Arc Flash analýza

Nový přístup k hodnocení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku v průmyslovém rozvodu (Arc Flash analýza).

Ing. Jan Pígl

Abstrakt

Současná doba vyžaduje neustálé zlepšování úrovně bezpečnosti (ochrany) pracovníků při práci a to ve všech oblastech lidské činnosti. Nejnovějším trendem v oblasti obsluhy a práce na elektrickém zařízení je hodnocení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku tzv. Arc Flash Hazard Analysis, která je již dnes na základě normy NFPA 70E-2012 závazná v USA a nově také díky normě NEN 3140 (založena na normě EN 50110-1) v Holandsku.

Cílem tohoto příspěvku je přiblížit problematiku hodnocení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku v průmyslových rozvodech na základě normy NFPA 70E-2012 (IEEE Standard 1584TM-2002) a dále na třech praktických příkladech ukázat proč je tato analýza důležitá.

ÚVOD

Termín Arc Flash definujeme jako fyzikální jev při kterém dochází k velmi rychlému uvolnění energie v důsledku vzniku obloukového zkratu mezi fázovými vodiči, mezi fází a středním vodičem a mezi fází a zemí. Mezi důsledky vzniku obloukového zkratu (formy přeměněné energie z energie elektrické při vzniku elektrického oblouku) patří 1.) vyzářené teplo, 2.) hluk, 3.) rozpínání okolního vzduchu vlivem oteplení a 4.) tavení vodičů a kovových částí v blízkosti oblouku. Výskyt obloukových zkratů je obecně omezen na elektrické rozvody o jmenovitém napětí větším než 120 V AC, nebo než 50 V DC. Riziko vzniku obloukového zkratu musí být uvažováno zejména v případech provádění práce na elektrickém zařízení v blízkosti živých částí, nebo ve styku s živými částmi (práce pod napětím, viz dále norma EN 50110-1).

Na základě praktických zkušeností je pravděpodobnost vzniku obloukového zkratu právě v těchto případech nejvyšší. Zkušenost ukazuje, že přestože se dnes při návrhu elektrických zařízení uplatňují všechny dostupné poznatky k úrazům popálením od elektrického oblouku (výskytu jevu Arc-Flash) neustále dochází.Rozsáhlý experimentální výzkum prováděný v této oblasti vedl k odvození vztahů pro určení velikosti rizika vzniku popálení od elektrického oblouku v případě vzniku obloukového zkratu. Uvedené vztahy byly publikovány v v normě NFPA 70E-2012 (IEEE Standard 1584TM--2002). Jak již bylo uvedeno norma NFPA 70E-2012 je závazná v USA a zabývá se obsluhou a prací na elektrických zařízeních. Tuto normu tak lze považovat za analogickou evropské resp. české normě EN 50 110-1,-2 resp. ČSN EN 50 110-1(ed. 2, 10/05),-2(12/03) (v případě českých norem je tento soubor ještě doplněn o technickou normalizační informaci TNI 34 3100:2005: 10/2005). Základem normy EN 50 110-1 je rozdělení pracovní činnosti (working) na tři základní typy prací: 1.) práce pod napětím (live working), 2.) práce na vypnutém zařízení (dead working), 3.) práce v blízkosti živých částí (working in the vicinity of live parts).

Norma EN 50 110-1 dále definuje tři základní typy zranění podle příčiny jeho vzniku. Norma uvádí, že zranění může být způsobeno (kap. č. 3 odst. 3.1.6): 1.) elektrickým proudem (dle normy ČSN 33 0050-826 je úraz elektrickým proudem definován jako patofyziologický účinek elektrického proudu procházejícího tělem člověka nebo zvířete) – Shock Hazard, 2.) popálením elektrickým obloukem – Arc Flash, 3.) ohněm nebo explozí způsobenou elektrickou energií při obsluze nebo práci na elektrickém zařízení. Pracovní postupy upravené normou EN 50 110-1 jsou navrženy tak, aby působili preventivně a úrazům elektrickým proudem (Shock Hazard) tak bylo předcházeno (práce na vypnutém zařízení (základní pracovní podmínka), používání prvků pasivní bezpečnosti: ochrana zábranou, přepážkou, krytem nebo izolovaným zakrytím). Tyto pracovní postupy snižují pravděpodobnost vzniku elektrického oblouku, ale nesnižují riziko vzniku popálení od oblouku. Norma NFPA 70E-2012, ale naproti tomu ve srovnání s normou EN 50 110 dále ještě vyžaduje analýzu rizika vzniku popálení od elektrického oblouku (Arc Flash).

Což známená, že před vykonáváním práce na elektrickém zařízení v blízkosti živých částí, nebo ve styku s živými částmi (práce pod napětím) musí být provedeny tyto kroky: 1.) je nezbytné kvantifikovat riziko popálení od elektrického oblouku v souladu s IEEE Standard 1584TM-2002 (provést analýzu Arc Flash (kvantifikuje pouze hustotu vyzářeného tepla (definice viz dále), neřeší ostatní důsledky oblouko­vého zkratu), 2.) za účelem omezení rizika musí být dále provedeno měření, 3.) pracovník musí být vybaven odpovídajícími osobními ochrannými pomůckami (personal protective equipment (PPE)) v případě, že riziko nemůže být omezeno jinými prostředky. Jak jsme již uvedli výše, kromě standardu NFPA 70E-2012 vyžaduje analýzu rizika vzniku popálení od elektrického oblouku ještě norma NEN 3140, která je založena na evropské normě EN50110-1 a která je v současné chvíli platná v Holandsku. Protože většina prací na elektrickém zařízení je vykonávána jako práce na vypnutém zařízení je hodnocení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku v Evropě v současné době podceňováno. Budoucí revize souboru norem EN 50110-1,-2 by již měla toto riziko detailněji specifikovat podobně jako je tomu již nyní ve výše uvedených normách.

Kvantifikace rizika vzniku popálení od elektrického oblouku prováděná v souladu se IEEE Standard 1584TM-2002

<p">IEEE Standard 1584TM-2002 uvádí dva základní modely pro výpočet plošné hustoty vyzářeného tepla z elektrického oblouku dopadajícího na ozářenou plochu (dále jen hustota vyzářeného tepla, odpovídající anglický termín je incident energy (IE)) za dobu trvání obloukového zkratového proudu resp. než dojde k jeho vypnutí přířazeným ochranným zařízením. Empiricky odvozený model (odvozen na základě statistické analýzy rozsáhlého souboru zkušebních dat) je platný pro 1.) jmenovitá napětí v rozsahu od 208 V do 15 kV, 2.) třífázový (symetrický) zkratový proud v rozsahu od 700 A do 106 kA a 3.) vzdálenost přípojnic v rozsahu od 13 mm do 153 mm. V případě, kdy jmenovité napětí je větší než 15 kV nebo vzdálenost přípojnic je větší než 153 mm poskytuje standard jiný model pro výpočet hustoty vyzářeného tepla a to teoretický model, který byl odvozen R. Lee v roce 1982 (často označován jako „Lee Model“). Tento model byl po dlouhá léta jediným modelem pro výpočet hustoty vyzářeného tepla a jeho hlavní nevýhodu je neexistence vztahu pro výpočet velikosti obloukového zkratového proudu, jehož velikost je velmi důležitá zejména v rozvodných systémech o jmenovitém napětí menším než 1000 V tj. v nízkonapěťových rozvodech.

Výše rizika vzniku popálení od elektrického oblouku je dána velikostí hustoty vyzářeného tepla za dobu trvání obloukového zkratu. Základní jednotkou je J/m2 z praktických důvodů se, ale používá jednotka J/cm2. Hustota vyzářeného tepla se vypočítá v dané pracovní vzdálenosti jejichž typické hodnoty pro každý jednotlivý typ zařízení jsou uvedeny ve standardu IEEE Standard 1584TM-2002 (podobně viz také ČSN EN 50 110-1 resp. TNI 34 3100:2005). Hustota vyzářeného tepla je nepřímo úměrná dané pracovní vzdálenosti a její zvýšení tak může být jedním z řešení jak snížit vysokou hodnotu rizika vzniku popálení od elektrického oblouku v daném místě. Ze vztahu  pro výpočet hustoty vyzářeného tepla vyplývá, že dvojnásobné zvýšení původní pracovní vzdálenosti způsobí příbližně čtyřnásobné snížení hustoty vyzářeného tepla. IEEE Standard 1584-2002 dále definuje termín arc flash boundary (bezpečná hranice) což je vzdálenost od elektrického oblouku, kde hustota vyzářeného tepla klesne na hodnotu 5 J/cm2. Jedná se o minimální pracovní vzdálenost, kde úroveň popálení v důsledku tepelného působení obloukového zkratového proudu nepřesáhne první popáleninový stupeň. Existuje řada faktorů ovlivňujících velikost hustoty vyzářeného tepla. Mezi dva základní faktory patří 1.) třífázový zkratový proud a 2.) nastavení vypínací charakteristiky ochranného zařízení. Z výše uvedeného pak vyplývá požadavek na obsah studie rizik vzniku úrazu popálením od obloukového zkratového proudu (pro zjednodušení dále jen Arc Flash studie(analýza)).

Obr.č. 1. Zdroj: [4] a vlastní úprava.

Arc Flash studie  tedy vyžaduje uplnou analýzu 1.) zkratových proudů a 2.) nastavení a selektivity ochranných zařízení daného rozvodného systému. Cílem analýzy je určit velikost hustoty vyzářeného tepla potencionálně přítomného v daném místě rozvodného systému v případě vzniku obloukového zkratu. Jak již bylo uvedeno výše  hustota vyzářeného tepla je funkcí výpočteného třífázového zkratového proudu, vypínacího času ochranného zařízení a dalších fyzických parametrů rozvodného systému v daném místě jako je například typ rozvaděče, vzdálenost jeho přípojnic atd.Při výpočtu hustoty vyzářeného tepla pomocí teoreticky odvozeného modelu (Lee Model) je velikost hustoty vyzářeného tepla přímo funkcí třífázového zkratového proudu. V případě empirického modelu je pak tato funkcí obloukového zkratového proudu, který je funkcí třífázového zkratového proudu (Ik“), jmenovitého napětí (Un) a fyzických parametrů (FP) rozvodného systému v místě, pro které je velikost obloukového zkratového proudu zjišťována. Obloukový zkratový proud je vždy menší než třífázový zkratový proud. Což vyplývá z konečné impedance oblouku. Přehledně je tento vztah Ia=f(Ik“,Un,FP) pro dvojici jmenovitých napětí 400 V a 10 kV znázorněn v grafu na obr. č. 1. Z tohoto grafu dále vyplývá, že obloukový zkratový proud je výrazně menší v porovnání s třífázovým zkratovým proudem v případě kdy Un=400 V. Tento závěr můžeme zobecnit i na ostatní rozvodné systémy nízkého napětí. V grafu na obr. č. 2 je znázorněna typická vypínací charakteristika vzduchového jističe a dále pět různých úrovní obloukového zkratového proudu označených po řadě Ia1 až Ia5. Pro každé místo, kde se předpokládá obsluha nebo práce na elektrickém zařízení, rozvodného systému je vypočteno několik velikostí obloukových zkratových proudů jejichž počet je dán počtem různých provozních stavů (tzv. scénáře) daného rozvodného systému v daném místě. Rozptyl velikostí obloukových zkratových proudů, tak jak je tomu v případě na obr. č. 2, není pro dané místo, ve kterém velikosti Ia zjišťujeme, v praktických aplikacích tak velký. Hodnoty Ia, které jsou uvedeny v grafu na obr. č. 2, jsou voleny volně a pouze pro lepší pochopení výkladu. Přímky konstantní hustoty vyzářeného tepla jsou v grafu na obr. č. 2 znázorněny červeně (dle [3] se tyto přímky označují také jako C-Line). Tyto přímky si lze představit jako konečnou řadu uspořádaných dvojic hodnot Ia, tvyp(vypínací čas ochranného zařízení) pro které je hustota vyzářeného tepla konstantní. Zvolené hodnoty hustot vyzářeného tepla a jim přiřazené kategorie rizika odpovídají referenčním hladinám hustot vyzářeného tepla pro použití odpovídajících osobních ochranný pomůcek dle standardu NFPA 70E-2012. Přímka reprezentující konstantní hustotu vyzářeného tepla o velikosti 5 J/cm2 představuje horní hranici pro použití osobních ochranných pomůcek třídy 0. Naproti tomu přímka reprezentující konstantní hustotu vyzářeného tepla o velikosti 167,4 J/cm2 představuje horní hranici pro použití osobních ochranných pomůcek třídy 4. V případech, kdy vypočtená hustota vyzářeného tepla je větší než 167,4 J/cm2 standard NFPA 70E-2012 již žádné další ochranné pomůcky nedefinuje. Horní hranicí pro kterou jsou ještě osobní ochranné pomůcky standardem NFPA 70E-2012 definovány je tak hustota vyzářeného tepla rovná 167,4 J/cm2Tab. č.1 uvádí vypočtenou hustotu vyzářeného tepla pro jednotlivé obloukové zkratové proudy Ia1 až Ia5 uvedené v grafu na obr. č. 2. Z výše uvedené tab. č. 1 vyplývá, že v případě hledání obloukového zkratového proudu reprezentujícího nejhorší možný stav tj. případ, kdy vypočtená hustota vyzářeného tepla je největší v porovnání s ostatními vypočtenými hustotami vyzářeného tepla, závisí jeho určení na typu dané části vypínací charakteristiky, kde dané obloukové zkratové proudy právě porovnáváme. V oblastech, kde vypínací charakteristika jističe je časově nezávislá, odpovídá maximálnímu obloukovému zkratovému proudu nejvyšší hustota vyzářeného tepla tj. v daném případě se jedná o nejhorší možný stav (viz proudy Ia3 a Ia4 v tab. č. 1 a na obr. č. 2). Naproti tomu v oblastech, kde vypínací charakteristika jističe je časové závislá například typu I2t nebo I4t, odpovídá menšímu obloukovému zkratovému proudu delší vypínací čas což vede k větší hodnotě hustoty vyzářeného tepla (viz proudy Ia1 a Ia2 tab. č. 1 a na obr. č. 2). Budeme-li nyní místo jističe uvažovat pojistku pak podél celé její vypínací charakteristiky bude platit, že menší obloukový zkratový proud vede k vyšší hustotě vyzářeného tepla viz také [3]. Cílem analýzy Arc Flash je nalezení nejvyšší hodnoty hustoty vyzářeného tepla pro dané místo rozvodného systému, které je předmětem analýzy Arc Flash. Jinými slovy jde o určení hlavních provozních stavů daného rozvodného systému a výpočet hustoty vyzářeného tepla v daném místě pro každý z těchto provozních stavů (a to včetně např. změny velikosti příspěvku ke zkratovému proudu od sítě). Následným porovnáním vypočtených hustot vyzářeného tepla pro dané místo získáme nejhorší možný provozní stav (worst case scenario). Na základě vypočtené hustoty vyzářeného tepla pro nejhorší možný scenář se pak určí osobní ochranné pracovní pomůcky pro dané místo rozvodného systému.

Obr.č. 2. Zdroj: [4]. 

Zdroje vyššího rizika vzniku popálení od elektrického oblouku v průmyslovém rozvodném systému.

V rámci této části se zaměříme na diskusi týkající se příčin vyššího rizika vzniku popálení od elektrického oblouku tj. vyšší potencinálně přítomné hustoty vyzářeného tepla. Ve všech níže uvedených případech budeme předpokládat, nebude-li explicitně uvedeno jinak, že příspěvek od sítě k třífázovému zkratovému proudu a poměrné napětí nakrátko transformátoru (uk) jsou voleny v souladu se standardem IEC 60076-5:2006, dále budeme předpokládáme, že příspěvek k jednofázovému zkratovému proudu od sítě je roven 0 MVA a podélná rázová reaktance generátoru X“d je rovná 15%. Ostatní vstupní hodnoty, které jsou předpokládány, jsou uvedeny ve schématech na obr. č. 3 a 4. V normálním provozním stavu jsou oba vzduchové jističe CB-F1, CB-F2 o In=800 A (pro parametry nastavení obou jističů platí, že LTPU/LTD (nadproudová spoušť (Ir) / zpoždění (tr)) je rovno 0,8x/2s, STPU/STD (zpožděná zkratová spoušť (I>) / zpoždění spouště I> (tsd)) je rovno 6x/0,2s a INST (nezpožděná zkratová spoušť (I>>)) je vypnuto) sepnuty a vzduchový jistič CB-G o In=1600 A je vypnut. Při výpočtu hustoty vyzářeného tepla dále předpokládáme, že veškeré práce se konají na elektrických zařízeních připojených za přiřazeným jističem tzn., že do této pracovní oblasti nezasahují žádná zařízení připojená za předřazený jistič (před přiřazený jistič). V případě, že by tomu tak nebylo, předpokládáme, že tato zařízení v dané pracovní oblasti jsou oddě­lena např. krytem odolnému proti účinkům elektrickému oblouku.

Vyšší hodnota STPU, delší vypínací časy

Na obr. č. 3 je znázorněno zjednodušené jednopólové schéma (model) průmyslového rozvodu. Parametry nastavení vypínacích charakteristik ochranných zařízení nastavené na maximální hodnoty vedou k vyššímu riziku vzniku popálení od elektrického oblouku tj. k vyšší potencionálně přítomné hustotě vyzářeného tepla. Tak jak to  vyplývá z tvaru vypínací charakteristiky vzduchového jističe CB-F1 (CB-F2) znázorněné na obr. č. 4, kde parametr STPU byl zvýšen z původní hodnoty 6x (vypínací charakteristika označená CB-F1-6x) na hodnotu 10x (vypínací charakteristika označená CB-F1-10x), která odpovídá typické maximální hodnotě parametru STPU u vzduchových jističů.

V tab. č. 2 jsou uvedeny vypočtené velikosti hustot vyzářeného tepla pro obě nastavení jističe CB-F1(CB-F2). V případě, kdy parametr STPU je nastaven na hodnotu 10x, došlo k výraznému zvýšení doby do vypnutí obloukového zkratu tj. zvýšil se vypínací čas jističe což vedlo přibližně k čtyřnásobnému zvýšení hustoty vyzářeného tepla. Z tab. č. 2 dále vyplývá, že v případě vypnutí  INST u vzduchového jističe (CB-F1(CB-F2)) je nastavení parametru STPU/STD rozhodující ve výpočtu velikosti hustoty vyzářeného tepla.

 

In=800 A

STPU 6x

In=800 A

STPU 10x

ACB LT

0,8x/2s

0,8x/2s

ACB ST

6x/0,2s

10x/0,2s

I“k(kA)

27,01

27,01

Ia(kA)

12,99 (100%)

11,04 (85%)

t(s)

0,21

0,968

E(J/cm2)

39

150

Tab. č. 2. Zdroj: Vlastní výpočty.

Obr. č. 3. Zdroj: Vlastní návrh.
Obr. č. 4. Zdroj: Vlastní návrh.

Jeden transformátor o výkonu 800 kVA nebo dva menší paralelně zapojené 400kVA transformátory

 

Místo paralelního zapojení dvojice transformátorů TR1, TR2 (viz schéma na obr. č. 3) budeme nyní uvažovat pouze jeden transformátor TR1-1 (viz schéma na obr. č. 4). Dále budeme uvažovat pouze jeden vzduchový jistič CB-F1-1 o In=1600 A přičemž pro jeho parametry nastavení bude platit, že LTPU/LTD je rovno 0,8x/2s, STPU/STD je rovno 6x/0,2s a INST je vypnuto. Vypínací charakteristika vzduchového jističe CB-F1-1 je znázorněna také v grafu na obr. č. 4. V tab č. 3 jsou uvedeny vypočtené hustoty vyzářeného tepla pro různé typy transformátorů. Z uvedené tab. č. 3 vyplývá, že hustota vyzářeného tepla je menší v případě použití jednoho transformátoru o výkonu 800 kVA než v případě dvou paralelně zapojených transformátorů o výkonu 400 kVA.

Tento závěr je, ale například v rozporu se závěry plynoucími z hodnot zjištěných z katalogu jednoho z předních dodavatelů distribučních transformátorů na český trh. Vypočtená hustota vyzářeného tepla pro zjištěné katalogové hodnoty poměrného napětí nakrátko je také uvedena v tab. č. 3 v části označené „olejový transformátor“ (uk zjištěné pro olejové transformátory) a „suchý transformátor“ (uk zjištěné pro suché transformátory) . V tomto případě, kdy jsme za poměrné napětí nakrátko volili hodnotu z katalogu, pro dosažení nižší hodnoty vyzářeného tepla je vhodné volit větší počet transformátorů o menším výkonu než jeden velký transformátor (pozor v žádném případě to nemusí platit obecně). Z tab. č. 3 dále vyplývá, že hustota vyzářeného tepla v případě paralelního zapojení dvojice olejových transformátorů je nepatrně vyšší než je tomu v případě transformátorů suchých.

 

 

2x400 kVA

(uk=4 %)

CB-F1

(CB-F2)

In=800 A

800 kVA

(uk=5 %)

CB-F1-1

In=1600 A

2x400 kVA

(uk=4 %)

CB-F1

(CB-F2)

In=800 A

800 kVA

(uk=6 %)

CB-F1-1

In=1600 A

2x400 kVA

(uk=6 %)

CB-F1

(CB-F2)

In=800 A

800 kVA

(uk=6 %)

CB-F1-1

In=1600 A

 

IEC

Olejový transformátor

Suchý transformátor

ACB LT

0,8x/2s

0,8x/2s

0,8x/2s

0,8x/2s

0,8x/2s

0,8x/2s

ACB ST

6x/0,2s

6x/0,2s

6x/0,2s

6x/0,2s

6x/0,2s

6x/0,2s

Ibf(kA)

27,01

21,4

27,01

18,06

18,40

18,06

Ia(kA)

12,99

(100%)

10,76

(83%)

12,99

(100%)

7,97

(61%)

9,52

(100%)

7,97

(84%)

t(s)

0,21

0,21

0,21

1,857

0,21

1,857

E(J/cm2)

39

32

39

202

28

202

Tab. č. 3. Zdroj: Vlastní výpočty.

Před samotným rozhodnutím o způsobu napájení průmyslového rozvodu je, ale třeba vždy provést analýzu Arc Flash, aby případná změna v návrhu rozvodného systému vedla skutečně ke snížení hustoty vyzářeného tepla a ne naopak k jejímu zvýšení viz tab. č. 3. Výše uvedené závěry z tab. č. 3 totiž nelze generalizovat jak již bylo uvedeno výše. Důležité je závěrem také upozornit, že hodnoty poměrného napětí nakrátko volené v souladu se standardem IEC 60076-5:2006 jsou v uvedeném standardu definovány jako minimální za účelem výpočtu zkratových proudů. V tomto případě, kdy jsme za poměrné napětí nakrátko volili hodnotu z katalogu, byla hustota vyzářeného tepla pro dva paralelně zapojené transformátory menší než pro jeden velký transformátor. Z tab. č. 3 dále vyplývá, že hustota vyzářeného tepla v případě paralelního zapojení dvojice olejových transformátoru je nepatrně vyšší než je tomu v případě transformátorů suchých. Před samotným  rozhodnutím o způsobu napájení průmyslového rozvodu je proto třeba vždy nalézt rovnováhu mezi požadavkem z hlediska omezení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku a ekonomickými a provozními požadavky na daný rozvodný systém.

Záložní napájení pomocí generátoru

Nyní budeme pro zapojení uvedené na obr. č. 3 předpokládat nouzový provozní stav tj. situaci kdy při výpadku napájení ze sítě generátor G běží a vzduchové jističe CB-F1, CB-F2 jsou rozepnuty a vzduchový jistič CB-G (pro parametry nastavení tohoto jističe platí, že LTPU/LTD je rovno 0,8x/2s, STPU/STD je rovno 2x/0,2s a INST je vypnuto) je sepnut. Vypínací charakteristika vzduchového jističe CB-G je uvedena na obr. č. 3. Záložní generátory jsou zpravidla dimenzovány pouze na část výpočtového zatížení Pv daného rozvodného systému a to jednak z ekonomických důvodů, ale také proto, že ne všechna elektrická zařízení (zátěže) zapojené do rozvodného systému musí být zálohovaná. Dále impedance typického generátoru může být několikrát větší než impedance zapojení sítě a transformátoru.

Z výše uvedeného tak vyplývá, že v případě výpadku nápájení je přípojnice RH1 napájena pomocí záložního generátoru, vzhledem k nižší celkové impedanci náhradního obvodu pro výpočet zkratových proudů dochází ke změně zkratových poměrů v daném rozvodném systému a tím i ke změně rizika vzniku popálení od elektrického oblouku. Vypočtené hustoty vyzářeného tepla jsou pro oba provozní stavy (scenáře) uvedeny v tab. č. 4. Z tab. č. 4 vyplývá, že v nouzovém provozním stavu je hustota vyzářeného tepla menší než v normálním provozním stavu (nejhorší možný scenář – worst case scenario). V nouzovém provozním stavu je tedy riziko vzniku popálení od elektrického oblouku nižší než je tomu v případě normálního provozního stavu a to přesto, že došlo k výraznému snížení velikosti vypočteného obloukového zkratového proudu. Tato skutečnost je způsobena tím, že hodnota parametru STPU u vzduchové jističe CB-G je třikrát menší než u vzduchového jističe CB-F1(CB-F2) a to způsobí, že obloukový zkratový proud je vypínán ve stejné části vypínací charakteristiky (konkrétně v části STPU/STD) jako je tomu u vzduchového jističe CB-F1(CB-F2) přičemž nastavení parametru STD je u obou vzduchových jističů identické. 

V této souvislosti je, ale třeba upozornit na skutečnost, že v řadě praktických aplikací tohoto typu při nouzovém provozním stavu dochází naopak ke zvýšení hustoty vyzářeného tepla což může být dáno jednak vysokou hodnotou parametru STPU nebo použitím jističů neumožňující vysokou variabilitu v nastavování jejich vypínací charakteristiky. V každém případě i nyní bychom měli provést analýzu Arc-Flash, abychom se přesvěčili jaký dopad bude mít změna zkratových poměrů v daném rozvodném systému na bezpečnost. Ve [4] je např. dále diskutován vliv jmenovité hodnoty pojistky a vliv existence sekundární ochrany transformátoru na velikost hustoty vyzářené energie resp. riziko vzniku popálení od elektrického proudu.

 

CB-F1(CB-F2)

In=800 A

CB-G

In=800 A

ACB LT

0,8x/2s

0,8x/2s

ACB ST

6x/0,2s

2x/0,2s

I“k(kA)

27,01

3,84

Ia(kA)

12,99(100%)

2,68(35%)

t(s)

0,21

0,21

E(J/cm2)

39

7


Tab. č. 4. Zdroj: Vlastní výpočty.

Závěr

Analýza rizik vzniku popálení od elektrického oblouku (ArcFlash analýza) představuje nový způsob řízení rizika v oblasti obsluhy a práce na elektrickém zařízení. Zde popsána metoda definována ve IEEE Standard 1584TM-2002 umožňuje určit velikost hustoty vyzářeného tepla potencionálně přítomného v daném místě rozvodného systému v případě vzniku obloukového zkratu. Tato metoda tedy kvantifikuje riziko vzniku popálení od elektrického oblouku.

Cílem analýzy Arc Flash je určení hustot vyzářeného tepla v jednotlivých částech daného rozvodného systému, kde se předpokládá obsluha a práce na elektrickém zařízení, a přiřazení odpovídajících osobních ochranných pomůcek definovaných normou NFPA 70E-2021. Riziko vzniku popálení od elektrického oblouku musí být uvažováno zejména při práci na elektrickém zařízení v blízkosti živých částí, nebo ve styku s živými částmi (práce pod napětím). V těchto případech by analýza Arc Flash měla být vždy provedena.

Literatura:

[1] Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces, NFPA 70E, 2009

[2] IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations, IEEE Std 1584-2002

[3] TINSLEY III, H. W., HODDER, M.: A Practicable Approach to Arc Flash Hazard Analysis and Reduction

[4] PÍGL, J.: Hodnocení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku v průmyslovém rozvodu. ELEKTRO 8-9, Praha 2014

Zpět do obchodu
cg mastercard visa