Ljusbågar och ljusbågsberäkningar för riskanalys

Temperaturen i ljusbågen kan nå eller överstiga 19 000° C vid ljusbågens källa. Temperaturen på solens yta är ca 6000° C. Den massiva energi som frigörs i ljusbågen förångar snabbt de involverade metallledarna, spränger smält metall och expanderar plasma utåt med en oerhörd kraft. Ljuset från en ljusbåge har vi test kunnat uppmätas till 130 ggr ljuset från direkt soljus och de hur uppmäts ljudnivåer på 170 dB.

Mellan år 2000 och 2015 rapporterades runt 200 olyckor med ljusbågar som ledde till sjukdagar, och en hade en dödlig utgång, visar Elsäkerhetsverkets statistik. Skadorna kan bli väldigt stora, exempelvis när splitter och metallgaser på flera tusen grader träffar ansiktet eller andra kroppsdelar. Dessutom kan ljudbangen spräcka trumhinnorna och det starka ljusskenet förblinda ögonen, så många kan varken höra eller se direkt efter olyckan.

IEEE och National Fire Protection Association (NFPA) har i USA utgett standarder för beräkning av bla termisk ljusbågsenergi samt rekommendationer på gränsvärden och zonindelning.

IEEE Std 1584-2018- IEEE Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations (erstätter 1584-2002)

Det är (2018) 16 år sedan första utgåvan släpptes.

De har utfört ca 1700 ljusbågsprov som underlag för de nya beräkningsmetoderna

NFPA 70E - Standard for Electrical Safety in the Workplace

I USA skall det tilläggas att deras ställverk betydligt farligare och i Europa har satsats på att göra ställverken säkrare.

I Sverige har SSG tagit fram SSG 4510 – Vägledning för hantering av ljusbågsrisker.

Termisk ljusbågsenergi, ("händelseenergi" är en felaktig benämning!)

  Eng. incident energy [IEC-nr: 651-27-11]

Termisk ljusbågsenergi kan bäst förklaras med en enkel lägerelds analogi. Om du sitter nära en lägereld skulle du få mer värmeenergi på dig än om du sitter längre bort.

Termisk ljusbågsenergi mäts i Joule/cm² SI-enhet men i amerikansk standard används cal/cm² (kalorier/cm²)

Termisk ljusbågsenergii på 1 cal/cm² (ca 4,2 J/cm²) kan sägas motsvara värmeenergin man utsätts för om man håller handen över en tändare i 1 sekund.

   Kommer fortsättningsvis använda cal/cm² då denna används i den amrikanska standarden samt även på kläder som säljs i Sverige.

Om oskyddad hud utsätts för en termisk ljusbågsenergi på 1,2 cal/cm² kan det förväntas att det uppståren andra gradens brännskada¹. Högre termisk ljusbågsenergii kan orsaka tredje gradens brännskador.

En stor ljusbåge kan lätt generera termisk ljusbågsenergi uppåt 40 cal/cm².

Det fans tidigare en riktlinje i NFPA-standarden inte utföra arbete i spänningssatt anläggning med termisk ljusbågsenergi över 40 cal/cm² , denna är numera borttagen. Denna riktlinje byggde på en "myt" att den termiska ljusbågsenergi vid över 40 cal/cm²  kunde man dö av tryckvågen.

I Sverige finns det bara en rekomendation från SSG att inte arbeta i en spänningssatt anläggning om termisk ljusbågsenergi är över 8 cal/cm² (33 J/cm²  )

Den strålningsenergi som släpps ut av en elektrisk ljusbåge kan orsaka permanenta skador eller döda en människa på 3 m:s avstånd och till och med på avstånd upp till 6 meter.

I de flesta fall beror termisk ljusbågsenergi på tre faktorer:

1. Intensitet - Hur mycket kortslutningsström/-effekt ljusbågen har att tillgå. Detta beräknas med hjälp av

    systemspänningen och den maximala tillgängliga felströmmen.

2. Avstånd - Hur långt från ljusbågen arbetaren är eller vad som defineras som arbetsavståndet vilket uppskattas till

    ca 46 cm (eller 18 tum enligt amerikansk standard)

3. Varaktighet - Hur länge ljusbågen är tänd. Om det finns tillräckligt med energi, kan en ljusbåge vara tänd en längre

    tid och därmed göra stor skada. Det är därför viktigt att skyddsanordningar installeras för att snabbt identifiera en

    ljusbåge och sedan snabbt bryta bort felet.

En ljusbågsstudie/-analys är en beräkning utförs för att bestämma den termisk ljusbågsenergi som finns på varje plats, vilket bestämmer olika ljusbågszoner och vilken personlig skyddsutrustning som ska användas inom varje zon.

Ljus

Ett annan problem med ljusbågen är ljuset (illuminansen)  från en ljusbåge vilket kan ge skador på ögonen och huden.

Ljus mäts i Lux som är SI-enheten för illuminans (belysningsstyrka). En lux är definierad som en lumen per kvadratmeter och lumen är SI-enheten för ljusflöde och har enhetssymbolen lm.

Som referens kan man säga att;

• En mulen dag: ca 1000 lux

• Direkt sloljus är uppåt 100 000 lux

• En ljusbåge på ca 3 meters avstånd kan vara över 1 miljon lux

• Ett test hos IEEE mätte upp 13,1 miljoner lux vilket då motsvarar 130 ggr direkt solljus.

Ljudtrycket

Även ljudtrycket vid en ljusbåge kan vara problematiskt.

Som referens kan man säga att;

• Vanligt tal ligger på ca 60 dB

• Ett rockband kan spela så högt som 120 dB

Typiskt vid en ljusbåge är ca 140 dB men det har mäts upp uppåt 170 dB vilka båda kan komma att förstöra hörslen. Därför är det viktigt att använda hörselskydd.

Kläder

Kan testas och standarliseras enligt två olika metoder

EN 61482-1-1 / IEC 61482-1-1

Arbete med spänning – Kläder för skydd mot termiska risker orsakade av ljusbågar – Del 1-1: Provning

Metod 1: Bestämning av termiska egenskaper (ATPV eller EBT50) hos tyg och klädesplagg genom ljusbågeprovning

ATPV (Arc Thermal Performance Value) anger den termisk ljusbågsenergi som krävs för att överföra tillräckligt mycket värme genom plagget för det med 50 % sannolikhet ska ge en andra gradens brännskada på bäraren (baserat Stoll-kurvan).

Ju högre värde desto bättre är skyddet.

EBT (Energy Breakopen Threshold) anger den termisk ljusbågsenergi som krävs för att med en 50 % sannolikhet åstadkomma hål i tyget eller tygkombinationen. Ju högre värde desto bättre är skyddet.

Både ATPV och EBT kan testas på material med ett eller flera lager. Vid test av flera lager uppnås ett högre värde än om tyget testas separat, eftersom luften som fångas mellan tyglagren  även har en isolerande och skyddande effekt.

HAF (Heat Attenuation Factor, värmeförsvagande faktor) är måttet på den andel energi som blockeras av materialet eller materialsystemet.

EN 61482-1-2 / IEC 61482-1-2

Arbete med spänning – Kläder för skydd mot termiska risker orsakade av ljusbågar – Del 1-2: Provning

Metod 2: Bestämning av skyddsklass för tyg och klädesplagg genom provning med riktad ljusbåge

Till skillnad från metod 1 veriferirar metod 2 att verifiera ljusbådeskyddet hos ett plagg enligt definierade förutsättningar.

Plaggen testas och utvärderas i två klasser under ett och samma test; ett så kallat "boxtest". (Spänning: 400 V, Tid: 500 ms, frekvens 50 Hz eller 60 Hz).

 

Klass 1 = 4 KA (Ljusbågsenergi 158 KJ )

Klass 2 = 7 KA (Ljusbågsenergi 318 KJ )

För att uppfylla kraven för en klass får plagget efter test inte uppvisa en större hålformation än 5mm genom det innersta materiallagret, inte smälta eller droppa och inte heller ha en efterbrinntid över 2 sekunder. Den uppmätta värmeenergin på insidan av plagget måste ligga under specificerat Stoll-värde energi som orsakar andra gradens brännskada

IEC 61482-2

Arbete med spänning – Kläder för skydd mot termiska risker orsakade av ljusbågar

 

IEC 61482-2 definierar kraven för godkänt resultat för testning enligt EN 61482-1-1 och EN 61482-1-2.

 

Även krav på design och konstruktion av skyddskläder för ljusbågerisker definieras i IEC 61482-2.

Förutom värmeenergitesterna utvärderas ljusbågeskyddsplagg bland annat enligt följande parametrar

• Flamskyddsegenskaper
• Rivstyrka
• Brottstyrka

Allt material skall ha genomgått 5 tvättcykler före testningen.

Märkning sker med piktogram resultaten för

 

Metod 1

ATPV/”Arc Thermal Performance Value” eller EBT50/”Breakopen Thershold Energy”

och/eller

Metod 2

Klass 1 eller Klass 2.

Enligt amerikansk standard så ser nivåer användnig av skyddskläder ut enligt nedan (obs fritt överssatt)

Cat      Cal/cm2    Kläder                         

0           1,2          Långärmad tröja och byxor i naturfiber (bomull / ull) , skyddsglasögon, hjälm,  elektrikerhandskar

1           4             Flamsäkra kläder, skyddsglasögon, hjälm och elektrikerhandskar

2           8             Flamsäkra kläder, ansiktsskydd, hjälm, öronproppar och elektrikerhandskar över läderhanskar och

                            arbetsskor i läder

3           25           Flamsäker overall över flamsäker tröja och flamsäkra byxor, ljusbågssäker huva, öronproppar,       

                            elektrikerhandskar över läderhanskar och arbetsskor i läder

                           

4           40           Ljusbågsdräkt över flamsäker overall över flamsäker tröja och flamsäkra byxor, ljusbågssäker huva, 

                            öronproppar, elektrikerhandskar över läderhanske och arbetsskor i läder

Nya IEEE 1584-2018 (2 ed) - IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations

Den första upplagan av IEEE 1584 publicerades den 23 september, 2002. Baserad på över 300 ljusbågstester och innehöll empiriskt härledda ekvationer för beräkning av ljusbågskortslutningsström, termisk ljusbågsenergi och ljusbågsgräns.

Sedan den introducerades första gången 2002, har IEEE 1584 fått en utbredd global användning för att utföra bedömningar av ljusbågsrisker.

Även om 2002 års upplaga ansågs vara en milstolpe, med tanke på många faktorer som implementerats som typ av utrustning, ledaravstånd, termisk ljusbågsenergins avståndsoberoende och mer, det fanns många ytterligare områden som behövdes adresseras i en framtida utgåva.

Ett område var att 2002 års upplaga bara baserades på ljusbågstester med elektroderna placerade i vertikal konfiguration som visas i bilden nedan.

Vad har ändrats eller snarare var har INTE ändrats²?

 

• Nya ekvationer
• Nya metoder
• Nya angreppssätt

Efter att ha analyserat uppåt 2000 tester har arbetsguppen för IEEE 1584 konstruerat en ny ljusbågsmodell. De empiriskt härledda formlerna i den nya modellen är betydligt mer exakta än de i dess föregångare.

- Fler konfigurationer på ledarna

• VCB - Vertikala elektroder i en kapsling / hölje (även i utgåva 2002)
             Vertical electrodes inside an enclosure
  
  
• VCBB -Vertikala elektroder som avslutas i en isolerande barriär i en kapsling     
              Vertical electrodes terminated in an insulating barrier inside an enclosure
  
  
• HCB - Horisontella elektroder i en kapsling        
             Horizontal electrodes inside an enclosure
  
  
• VOA - Vertikala elektroder i fria luften (även i utgåva 2002)
             Vertical electrodes in open air
  
  
• HOA: Horisontella elektroder i fria luften   
            Horizontal electrodes in open air

- Kontinuerligt spänningsområde

    Tidigare fanns ingen möjligheter för finjustering nu finns det tre spänningar (600, 2700 och 14300) där testerna är gjorda och mellan 

    208 V och 15 kV kan det interpoleras till önskad spänning.

- Fler tester

    Nästan 2000 är gjorda

- Enclosure size correction factor (Faktor för kapslingsstorlek)

    Storleken på kapslingen påverkar termiska ljusbågsenergin därför finns det nu en faktor för detta.

- Minimum arcing current adjustment

    Tidgare räknades ljusbågsströmmen bara om till 85 % för att ta höjd för föjderna vid en lägre ljusbågsström vilket bara gällde upp till

    1 kV. Nu finns det en evation med koffecienter för bättre noggranhet och den gäller hela späningsområdet.

- Ingen skillnad mellan jordade och ojordade system

- 2-sekunders reglen

   I tidigare version fanns en skrivning att om ljusbågsströmmen är så låg att frånkopplingstiden blir orimligt lång så är det rimligt att anta

   att personen kommer att rygga tillbaka eller "hoppa bakåt" och komma undan, vilket gör att feltiden maximers till 2 sekunder

Begränsningar för beräkningsmodellen:

* Spänning:

- 208 V - 15 kV, trefas

* Frekvens:

- 50 / 60 Hz

* Trefas stum kortslutningsström:

- 208V - 600V: 500A - 106kA

- 601V - 15kV: 200A - 65kA

* Avastånd mellan ledare:

- 208V - 600V: 6,33 - 76,2 mm

- 601V - 15kV: 19,05 - 254 mm

* Arbetsavstånd:

- Minsta arbetsavstånd: 305 mm

* Ljusbågsgräns:

- Ingen övre gräns över arbetsavståndet

* Felbortkopplingstid:

- Ingen gräns

* Utrustningskapslingar:

- allmänt tillgängliga storlekar

 

   Obs: Bredden på inneslutningen måste vara större än fyra gånger av avståndet mellan ledarna

Utdrag från Excell med beräkning enligt senaste IEEE 1584

Referenser

IEEE 1584-2018 - IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations

www.brainfiller.com

www.electropedia.org

https://www.procurator.net/sv-se/kunskap-utveckling/produktfakta/fakta-arbetsklaeder-skyddsklaeder/standarder-foer-skyddsklaeder/klaeder-foer-skydd-mot-termiska-risker-orsakade-av-ljusbaagar

Fristads kansas - pdf Flamskydd

https://www.textilia.se/blogg/ljusbagstestning-av-skyddsklader-sa-gar-det-till/

¹De flesta tolkar en brännskada som en skada på huden efter kontakt med eld eller värme. De kallas också brännsår. Brännskador förekommer också som följd av elskador, strålning och etsande kemikalier. Man skiljer mellan:

• Första gradens brännskada, huden är röd och smärtsam (motsvarar solsveda).
• Andra gradens brännskada, skadan är djupare och det bildas blåsor.
• Tredje gradens brännskada, vävnaden i hudens alla lager är död. I regel krävs hudtransplantation.

Den omedelbara behandlingen går ut på att begränsa skadan och förhindra att förbränningsgraden blir värre.

/netdoktor.se

²Jim Phillips, founder of BrainFiller.com, ArcFlashForum.com and also Vice-Chair of IEEE 1584 and International Chair of IEC TC78