Zrozumienie istoty zjawiska łuku elektrycznego (wyładowania łukowego) – zarówno w kontekście możliwości praktycznego wykorzystania, jak i zagrożeń wynikających z jego niezamierzonego powstania – wymaga wyjaśnienia, czym jest plazma.
Często nazywa się ją czwartym stanem skupienia, obok ciał stałych, cieczy i gazów. Plazma to forma materii składająca się z jonów, elektronów oraz cząstek neutralnych. Dzięki obecności licznych swobodnie poruszających się naładowanych cząstek wykazuje przewodnictwo elektryczne i silne oddziaływanie z polami elektrycznymi i magnetycznymi. Przykłady naturalnie występującej plazmy to pioruny, Słońce oraz wiatr słoneczny.
Plazma powstaje, gdy gaz zostaje poddany działaniu energii wystarczającej do tego, by doszło do oderwania elektronów od atomów, czyli jego zjonizowania. Energia może pochodzić z różnych źródeł. Takim jest silne pole elektryczne, które powstaje w wyniku przyłożenia wysokiego napięcia, albo energia termiczna, dostarczana przez podgrzewanie gazu do ekstremalnie wysokiej temperatury. Plazma utrzymuje się tak długo, jak dugo dostępna pozostaje energia podtrzymująca stan jonizacji.
Wracając do łuku elektrycznego – jest to kanał w plazmie, którym płynie prąd. Powstaje między elektrodami, gdy gaz wypełniający przestrzeń między nimi zostaje zjonizowany. Nazwę zawdzięcza charakterystycznemu zakrzywionemu kształtowi kanału plazmowego, który wygina się głównie na skutek zjawiska konwekcji. Łuk elektryczny znajduje zastosowanie m.in. w procesach obróbki metali, takich jak cięcie i spawanie, oraz w piecach łukowych.
CIĘCIE ŁUKIEM
Proces, w którym do rozdzielania materiałów przewodzących prąd – np. stali, aluminium lub miedzi – wykorzystywany jest strumień silnie skoncentrowanej plazmy, powstającej w wyniku wyładowania łukowego, nazywa się cięciem łukiem (plasma arc cutting). Kluczowy komponent przecinarki plazmowej stanowi dysza, która doprowadza gaz roboczy. Jest to przeważnie sprężone powietrze, tlen, wodór, azot, argon lub ich odpowiednio dobrana mieszanka. Gaz roboczy, przepływając przez dyszę, tworzy warunki niezbędne do powstania plazmy. Jego rodzaj ma wpływ na szybkość cięcia, jakość krawędzi i typ oraz grubość materiałów, które można w ten sposób ciąć.
Najpopularniejsze, szczególnie w przecinarkach ręcznych, jest sprężone powietrze, ze względu na powszechną dostępność surowca do wytwarzania tego medium roboczego. Nie są w tym przypadku wymagane żadne specjalne gazy. Ponadto zapewnia ono kompromis pomiędzy prędkością cięcia a jego kosztami.
Kolejną zaletę stanowi wszechstronność sprężonego powietrza. Nadaje się ono do cięcia różnych materiałów, chociaż może generować nieco więcej żużlu (resztek metalu, które przywierają do krawędzi cięcia) niż inne gazy. Oprócz tego dla aluminium i stali nierdzewnej jakość krawędzi może być gorsza – ze względu na chropowatość, nadmiar zgorzeliny (zastygłej warstwy tlenków) oraz przebarwienia (opalenia) – niż w przypadku użycia gazów, pod wpływem których, inaczej niż w przypadku sprężonego powietrza, nie zachodzi intensywne utlenianie powierzchni metalu, świeżo odsłoniętej na skutek działania plazmy.
Z tego powodu do cięcia tych materiałów nie nadaje się również tlen. Sprawdza się on za to w rozcinaniu stali węglowej, gdyż dzięki dodatkowemu utlenianiu w strefie cięcia proces ten zachodzi szybciej, cięcia są głębsze, a jakość krawędzi okazuje się lepsza. Z kolei do cięcia aluminium i stali nierdzewnej wykorzystuje się azot oraz, szczególnie w cięciu grubszych materiałów, mieszanki azotu, argonu i wodoru w różnych kombinacjach.
Elementem palnika plazmowego jest też elektroda. Drugą stanowi rozcinany materiał. Gdy między nimi zostaje przyłożone wysokie napięcie, zaś jednocześnie z dyszy wypływa gaz, dochodzi do jego jonizacji. Powstaje plazma, a łuk elektryczny zamyka się między elektrodą w palniku a materiałem i stapia ten ostatni. Równocześnie strumień gazu pod ciśnieniem wydmuchuje roztopiony metal ze szczeliny cięcia. Do zalet tej techniki zalicza się: szybkość, precyzję cięcia i łatwość automatyzacji, chociaż, z drugiej strony, nadaje się ona wyłącznie do rozcinania materiałów przewodzących prąd.
SPAWANIE I PIECE ŁUKOWE
Łuk elektryczny wykorzystuje się także w łączeniu materiałów w procesie spawania (arc welding). W tym przypadku wyładowanie łukowe również zachodzi między elektrodą spawarki a spawanym metalem. Ciepło łuku topi brzegi spawanych elementów i elektrodę topliwą. Po ustaniu jego oddziaływania stopiony metal krzepnie, tworząc spoinę. Zarówno zatem w cięciu, jak i w spawaniu, łuk elektryczny jest źródłem ciepła, pod wpływem którego dochodzi do lokalnego stopienia materiału. W przypadku cięcia plazmowego zostaje on wydmuchany ze szczeliny cięcia przez strumień gazu roboczego, a w spawaniu – po ostygnięciu tworzy spaw.
Łuk elektryczny jest również źródłem ciepła w piecach łukowych (electric arc furnace). Są one wykorzystywane w hutnictwie do wytapiania metali. Łuk elektryczny tworzy się w nich pomiędzy wbudowaną elektrodą a metalowym wsadem, który w efekcie zostaje stopiony. Ciekły metal jest następnie spuszczany z pieca i kierowany do form odlewniczych albo dalszej obróbki.
Skoro łuk elektryczny potrafi stopić metal, łatwo sobie wyobrazić, jak groźne konsekwencje ma wystawienie ludzkiego ciała na jego działanie. W związku z tym wyładowanie łukowe, które zostało wywołane w sposób niezamierzony, stanowi ogromne zagrożenie, jeśli zawczasu nie zostaną podjęte odpowiednie kroki, by mu zapobiec, a w razie wystąpienia – aby skutecznie się przed nim chronić.
EKSTREMALNE TEMPERATURY
Wyładowanie łukowe rozumiane jako zagrożenie (arc flash) jest charakteryzowane jako gwałtowne i niekontrolowane uwolnienie w bardzo krótkim czasie ogromnej ilości energii. Dochodzi do niego w wyniku przepływu przez kanał plazmowy o niskiej rezystancji, który tworzy się w powietrzu między dwoma przewodnikami (np. przewodami pod napięciem albo przewodem pod napięciem i uziemieniem) prądu o bardzo dużym natężeniu – od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy amperów, w zależności od specyfiki instalacji elektrycznej.
Jeżeli wyładowanie łukowe ma miejsce w domowej instalacji elektrycznej, jego skutkiem jest co najwyżej krótki błysk światła, po którym łuk samoistnie gaśnie. Jednak w instalacjach komercyjnych oraz przemysłowych, ze względu na wyższe moce zwarciowe, wyładowanie łukowe może uwolnić energię w skali porównywalnej z eksplozją materiału wybuchowego. W ułamkach sekundy wytwarza się wówczas ogromna ilość energii cieplnej i mechanicznej, przy czym występuje także emisja do otoczenia toksycznych substancji.
Mechanizm powstawania czynników destrukcyjnych towarzyszących wyładowaniu łukowemu jest następujący: skutkiem przepływu prądu o bardzo dużym natężeniu staje się wydzielanie proporcjonalnie do niego dużych ilości ciepła w bardzo małej przestrzeni i w bardzo krótkim czasie. Konsekwencją gwałtownego uwolnienia skumulowanej energii termicznej okazuje się osiągnięcie przez łuk ekstremalnie wysokiej temperatury. Może ona sięgać 20 000°C. Dla porównania, temperatura powierzchni Słońca to „zaledwie” ok. 5500°C, łuk jest zatem prawie czterokrotnie gorętszy! To wystarczy, by nie tylko stopić, ale i całkiem odparować metale takie, jak miedź (temperatura wrzenia +2560°C), aluminium (+2490°C) i stal (w zależności od składu stopu ok. +3000°C), z których wykonane są elementy instalacji elektrycznych oraz sąsiadującego wyposażenia. Wysoka temperatura łuku działa niszcząco również na tworzywa sztuczne, których temperatury topnienia i następującego po nim rozkładu termicznego wynoszą typowo „jedynie” kilkaset stopni Celsjusza. Zarówno pary metali ciężkich, jak i gazowe produkty rozkładu plastików są silnie toksyczne.
FALA UDERZENIOWA I HAŁAS
Skutkiem tak wysokich temperatur jest także to, że łuk emituje bardzo intensywne promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie światła widzialnego, ultrafioletu i podczerwieni. Luminancja łuku może przekraczać jasność Słońca widzianego z Ziemi.
Kolejny czynnik niszczący stanowi równie gwałtowny wzrost ciśnienia. Jest to skutek nagłego rozgrzania się łuku do ekstremalnej temperatury, która powoduje bardzo szybkie rozszerzanie się objętości plazmy w kanale łuku (jej „puchnięcie”), w efekcie czego ciśnienie w otoczeniu również bardzo szybko rośnie. Trzeba także pamiętać, że następuje nie tylko ekspansja plazmy – dodatkowo parują przecież metale, z których wykonano instalację, a ich objętość w stanie gazowym może być dziesiątki tysięcy razy większa niż w stanie stałym. Przykładowo, miedź w wyniku odparowania zwiększa swoją objętość ponad 60 tys. razy.
Skutkami dużego wzrostu ciśnienia są fala uderzeniowa i hałas. Pierwsza ma siłę porównywalną z tą towarzyszącą eksplozji materiału wybuchowego i może rozrzucać odłamki z prędkością rzędu tysięcy kilometrów na godzinę. Z kolei natężenie hałasu generowanego przez łuk elektryczny wynosi ok. 140 dB w odległości pół metra, co przekracza typowy próg bólu, mieszczący się w przedziale 120‒130 dB. Bardziej obrazowo – dźwięk ten jest ponad sześćdziesiąt razy głośniejszy niż ten emitowany przez przejeżdżający pociąg towarowy.
SKUTKI ŁUKU ELEKTRYCZNEGO
Łuk elektryczny to jedno z najgroźniejszych zjawisk występujących w instalacjach elektrycznych – ze względu na intensywność, nagłe i nieprzewidywalne wystąpienie i wielorakie, opisane wyżej, destrukcyjne czynniki towarzyszące, które mogą powodować poważne obrażenia, a nawet śmierć i zniszczenie mienia.
W związku ze skrajnie wysoką temperaturą wyładowania łukowego oczywistym zagrożeniem jest poparzenie termiczne. Nawet krótkotrwałe narażenie ciała na kontakt z promieniowaniem cieplnym łuku może wywołać oparzenia o różnym stopniu nasilenia, od najsłabszego po najwyższy, nawet przez odzież. Co więcej, zapalenie się albo stopienie ubrania może się jeszcze przyczynić do zwiększenia głębokości i rozległości uszkodzeń skóry.
Kolejnym zagrożeniem jest emitowane przez łuk promieniowanie. Pod jego wpływem możliwe staje się poparzenie oczu przez promieniowanie podczerwone oraz uszkodzenie rogówki i siatkówki przez promieniowanie ultrafioletowe. Ich skutkiem może być uszkodzenia oka, a nawet całkowita utrata wzroku. Hałas towarzyszący wyładowaniu łukowemu potrafi natomiast spowodować pęknięcie błony bębenkowej i w efekcie utratę słuchu.
Z kolei w wyniku działania fali uderzeniowej można doznać zewnętrznych uszkodzeń ciała – pod wpływem uderzenia rozpędzonymi odłamkami fragmentów zniszczonych urządzeń i konstrukcji (rany szarpane, kłute). Zdarzają się też urazy narządów wewnętrznych, np. płuc. Fala może również przewrócić człowieka, z czym wiążą się m.in. złamania, urazy głowy, a nawet urwać część ciała. Toksyczne dymy oraz opary, które są skutkiem odparowania metali i rozkładu termicznego tworzyw sztucznych (np. cyjanowodór, tlenek węgla), mogą powodować podrażnienie dróg oddechowych, zatrucia, uszkodzenia płuc, a w skrajnych przypadkach nawet zatrzymanie oddechu i ostatecznie zgon. Oczywistym zagrożeniem w związku ze specyfiką łuku elektrycznego jest także porażenie prądem elektrycznym.
Jeżeli chodzi o skutki dla mienia, to nieuniknione są zniszczenia urządzeń i instalacji elektrycznej, w tym stopienie przewodów, styków, eksplozje obudów, rozdzielnic. Może także dojść do pożaru, szczególnie jeśli w pobliżu znajdują się materiały łatwopalne. Fala uderzeniowa potrafi wybić szyby i uszkodzić strukturę budynku. Koszty związane z wymianą sprzętu, naprawą konstrukcji i przestojami w produkcji są zwykle bardzo duże. Pracodawca powinien się też liczyć z roszczeniami finansowymi ze strony poszkodowanych pracowników, którzy mogą żądać np. pokrycia kosztów leczenia i zapłaty odszkodowania.
OCHRONA PRZED ŁUKIEM
Aby zabezpieczyć personel i uniknąć kosztów wynikających ze zniszczenia mienia, kluczowe jest zapobieganie powstawaniu łuku elektrycznego i zapewnienie odpowiednich środków ochronnych na wypadek jego wystąpienia. Wyładowanie łukowe może zostać zainicjowane z kilku powodów.
Takimi są zwarcia oraz awarie instalacji elektrycznej i urządzeń, przeważnie w wyniku uszkodzenia izolacji przewodów (np. przez gryzonie albo przypadkowe przecięcie), poluzowania albo skorodowania styków, błędnych połączeń. Częstym powodem są także błędy ludzkie spowodowane zaniedbaniami lub niewłaściwymi procedurami pracy, takie jak np. przypadkowe dotknięcie ręką albo metalowym narzędziem przewodu pod napięciem lub upuszczenie na niego takiego narzędzia.
Podstawowym działaniem, jakie trzeba podjąć, jest przeprowadzenie analizy ryzyka wystąpienia wyładowania łukowego. Oceny tej można dokonać na podstawie wytycznych odpowiednich norm. Przykładem jest IEEE 1584, stanowiąca przewodnik do wykonywania obliczeń zagrożenia łukiem elektrycznym. Zaleca się w niej m.in., aby określić prądy zwarciowe, jakie mogą wystąpić w danej instalacji, przeanalizować charakterystyki zabezpieczeń zwarciowych (wyłączników różnicowych, bezpieczników), wyznaczyć zakresy stref niebezpiecznych, w których spodziewane jest określone nasilenie danego czynnika ryzyka i określić środki ochrony osobistej, jakie w danej odległości od potencjalnego miejsca powstania łuku elektrycznego należy mieć na sobie. Jeśli chodzi o te ostatnie, wymagane jest noszenie ochronników ciała (odzież ognioodporna zgodna z wytycznymi normy IEC 61482-2), dłoni (rękawice ognioodporne i izolujące), oczu, uszu, twarzy oraz głowy (przyłbice chroniące przed promieniowaniem, ochronniki słuchu). Ważne jest również, aby szkolić personel w zakresie dobrych praktyk w pracy pod napięciem, jak również, aby pilnować przestrzegania tych wytycznych.
Warto dodać, że chociaż w porównaniu z łukiem, który może powstać przypadkowo w wyniku wyżej opisanych zdarzeń niepożądanych w instalacji elektrycznej, ten wykorzystywany w cięciu i spawaniu ma mniejszą energię, jest kontrolowany i występuje w przewidywalnym środowisku – nie oznacza to jednak, że nie wymaga on ostrożności i środków ochronnych. Dlatego na tego typu stanowiskach także wymagane jest noszenie kombinezonów ochronnych, przyłbic, rękawic, a ponadto montaż wyciągów i zapewnienie prawidłowego uziemienia.
Monika Jaworowska
