Wybrane zagadnienia ochrony przeciwporażeniowej w badaniach i diagnostyce samochodowych układów zapłonowych (część 3)
Niebezpieczeństwo porażenia prądem ze strony nieobciążonego układu zapłonowego
Rys. 1. Napięcie na świecy zapłonowej z poszerzoną szczeliną międzyelektrodową
W poprzedniej części artykułu przedstawiono przykłady zdarzeń, których skutkiem mogło być porażenie prądem elektrycznym podczas prowadzenia prac serwisowych w bliskim sąsiedztwie układu zapłonowego działającego pod obciążeniem (świece zapłonowe). W trzeciej, ostatniej części cyklu poruszony zostanie problem zagrożenia porażeniem ze strony nieobciążonego układu zapłonowego. Przedstawione zostaną ponadto sposoby ochrony i reguły pozwalające poprawić bezpieczeństwo pracowników dokonujących napraw pojazdów.
Zobacz także
Livoltek Poland Przemysłowe magazyny energii w praktyce: Jak obniżyć koszty energii i zwiększyć autonomię instalacji PV w segmencie C&I
“Rosnące koszty energii, niestabilność sieci i coraz bardziej restrykcyjne warunki przyłączeniowe sprawiają, że magazynowanie energii przestaje być opcją - staje się elementem architektury każdej poważnej...
“Rosnące koszty energii, niestabilność sieci i coraz bardziej restrykcyjne warunki przyłączeniowe sprawiają, że magazynowanie energii przestaje być opcją - staje się elementem architektury każdej poważnej instalacji fotowoltaicznej w segmencie przemysłowym i komercyjnym. Inwestorzy, przedsiębiorstwa i właściciele farm PV stoją dziś przed pytaniem, czy wdrożyć przemysłowy magazyn energii oraz który system wybrać, żeby projekt był rentowny od pierwszego dnia eksploatacji” - Sebastian Fibrand, Country...
dr inż. Andrzej Książkiewicz - Astat Sp. z o.o. Energoelektroniczne kompensatory mocy biernej ASTec SVG dużej mocy
Rosnące wymagania dotyczące jakości energii elektrycznej oraz dynamiczna zmienność obciążeń w zakładach przemysłowych czynią kompensację mocy biernej kluczową z perspektywy technicznej i ekonomicznej....
Rosnące wymagania dotyczące jakości energii elektrycznej oraz dynamiczna zmienność obciążeń w zakładach przemysłowych czynią kompensację mocy biernej kluczową z perspektywy technicznej i ekonomicznej. W obliczu wzrastających kosztów energii biernej oraz konieczności spełnienia rygorystycznych norm, coraz większą rolę odgrywają nowoczesne rozwiązania, takie jak statyczne generatory mocy biernej (SVG) o prądzie znamionowym 150 A i 200 A. Dzięki zaawansowanym parametrom, możliwościom rozbudowy i dynamicznej...
dr inż. Andrzej Książkiewicz - Astat Sp. z o.o. Stabilizacja napięcia w układach zasilania obiektów krytycznych – rozwiązania MSR i MST
Wahania napięcia w sieciach elektrycznych to powszechny problem, który może prowadzić do awarii urządzeń czy przerw w produkcji. Według normy PN-EN 50160, dopuszczalne odchylenia napięcia to ±10%, jednak...
Wahania napięcia w sieciach elektrycznych to powszechny problem, który może prowadzić do awarii urządzeń czy przerw w produkcji. Według normy PN-EN 50160, dopuszczalne odchylenia napięcia to ±10%, jednak wiele urządzeń przemysłowych wymaga znacznie wyższej stabilności.
StreszczenieJednym z najważniejszych układów elektrycznych silników spalinowych o zapłonie iskrowym jest układ zapłonowy odpowiedzialny za doprowadzenie do wyładowania iskrowego między elektrodami świecy zapłonowej pod wpływem wysokiego napięcia i za zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej. Wartość chwilowa tego napięcia jest niebezpieczna dla człowieka, ponieważ może osiągnąć poziom kilkunastu lub kilkudziesięciu kilowoltów. Celem artykułu jest analiza przyczyn mogących prowadzić do porażenia prądem elektrycznym, głównie podczas prowadzonych prac serwisowych silników spalinowych o zapłonie iskrowym. Zaproponowano i opisano również sposoby postępowania i zasady mające na celu ograniczenie ryzyka porażenia prądem podczas badań i diagnostyki układów zapłonowych.AbstractSome problems of electric shock prevention in automotive ignition circuits investigation and diagnosticsIgnition circuit is one of the most important electrical circuits of a spark - ignition combustion engine. It is responsible for high – voltage electric discharge between spark plug electrodes to burn air – fuel mixture. Instantaneous value of the high voltage is dangerous because it may reach several dozen kilovolts. The aim of the paper is the electrocution danger evaluation, mainly at combustion engines’ service. Some tips to reduce risk of electrical shock during investigation and diagnostic procedures are proposed and discussed. |
Opisany w części drugiej problem zagrożenia porażeniem elektrycznym przy obciążeniu cewki świecami zapłonowymi przedstawia się nieco inaczej niż w sytuacji, gdy między zaciskiem uzwojenia wtórnego cewki a świecą zapłonową pojawia się przerwa. Układ zapłonowy funkcjonujący w tych warunkach określany będzie umownie jako nieobciążony. Na początku warto przyjrzeć się przebiegowi wysokiego napięcia przy znaczącym (przynajmniej rzędu dziesiątek kiloomów) wzroście rezystancji w obwodzie wtórnym cewki zapłonowej. Na rysunku 1. przedstawiono oscylogram napięcia roboczego świecy po zwiększeniu oporu poprzez poszerzenie jej odstępu międzyelektrodowego.
Zaobserwowano zwiększenie maksymalnej chwilowej wartości napięcia w fazie pojemnościowej przy jednoczesnym zwiększeniu początkowej wartości napięcia fazy indukcyjnej i nieznacznym skróceniu czasu jej trwania. Wyniki podobnego eksperymentu, przeprowadzonego ze świecą o jeszcze większym odstępie międzyelektrodowym, wskazują na pojawianie się dalszego wzrostu napięcia koniecznego do przebicia przestrzeni międzyelektrodowej przy zwiększaniu szerokości szczeliny. Ten wzrost napięcia przebicia możliwy jest pod warunkiem zgromadzenia przez cewkę zapasu energii wystarczającego do zainicjowania wyładowania. Cewka zapłonowa projektowana jest z myślą o sprostaniu wymaganiom wywołania zapłonu również w mniej sprzyjających warunkach (niska temperatura, zużycie lub usterki elementów układu zapłonowego itp.). W ogólnym przypadku wpływ wymienionych wyżej czynników na wartość napięcia Ub, konieczną do przebicia przestrzeni międzyelektrodowej świecy, wyrazić można za pomocą wzoru Paschena:
Wzór 1
gdzie:
k – stała zależna od kształtu elektrod i właściwości materiałów, z których zostały wykonane,
d – szerokość szczeliny międzyelektrodowej,
p – ciśnienie w komorze spalania,
T – temperatura.
Jeżeli cewka zapłonowa pracuje bez obciążenia, cały prąd rażenia płynie przez ciało operatora. Skutki porażenia będą więc bardziej odczuwalne. Tego rodzaju zdarzenie może mieć miejsce w czasie próby zdjęcia przewodu zapłonowego przy pracującym silniku (rys. 2.).
Warto zauważyć, że operator dokonujący takiej próby chwyta za izolowaną końcówkę przewodu zapłonowego. Izolacja przewodu wysokiego napięcia ma opór uzależniony od jego budowy, rodzaju materiału, a także w mniejszym stopniu od wartości chwilowej napięcia po stronie wtórnej. Opór ten powinien być na tyle duży, by nie dopuścić do porażenia w przypadku użytkowania układu zapłonowego obciążonego. Rezystancja izolacji jest jednak ściśle powiązana ze stanem technicznym przewodu. Jeżeli doszło do przebicia izolacji lub przepływu prądu po zanieczyszczonej powierzchni, również dla cewki obciążonej, przewód zapłonowy staje się częścią przewodzącą dostępną. Na rysunku 3. przedstawiono schemat zastępczy ilustrujący analizowany przypadek porażenia, odpowiadający rysunkowi 2.
Po zdjęciu końcówki przewodu ze świecy, między ciałem człowieka, stanowiącym względnie dobry przewodnik, a częścią przewodzącą przewodu zapłonowego pojawia się rezystancja izolacji Ri, mająca istotny wpływ na wartość chwilową napięcia dotykowego. Ze względu na silny wzrost napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego cewki, typowa izolacja przewodu zapłonowego, będącego nawet w dobrym stanie technicznym, najczęściej nie jest w stanie uchronić przed porażeniem w tej sytuacji. Płynący przez ciało człowieka prąd rażenia zależy oczywiście również od innych czynników – rezystancji naskórka, powierzchni kontaktu, siły nacisku, oporu i pojemności podłoża, ogumienia oraz obuwia (impedancja zastępcza Zz), miejsca kontaktu z przewodzącą częścią pojazdu itp. Czynność zdejmowania przewodu ze świecy bywa często praktykowana podczas prób identyfikacji cylindra, w którym stale lub okresowo nie dochodzi do zapłonu. Decydując się na tę metodę, odłączenia przewodu wysokiego napięcia należy dokonać bezwzględnie po wcześniejszym unieruchomieniu silnika. Zdjęcie przewodu ze świecy przy pracującym silniku nie daje gwarancji jego zatrzymania. Silnik, a wraz z nim cały układ zapłonowy, może bowiem kontynuować pracę nawet w przypadku braku zapłonu w jednym z cylindrów. Do porażenia może dojść również wtedy, gdy wcześniej odłączone zostanie zasilanie aparatury wtryskowej w celu zapobieżenia uruchomieniu silnika. Układ zapłonowy będzie bowiem działał także podczas pracy rozrusznika. Warto dodać, że przewód wysokiego napięcia zdjęty ze świecy, ale połączony z cewką zapłonową, przy pracującym bądź uruchamianym silniku stanowi w dalszym ciągu potencjalne zagrożenie ze względu na działający układ zapłonowy generujący impulsy wysokonapięciowe. Jeżeli czynności diagnostyczne wymagają zdjęcia przewodu wysokiego napięcia ze świecy danego cylindra, dobrym rozwiązaniem pozwalającym ograniczyć ryzyko porażenia jest podłączenie jego zacisku do dodatkowej świecy zapłonowej, umieszczonej poza wewnętrzną przestrzenią cylindra, której zewnętrzna elektroda połączona zostanie z masą. Dobre połączenie elektrody zewnętrznej z masą jest konieczne ze względu na konieczność zapewnienia bezpieczeństwa. Brak kontaktu świecy z masą czyni układ praktycznie nieobciążonym. Niedopuszczalne jest trzymanie w ręku dodatkowej świecy podłączonej jednym końcem do uzwojenia wtórnego cewki zapłonowej przy pracującym bądź uruchamianym silniku. Analizę porażenia ze strony nieobciążonego układu zapłonowego można rozszerzyć na przypadek kontaktu operatora z masą, podobnie jak w kwestii układu obciążonego opisanego w poprzedniej części artykułu. Pewnym zmianom ulegnie wtedy struktura schematu zastępczego ilustrującego drogę prądu rażenia przez ciało człowieka.
Skutki porażeń ze strony układów zapłonowych i ochrona przeciwporażeniowa
Jednym z głównych celów stawianych konstruktorom układów zapłonowych jest zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom pojazdu oraz aparaturze elektronicznej stanowiącej jego wyposażenie. Dla pracownika serwisu mającego bezpośrednią styczność z różnego typu układami zapłonowymi, nie zawsze będącymi w dobrym stanie technicznym, problem zagrożenia porażeniem wygląda jednak zupełnie inaczej niż z punktu widzenia zwykłego kierowcy. Nowoczesne układy zapłonowe, pomimo prawidłowej budowy, wysokiej niezawodności i stale udoskonalanej konstrukcji, w dalszym ciągu wymagają okresowej kontroli a niejednokrotnie również diagnostyki i napraw. Usterki układu zapłonowego, ujawniające się często w postaci wypadania zapłonów, mają bowiem bezpośredni wpływ na pracę silnika. Ze względu na możliwość uszkodzenia jednostki napędowej, katalizatora i innych układów elektronicznych pojazdu, jak również na spadek mocy i wzrost zużycia paliwa, uszkodzenia, szczególnie w obrębie obwodu wysokiego napięcia, powinny być możliwie szybko identyfikowane i usuwane.
Układ zapłonowy nie stwarza zagrożenia porażeniem przy braku zasilania, dlatego bezpieczna wymiana podzespołów wchodzących w jego skład nie stanowi problemu. Jednak niektóre czynności z zakresu diagnostyki, kontroli i regulacji muszą być wykonywane przy pracującym silniku. Oznacza to potencjalną możliwość kontaktu człowieka z elementami znajdującymi się pod napięciem. Jest to szczególnie istotne w przypadku samochodów starszych i nieregularnie serwisowanych, których stan techniczny układu zapłonowego bywa niezadowalający. Prace kontrolne i naprawcze przeważnie prowadzone są przez pracowników serwisów niemających kwalifikacji w zakresie obsługi, eksploatacji, pomiarów, montażu czy napraw urządzeń elektrycznych pracujących pod napięciem powyżej 1 kV, do których zaliczają się również podzespoły wchodzące w skład układu zapłonowego pojazdu. Ponadto nie wszyscy serwisanci mają świadomość zagrożeń płynących ze strony niesprawnego bądź niewłaściwie obsługiwanego układu zapłonowego. Pojawia się więc problem szerszej oceny stanu wiedzy na ten temat, głównie z myślą o poprawie bezpieczeństwa pracowników dokonujących czynności naprawczych w pojazdach.
Jak ogólnie wiadomo, rozmiar skutków porażeń prądem elektrycznym zależy od następujących czynników: natężenia i gęstości prądu, czasu trwania porażenia, rodzaju prądu (zmienny, stały) i drogi, jaką przebywa prąd rażenia. Warunki środowiskowe mają istotny wpływ nie tylko na uznanie danej wartości napięcia za bezpieczną, lecz również na opór ciała człowieka, od którego zależy natężenie prądu rażenia. Biorąc pod uwagę stan pomieszczeń, w których dokonywane są naprawy pojazdów, trzeba pamiętać o z reguły wyższej wilgotności niż w obiektach mieszkalnych, jak również o obecności różnego rodzaju substancji (paliwa, płyny eksploatacyjne itp.) mogących mieć wpływ na wartość impedancji ciała. Skłania to do przyjęcia w tej sytuacji szczególnej klasy warunków środowiskowych.
Analizując problem porażenia elektrycznego ze strony układu zapłonowego pojazdu można określić prąd rażenia jako impulsowy (natężenie zmienne w czasie), o stałym kierunku przepływu. Należy więc rozpatrywać niekorzystne działanie prądu na organizm uwzględniając zjawiska towarzyszące porażeniu zarówno prądem zmiennym, jak i stałym. Impedancja ciała ludzkiego dla prądu przemiennego, uzależniona od budowy fizycznej, składu chemicznego tkanki oraz szeregu czynników środowiskowych, ma charakter nieliniowy, zależny od wartości przyłożonego napięcia i jego częstotliwości. Bliższe szczegóły na ten temat zawiera dokument [5]. W przeciwieństwie do porażenia prądem przemiennym, szczególnie odczuwalny dla człowieka jest moment kontaktu z częścią pod zbyt wysokim napięciem stałym bądź chwila włączenia i wyłączenia. Uwaga ta dotyczy układów zapłonowych. Ponadto przepływ prądu stałego przez tkankę jest przyczyną zjawisk elektrochemicznych związanych głównie z elektrolizą. Wywołuje on ruch jonów i zmiany w polaryzacji błon komórkowych. Skutkiem tego jest zróżnicowanie pobudliwości mięśni [6].
Kolejną ważną kwestią jest droga, jaką popłynie prąd elektryczny pod wpływem napięcia dotykowego. W publikacji [4] zwrócono uwagę na różnicę w oddziaływaniu prądu stałego na organizm ludzki ze względu na drogę prądu rażenia i kierunek jego przepływu. Wyróżniane są dwa podstawowe kierunki przepływu prądu. Prąd rażenia wzdłużny wstępujący, płynący pod wpływem napięcia dotykowego na drodze stopa spolaryzowana dodatnio – ręka spolaryzowana przeciwnie oraz prąd zstępujący, płynący przy odwrotnej polaryzacji wymienionych kończyn. W przypadku wielu samochodowych układów zapłonowych, działających w systemie tzw. jednoprzewodowej instalacji elektrycznej pojazdu, napięcie na zacisku elektrody środkowej świecy ma najczęściej potencjał ujemny względem punktu masy połączonego z metalowymi elementami nadwozia. Część pojazdów wyposażona jest w układ zapłonowy bezrozdzielaczowy z podwójną cewką, dzięki której otrzymywane są zarówno impulsy ujemne, jak i dodatnie względem masy. Tak więc elektrody środkowe dwóch świec mających elektrodę zewnętrzną na potencjale masy pojazdu, podłączonych do tego samego uzwojenia wtórnego cewki, otrzymywać będą impulsy o zbliżonej amplitudzie, lecz o przeciwnej polaryzacji. Możliwy jest więc wtedy przepływ zarówno prądu wstępującego, jak i zstępującego, w zależności od przewodu, z którym miał kontakt operator. W publikacjach z zakresu ochrony przeciwporażeniowej i medycyny ratunkowej jako stwarzający większe zagrożenie podano kierunek wzdłużny wstępujący [4], natomiast za najbardziej niekorzystną uznaje się drogę prądu rażenia w obwodzie ręka – ręka [2].
W przypadku układów zapłonowych energia wyładowania nie jest duża (rzędu dziesiątych części dżula), dlatego trudno wskazać znaczące zagrożenia wynikające z oddziaływania cieplnego na organizm człowieka. Wiadomo, że wyładowanie między częścią czynną dostępną a powierzchnią kończyny jest wyraźnie odczuwalne mogąc wywołać uczucie bólu, jak również doprowadzić do uszkodzenia niewielkiego fragmentu naskórka. Znacznie większe niebezpieczeństwo związane jest natomiast z następstwami potencjalnych zagrożeń wybuchowych i pożarowych, którym sprzyja obecność niepożądanych wyładowań w bliskim sąsiedztwie paliw i innych płynów eksploatacyjnych (np. elektrolitów).
Porażenie prądem układu zapłonowego może oddziaływać również w sposób pośredni powodując reakcję obronną człowieka (np. odruchowa próba ucieczki, odrzucenia przewodu lub narzędzia, które niespodziewanie znalazło się pod napięciem), stwarzając przez to niebezpieczeństwo mechanicznego uszkodzenia ciała [1]. Wchodzi w grę bowiem bliskie sąsiedztwo szeregu elementów wirujących, nierzadko połączonych ze sobą za pomocą pasków klinowych lub zębatych oraz wysoka temperatura niektórych elementów silnika.
Jako środki ochrony przeciwporażeniowej podstawowej w układach zapłonowych wykorzystuje się głównie izolację części przewodzących oraz umiejscowienie elementów pod napięciem poza zasięgiem człowieka (pokrywy z materiału izolacyjnego, obudowy, indywidualne cewki zapłonowe o budowie kompaktowej itp.). Dla zapewnienia wyższego poziomu bezpieczeństwa podczas prac serwisowych można również wykorzystać rękawice robocze, izolowane narzędzia i dodatkową izolację podłoża.
Wnioski
W treści artykułu przedstawiono wybrane problemy zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym ze strony układów zapłonowych stosowanych w pojazdach. Zilustrowano na przykładach zdarzenia mogące być konsekwencją nieostrożnego bądź nieumiejętnego obchodzenia się z podzespołami układów zapłonowych przy uruchamianym bądź pracującym silniku. Wskazano bezpośrednie i pośrednie konsekwencje porażenia prądem płynącym pod wpływem wysokiego napięcia pojawiającego się okresowo w obwodzie wtórnym cewki zapłonowej. Pominięto natomiast kwestię występowania niebezpiecznego napięcia po stronie uzwojenia pierwotnego cewki oraz wpływ pola elektromagnetycznego układu zapłonowego na bezpieczeństwo pracy osób zajmujących się naprawą pojazdów. Część uwagi poświęcono kilku możliwym wariantom przebiegu drogi prądu rażenia. W artykule opisano kilka przypadków przepływu prądu między częściami przewodzącymi dostępnymi układu zapłonowego i ciałem człowieka z uwzględnieniem zróżnicowanego oporu na drodze prądu rażenia. Dalsza i bardziej szczegółowa analiza wymagałaby rozpatrzenia innych możliwych wariantów przebiegu drogi prądu rażenia, łącznie z wyznaczeniem współczynników transformacji, podobnie jak w publikacji [3].
Podstawowe zasady dotyczące bezpieczeństwa prac związanych z układami zapłonowymi można streścić w formie następujących punktów:
- nie należy dotykać przewodów zapłonowych w czasie pracy silnika;
- podczas prowadzenia pomiarów wymagających galwanicznego połączenia z elementami obwodu zapłonowego korzystać ze specjalnie przeznaczonych do tego celu narzędzi o odpowiedniej klasie izolacji;
- nie konserwować końcówek przewodów wysokiego napięcia ani zacisków świec zapłonowych za pomocą płynów lub past przewodzących;
- osoby z rozrusznikiem serca nie powinny prowadzić prac przy układach zapłonowych;
- unikać prób działania układu zapłonowego na zasadzie wymuszania wyładowań między końcówkami przewodów zapłonowych zdjętych ze świec i masą;
- nie umieszczać układów pracujących pod niskim napięciem w bliskim sąsiedztwie przewodów zapłonowych;
- przewody zapłonowe układać w taki sposób, by ograniczyć do minimum kontakt ich zewnętrznego płaszcza izolacyjnego z masą;
- dbać o właściwy stan techniczny podzespołów układu zapłonowego dokonując zgodnej z zaleceniami producenta okresowej wymiany wyeksploatowanych części, pomimo braku widocznych oznak ich zużycia.
Warto zauważyć, że problem ochrony przeciwporażeniowej dotyczy również innych urządzeń, których działanie związane jest ze spalaniem benzyny – na przykład silników zaburtowych łodzi, pił łańcuchowych oraz kos i kosiarek spalinowych, wyposażonych przeważnie w iskrownikowy układ zapłonowy. Maszyny te często wykorzystywane są w warunkach środowiskowych sprzyjających występowaniu zagrożenia porażeniem (wysoka temperatura, wilgoć, zapylenie itp.).
Literatura
- J. Cadick i inni, Electrical Safety Handbook, McGraw – Hill, 2006.
- J. Ciećkiewicz, Medycyna ratunkowa. Porażenie prądem elektrycznym. Wydawnictwo Medycyna Praktyczna, Kraków 2008.
- S. Gierlotka, Badania impedancji ciała człowieka, „elektro.info” 3/2012, s. 80–82.
- S. Gierlotka, Skutki rażenia prądem stałym, „Bezpieczeństwo Pracy”, 9/2006, s. 30–32.
- IEC TS 60479-1 Effects of current on human beings and livestock. Part 1: General aspects, 2005.
- T. Mika, Fizykoterapia, PZWL, Warszawa 1996.
