obliczeniowe, oparte na normie IEEE 1584 [7], opisuje przede wszystkim gęstość energii cieplnej docierającej do płaskiej powierzchni i jest dobrze dostosowane do analizy pracy rozdzielnic nn. Nie opisuje ono jednak wprost zjawiska dynamicznego rozszczelnienia małej obudowy ani „balistycznego” rozrzutu kropli stopionego materiału, które w warunkach instalacji domowej mogą mieć kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa użytkowników [2, 4, 11]. W ostatnich latach szczególną uwagę poświęca się również urządzeniom ograniczającym skutki łuku (eliminatory łuku, hybrydowe łączniki zwarciowe), które umożliwiają bardzo szybkie skrócenie czasu trwania zjawiska i redukcję energii łuku [10–13].

Celem niniejszego artykułu jest eksperymentalne określenie skutków i związanych z nimi zagrożeń wynikających z zapłonu niskonapięciowego łuku elektrycznego w niewielkiej puszce instalacyjnej typowej dla instalacji nn. W badaniach wykorzystano modelowy obwód zasilany napięciem międzyfazowym 400 V AC, generowano łuk pomiędzy elektrodami wykonanymi z przewodów miedzianych i aluminiowych, rejestrowano przebiegi prądu i napięcia łuku oraz ciśnienia gazu wewnątrz puszki, a także dokumentowano rozwój zjawiska za pomocą szybkiej kamery. Na podstawie zarejestrowanych danych wyznaczono energię łuku, przeanalizowano dynamikę wzrostu ciśnienia oraz opisano rozszczelnienie puszki i rozrzut gorących produktów łuku. Uzyskane wyniki zestawiono następnie z typowymi warunkami pracy instalacji niskiego napięcia, wskazując na realne zagrożenia dla użytkowników oraz na potencjalne ograniczenia klasycznego podejścia obliczeniowego do oceny ryzyka łukowego.

Puszka instalacyjna miejscem zapłonu łuku

Łuk elektryczny inicjowano wewnątrz natynkowej puszki instalacyjnej z tworzywa termoplastycznego (IP55). Puszka ma wymiary zewnętrzne:

• szerokość 81,5x81,5 mm,
• wysokość 45,3 mm,

co odpowiada objętości ok. Vg ≈ 0,0003 m³. Obudowa wyposażona jest w zatrzaskową pokrywę z gumową uszczelką oraz membrany gumowe w przepustach kablowych, zapewniające szczelność. Zastosowaną natynkową puszkę instalacyjną, będącą obudową dla źródła łuku, pokazano na rysunku 2.

Rozmieszczenie elektrod łukowych i elementów pomiarowych wewnątrz obudowy źródła łuku pokazano na rysunku 3.

Układ eksperymentalny i tor pomiarowy

Eksperymenty wykonano w obwodzie trójfazowym. Zwarcie łukowe wymuszono pomiędzy dwiema fazami (L₁–L₂)_, przy napięciu międzyfazowym U_L1−L2 = 400 V AC/50 Hz. W szereg z obwodem łuku włączono indukcyjność L = 90 μH, modelując impedancję sieci zasilającej. Przy danej impedancji pętli zwarcia amplituda prądu zwarcia łukowego wynosiła około 1400 A.

Do inicjacji łuku zastosowano cienki drut topikowy łączący elektrody umieszczone wewnątrz puszki natynkowej. Po jego przepaleniu powstawał kanał łukowy pomiędzy przewodami dwóch faz. Eksperyment wykonano dla przewodów:

• miedzianych (Cu),
• aluminiowych (Al),

o typowych przekrojach stosowanych w instalacjach domowych (2,5 mm²).

W torze pomiarowym rejestrowano jednocześnie prąd łuku, napięcie na łuku i ciśnienie gazu w puszce instalacyjnej. Do pomiaru prądu łuku i_łuku(t) zastosowano cęgi prądowe Chauvin Arnoux PAC22 (zakres do 1500 A), podłączone do oscyloskopu. Napięcie na łuku u_łuku(t) mierzono za pomocą wysokonapięciowej sondy różnicowej Pintek DP-100, również współpracującej z oscyloskopem. Ciśnienie gazu w puszce p(t) rejestrowano czujnikiem Keller 21G (zakres: 0–5 barów). Wszystkie sygnały były zapisywane na czterokanałowym oscyloskopie cyfrowym VOLTCRAFT DSO-1084F (80 MHz, 1 GSa/s).

Zapłon i rozwój łuku elektrycznego

Do wideorejestracji zapłonu i dalszego rozwoju niskonapięciowego łuku elektrycznego zastosowano szybką kamerę Chronos 1.4. Urządzenie umożliwia zapis obrazu z prędkością do 40413 klatek na sekundę. W omawianym eksperymencie jako kompromis pomiędzy rozdzielczością i szybkością rejestracji przyjęto 4436 klatek na sekundę, przy rozdzielczości obrazu 640x480 pikseli. Oznacza to, że kolejne klatki były rejestrowane w odstępach 0,2254 ms. Każda klatka ma nadany indywidualny numer oraz odpowiadający mu znacznik czasu, co umożliwia bezpośrednie powiązanie zarejestrowanego obrazu z przebiegami czasowymi prądu, napięcia i ciśnienia.

Na rysunku 4. przedstawiono wybrane klatki ilustrujące kolejne fazy łuku dla przypadku z przewodami miedzianymi:

• (a) zapłon łuku elektrycznego (0 ms),
• (b) uchylenie pokrywy pod wpływem rosnącego ciśnienia (3,15 ms),
• (c), (d), (e) dalszy rozwój łuku i kolejne zapłony, połączone z intensywnym wyrzutem plazmy i gazów (c – 9,24 ms; d – 11,7 ms; e – 35,1 ms),
• (f) zanik łuku w chwili (37,9 ms),
• (g), (h), (i) faza po zgaszeniu łuku, w której z wnętrza puszki nadal wydostają się gorące gazy oraz liczne rozżarzone krople ubytku materiału miedzianych elektrod (g – 49,3 ms; h – 65,6 ms; i – 85,4 ms).

Temperatura topnienia miedzi wynosi ok. 1085°C. Obecność wyraźnie świecących kropli metalu w kadrze kamery po wygaśnięciu łuku świadczy o tym, że w kanale łuku temperatura materiału przewodów została co najmniej przekroczona. Barwa obserwowanych kropli (od pomarańczowej do żółtej) sugeruje temperatury rzędu kilkuset do ponad tysiąca stopni Celsjusza, co oznacza, że stanowią one potencjalne źródło silnych oparzeń oraz zapłonu materiałów palnych.

Na ścianie za puszką instalacyjną umieszczono podziałkę wyskalowaną w centymetrach. Poziom 0 cm odpowiada dolnej krawędzi puszki instalacyjnej, natomiast najwyższy rejestrowany poziom wynosi 35 cm. Analiza klatek (h) i (i) pokazuje, że rozżarzone krople miedzi osiągają ten poziom, a następnie – co nie jest już rejestrowane w polu widzenia kamery – pokonują kolejne centymetry toru lotu. Z prostej szacunkowej oceny wynika, że osiągnięcie wysokości co najmniej 0,35 m wymaga początkowej prędkości rzędu kilku metrów na sekundę. Oznacza to, że cząstki te posiadają również istotną energię kinetyczną, zdolną do przebicia cienkich osłon lub inicjacji ognia na znajdujących się w pobliżu powierzchniach. W trakcie eksperymentu puszka instalacyjna była zamontowana poziomo, z pokrywą skierowaną ku górze, co oznacza, że obserwowany rozrzut kropli następował głównie w kierunku pionowym. W typowych warunkach eksploatacyjnych puszki montuje się jednak na ścianie, z wiekiem ustawionym prostopadle do podłogi, a więc prostopadle do kierunku działania siły grawitacji. W takiej konfiguracji rozgrzane krople materiału elektrod mogą być wyrzucane na jeszcze większe odległości w głąb pomieszczenia, obejmując swoim zasięgiem większy obszar potencjalnego zagrożenia dla ludzi i materiałów palnych.

Takie zachowanie rozgrzanych kropli ma istotne znaczenie praktyczne. W typowych warunkach eksploatacji puszki instalacyjne często montuje się w pomieszczeniach gospodarczych, piwnicach czy w budynkach inwentarskich. W przeszłości podobne obudowy powszechnie stosowano w gospodarstwach rolnych. Jeżeli puszka znajduje się w pobliżu materiałów łatwopalnych, takich jak słoma czy siano, wyrzut gorących kropli metalu i produktów spalania izolacji stwarza bardzo poważne zagrożenie pożarowe. Jednocześnie osoba znajdująca się w zasięgu lotu tych cząstek narażona jest na punktowe oparzenia skóry oraz uszkodzenie oczu.

Zarejestrowane obrazy potwierdzają więc, że skutki zapłonu niskonapięciowego łuku elektrycznego w niewielkiej puszce instalacyjnej nie ograniczają się do uszkodzeń samego osprzętu. Dynamiczny wyrzut gorących gazów i rozżarzonych kropli materiału elektrod stanowi realne zagrożenie zarówno dla ludzi, jak i dla otoczenia.

Na rysunkach 5a–i przedstawiono kolejne etapy zapłonu i rozwoju niskonapięciowego łuku elektrycznego dla przewodów aluminiowych. Pierwsza klatka odpowiada chwili zapłonu łuku, a czas jego palenia wynosi około 26 ms. 

W tym przypadku szczególnie interesująca jest analiza obrazu po zgaśnięciu łuku. Kolejne klatki, począwszy od rysunku 5c (t = 40 ms), pokazują bardzo duży ubytek materiału elektrod – w polu widzenia kamery pojawia się gęsta „chmura” jasnych kropli stopionego aluminium.

Temperatura topnienia aluminium wynosi około 660°C, natomiast temperatura w kanale łuku jest wielokrotnie wyższa. Obecność licznych, intensywnie świecących kropli metalu świadczy o tym, że materiał elektrod został nie tylko stopiony, lecz miejscami także silnie przegrzany. Liczba i rozproszenie kropli są wyraźnie większe niż w przypadku przewodów miedzianych, co wskazuje na większy ubytek materiału elektrod, a tym samym na większą ilość gorących cząstek mogących oddziaływać na otoczenie.

Należy podkreślić, że nawet po upływie około 374 ms od zgaszenia łuku (rys. 5i) na zarejestrowanym obrazie nadal widoczne są rozżarzone krople aluminium. Oznacza to, że pomimo ustania przepływu prądu, zagrożenie pożarowe oraz zagrożenie dla zdrowia osób znajdujących się w pobliżu nie zanika natychmiast, lecz utrzymuje się przez setki milisekund. W trakcie eksperymentu puszka instalacyjna była zamontowana poziomo, z pokrywą skierowaną ku górze. W typowych warunkach eksploatacyjnych puszki instalacyjne montuje się jednak na ścianie, z pokrywą ustawioną prostopadle do podłoża – w takiej konfiguracji rozgrzane krople stopionego aluminium mogą być wyrzucane w głąb pomieszczenia na jeszcze większe odległości, obejmując swoim zasięgiem większy obszar potencjalnego zagrożenia dla ludzi i materiałów palnych.

Łuk na przewodach miedzianych

Dla elektrod wykonanych z przewodów miedzianych badano łuk w puszce instalacyjnej przy napięciu międzyfazowym U_L1−L2 = 400 V i indukcyjności szeregowej L = 90 μH. 

Na podstawie zarejestrowanych przebiegów prądu i napięcia łuku (rys. 6a) wyznaczono podstawowe parametry zjawiska:

• maksymalna wartość prądu łuku I_max ≈ 1358 A,
• wartość skuteczna prądu w czasie trwania łuku IRMS ≈ 960 A,
• czas palenia łuku t_a = 37,9 ms,
• energia przekazana do łuku E_a ≈ 2200 J.

Średnia moc odpowiadająca takiej energii w czasie t_a wynosi około:

przy maksymalnych wartościach chwilowych mocy dochodzących do 200 kW (rys. 6b). Oznacza to, że do niewielkiej puszki, o objętości gazu Vg ≈ 0,0003 m³, w ciągu niespełna 40 ms dostarczono energię o gęstości około:

Tak duża koncentracja energii w małej objętości musi prowadzić do gwałtownego wzrostu temperatury produktów łuku oraz ciśnienia gazów wewnątrz obudowy.

Przebieg ciśnienia wewnątrz puszki instalacyjnej do momentu rozszczelnienia dobrze odwzorowuje model opisujący wzrost nadciśnienia w szczelnej obudowie jako funkcję energii łuku [8]:

gdzie k_t jest współczynnikiem wymiany ciepła, K – wykładnikiem adiabaty, a E_a (t) – energią zgromadzoną w łuku w chwili rozszczelnienia obudowy. Dla elektrod Cu: k_t = 0,48, K = 1,088,
E = 251 J – obliczony przyrost ciśnienia wynosi Δp ≈ 35,3 kPa, co jest bardzo zbieżne z wartością zmierzoną (35,33 kPa). Po otwarciu pokrywy puszki część gazów i produktów łuku może swobodnie wydostawać się na zewnątrz, dlatego dalszy wzrost zmierzonego ciśnienia jest znacznie wolniejszy niż wynikałoby to z modelu przy założeniu pełnej szczelności obudowy. Na tym samym rysunku 6c pokazano również teoretyczny przebieg ciśnienia – z założeniem, że puszka pozostałaby całkowicie szczelna aż do końca palenia się łuku. Dla całkowitej energii
E_a ≈ 2200 J z równania wynika, że maksymalne ciśnienie może wynosić nawet Δp_max ≈ 310 kPa, czyli niemal 3,1 bara powyżej ciśnienia atmosferycznego. Taki poziom obciążenia znacznie przekracza wytrzymałość typowych obudów z tworzyw termoplastycznych i w praktyce prowadziłby do ich rozerwania. W badaniu zarejestrowano więc zjawisko „bezpieczne” z punktu widzenia wytrzymałości mechanicznej, a jednocześnie bardzo niebezpieczne z punktu widzenia użytkownika, ponieważ pokrywa puszki zostaje gwałtownie otwarta, a na zewnątrz wyrzucane są gorące gazy i rozgrzane krople materiału elektrod.

Porównanie przebiegów elektrycznych (rys. 6a–c) z zarejestrowanym obrazem (rys. 4a–i) pokazuje, że istotna część energii łuku zamienia się na energię strumienia plazmy i wyrzucanych cząstek stałych już w pierwszych milisekundach po zapłonie. Oznacza to, że nawet stosunkowo krótki łuk – o czasie trwania rzędu 40 ms i amplitudzie prądu poniżej 1,5 kA – jest w stanie wywołać silny, gwałtowny wzrost ciśnienia, rozerwać małą puszkę instalacyjną i wytworzyć strefę oddziaływania gorących produktów łuku sięgającą dziesiątek centymetrów od miejsca zwarcia, co ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa osób przebywających w pobliżu.

Łuk na przewodach aluminiowych

W drugiej serii badań zastosowano elektrody wykonane z przewodów aluminiowych, przy tych samych warunkach zasilania jak poprzednio: napięcie międzyfazowe U_L1−L2 = 400 V, indukcyjność szeregowa L = 90 μH oraz ta sama puszka instalacyjna. 

Na podstawie zarejestrowanych przebiegów prądu i napięcia łuku (rys. 7a) wyznaczono:

• czas palenia się łuku t_a ≈ 25,3 ms,
• energię przekazaną do łuku E_a ≈ 1770 J (rys. 7b).

Maksymalne wartości prądu zwarciowego były porównywalne z poprzednim eksperymentem (wartość skuteczna w granicach 1 kA). Zauważono, że przebiegi mają wyraźnie „poszarpany” charakter, częściej pojawiają się gwałtowne zmiany napięcia i prądu. Prawdopodobnie jest to związane z emisją kropli materiału elektrod oraz zmianą geometrii kanału łukowego. Pomimo mniejszej energii całkowitej niż w przypadku przewodów wykonanych z miedzi i krótszego czasu palenia (25,3 ms wobec 37,9 ms), średnia moc łuku jest większa i wynosi około P_śr ≈ 70 kW. Oznacza to, że do niewielkiej objętości puszki w bardzo krótkim czasie dostarczana jest jeszcze intensywniejsza porcja energii niż w przypadku przewodów miedzianych, co nadaje zjawisku wyraźnie bardziej „wybuchowy” charakter (rys. 5a–i).

Zarejestrowany przebieg ciśnienia wewnątrz puszki instalacyjnej pokazuje bardzo szybki przyrost ciśnienia w pierwszych milisekundach po zapłonie (rys. 7c). W chwili t ≈ 2,72 ms ciśnienie osiąga wartość około p ≈ 49 kPa (przy energii łuku rzędu E = 273 J). W tym momencie następuje rozszczelnienie puszki (pokrywa zostaje gwałtownie odchylona), a charakterystyka ciśnienia zmienia swój przebieg. Dla porównania: w analogicznej próbie z przewodami Cu wyraźne rozszczelnienie występowało przy ciśnieniu około 35 kPa i energii około 251 J, po czasie 3,15 ms. Oznacza to, że przy elektrodach aluminiowych wzrost ciśnienia jest znacznie szybszy, co potwierdza bardziej „wybuchowy” i niebezpieczny charakter zjawiska.

W celu obliczenia przyrostu ciśnienia wewnątrz puszki instalacyjnej można ponownie zastosować zależność (3), gdzie dla elektrod Al przyjęto współczynnik k_t = 0,63 [5, 6, 8]. Dla całkowitej energii E_a ≈ 1770 J i objętości puszki Vg ≈ 0,0003 m³, teoretyczne maksymalne ciśnienie w całkowicie szczelnej obudowie osiągałoby wartość rzędu Δp_max ≈ 315 kPa. W praktyce do takiej wartości nie dochodzi właśnie dlatego, że pokrywa puszki zostaje otwarta już przy znacznie niższej energii, co ogranicza dalszy wzrost ciśnienia, ale jednocześnie powoduje gwałtowny wyrzut produktów łuku na zewnątrz.

Niższa temperatura topnienia Al (ok. 660°C) oraz jego mniejsza gęstość sprzyjają intensywnej erozji elektrod, przez co łuk łatwiej „odrywa lekkie krople stopionego materiału”. W konsekwencji w polu widzenia kamery (rys. 5a–i) obserwuje się gęstą chmurę świecących cząstek, unoszących się na znaczne odległości od puszki i utrzymujących żar nawet przez kilkaset milisekund po zgaśnięciu łuku. Z punktu widzenia bezpieczeństwa oznacza to:

• większą dynamikę zmian ciśnienia i szybsze rozszczelnienie obudowy,
• większą masę gorących produktów łuku wyrzucanych w głąb pomieszczenia, które mogą być efektywnymi nośnikami ciepła i inicjatorami zapłonu materiałów palnych.

W typowych instalacjach, gdzie puszki montowane są na ścianie, z wiekiem ustawionym prostopadle do podłogi, rozgrzane krople aluminium mogą być wyrzucane na jeszcze większe odległości niż w układzie badawczym, zwiększając strefę zagrożenia dla użytkowników oraz ryzyko pożaru w otoczeniu łatwopalnych materiałów.

Znaczenie wyników dla instalacji niskiego napięcia

Uzyskane wyniki mają bezpośrednie znaczenie dla oceny ryzyka w typowych instalacjach niskiego napięcia. Dotyczy to zarówno budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej, jak i różnych obiektów gospodarczych. Puszki instalacyjne, będące elementem codziennej praktyki montażowej, często znajdują się w zasięgu rąk użytkowników nieposiadających przygotowania technicznego. W razie wystąpienia zwarcia łukowego, podobnego do analizowanego w niniejszej pracy, osoba znajdująca się w niewielkiej odległości od puszki może zostać bezpośrednio narażona na oddziaływanie strumienia gorących gazów, otwarcie pokrywy oraz uderzenie rozżarzonych kropli metalu.

Zarejestrowana strefa rozrzutu kropli obejmuje obszar co najmniej kilkudziesięciu centymetrów od obudowy. W praktycznej instalacji ściennej oznacza to, że potencjalnie niebezpieczna jest przestrzeń przed puszką o promieniu co najmniej 0,3–0,4 m, a przy niekorzystnym układzie geometrycznym nawet większa. W tej strefie mogą znajdować się twarz i dłonie użytkownika, a także elementy wyposażenia wnętrz wykonane z materiałów palnych. Gorące krople metalu o temperaturze znacznie przekraczającej 600–1000°C mogą powodować punktowe oparzenia skóry, uszkodzenia oczu, a także inicjację zapłonu tkanin, tworzyw sztucznych czy materiałów izolacyjnych.

Szczególnie istotne jest ryzyko pożarowe w pomieszczeniach gospodarczych i rolniczych, gdzie puszki instalacyjne mogą znajdować się w pobliżu słomy, siana, trocin lub innych materiałów łatwopalnych. W takich warunkach wyrzut gorących cząstek metalu i produktów rozkładu izolacji może w krótkim czasie doprowadzić do zapalenia się materiałów składowanych w pobliżu, a następnie do rozwoju pożaru całego obiektu.

Wyniki badań wskazują również na pewne ograniczenia klasycznych metod obliczeniowych, wykorzystywanych do oceny zagrożenia łukowego, takich jak procedury opisane w normie IEEE 1584 [7]. Metody te koncentrują się na wyznaczaniu gęstości energii cieplnej padającej na płaską powierzchnię w określonej odległości od źródła łuku. W przypadku niewielkich puszek instalacyjnych znaczącą rolę odgrywa jednak nie tylko promieniowanie cieplne, lecz także mechaniczny efekt gwałtownego otwarcia obudowy oraz balistyczny rozrzut kropli stopionego metalu. Zjawiska te nie są wprost uwzględniane w klasycznych modelach, co może prowadzić do niedoszacowania strefy realnego zagrożenia dla użytkownika.

Z praktycznego punktu widzenia oznacza to konieczność zwracania większej uwagi na lokalizację i sposób montażu puszek instalacyjnych. Należy unikać sytuacji, w których puszka znajduje się bezpośrednio w zasięgu użytkownika, na wysokości twarzy lub w bezpośrednim sąsiedztwie materiałów palnych. Istotne jest również stosowanie osprzętu dobrej jakości, prawidłowe dokręcanie zacisków, właściwy dobór przekrojów przewodów i regularne kontrole stanu połączeń, zwłaszcza w obwodach obciążonych zmiennie lub narażonych na drgania i zmiany temperatury. W obwodach o podwyższonym ryzyku, takich jak instalacje w pomieszczeniach technicznych, warsztatach czy systemach PV, zasadne może być rozważenie dodatkowych środków ograniczających skutki łuku, na przykład szybkich zabezpieczeń, układów detekcji łuku lub rozwiązań typu eliminator łuku, opisywanych szerzej w literaturze [10–13].

Zagadnienia związane z oddziaływaniem łuku elektrycznego oraz ochroną przed jego skutkami są przedmiotem intensywnych badań w wielu ośrodkach naukowych i przemysłowych. Jednym z takich ośrodków jest Zakład Urządzeń Rozdzielczych i Instalacji Elektrycznych Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej. Jednostka ta dysponuje syntetyczną stacją zwarciową oraz zespołami prądowymi umożliwiającymi realizację prób wielkoprądowych do poziomu ok. 80 kA, jak również aparaturą do rejestracji zjawisk łukowych. Równolegle prowadzone są prace badawcze i współpraca z przemysłem w zakresie analizy zagrożenia łukowego oraz oceny ryzyka, zgodnie z wymaganiami norm IEEE 1584 [7] oraz NFPA 70E [14], obejmujące m.in. wyznaczanie energii łuku, granic bezpieczeństwa i dobór środków ochrony indywidualnej.

Wnioski

Przeprowadzone badania potwierdzają, że niskonapięciowy łuk elektryczny powstający w niewielkiej puszce instalacyjnej może stanowić poważne zagrożenie dla osób przebywających w jej pobliżu. Dla napięcia międzyfazowego 400 V, prądów rzędu 1 kA i czasu trwania łuku w zakresie od 25 do 38 ms, energia przekazywana do łuku sięgała 1,8 – 2,2 kJ. Tak duża energia, skoncentrowana w małej objętości, prowadzi do gwałtownego wzrostu ciśnienia, otwarcia pokrywy puszki oraz intensywnego wyrzutu gorących produktów łuku.

Materiał elektrod ma istotny wpływ na przebieg zjawiska. Dla przewodów miedzianych uzyskano dłuższy czas palenia się łuku i nieco większą energię całkowitą, natomiast dla przewodów aluminiowych czas palenia był krótszy, średnia moc wyższa, a narastanie ciśnienia szybsze. W przypadku aluminium obserwuje się wyraźnie większy ubytek materiału elektrod, dłuższe żarzenie się produktów łuku i większe rozproszenie kropli w przestrzeni, co przekłada się na zwiększoną strefę oddziaływania na otoczenie.

Rejestrowana strefa rozrzutu kropli stopionego metalu sięga co najmniej 30–35 cm od puszki instalacyjnej. W typowej konfiguracji ściennej oznacza to, że nawet niewielkie puszki należy traktować jako potencjalne źródła zagrożenia łukowego, a intuicyjnie przyjmowana „bezpieczna odległość” w instalacjach domowych może być niewystarczająca. Z punktu widzenia bezpieczeństwa użytkowników szczególnie niekorzystne są sytuacje, gdy puszka znajduje się w zasięgu bezpośredniego kontaktu człowieka lub w pobliżu materiałów palnych.

Uzyskane wyniki wskazują, że klasyczne metody obliczeniowe, oparte na ocenie gęstości energii cieplnej, mogą nie w pełni odzwierciedlać rzeczywiste zagrożenia związane z zapłonem łuku w małych obudowach z tworzyw sztucznych. W przyszłości zasadne wydaje się rozwinięcie modeli uwzględniających zjawiska mechanicznego rozszczelnienia obudowy i balistycznego rozrzutu kropli stopionego metalu oraz sformułowanie zaleceń projektowych dotyczących lokalizacji i sposobu stosowania puszek instalacyjnych w obwodach niskiego napięcia. W praktyce inżynierskiej wyniki tego typu badań stanowią cenne uzupełnienie obliczeń prowadzonych zgodnie z IEEE 1584 [7] oraz wytycznymi NFPA 70E [14], szczególnie w odniesieniu do małych obudów instalacyjnych, dla których brak jest dedykowanych zaleceń.

Literatura

1. T.R. Dugan, Reducing the Arc Flash Hazard, „IEEE Industry Applications Magazine”, vol. 13, nr 3, s. 51–58, 2007.
2. G.A. Hussain, Methods for Arc-Flash Prediction in Medium Voltage and Low Voltage Switchgear, Aalto University, Doctoral Dissertation 221/2015, Espoo, 2015.
3. B. Melouki, M. Lieutier, A. Lefort, The Correlation between Luminous and Electric Arc Characteristics, „Journal of Physics D: Applied Physics”, vol. 29, nr 11, s. 2907–2914, 1996.
4. L. Kumpulainen, G.A. Hussain, M. Rival, M. Lehtonen, K. Kauhaniemi, Aspects of Arc-Flash Protection and Prediction, „Electric Power Systems Research”, vol. 116, s. 77–86, 2014.
5. D. Kowalak, Model empiryczny określający dynamikę niskonapięciowego łuku zwarciowego, „Wiadomości Elektrotechniczne” nr 12/2011, s. 15–17.
6. I. Surówka, Zwarcia łukowe w rozdzielnicach elektroenergetycznych SN i nn, Leonardo ENERGY, 2017 (materiały on-line).
7. IEEE Std 1584-2018, IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations, IEEE 2018.
8. M. Kaźmierczak, Zwarcia łukowe – doświadczenia eksploatacyjne w polskiej energetyce zawodowej i przemysłowej, „Elektroenergetyka” nr 2/2011, s. 98–109.
9. J.G.J. Sloot, R.J. Ritsma, Protection Against Fault Arcs in Low Voltage Distribution Boards, materiały konf. CIRED, ok. 2010.
10. K. Nowak, J. Janiszewski, G. Dombek, Thyristor Arc Eliminator for Protection of Low Voltage Electrical Equipment, „Energies”, 2019, 12(15), 2749.
11. K. Nowak, J. Janiszewski, G. Dombek, The Possibilities to Reduce Arc Flash Exposure with Arc Fault Eliminators, „Energies”, 2021, 14(7), 1927.
12. K. Nowak, J. Janiszewski, G. Dombek, A Multi-Sectional Arc Eliminator for Protection of Low Voltage Electrical Equipment, „Energies”, 2020, 13(3), 605.
13. K. Nowak, J. Janiszewski, G. Dombek, A New Short-Circuit Hybrid Device for the Protection of Low-Voltage Networks from the Effects of an Arc Fault, IEEE Access, vol. 10, s. 90011–90026, 2022.
14. NFPA 70E, Standard for Electrical Safety in the Workplace, National Fire Protection Association, aktualna edycja (np. 2024).