Dużym zagrożeniem przy pracach pod napięciem jest zwarcie łukowe (ang. arc fault). Łuk elektryczny (ang. electric arc) to przedłużone wyładowanie spowodowane przebiciem powietrza pomiędzy dwoma punktami o dużej różnicy potencjałów, różnej fazie lub jednym z nich i ziemią. Klasycznym przykładem przebicia jest piorun, czy, w mniejszej skali, iskra przeskakująca czasem przy wkładaniu wtyczki do gniazdka. Jeżeli żródło napięcia będzie nadal podtrzymywać różnicę potencjałów to może powstać łuk elektryczny. Przepływ prądu przez normalnie nieprzewodzące powietrze wytwarza plazmę, która może emitować widzialne światło. Zjawisko to, w warunkach kontrolowanych, jest stosowane np. do spawania metodą MIG/MAG czy TIG, w których wysoka temperatura towarzysząca łukowi rozpuszcza materiał i spoiwo. Gorzej jeśli dojdzie do niekontrolowanego przebicia w instalacji elektrycznej, mówimy wtedy o zwarciu łukowym (ang. arc fault), przy którym dochodzi do wybuchu (ang. arc flash) o olbrzymiej energii, któremu towarzyszy huk, promienie UV i rozpryski ciekłego metalu. Temperatura potrafi osiągnąć nawet 19000°C, czyli znacznie więcej niż szacowana temperatura powierzhni słońca – 5500°C. Do tego dochodzi jeszcze fala uderzeniowa (ang. arc blast), która potrafi przewrócić dorosłego człowieka, a natężenie dźwięku o wysokości 140dB może spowodować trwałe uszkodzenia słuchu.

Łuk elektryczny może się pojawiać nie tylko w przypadku zwarcia, ale również przy wyłączaniu lub rozłączaniu obwodów elektrycznych pod obciążeniem czego klasycznym przykładem jest wymiana bezpieczników. Dodatkowo, należy pamiętać, że w przypadku systemów wysokiego napięcia wystarczy niezachowanie odpowiedniego dystansu od elementów pod napięciem. W tym artykule zajmiemy się normami odporności środków ochrony indywidualnej na energię cieplną.

Krzywa Stoll

Wszystkie aktualne testy odporności na łuk elektryczny odnoszą się do tzw. krzywej Stoll. Często spotykanym zapisem w naszej literaturze jest „krzywa Stolla”, ale jest to zapis błędny, gdyż Alice Stoll była kobietą. W latach 50 XX wieku prowadziła ona badania odporoności skóry na poparzenia, z których wynika, że energia o wartości ok. 1,2 cal/cm2 (porównywalna do płomienia zapalniczki) przyłożona przez jedną sekudnę do skóry zaczyna generować poparzenia drugiego stopnia, czyli obejmujące nie tylko naskórek, ale i pewną część grubości skóry właściwej. Krzywa Stoll obrazuje ilość energi na danym obszarze, w danym czasie, wymaganą do wystąpienia poparzenia drugiego stopnia.

Normy odporności

Stworzono szereg testów dla odzieży, w których bada się jaką część energii łuku są one w stanie zatrzymać. Wszystkie opierają się na zastosowaniu czujników energii umieszczonych na panelu bądź manekinie zakrytym badanem materiałem. W kolejnych próbach bada się przy jakiej energii łuku przekroczona została krzywa Stoll na czujnikach. Norm jest kilka i ze względu na coraz powszechniejsze używanie urządzeń elektrycznych rozwinęły się one bardzo w ostatnich latach. Najważniejsze to:

• ASTM (American Society for Testing and Materials) F1506 – norma badania materiału, definiuje m.in test F1959, w którym bada się zachowanie materiału przy rzeczywistym wybuchu otwartego łuku i przez 2s po nim. Łuk wytworzony jest przez elektrody oddalone od siebie o 30cm przy prądzie 8kA. Wynik może być wyrażony jako:
  • ATPV - Arc Thermal Performance Value - przy jakiej energii wypadku istnieje 50% szans, że zostanie przekroczona krzywa Stoll. Mimo, że 50% brzmi groźnie, należy pamiętać, że chodzi o minimalną wartość energii, przy której zaczyna się tworzyć poparzenie drugiego stopnia, a także, że w rzeczywistości skóra jest w stanie przyjąć większą energię, w krótkim uderzeniu. Do tego dochodzą też przerwy powietrzne między skórą a tkaniną, które zwykle są niezerowe, a potrawią zwiększyć ochronę o 1 do 4 cal/cm2.
  • EBT (Energy Breakopen Threshold) - raportowana jest wartość energii, przy której materiał rozpada się, jeżeli następuje to zanim dojdzie do oparzenia.
  • należy przyjmować mniejszą z wartości EBT i ATPV
  • HAF (Heat Attenuation Factor) - bada procent energii jaka jest blokowana przez materał (izolacja cieplna), przy jej krótkim wyrzucie (mniej niż 1s)
  • na koniec gotowa odzież może być przebadana na manekinie podczas ASTM F2621 (kaptury - ASTM F2178)
• IEC 61482-1-1 to europejska norma definiujące niemal identyczne badanie jak F1959, ale oprócz ATPV i EBT może też raportować wynik w ELIM - obliczane podobnie jak ATPV, ale podana jest średnia energia z trzech najwyższych prób dla których nie doszło do przekroczenia krzywej Stoll, czyli zwykle powinien być to niższy, bezpieczniejszy wynik.
• IEC 61482-1-2 to badanie typu Box test, w którym łuk wytwarzany jest przez elektrody oddalone od siebie o 3 cm i otoczone z trzech stron ściankami kierującymi energię na panel. Odnosi się ono tylko do systemów niskiego napięcia, w których panują zbliżone warunki, czyli np. skrzynki i szafy serwisowe gdzie potencjalny łuk może być skierowany od przodu pracownika na wysokości jego klatki piersiowej. W takich warunkach energia cieplna jest zwykle powiększona przez odbicia od ścian. Aby przejść test, ubranie lub materiał musi w czterech kolejnych testach nie dopuścić do przekroczenia krzywej Stoll przez 0,5 sekundy, nie stopić, nie rozedrzeć się i nie płonąć dłużej niż 5 sekund. Testy są prowadzone w dwóch klasach dla różnych natężeń prądu:
  • klasa 1 – 4kA - 135 kJ/m2 (~3,2 cal/cm2)
  • klasa 2 – 7kA - 423 kJ/m2 (~10,1 cal/cm2)

Powyższe normy odnoszą się do odzieży. Dla hełmów i osłon twarzy są inne opisane w naszym artykule o hełmach elektroizolacyjnych.

Energia wypadku podawana jest w cal/cm2 - 1 cal/cm2 podnosi temperaturę 1g wody o 1 stopień Celsiusza. Energia z wybuchu elektrycznego łatwiej przenika do głebokich warstw skóry niż zwykłe oparzenie termiczne, bo bardzo silnie podgrzewa całą wodę w tkankach powodując oprzenia wysokiego stopnia. Dlatego też przy oparzeniach elektrycznych, nawet tych wyglądających na łagodne, wymagana jest kosultacja lekarska.

Dobór ŚOI

Aby prawidłowo dobrać środki ochrony indywidualnej dla danego środowiska pracy ważne jest oszacowanie energii wypadku jaka może pojawić się w przypadku wystąpienia łuku elektrycznego i oznaczenie używanych urządzeń tą wartością podaną w cal/cm2. Wytyczne do ustalenia tej energii podaje standard IEEE 1584 opracowany przez Institute of Electrical and Electronics Engineers.

Najprostszą i zarazem najpewniejszą metodą doboru ŚOI jest porównanie wartości ATPV/ELIM ochronnika z energią zagrożenia. Często spotkamy jednak oznaczanie stref zagrożeń wg standardu NPFA 70E. Amerykańska National Fire Protection Agency zdefiniowała w nim podział na cztery kategorie ryzyka zagrożenia (ang. HRC - Hazard Risk Category). W 2018 roku zostały one przemianowane na PPE Cat 1-4 i aktualnie definiują następujące wymagania:

• PPE Cat 1 (dawniej HRC1)
  • Odzież z długimi rękawami i nogawkami o odporności min. 4 cal/cm2
  • hełm z przyłbicą łukoochronną
  • grube rękawice skórzane
• PPE Cat 2 (dawniej HRC2)
  • Odzież z długimi rękawami i nogawkami o odporności min. 8 cal/cm2
  • hełm z przyłbicą łukoochronną i kominiarką
  • grube rękawice skórzane
• PPE Cat 3 (dawniej HRC3)
  • Odzież z długimi rękawami i nogawkami o odporności min. 25 cal/cm2
  • kaptur ochronny o odporności min. 25 cal/cm2
  • rękawice elektroizolacyjne + skórzane lub rękawice łukoochronne o odporności min. 25 cal/cm2
• PPE Cat 4 (dawniej HRC4)
  • Odzież z długimi rękawami i nogawkami o odporności min. 40 cal/cm2
  • kaptur ochronny o odporności min. 40 cal/cm2
  • rękawice elektroizolacyjne + skórzane lub rękawice łukoochronne o odporności min. 40 cal/cm2

We wszystkich powyższych kategoriach, a nawet przy zagrożeniu mniejszym niż 1,2 cal/cm2 należy pamiętać o stosowaniu:

• bielizny i innych elementów odzieżowych z materiałów nietopliwych (np. 100% bawetłny)
• obuwia skórzanego
• okularów lub gogli ochronnych
• wkładek przeciwhałasowych

Można się spotkać z opiniami, że w przypadku stosowania kilku warstw odzieży ich wartości ATPV/ELIM sumują się. W wielu przypadkach jest to prawda, a jako dodatkowa ochrona działa przestrzeń powietrzna między warstwami. Należy jednak być ostrożnym w przypadku stosowania odzieży od różnych producentów i z różnych materiałów, bo materiały różnie się zachowują w różnych połączeniach. Realną wartość ATPV/ELIM można poznać tylko testując wszystkie warstwy razem.

Źródła:

• Guideline for the selection of personal protective equipment when exposed to the thermal effects of an electric fault arc; International Social Security Association, Section for Electricity, Gas and Water
• Health and Safety Middle East - Protection Against Electric Arc Hazards
• Główne zasady i wymagania zawarte w normie NFPA 70E; Ośrodek badawczo-rozwojowy elektroenergetyki
• Teoria Elektryki - Czym jest przebicie elektryczne? - Artur Szulc
• https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_arc
• You Tube - Kinectrics ArcWear ASTM F1959 and IEC 61482 1 1