Mezi důsledky vzniku obloukového zkratového proudu (formy přeměněné energie z energie elektrické při vzniku elektrického oblouku) patří: 1.) vyzářené teplo, 2.) rázová vlna a částice, které jsou uvolněny a šířeny při explozi elektrického oblouku, 3.) vysoká intenzita elektromagnetického záření, 4.) hluk, 5.) tavení vodičů a kovových částí v blízkosti nebo v prostředí elektrického oblouku. Které důsledky obloukového zkratového proudu se skutečně projeví a do jaké míry pak závisí na velikosti energie elektrického oblouku W_LB. Parametr známý jako dopadající energie E definuje míru tepelných účinků elektrického oblouku na jednotku plochy. Jednotkou dopadající energie je J/cm².

Úspěšná zkouška OOPP z hlediska jejich odolnosti vůči působení elektrického oblouku určuje maximální úroveň dopadající energie E po kterou jsou tyto OOPP odolné vůči působení elektrického oblouku. OOPP jsou zkoušeny v souladu se zkušebními podmínkami uvedenými v normách IEC 61482-1-2 (Box test) nebo IEC 61482-1-1 (Open Arc test).

Při výběru OOPP zkoušených dle IEC 61482-1-2 (Box test) je nutné provést výpočet v souladu postupem uvedeným v technické zprávě BGI/GUV-I 5188 E. Přičemž pro správný výběr OOPP v takovém případě platí, že  W_LB ≤ W_LBa, kde W_LBa je ekvivalentní oblouková energie, která je funkcí činitele přenosu (definuje šíření vyzářeného tepla z elektrické oblouku v prostoru), pracovní vzdálenosti a zkušební úrovně pro jednotlivé třídy OOPP dle IEC 61482-1-2 (Třída 1 (W_LB=158 kJ) resp. 2 (W_LB=318 kJ) viz tabulka č. 1).

Zkoušky OOPP dle normy IEC 61482-1-1 (Open Arc test) vedou k určení maximální hodnoty dopadající energie (Arc Thermal Performance Value (ATPV) / Breakopen Threshold Energy (Ebt50)) vůči, které jsou dané OOPP odolné. Dopadající energie (ATPV) je v souladu s normou IEC 61482-1-1 (Open Arc test) určena dle statistické metodologie na základě které existuje 50% pravděpodobnost, že pod odpovídajícími OOPP dojde ke vzniku popálenin 2. stupně od elektrického oblouku.

Známá hodnota dopadající energie E_i(IEEE) vypočtená na základě standardu IEEE1584TM-2002 je pak použita pro výběr odpovídajících OOPP jejichž hodnota ATPV musí být rovná, nebo vyšší než hodnota vypočtené (předpokládané) dopadající energie tj. E_i(IEEE) ≤ ATPV.

Mezi energií elektrického oblouku W_LB a dopadající energií E_i neexistuje lineární vztah. Relace mezi těmito dvěma proměnnými je známa pouze pro zkušební úrovně jednotlivých tříd OOPP dle IEC 61482-1-2 tak jak je uvedeno v tabulce č. 1.

V této souvislosti je důležité upozornit, že hodnoty dopadající energie uvedené v tabulce č. 1 nejsou v souladu s hodnotami dopadající energie (ATPV) určenými zkouškami v souladu s IEC 61482-1-1 nebo výpočtem dle IEEE1584^TM-2002. Podrobnější rozbor výše uvedené problematiky včetně popisu obou výše uvedených metod výpočtu a diskuze jejich rozdílů je uvedeno v [1].

Tabulka 1 - Porovnání obloukové a dopadající energie, zdroj [1].

Podle normy ČSN EN 50110-1 ed. 3 (Obsluha a práce na elektrických zařízení), 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“. Nadto ostatní pracující osoby jako například operátoři mohou být také v dosahu nebezpečí od elektrického oblouku. Tato skutečnost by tak měla být také zahrnuta do hodnocení rizik. Jakým způsobem se, ale vyhodnocení rizik má provést, však již norma nestanoví.

Na základě výše uvedených skutečností jsme tak odvodili čtyř krokový model posouzení rizika rozváděče z hlediska vzniku popálení od elektrického oblouku viz obr. č. 1. Posouzení rizika rozváděče z hlediska vzniku popálení od elektrického oblouku vždy začíná definováním maximálního přijatelného rizika a dále pokračuje logickým a strukturovaným přístupem k interpretaci výsledků navrhující různé strategie omezení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku.

Obrázek 1 - Posouzení rizika rozváděče z hlediska vzniku popálení od elektrického oblouku dle FMECA, zdroj [1] a vlastní úprava

Krok 1 - Identifikace rizik

Zahrnuje na jedné straně definici akceptovatelných úrovní rizika a na straně druhé stanovení základních provozních podmínek daného elektrického zařízení. Z hlediska práce na elektrickém zařízení tak rozlišujeme režim údržby (zkoušení (napětí, proud), odstraňování krytů, práce v blízkosti živých částí, náhrada pojistek, výsuvy spínacích prvků atd.) a režim normální provoz (sběr informací, odečítání údajů z měřáků, řízení technologie, ovládání spínacích prvků atd.)

Pro každý z uvedených režimů práce pak musíme provést vlastní hodnocení rizika vzniku popálení od elektrického oblouku jehož výsledkem je vytvoření vlastní matice rizik pro každý režim práce s čímž je spojený i různý návrh ochranných opatření viz také níže. Dále je při stanovování základních provozních podmínek daného elektrického zařízení důležité, aby byly definovány všechny provozní stavy (scénáře) daného rozvodného systému viz [2] a [3].

Krok 2 - Řízení rizik

V případě rozváděčů bychom při řízení rizika měli zvážit dva faktory. V prvním případě je to otázka prevence vzniku elektrického oblouku tj. snížení pravděpodobnosti jeho vzniku (použití ochranných krytů, vnitřní separace, školení obsluhy atd.) ve druhém případě se pak jedná a omezení důsledků vzniku elektrického oblouku (nastavení ochranných zařízení, pasivní ochrana atd.).

Krok 3 - Arc Flash analýza

Pro pochopení toho co se opravdu stane v případě vzniku elektrického oblouku je nezbytné vypočítat řadu hodnot jako energii oblouku W_LB  nebo dopadající energii E_i(IEEE) tj. provést analýzu tepelných účinků oblouku (Arc Flash Hazard Analysis). Pravděpodobnost vzniku oblouku a vypočtená dopadající energie E_i(IEEE) definuje výsledné riziko daného elektrického zařízení z hlediska vzniku popálení od elektrického oblouku v matici rizik vytvořené samostatně pro jednotlivé režimy práce na elektrickém zařízení. Hodnota výsledného rizika v rozsahu hodnot od 1 do 4 pak představuje nízké riziko, v rozsahu hodnot od 5 do 9 pak představuje průměrné riziko, v rozsahu hodnot od 10 do 12 pak představuje vysoké riziko a v rozsahu hodnot od 15 do 25 pak představuje extrémní riziko.

Jako míra tepelného účinku elektrického oblouku byla v matici rizik použita dopadající energie E_i(IEEE) a to vzhledem k širšímu rozsahu výběru odpovídajících OOPP viz také níže. Pravděpodobnost vzniku elektrického oblouku je v případě rozváděče funkcí ochranných krytů, vnitřní separace atd. Rozdělení pracovních činností na elektrickém zařízení do dvou základních skupin (režimů) prací tj. údržba a normální provoz je nezbytné, neboť každý typ práce na elektrickém zařízení má jinou velikost podmíněné pravděpodobnosti vzniku oblouku vzhledem k danému typu práce P(oblouk (A) | typ práce na elektrickém zařízení (E)).

V rámci provedené analýzy jednotlivých prací na elektrickém zařízení jsme došli k závěru, že v rámci zjednodušení má smysl uvažovat pouze dvě výše uvedené skupiny (režimy) prací, které seskupují pracovní činnosti s obdobnou hodnotou P(A|E) přičemž každá skupina je vždy reprezentována pouze tou pracovní činností s nejvyšší hodnotou P(A|E). Příklad matice rizik viz obr. č. 2.

Obrázek 2 - Matice rizik, zdroj [1] a vlastní úprava.

Krok 4 - Interpretace výsledků

Obsahuje návrhy na omezení rizika popálení od elektrického oblouku případně volbu odpovídajících OOPP a tisk štítků.

Pro výpočet obloukové W_LB  a současně dopadající energie E_i(IEEE) byl vyvinut nástroj nazvaný ArcRISK kalkulátor. Tento nástroj je vhodný v případech posuzování rizika od obloukového zkratu na nízkonapěťových rozváděčích a to zejména v situacích , kdy předpokládaná oblouková a dopadající energie na tomto elektrickém zařízení není známa.

V této souvislosti je důležité poznamenat, že hodnoty obloukové W_LB  a dopadající energie E_i(IEEE) získané pomocí tohoto nástroje jsou pouze přibližné a rozhodně tak nenahrazují výsledky získané pomocí analýzy tepelných účinků oblouku (Arc Flash Hazard Analysis) na tomto zařízení provedené v rámci úplného posouzení rizika rozváděčů z hlediska vzniku popálení od elektrického oblouku v daném rozvodném systému. Základní uživatelské rozhraní programu ArcRISK kalkulátor ve verzi 0.5 je ukázáno na obr. č. 3.

Na levé straně je uvedeno zjednodušené jednopólové schéma pro nastavení parametrů zařízení nezbytných pro výpočet včetně volby typu napájení přičemž na pravé straně jsou dvě tabulky s výsledky. První záložka “Energy and PPE” (Energie a OOPP) obsahuje výsledky výpočtu a výběr odpovídajících OOPP.

Obrázek 3 - ArcRISK kalkulátor v0.7 s ukázkou výsledků výpočtu, zdroj [1] a vlastní úprava.

Druhá záložka “Risk“ (Riziko) pak obsahuje matici rizika ukázanou na obr .č. 3, kde může být určeno výsledné riziko daného elektrického zařízení z hlediska vzniku popálení od elektrického oblouku odhadem pravděpodobnosti vzniku oblouku. Odhad pravděpodobnosti vzniku oblouku je proveden uživatelem s přihlédnutím k uvedeným faktorům ovlivňujícím pravděpodobnost jeho vzniku viz výše.

Výpočet energie oblouku W_LB  resp. dopadající energie E_i(IEEE) bude proveden v souladu s technickou zprávou BGI/GUV-I 5188 E resp. standardem IEEE 1584^TM-2002 na příkladu uvedeném níže. Uvažujme tedy nízkonapěťový rozváděč o jmenovitém napětí U_n=400 V se vzdáleností přípojnic 25 mm napájený ze sítě o jmenovitém napětí U_n=22 kV, zkratovém výkonu S_k^”=500 MVA a poměru R/X=0,125 přes transformátor s jmenovitým výkonem S_n=1000 kVA, napěťovým poměrem 22/0,4, poměrným napětím nakrátko u_k=5% a poměrem R/X=0,125 přesně jak je to ukázano na obr. č. 3.

Transformátor je chráněn ochranným relé s tímto nastavením I>=144 A, tI>=0,3 s (časově nezávislá charakteristika), I>>=640 A, tI>>=0,04 s (časově nezávislá charakteristika). Jako hlavní nízkonapěťový jistič byl použit typický výkonový jistič s tímto nastavením LTPU=1445 A, STPU=6000 A, STD=0,08 s and INST=24453 A. Dále budeme uvažovat dva motory napájené z tohoto nízkonapěťového rozváděče. První motor má jmenovitý výkon S_m=100 kVA, jmenovité napětí U_n=400 V, poměr LRA/FLA=6, poměr R/X=0,1 a druhý motor má jmenovitý výkon S_m=60 kVA, jmenovité napětí U_n=400 V, poměr  LRA/FLA=6 a poměr R/X=0,1.

Ve výpočtu zanedbáváme impedance kabelů a předpokládáme pracovní vzdálenost a=455 mm. Výsledky výpočtu jsou uvedeny na obr. č. 3. „Line Side“ (strana sítě) znamená situaci, kdy místo výkonu práce na daném elektrickém zařízení je takové, že v případě vzniku poruchy nevypíná hlavní ochranné zařízení daného rozváděče, ale předřazené ochranné zařízení. Na druhé straně „Bus Side“ (strana přípojnic) představuje takovou situaci, kdy místo výkonu práce na daném elektrickém zařízení je takové, že v případě poruchy vypíná hlavní ochranné zařízení daného rozváděče je-li samozřejmě selektivní s nadřazeným ochranným zařízením.

Z výsledků vyplývá, že OOPP s odolností proti elektrickému oblouku podle třídy 2 nejsou pro práci na uvedeném nízkonapěťovém rozváděči vhodné. To znamená, že zde neexistují žádné OOPP zkoušené v souladu s IEC 61482-1-2 (Box test), které by mohli být v tomto případě použity. Naproti tomu z výsledků vypočtené dopadající energie E_i(IEEE) (v úvahu se vždy bere nejhorší možný stav) vyplývá, že zde existují odpovídající OOPP zkoušené v souladu s IEC 61482-1-1 (Open Arc test).

S ohledem na normu IEC 61482-1-1 je vhodné v této souvislosti zdůraznit viz také výše, že vzhledem ke způsobu určení hodnoty dopadající energie (ATPV) v souladu s normou IEC 61482-1-1 zde existuje 50% pravděpodobnost, že pod odpovídajícími OOPP dojde ke vzniku popálenin 2. stupně od elektrického oblouku. Příklad dále ukazuje, že dopadající energie E_i(IEEE) je vhodnou mírou tepelných účinků elektrického oblouku pro použití ve výše definované matici rizik viz obr. č. 2 a že oba uvedené způsoby výpočtu se vhodně doplňují.