Verktækni - 2015, Síða 64

64 VERKTÆKNI 2015/20
TÆKNI- OG vísINdaGreINar
Mat á ljósbogahættum
Bjarni Freyr Guðmundsson, rafmagnsverkfræðingur
Verkfræðistofan Verkís, Ofanleiti 2, 103 Reykjavík.
Fyrirspurnir: bfg@verkis.is og snj@verkis.is
Hvernig ljósbogahætta er metin
Viðurkennd aðferðafræði við útreikninga á ljósbogastraumi og orku­
þéttni ljósboga sem og varnir gegn ljósbogaatvikum er tillögulega ný
miðað við 130 ára sögu rafdreifikerfa. Tæknigreinin „The other elect-
rical hazard:electric arc burns“ eftir Lee [1] sem gefin er út 1982, gaf
til kynna að slys af völdum rafmagns væru að stærstum hluta vegna
ljósbogaatvika.
Þrettán árum síðar (1995) var gefin út fimmta útgáfa NFPA 70E
Standard for Electrical Safety in the Workplace, þar var fyrst til sögu
kynnt hugtakið nálgunarmörk (e. limits of approach) og orðið ljósbogi
(e. arc) kom í fyrsta sinn fram í staðlinum. Í dag fjallar staðallinn ítar­
lega um þær ráðstafanir sem gera skal til þess að draga sem mest úr
áhættu af völdum ljósboga.
Síðan ljósbogaatvik hafa verið til umræðu sem einn helsti slysavald­
ur af völdum rafmagns hafa verið nokkrar kenningar um hvernig eigi
að meta hættu af völdum ljósboga og hver mögulegur skaði er hverju
sinni. Hinn mikli hiti sem myndast við ljósbogaatvik getur leitt til
alvarlega brunasára og jafnvel dauða. Auk hitans getur bráðnuðum
málmi rignt yfir þá sem nálægt eru.
Síðustu 30 árin hafa nokkrar aðferðir verið þekktar til þess að meta
hættu af völdum ljósbogaatviks. Á sama tíma hafa margar rannsóknir
verið gerðar á mun milli fræðilegrar og raunverulegrar (mældri) orku­
þéttni, sem er orka á flatarmál sem hlutfall fjarlægðar frá uppruna
ljósboga. Í dag er algengast að miða við orku á hvern fersentímetra
(cal/cm2 eða J/cm2), en það er aðferð sem bæði er viðurkennd af
NFPA [2] og IEEE [3]. Árið 2002 gaf IEEE út leiðbeiningar um hvernig
hægt væri að áætla hitaorku sem hlutfall af fjarlægð fyrir mismunandi
búnað og spennu á einfaldan en skilvirkan hátt.
Munur á ljósbogastraumi og skammhlaupsstraumi
Ljósbogastraumur er frábrugðin skammhlaupsstraumi að því leiti að
viðnám er til staðar í straumleið. Þetta leiðir til þess að ljósbogastraum­
ur er ávallt minni en skammhlaupsstraumur. Í kerfum með spennu
undir 1 kV er þessi munur töluverður en fer hverfandi með hærri
spennu.
Til að útskýra hvernig ljósbogastraumur myndast og hvert eðli hans
er þá er hér að neðan lýsing á mismunandi stigum ljósbogamyndunar
í réttri tímaröð.
Umræður um ljósbogahættur í raforkukerfum hafa verið áberandi síðustu
árin. Færst hefur í vöxt að fyrirtæki geri kröfur um að raforkukerfi þeirra
uppfylli staðla um öryggi á vinnustöðum við ljósbogaatvikum þrátt fyrir
að þess sé ekki krafist með lögum. Slys vegna ljósbogaatvika eru sem
betur fer ekki algeng á Íslandi en geta valdið verulegum skaða á fólki og
mannvirkjum. Að innleiða kröfur staðla um varnir á vinnustöðum gegn
ljósbogahættum eykur því rekstraröryggi fyrirtækja og eykur öryggi á
vinnustöðum.
Helstu áverkar af völdum ljósbogaslysa eru brunasár, sár vegna sprengjuagna,
heyrnar­ og sjónskaði. Að auki getur höggbylgjan við sprenginguna kastað
nærstöddum einstaklingi frá atvikastað með tilheyrandi afleiðingum.
Bæði IEEE og NFPA hafa á síðustu árum vakið athygli á þeirri hættu sem
stafar af ljósbogaatvikum. Samtökin hafa sameinað krafta sína við að
styrkja rannsóknir og prófanir á sviði ljósbogaútreikninga og ­varna með
það að markmiði að efla þekkingu á fagsviðinu og vekja vitund meðal
almennings og fagaðila.
Markmið þessarar greinar er að auka skilning fagaðila á þeim hættum
sem stafa af ljósbogaatvikum. Fjallað verður meðal annars um hvernig
ljósbogahætta er metin, hvernig ljósbogastraumur er frábrugðin
skammhlaupsstraumi og hvaða ráðstafanir eru gerðar til persónuvarna.
Að lokum er skoðað hvernig ljósbogastraumur getur blekkt varnarbúnað
þar sem áhersla er lögð á mikilvægi þess að reikna með ljósbogastraumi
í hönnun.
INNGANGUR
Breyttar forsendur
Breytingar í kerfinu verða til þess að setja af stað ljósbogaatvik:
Aukin spennumunur, ryk, raki, tæring, minnkuð einangrunarfjarlægð,
breyting á eiginleikum einangrandi gass (lofti).
Jónun gass
Spenna verður nógu há til þess að jóna hlutlaust atóm við spennuhaf­
andi punkt/flöt, með því að losa rafeind. Þegar rafeind bindur sig svo
aftur við atóm með jákvæða hleðslu losnar orka og við það myndast
bláleitur ljómi.
Streymir myndast
Einangrandi gasið (loftið) heldur áfram að jónast í mismunandi áttir og
um leið byggist upp hleðsla í jónuðu loftinu.