Termín Arc Flash označuje fyzikální jev, při kterém dochází k velmi rychlému uvolnění energie v důsledku vzniku obloukového zkratu mezi fázovými vodiči, konkrétněji mezi fází a středním vodičem a mezi fází a zemí. Při obloukovém zkratu dochází k přeměně elektrické energie na energii tepelnou, tlakovou a akustickou se všemi souvisejícími projevy. Výskyt obloukových zkratů je obecně omezen na elektrické rozvody o jmenovitém napětí vyšším než 120 V AC nebo 50 V DC. Znamená to tedy, že k němu může docházet i při běžných provozních situacích na pracovištích s instalovaným elektrickým rozvaděčem. Jak potvrzují statistiky německé BGETF Köln [1], účinky jevu Arc-Flash (tj. elektrického oblouku) jsou nejčastěji zasaženi kvalifikovaní elektrikáři (až 67 % zraněných), když pracují na elektrických zařízeních v blízkosti živých částí nebo ve styku s živými částmi. Zde také nastává nejvíce zranění, z nichž některá mohou končit až smrtí [2]. Příčinou této neblahé statistiky je nejčastěji podcenění rizika. Ze strany zaměstnavatele jde však o hrubé porušení právních předpisů, neboť nedostatečně vyhodnotil existující riziko a nepřijal adekvátní opatření pro ochranu zdraví zaměstnanců.

Přestože se v současnosti při návrhu elektrických zařízení uplatňují všechny dostupné poznatky a nové materiály, zkušenosti z praxe ukazují, že k úrazům popálením v důsledku jevu Arc-Flash stále dochází. Paradoxně je to způsobeno právě tím, že jsou používány stále dokonalejší zařízení, v jejichž „stoprocentní“ ochrannou funkci pracovníci spoléhají. Je potřeba si ale uvědomit, že sebelepší zařízení nemůže vznik obloukového zkratu zcela vyloučit, nýbrž může zajistit pouze určitý stupeň ochrany. Důsledkem takovéto slepé důvěry v ochrannou funkci zavedeného technického opatření je, že u velké části elektrikářů vzniká pocit sebeuspokojení, což se v praxi projevuje tím, že podlehnou dojmu, že se jim „nemůže nic stát“. Při vlastní práci pak postupně přestanou být náležitě opatrní. Pak již stačí udělat pouze jeden chybný pohyb a vznikne elektrický oblouk se všemi svými důsledky.

Z výše uvedeného je zřejmé, že takové okolnosti vyvolávají vznik tzv. nového rizika – v tomto případě v podobě popálení. Podle EU-OSHA [3] je novým a nově vznikajícím rizikem (New and Emerging Risk) takové riziko, které je vyvoláno novými pracovními situacemi nebo používanými materiály, jehož trend je vzrůstající a které přináší z hlediska ochrany života a zdraví pro pracovníky i zaměstnavatele nové výzvy vyžadující implementaci politických, administrativních a technických přístupů umožňující dosažení požadované (vysoké) úrovně BOZP. Obvykle se má za to, že takové riziko:

• dříve neexistovalo, neboť je způsobeno novými procesy, novými technologiemi, novými typy pracovišť, anebo sociálními či organizačními změnami nebo
• představuje dlouhodobý problém v podobě negativního jevu vznikajícího v důsledku změn v sociálním nebo společenském vnímání (např. stres, šikana) či změn chování a postojů pracovníků (podceňování rizik) nebo
• bylo nově rozpoznáno až na základě nejnovějších vědeckých poznatků.

Zvyšujícím se trendem je pak míněno, že:

• počet nebezpečí (nebezpečných vlastností) vedoucích k danému riziku narůstá, nebo
• pravděpodobnost vystavení pracovníků nebezpečím vedoucím k danému riziku se zvyšuje (narůstá úroveň expozice anebo počet exponovaných osob), nebo
• účinky nebezpečí na zdraví pracovníků se neustále zhoršují anebo narůstá počet zasažených (postižených) osob.

EU-OSHA právem považuje tato rizika za společensky velmi významná, neboť jejich důsledky jsou vážnější, než se všeobecně soudí. Ostatně z tohoto důvodu i Evropská unie ve svých strategických dokumentech [4] uvádí, že je naprosto „nezbytné nové a nově vznikající rizika předjímat a dostat je pod kontrolu“. To ovšem vyžaduje především 1) neustálý sběr dat na pracovištích prostřednictvím cíleného pozorování a 2) systematické shromažďování nejnovějších vědeckých poznatků, jež umožní tato rizika odhalovat. S tím souvisí také metodologie zpracování takto získaných informací, respektive vyhodnocení rizika.

Obr. 1 : Časový průběh teploty a tlaku při jevu ArcFlash [1].

Pokud jde o elektrická rizika, pak ty jsou obvykle vnímána jako běžné, standardní a známé. Ovšem to z nich často činí rizika opomíjená, podceňovaná nebo zcela přehlížená. Přitom devastující účinky elektrického proudu jsou neoddiskutovatelné a kontakt člověka s ním nelze v praxi zcela vyloučit ani při použití všech dostupných opatření. Vždy bude totiž existovat určitá skupina osob (elektrikáři), kteří budou nuceni pracovat na elektrických zařízeních pod napětím. Tito lidé jsou také nejzranitelnější skupinou, která může být zasažena ArcFlash.

• vzdálenosti pracovníka od místa zkratu,
• teplotě plazmatu vznikajícího zkratovým obloukem (až 20 tisíc °C), 
• době, po kterou Arc-Flash na zasaženou osobu působí (obvykle ne déle jak 100 ms).

Obr. 2 : Plazmové kanály při ArcFlash [5].

• vznik plazmových kanálů, jiskření nebo sršení (viz obrázek 2),
• emise světelného záření (viz obrázek 3),
• emise radiačního tepla, které může způsobit popálení lidí, sežehnutí nebo vznícení hořlavých předmětů nacházejících se v bezprostřední blízkosti zdroje,
• rozlet fragmentů, tj. trosek krytů, izolací, vodičů apod.,
• emise par a aerosolových částic vznikajících v důsledku tavení kovových vodičů a izolačních materiálů (viz obrázek 3),
• tlaková vlna schopná odmrštit člověka (viz obrázek 4),
• zvukové projevy v podobě třesku nebo praskání (může dosahovat až 140 dB) a
• v extrémním případě i vznik ohňové koule [16] (viz obrázek 5).

Podle nové české technické normy ČSN EN 50110-1 ed.3 [9], která je účinná od 1.6.2015, musí být před zahájením jakékoli činnosti na elektrickém zařízení provedeno posouzení elektrického rizika (viz článek 4.1). Na jeho základě pak musí být stanoveno, jakým způsobem budou tyto činnosti vykonávány a jaká bezpečnostní opatření musí být provedena, aby byla zajištěna bezpečnost obsluhy. Podobně hovoří také článek B.6.3 v informativní příloze B: „V případě, že pracoviště je v blízkosti elektrického zařízení nebo pod živými částmi, má být provedeno vyhodnocení a posouzení (elektrického) rizika“. Jakým způsobem se ale vyhodnocení rizik má provést, však již norma nestanoví.

Obr. 4 : Rozlet fragmentů a emise kouře při ArcFlash [7].

Norma nicméně definuje tři základní typy zranění podle příčiny jeho vzniku. V článku 3.1.6 uvádí, že zranění může být způsobeno:

• elektrickým proudem (tj. patofyziologické účinky elektrického proudu procházejícího tělem člověka),
• popálením elektrickým obloukem (tj. účinky Arc-Flash),
• ohněm nebo explozí způsobenou elektrickou energií při obsluze elektrického zařízení nebo při práci na něm.

Z hlediska možných následků na lidské zdraví je riziko popálení elektrickým obloukem jedno z nejzávažnějších. V praxi se ale poměrně složitě vyhodnocuje, což ve spojení se skutečností, že se v Evropě většina prací na elektrických zařízeních vykonává v jejich vypnutém stavu, vede k jeho opomíjení/přehlížení [10].

Na základě rozsáhlého experimentálního výzkumu provedeného v USA ovšem byly odvozeny vztahy pro určení teploty uvnitř plazmového kanálu elektrického oblouku, což je základním předpokladem pro hodnocení tohoto elektrického rizika. Uvedené vztahy byly publikovány v normě NFPA 70E-2015 [11] (IEEE Standard 1584TM-2002 [12]), která je v USA závazným standardem. V Evropské unii pro tuto normu neexistuje analogická EN norma; v obecné rovině otázky prevence elektrických rizik řeší v ČR „dobíhající“ ČSN EN 50110-1 ed.2 [13] a ČSN EN 50110-2 [14]. Dle ČSN EN 50110-1 ed.2 se pracovní činnosti na elektrickém zařízení rozdělují do tří základních typů prací:

• práce pod napětím (live working),
• práce na vypnutém zařízení (dead working),
• práce v blízkosti živých částí (working in the vicinity of live parts).

Obr. 5 : Ohňová koule při ArcFlash [8].

Norma ČSN EN 50110-1 ed.2 upravuje také pracovní postupy, které jsou ale popsány velmi stručně a z hlediska BOZP nedostatečně. Jejich základní premisou je předcházení úrazům elektrickým proudem tak, že práce bude prováděna kvalifikovanými osobami, pouze na vypnutém zařízení a při použití prvků pasivní bezpečnosti (tj. ochrana zábranou, přepážkou, krytem nebo izolovaným zakrytím). Aplikace těchto požadavků do praxe sice může snížit pravděpodobnost vzniku elektrického oblouku, ale rozhodně nesníží riziko popálení obsluhy, neboť závažnost poškození zdraví při zasažení člověka elektrickým obloukem je příliš vysoká. Na tento aspekt se ale naproti tomu zaměřuje již zmíněná americká norma NFPA 70E-2015. Ta totiž oproti „evropskému přístupu“ vyžaduje provedení těchto kroků:

• kvantifikovat riziko popálení od elektrického oblouku v souladu s IEEE Standard 1584TM-2002 a provést Arc-Flash analýzu,
• provedení potřebných měření a navržení opatření pro omezení důsledků existujícího rizika,
• navržení vhodných osobních ochranných pracovních prostředků případně dalšího vybavení pracovníka v případě, že riziko nelze omezit jinými prostředky.

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) za dobu trvání obloukového zkratového proudu, tj. do okamžiku než je vypnut přiřazeným ochranným zařízením. Empiricky odvozený model (odvozen na základě statistické analýzy rozsáhlého souboru zkušebních dat) je platný pro:

• jmenovitá napětí v rozsahu od 208 V do 15 kV,
• třífázový (symetrický) zkratový proud v rozsahu od 700 A do 106 kA,
• vzdálenost přípojnic v rozsahu od 13 do 153 mm.

Je-li jmenovité napětí vyšší než 15 kV nebo vzdálenost přípojnic je větší než 153 mm, poskytuje norma jiný model pro výpočet hustoty vyzářeného tepla, a to teoretický model, který byl odvozen R. Leem v roce 1982 (často označován jako Lee Model) [10]. Tento model byl po dlouhá léta jediným modelem pro výpočet hustoty vyzářeného tepla a jeho hlavní nevýhodou je neexistence vztahu pro výpočet velikosti obloukového zkratového proudu, jehož velikost je velmi důležitá zejména v rozvodných systémech o jmenovitém napětí nižším než 1 kV, tj. v nízkonapěťových rozvodech.

Závažnost rizika popálení od elektrického oblouku je dána velikostí hustoty vyzářeného tepla za dobu trvání obloukového zkratu. Hustota vyzářeného tepla se vypočítá v daných pracovních vzdálenostech, jejichž typické hodnoty jsou pro každý jednotlivý typ zařízení uvedeny v IEEE Standard 1584TM-2002. Hustota vyzářeného tepla klesá s kvadrátem vzdálenosti od zdroje záření, z čehož plyne, že i v tomto případě (podobně jako v radiační ochraně) funguje ochrana vzdáleností. Její zvětšení tak může být jedním z řešení, jak snížit příliš velké riziko vzniku popálení od elektrického oblouku. IEEE Standard 1584-2002 dále definuje termín „bezpečná hranice“ (arc-flash boundary), což je vzdálenost od elektrického oblouku, kde hustota vyzářeného tepla dosáhne maximální hodnoty 5 J/cm2. Je totiž potvrzeno, že při této hodnotě může u nechráněné kůže docházet nejhůře ke vzniku popálenin prvního stupně.

Existuje mnoho faktorů ovlivňujících velikost hustoty vyzářeného tepla. Dvěma základními faktory jsou třífázový zkratový proud a nastavení vypínací charakteristiky ochranného zařízení [15]. Z uvedeného vyplývá požadavek na obsah analýzy rizik vzniku úrazu popálením od obloukového zkratového proudu (viz Arc-Flash analýza). Arc-Flash analýza vyžaduje úplný výpočet zkratových poměrů a nastavení ochranných zařízení daného rozvodného systému. Účelem analýzy je určit velikost hustoty vyzářeného tepla potenciálně přítomného v daném místě rozvodného systému při vzniku obloukového zkratu. Hustota vyzářeného tepla je tak funkcí vypočteného třífázového zkratového proudu, vypínací doby ochranného zařízení a dalších fyzických parametrů rozvodného systému v daném místě, jako je např. typ rozvaděče, vzdálenost jeho přípojnic atd. [15]. Cílem Arc-Flash analýzy je určení hlavních provozních stavů daného rozvodného systému a výpočet hustoty vyzářeného tepla pro každý z těchto provozních stavů a v místě, kde lze předpokládat výskyt obsluhy. Následným porovnáním vypočítaných hustot vyzářeného tepla pro dané místo se získá nejhorší možný scénář, na základě kterého lze následně navrhnout vhodné osobní ochranné pracovní prostředky s odpovídající třídou ochrany [10].

[1] Graumann L. Arc fault protection system ARCON®. Eaton Corporation. 2012.

[2] Understanding “Arc Flash” [online]. 2011. Dostupný z WWW: <https://www.osha.gov/dte/grant_materials/fy07/sh-16615-07/arc_flash_handout.pdf>

[3] González E.R., Cockburn W., Irastorza X. ESENER - European Survey of Enterprises on New and Emerging Risks: Managing safety and health at work,    European Risk Observatory Report. European Agency for Safety and Health at Work. 2010. ISBN 978-92-9191-327-5.

[4] Strategie Společenství pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci na období 2002–2006.

[5] http://www.windemuller.us/local/upload/content/generalcontent/209/arc-flash.jpg

[6] http://ecom.training.dupont.com/IMAGE/PRODUCTIMAGE/US/ELE016-XXX-ENG.JPG

[7] http://i.ytimg.com/vi/P8QHKGc4dt0/maxresdefault.jpg1

[8] https://www.osha.gov/dts/maritime/sltc/ships/shipboard_electrical/images/pgd8_fig1.jpg

[9] ČSN EN 50110-1 ed. 3: Obsluha a práce na elektrických zařízeních - Část 1: Obecné požadavky. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní      zkušebnictví, 2015. 44 s.

[10] Pígl, J.: Hodnocení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku v průmyslovém rozvodu. ELEKTRO, č. 8-9, 2013, pp. 56-60. ISSN 1210-0889.

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

[12] IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations. IEEE Std.1584-2002.

[13] ČSN EN 50110-1 ed. 2: Obsluha a práce na elektrických zařízeních - Část 1: Obecné požadavky. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní    zkušebnictví, 2005. 36 s.

[14] ČSN EN 50110-2 ed. 2: Obsluha a práce na elektrických zařízeních - Část 2: Národní dodatky. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví,        2011. 28 s.

[15] Tinsley H.W., Hodder M.: A Practical Approach to Arc Flash Hazard Analysis and Reduction. [online]. 2006. Dostupný z WWW: <http://www.eaton.com/ecm/idcplg?IdcService=GET_FILE&dID=287136>

[16] Short T.A. Electric Power Distribution Handbook. 2nd.ed. CRC Press. 2014. ISBN 9781466598652.