Wymagania dla środków ochronnych przed termicznym działaniem łuku elektrycznego

Najgroźniejszym zjawiskiem w pracy urządzeń elektrycznych są zwarcia i przepięcia. Narażenia te są także istotne dla personelu eksploatacyjnego, zwłaszcza pracującego pod napięciem i muszą być eliminowane lub istotnie ograniczane. W latach 2007-2011 przeprowadzono w Polsce szereg badań indywidualnego wyposażenia ochronnego elektryków chroniącego przed skutkami termicznymi łuku elektrycznego, także wg nowej normy PN-EN 61 482. W artykule zaprezentowano najnowsze wyniki badań hełmów ochronnych z zintegrowaną osłoną twarzy.

Przyczyny występowania łuku elektrycznego

Najczęstszymi przyczynami wystąpienia łuku elektrycznego w sieciach elektroenergetycznych są zwarcia i przepięcia. Z punktu widzenia pracowników obsługujących urządzenia elektryczne ważniejsze są zwarcia, zwłaszcza że mogą być wywołane przez nich podczas czynności eksploatacyjnych.

System elektroenergetyczny – jako zespół wzajemnie połączonych i współpracujących urządzeń przeznaczonych do wytwarzania, przesyłania, rozdziału i przetwarzania energii elektrycznej na inne formy energii – powinien spełniać wymagania o charakterze technicznym i ekonomicznym, aby zapewnić:

• wysoką jakość energii i niezawodność zasilania odbiorców,
• niskie koszty utrzymania,
• skuteczność operacyjnego zarządzania siecią oraz
• bezpieczeństwo pracy obsługi i użytkowników.

Znaczenie jakości, a szczególnie ciągłości dostaw energii elektrycznej rośnie w miarę wzrostu stopnia skomplikowania procesów produkcyjnych. Zmusza to dystrybutorów energii elektrycznej do podejmowania działań zmierzających do zastosowania takich rozwiązań technicznych i organizacyjnych, które wpływają na obniżenie wskaźnika awaryjności systemu elektroenergetycznego i jego elementów składowych. Wśród przyczyn uszkodzeń elementów składowych sieci najistotniejszymi są ukryte wady materiałowe i produkcyjne, miejscowe osłabienia izolacji, ekstremalne czynniki atmosferyczne oraz przepięcia wewnętrzne i wywołane przez wyładowania atmosferyczne przepięcia piorunowe (bezpośrednie lub pośrednie). Wszystkie te czynniki stwarzają zagrożenie pracy służb eksploatacyjnych oraz dla urządzeń i ich elementów składowych znajdujących się w sieciach elektroenergetycznych.

Opanowanie prądów zwarcia – z uwagi na wytrzymałość łączeniową, cieplną i dynamiczną aparatury, konstrukcji rozdzielni, kabli i przewodów roboczych i odgromowych linii napowietrznych – wymaga zastosowania rozwiązań polegających na odpowiednim ukształtowaniu struktury sieci. Najprostszym sposobem ograniczania prądów zwarcia poprzez zmianę konfiguracji sieci jest jej sekcjonowanie. Podział sieci jest podstawowym sposobem ograniczania prądów zwarcia w krajowych sieciach  elektroenergetycznych. Dokonując przełączeń w zbiorze elementów sieci zmianie ulega droga przepływu prądu zwarcia, a tym samym zmienia się wartość impedancji pętli zwarciowej, w którym płynie prąd zwarcia.

Ograniczanie prądów zwarcia wskutek działań operacyjnych wykonywanych w systemie ma przede wszystkim bezpośredni wpływ na infrastrukturę elektroenergetyczną. Jednak bardzo istotną funkcję w procesie obsługi tej infrastruktury odgrywają pracownicy, dla których skutki oddziaływania nawet ograniczonych prądów zwarcia mogą stanowić zagrożenie zdrowia lub życia. Stąd też na szczególną uwagę zasługuje wybór oraz stosowanie właściwych środków i sprzętu ochronnego [2].

Normy określające warunki pracy i eksploatacji urządzeń elektrycznych, a zwłaszcza norma PN-EN 50110, zabrania wykonywania prac elektrycznych podczas burz. Jeśli prace na urządzeniach wykonywane są techniką prac pod napięciem wówczas zabrania się także dokonywania przełączeń ruchowych oraz takich planowanych czynności, które mogą mieć wpływ na pojawienie się przepięć łączeniowych na obsługiwanym przez człowieka obwodzie elektrycznym. Natomiast nie zabrania się, a nawet zbyt rzadko wykorzystuje się takie możliwości przełączeń (sekcjonowania) przed przewidywaną pracą, aby utrzymać pełną kontrolę nad poziomem spodziewanego poziomu prądu zwarcia. Nie do pominięcia są także kwalifikacje i umiejętności zawodowe pracownika.

Przyczyny wypadków przy pracach elektrycznych

Gdy zawodzą kwalifikacje i/lub umiejętności może dojść do wypadku. Za wypadek przy pracy uważa się nagłe zdarzenie wywołane przyczyną zewnętrzną, powodujące uraz lub śmierć, które nastąpiło w związku z pracą. Przyczyny wypadku są to wszelkie braki i nieprawidłowości, które bezpośrednio lub pośrednio przyczyniły się do powstania wypadku, związane z czynnikami materialnymi (technicznymi), z ogólną organizacją pracy w zakładzie lub organizacją stanowiska pracy oraz związane z pracownikiem. Każdy  wypadek przy pracy jest wynikiem najczęściej kilku przyczyn, w związku z czym suma przyczyn jest większa od ogólnej liczby wypadków. W Polsce co roku mamy do czynienia z blisko dwoma tysiącami wypadków elektrycznych. Ich przykładowy rozkład (dla jednego z koncernów energetycznych) podano w tabeli 1, natomiast procentowy udział czynnika ludzkiego w tabeli 2.

Najczęstsze skutki wypadków śmiertelnych:

• działanie prądu na serce i układ oddechowy – 91%,
• oparzenia – 44%,
• upadek z wysokości – 15,3%.

Tabela 1. Rozkład wypadków elektrycznych ciężkich i śmiertelnych przy urządzeniach elektroenergetycznych energetyki zawodowej, wyrażony w procentach:

Tabela 2. Udział przyczyn ludzkich w wypadkach ciężkich i śmiertelnych w energetyce zawodowej, wyrażony w procentach:

Rozkład procentowy przyczyn wypadków:

Rys. 1. Rozkład procentowy przyczyn wypadków

Niewłaściwa organizacja pracy, na którą ma wpływ zarówno niewłaściwe, samowolne lub nieprawidłowe zachowanie pracownika stanowi w ostatnich latach w Polsce 74 - 81% przyczyn wypadków. Zaledwie ok. 10 - 18% stanowią niewłaściwe rozwiązania techniczne, z wyraźną tendencją malejącą.

Choć zachowania pracownika są coraz lepiej zbadane także przez psychologów, to nie zmienia to faktu poszukiwania rozwiązań chroniących pracownika w warunkach, w jakich dochodzi do wypadków. Nowe poglądy na sprawdzanie kwalifikacji pod kątem badania zachowań są przedmiotem kilku znaczących publikacji ISSA.

Przyczyny zastosowania środków ochronnych przed łukiem elektrycznym

Jednym z poważniejszych zagrożeń występujących w obsłudze urządzeń elektrycznych - jak już  wspomniano - jest łuk elektryczny. To jedno z najbardziej niebezpiecznych zjawisk w elektroenergetyce ze względu na ekstremalne warunki, jakie tworzą się w momencie jego występowania. Wysoka temperatura, silna fala ciśnieniowa oraz cząsteczki stopionych metali poruszające się z prędkością setek kilometrów na godzinę to główne zagrożenia powstające w trakcie wybuchu. W tym momencie pracownik narażony jest na obrażenia, takie jak poparzenia, rany od cząstek stopionych metali, przyduszenie dymem, uszkodzenie wzroku i słuchu, a w najgorszym wypadku śmierć.

Przeprowadzone w latach 90. przez UNIPEDE (Grupa DIS.LIVE) na szeroką skalę badania wypadkowości przy pracach pod napięciem z uwagi na rosnący ich udział w pracach eksploatacyjnych pozwoliły na rozpoznanie przyczyn wypadków. Z kolei opracowania międzynarodowej organizacji ISSA zwróciły uwagę na sprawę kwalifikacji pracowników i zainicjowały opracowanie wymagań i badań środków ochrony indywidualnej przed termicznymi skutkami łuku elektrycznego. Może on zostać spowodowany błędem człowieka doprowadzającym do zwarcia w instalacjach elektrycznych w wyniku: nieumiejętnego  manewrowania elementami konstrukcyjnymi w bliskim sąsiedztwie różnych obwodów elektrycznych, złego doboru narzędzi o metalowych głowicach roboczych. Mimo znacznie niższej wypadkowości na urządzeniach niskiego i średniego napięcia realizowanych pod napięciem niż podczas wyłączeń postanowiono opracować indywidualne środki ochrony przed skutkami termicznymi łuku elektrycznego. Badacze doszli do wniosku, że niezależnie od przyczyn błędów przy pracy indywidualna odzież ochronna dla elektryków może znacznie złagodzić skutki wypadków elektrycznych, niezależnie od stosowanych metod eksploatacji.

Ułatwieniem w konstruowaniu ubiorów było pojawienie się na rynku materiałów o odpowiednich właściwościach termicznych. Rozwój techniki pracy pod napięciem zaowocował doskonaleniem ochrony rąk w postaci rękawic elektroizolacyjnych objętych normą PN-EN 60 903, ale dopiero w ostatnich latach poddano je próbom związanym z termicznymi skutkami wystąpienia łuku elektrycznego. Tematyka ta także wielokrotnie gościła na konferencjach ICOLIM, a na ostatnich w Toruniu w 2008 roku i w Zagrzebiu wygłoszono 10 referatów poświęconych tej tematyce. Zastosowanie nowych polskich rozwiązań hełmów z osłonami twarzy w zakresie badań odporności na łuk przeprowadzono w latach 2010-2011.

Tym samym zarówno do PPN, jak i tradycyjnych prac elektrycznych na urządzeniach niskiego i średniego napięcia są dostępne w Polsce kompletne indywidualne środki ochronne przed skutkami łuku elektrycznego. Kwestią otwartą pozostaje ich zastosowanie w połączeniu z metodyką określania poziomu ryzyka. Tej tematyce poświęca się coraz więcej uwagi [9].

Zastosowanie odzieży chroniącej przed skutkiem łuku elektrycznego

Najczęstszym i najcięższym w skutki narażeniem na łuk elektryczny są poparzenia, które mogą prowadzić do stałych uszkodzeń ciała. Standardowa odzież robocza wykonana z tkanin bawełnianych, bawełniano-poliestrowych, poliamidowych, wiskozy i innych może się zapalić i po wybuchu palić się dalej. Dlatego bardzo ważne jest zastosowanie odpowiedniej odzieży ochronnej wykonanej z właściwych tkanin i posiadającej odpowiednie parametry. Wydana w Polsce norma PN-EN 61482-1-2: Prace pod napięciem – Odzież ochronna przed zagrożeniami termicznymi spowodowanymi łukiem elektrycznym, która jest ostateczną wersją normy ENV 50354, określa metody stosowane do badania materiałów przeznaczonych do użycia w odzieży trudnopalnej stosowanej przez pracowników narażonych na działanie łuku elektrycznego.

W Polsce zastosowano kilka typów odzieży zarówno gotowej, importowanej, jak i szytej w kraju z materiałów importowanych. Dla tego typu środków ochronnych przeprowadzono badania materiału i ubiorów w laboratorium Uniwersytetu w Ilmenau.

Odzież chroniąca przed zagrożeniami termicznymi spowodowanymi łukiem elektrycznym przy pracach pod napięciem to odzież trudnopalna, np. z tkaniny INDURA® Ultra Soft® antistatik, która składa się z bluzy i spodni ogrodniczek. Odzież posiada certyfikat z uznanego w Europie i świecie instytutu notyfikowanego: STFI w Chemnitz.

Tkanina ta jest jedną z najlepszych, przystępnych cenowo, jakie na dzień dzisiejszy znajdują  zastosowanie w produkcji odzieży trudnopalnej i odzieży chroniącej przed termicznymi zagrożeniami spowodowanymi łukiem elektrycznym. Apretura trudnopalna jest nanoszona bezpośrednio na włókno, dzięki czemu właściwości trudnopalne zachowane są do mechanicznego zużycia wyrobu, niezależnie od ilości cykli prania. Duży udział bawełny w składzie tkaniny, daje optymalny komfort użytkowania, a specjalne włókno poliamidowe wzmacnia tkaninę i zwiększa jej właściwości pochłaniania energii cieplnej. Skład tkaniny: 87% bawełny, 12% poliamidu, 1% carbonu; gramatura: 320g; wartość ATPV: 12,7. Tkanina ta spełnia wymogi zarówno wcześniejszej normy ENV 50354 jak i zastępującej ją normy PN-EN
61482-1-2. Oczywiście nie jest to jedyna tkanina i jedyne rozwiązanie technologiczne.

Testy na podstawie norm przeprowadzane są na tkaninie: dla klasy 1 przy 4 kA i dla klasy 2 przy 7 kA, przy napięciu 400 V i odległości badanej próbki lub manekina 30 cm wykazały, że czas palenia tkaniny nie przekracza 5 s; nie doszło do przetopienia tkaniny do wewnątrz, tkanina nie pękła, nie powstały dziury o średnicy większej niż 5 mm i wszystkie osiem par pomiarów strumienia przenikania ciepła były poniżej krzywej Stolla/Chianta. Wyniki te gwarantują, że odzież wykonana z tej tkaniny jest w stanie ochronić pracownika przed poparzeniami drugiego stopnia. Wszystkie zastosowane w odzieży dodatki, takie jak taśmy odblaskowe, nici i na życzenie klienta hafty lub aplikacje są z materiałów trudnopalnych i nie mają negatywnego wpływu na wyniki czasu palenia się, topnienia oraz tworzenia się dziur w trakcie testowania odzieży. Dane te pozyskano od producenta ubiorów firmy ORIO ze Zduńskiej Woli (załącznik 1, rys. 1-6).

Rękawice i rękawy elektroizolacyjne chroniące przed skutkami łuku elektrycznego

Wszystkie badania odporności na łuk elektryczny opisane dla ubiorów prowadzi się w podobny sposób także dla rękawic elektroizolacyjnych. Badania takie przeprowadzono w laboratorium Katedry Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych Politechniki Warszawskiej już w 2006 roku [4]. Wyniki badań odporności rękawic produkowanych w Polsce - ELSEC kl. 00, 1 i 2 na łuk elektryczny uznano za pozytywne zgodnie z wymaganiami normy CLC/TS 50354: 2003, gdyż: łuk elektryczny nie spowodował zapalenia się rękawic, nie zaobserwowano wypalonych otworów i nie zaobserwowano powierzchniowego stopienia rękawic, a więc uszkodzeń spowodowanych przez oddziaływanie łuku elektrycznego, które mogłyby być uznane za niespełniające kryteriów wymaganych przez omawiane normy.

Ciemne plamki na powierzchni rękawic widoczne na rysunku 9 (załącznik 2) są śladami oddziaływania wytopionego miedzianego drutu inicjującego powstanie łuku między elektrodami, niepowodującymi jednak wytopienia rękawic. Zatem rękawice ELSEC firmy Secura B.C. spełniają wymagania i tego typu norm, poza podstawową PN-EN 60903 (załącznik 2, rys. 7-9).

Na świecie szeroko stosowane są także rękawy elektroizolacyjne, których badania przeprowadza się analogicznie do badań rękawic. Ciekawą historię ich stosowania od 1933 roku oraz wyniki badań podano w [13].

Hełmy ochronne chroniące przed skutkami wystąpienia łuku elektrycznego

Hełm SECRA firmy HUBIX przeszedł pomyślnie badania odporności konstrukcji na działanie łuku elektrycznego. Parametry łuku odpowiadają klasie 1 zgodnie z wymaganiami normy EN 61482-1-2. Badania te, podobnie jak badania odzieży, zostały przeprowadzone w laboratorium Uniwersytetu w Ilmenau [5] (Załącznik 3 i 4). Do przeprowadzenia zamówionych badań została opracowana  specjalistyczna dokumentacja warunków ich przeprowadzenia. Wyniki badań potwierdziły, iż konstrukcja hełmu skutecznie chroni użytkownika przed skutkami łuku elektrycznego. Badania przeprowadzono z użyciem komory probierczej, w której inicjowano przepływ prądu 4 kA/0,5 s, 135 kJ/m2, a oddziaływanie na pracownika imitowała głowa manekina, na której rozmieszczono 4 kalorymetry.

Wynik oddziaływania dał pozytywną odpowiedź – hełm chroni skutecznie głowę pracownika na tym samym poziomie co ubiór i rękawice. Na szczególną uwagę zasługuje wydłużenie osłony twarzy, które umożliwia także skuteczną ochronę brody i szyi przed cząstkami roztopionego metalu i gorącymi ciałami stałymi. Badania wykonano także w laboratoriach Centralnego Instytutu Ochrony Pracy w Warszawie,
które potwierdziły spełnianie krajowych wymagań użytkowych przez hełmy i osłonę twarzy [6, 7].

Natomiast badania wg normy EN 166: Ochrona indywidualna oczu – wymagania w zakresie ochrony przed łukiem powstającym przy zwarciu elektrycznym określa parametry, które powinna posiadać taka osłona. Dla wymienionych w normie materiałów, np. poliwęglan, octan celulozy, propan celulozy określono minimalną grubość osłony. Wg dostępnych sprawozdań z badań minimalna jej grubość powinna wynosić 1,4 mm, natomiast dla ochrony przed promieniowaniem UV określany jest widmowy współczynnik przepuszczania nadfioletu. Dodatkowo przeprowadzone badania zgodnie z niemiecką GS-ET-29 nieujęte w EN 166, a dotyczące badania łuku pozwalają na wyznaczenie współczynnika przepuszczania światła (VLT) dla trzech źródeł. Maksymalny widmowy współczynnik przepuszczania nadfioletu musi być dla fali 313 nm mniejszy niż 0,0003%, a dla fali 365 nm mniejszy niż 10%. Natomiast współczynnik przepuszczania światła określa się dla promieniowania widzialnego wg EN 170 i stosuje się tylko jedno źródło światła (D65), a rezultat musi być większy niż 74,4%. Wg GS-ET-29 stosuje się jak wspomniano 3 źródła (lampę żarową, fluorescencyjną i diodę LED), a wynik musi być większy niż 75%.

Podsumowanie

Stosowanie indywidualnych środków ochronnych z jednej strony nie może być uciążliwe dla pracowników, z drugiej konieczność ich użycia powinna wynikać z przekonania co do poziomu zagrożeń. Rozpoznanie tych poziomów każdy kraj może wykonać samodzielnie. Przykładowo stosowanie zróżnicowanych środków ochronnych Amerykanie podzielili na cztery kategorie. Z uwagi na różnice w wymaganiach norm amerykańskich stosujących wskaźnik ATPV, wynikający z innego systemu badania konsekwencji wystąpienia łuku, a europejskim, preferującym tzw. box test, trwają prace nad ujednoliceniem kryteriów ich wykonywania.

Wiele uwagi poświęca się ostatnio ocenie ryzyka, która decyduje, jakiej kategorii środki ochronne zastosować dla konkretnego przypadku pracy. Te działania mogą sprzyjać radykalnej poprawie bezpieczeństwa pracy elektryków i ujednolicać stawiane im wymagania udostępniając rynek pracy na podobnych, niedyskryminujących prawach w całej UE i powoli na całym świecie.

Literatura:

Opracowano na podstawie referatu Dudek B. Nowikow J., Skomudek W.: Complete arc flash personal protective equipment for Electricians (Kompletne indywidualne wyposażenie polskich elektryków chroniące przed skutkami łuku elektrycznego) prezentowany na Konferencji ICOLIM’ 2011, Zagreb (Chorwacja)

[1] Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 31 marca 2003 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla środków ochrony indywidualnej (Dz. U. Nr 80, poz. 725)
[2] Skomudek W.: Analiza i ocena skutków przepięć w elektroenergetycznych sieciach średniego i wysokiego napięcia.Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, Opole 2008
[3] Giża A., Dudek B., Nowikow J.: Ubiory ochronne do prac pod napięciem – wymagania normalizacyjne a praktyka, X Konferencja PPN, Łódź 2010
[4] Łoboda M., Piłaciński W.: Badania odporności na działanie łuku elektrycznego środków ochrony indywidualnej do prac pod napięciem na przykładzie rękawic elektroizolacyjnych, IX Konferencja PPN, Gdańsk, 2007, s.95-101
[5] Schau H.: Technical expertise: Behaviour of the helmet visor combination SECRA HELMET H058S tested against the thermal hazards of an electric arc on the base of test procedure GS-ET 29 (BG-Prüfzert) and EN61482‐1‐2 (modified) ‐ class 1 test ‐ mai 2010
[6] CIOP PIB: Badania hełmów ochronnych typ SECRA, 2010
[7] CIOP PIB: Badania osłony twarzy hełmu elektroizolacyjnego, 2010
[8] ISSA: Guideline for the selection of personal protective clothing when exposed to the thermal effects of an electric arc (2011)
[9] Schau H., Mehlem M.: Risk analysis and guidelines for selecting PPE against the thermal hazards of electric fault arcs, ICOLIM’2011 ref. 3.1
[10] Borneburg D., Hoffmann R.: Studies of face protection against the thermal hazards of an electric arc in the three phase service box test by RWE Eurotest, ICOLIM’2011, ref. 2.6
[11] Riquel G., Durcik E.: Thermal protection of Live Working operators for High voltage range, ICOLIM’2011, ref. 1.1.
[12] Jordan T., Tänzer H.: Class 2 Arc Protection of Electricians Face Shields – BSD ErgoS, ICOLIM’2011, ref. 2.1
[13] Cain G.: Rubber-Insulating Goods ESMO’2011, ref. 2011-01
[14] Dudek B.: Prace pod napięciem w elektroenergetyce –bezwyłaczeniowe techniki utrzymania sieci dystrybucyjnej – Podręcznik INPE dla elektryków, Zeszyt 3, październik 2010 (rozdz.14)