Czym jest łuk elektryczny (arc flash) i dlaczego jest niebezpieczny?

Powiedzmy sobie szczerze: ryzyko zwarcia łukowego jest nadal powszechnie niedoceniane lub źle rozumiane. Kiedy ludzie słyszą termin „zagrożenie elektryczne”, myślą zazwyczaj wyłącznie o porażeniu prądem. Choć porażenie prądem jest niezaprzeczalnie niebezpieczne, wyładowanie łukowe stanowi zupełnie inne — i często bardziej niszczycielskie — zagrożenie. W przeciwieństwie do zagrożeń związanych z porażeniem prądem, wyładowanie łukowe może w ułamku sekundy uwolnić ogromną ilość energii, narażając pracowników na ekstremalne ciepło, ciśnienie wybuchu i stopiony metal. Dla każdego pracującego w branży elektrycznej, w zakresie konserwacji elektrycznej, bezpieczeństwa elektrycznego lub w pokrewnych dziedzinach, niezrozumienie lub zignorowanie niebezpieczeństwa od łuku elektrycznego może mieć poważne, a nawet śmiertelne konsekwencje.

Zagrożenia elektryczne są obecne w naszym codziennym życiu, dlatego niezbędna jest świadomość ich istnienia i podjęcie odpowiednich środków ostrożności, aby bezpiecznie wrócić do domu z pracy.

Celem tego artykułu jest wyjaśnienie, jak przebiega proces oceny ryzyka od łuk elektrycznego — od pierwszego pytania aż po naklejenie etykiety na drzwi rozdzielnicy. Zanim jednak przejdziemy do samego procesu, upewnijmy się, że wszyscy rozumieją, o co chodzi.

Zagrożenie vs ryzyko – kluczowe różnice

Terminy te mogą brzmieć podobnie, ale dla osób regularnie pracujących w sektorze elektrycznym kluczowa jest znajomość ich definicji.

Zagrożenie to poziom potencjalnego urazu — na przykład 33 cal/cm2 jako poziom potencjalnej energii zwarcia łukowego.

Ryzyko natomiast to wynik prawdopodobieństwa i poziomu zagrożenia powstałej w wyniku ekspozycji osoby na dane zagrożenie.

Rodzaje zagrożeń elektrycznych w miejscu pracy

Jeśli chodzi o zagrożenia elektryczne, lista jest dłuższa, niż mogłoby się wydawać. Poniżej
przedstawiono kilka przykładów:

• Porażenie prądem elektrycznym
• Zagrożenie poparzeniem od łuku elektrycznego
• Wybuch łuku elektrycznego (ciśnienie)
• Wyładowanie elektrostatyczne
• Pożary elektryczne
• Ekspozycja na pole elektromagnetyczne
• Wybuchy w strefach Ex
• Oparzenia od gorących powierzchni naelektryzowanych elementów
• Napięcie indukowane ( porażenie)
• Pożary i wybuchy akumulatorów DC

Większość szkoleń BHP skupia się na zagrożeniach związanych z porażeniem prądem. Wyładowaniu łukowemu poświęca się zazwyczaj zaledwie jeden slajd, ostrzeżenie na etykiecie bez istotnych informacji — czasem tylko ogólna naklejka — i temat jest zamknięty. To poważny błąd, ponieważ pod względem destrukcyjnego potencjału wyładowanie łukowe należy do zupełnie innej kategorii.

Oto liczby, które zwracają uwagę ludzi:

Arc flash: rzeczywiste ryzyko i realne koszty

Zwarcie łukowe to nie zwykłe zwarcie elektryczne, lecz gwałtowne zjawisko łuku elektrycznego — szybkie, niekontrolowane uwolnienie energii, przypominające bardziej eksplozję niż typowe zagrożenie elektryczne. W ciągu milisekund temperatura przekraczająca 19 000°C — około 15 razy wyższa niż temperatura lawy wulkanicznej — może odparować miedź i spowodować jej rozprężenie o kilkadziesiąt tysięcy razy w stosunku do pierwotnej objętości. To nagłe rozprężenie generuje potężne fale ciśnienia zdolne przewrócić pracowników i miotać stopionym metalem z ekstremalną prędkością, podczas gdy intensywne promieniowanie cieplne powoduje poważne oparzenia bez bezpośredniego kontaktu. Oślepiające światło, ogłuszający hałas oraz chmury rozgrzanych gazów i oparów metalu dodatkowo potęgują niebezpieczeństwo. W odróżnieniu od porażenia prądem, sama bliskość wystarczy, by doznać obrażeń — niedocenianie tego zjawiska oznacza przeoczenie jednego z najbardziej niszczycielskich zagrożeń w pracy elektrycznej.

A koszty to nie tylko ofiary ludzkie. Kilka przykładów z naszej rzeczywistości:

• OVH SBG1 — serwerownia we Strasbourgu, zwarcie łukowe w pomieszczeniu baterii UPS prowadzi do pożaru : strata 105 mln EUR
• Magazyn Ocado, Andover, Wielka Brytania — awaria ładowarki akumulatorów
  prowadzi do pożaru szkody 110 mln GBP + 132 tys. GBP kosztów gaszenia pożaru
• Katedra Notre-Dame — oficjalnie przypisywana awarii elektrycznej: 552 mln EUR
  kosztów odbudowy

Celem nie jest sianie strachu, lecz uświadomienie, że ten temat zasługuje na rzetelne
podejście.

Hierarchia środków kontroli w bezpieczeństwie elektrycznym

Hierarchia środków kontroli to ramy bezpieczeństwa stosowane w celu ograniczenia lub wyeliminowania narażenia na zagrożenia w miejscu pracy. Szereguje środki kontrolne od najbardziej do najmniej skutecznych, pomagając organizacjom priorytetyzować rozwiązania i działania.

Od najbardziej skutecznych do najmniej skutecznych:

• Identyfikacja: Pierwszym krokiem jest identyfikacja zagrożeń w miejscu pracy. Po rozpoznaniu zagrożeń elektrycznych kolejnym krokiem jest ich redukcja lub eliminacja poprzez środki inżynieryjne. Niemniej jednak stosowanie środków ochrony osobistej pozostaje obowiązkowe. Kluczowe pytanie brzmi: jak prawidłowo zrozumieć i wdrożyć ten proces w miejscu pracy.
• Eliminacja: Brak pracy pod napięciem. LOTO (Lockout/Tagout). Urządzenia do
  gaszenia łuku. Jeśli można odłączyć zasilanie — odłącz je. To zawsze preferowana
  opcja.
• Substytucja/redukcja: Niższe napięcie robocze. Rozdzielnice odporne na łuk
  elektryczny. Jeśli można zmienić system w celu zmniejszenia nieodłącznego
  zagrożenia, należy to zrobić na etapie projektowania.
• Rozwiązania techniczne: Fizyczne bariery. Zdalne sterowanie. Przestrzenne
  odizolowanie ludzi od zagrożenia. Rozwiązania, które działają niezależnie od
  zachowania człowieka.
• Świadomość: Etykiety ostrzegawcze wyładowania łukowego. Szkolenia. Pracownicy
  muszą wiedzieć o istnieniu zagrożenia i rozumieć znaczenie etykiet. Jest to
  konieczne, lecz niewystarczające samo w sobie.
• Kontrole administracyjne: Plany bezpieczeństwa elektrycznego. Instrukcje pracy.
  Pisemne procedury bezpiecznego wykonywania zadań.
• ŚOI (Środki Ochrony Indywidualnej): Prawidłowa odzież i wyposażenie o
  odporności łukowej dostosowane do obliczonej energii incydentu. Niezbędne, ale
  chroniące wyłącznie osobę już narażoną na zagrożenie.

Ocena zagrożenia łuku elektrycznego dostarcza informacji na wszystkich tych poziomach — nie tylko do doboru ŚOI.

Podsumowując, gdy pracodawca wdroży wszystkie elementy Hierarchii Środków Kontroli, poziom ryzyka może zostać znacznie ograniczony lub nawet wyeliminowany. W efekcie zadania wykonywane przez pracowników przechodzą od polegania na najmniej skutecznych środkach ochrony do stosowania najbardziej efektywnych i bezpiecznych rozwiązań, co prowadzi do istotnie bezpieczniejszego środowiska pracy.

Jak jest to rozumiane w miejscu pracy?

W praktyce wiele miejsc pracy zna ŚOI i kontrole administracyjne, ponieważ są łatwiejsze do wdrożenia. Jednak środki kontroli wyższego poziomu — takie jak eliminacja, redukcja i rozwiązania techniczne— są często niedoceniane lub pomijane ze względu na brak wiedzy, ograniczenia projektowe lub brak wczesnego planowania.

Czy ludzie o tym wiedzą?

Choć Hierarchia Środków Kontroli jest powszechnie uznawana w normach bezpieczeństwa i
wytycznych branżowych, nie wszyscy ją naprawdę rozumieją lub stosują prawidłowo. W
wielu przypadkach jest traktowana jako koncepcja teoretyczna, a nie praktyczne narzędzie
decyzyjne. Poprawa świadomości i zastosowania hierarchii jest niezbędna do skutecznego
zarządzania zagrożeniami elektrycznymi i nie tylko.

Kluczowe normy dotyczące arc flash (EN50110, NFPA 70E, IEEE 1584, OSHA)

W zakresie ochrony przed wyładowaniem łukowym niezbędna jest znajomość i stosowanie
odpowiednich norm. Poniżej wymieniono najważniejsze z nich:

Norma	Opis
EN50110	Bezpieczeństwo elektryczne w miejscu pracy (Europa)
NFPA 70E (2024)	Bezpieczeństwo elektryczne w miejscu pracy (USA)
IEEE 1584-2018	Przewodnik do obliczeń zagrożeń wyładowaniem łukowym dla Open Arc
IEEE 1584.1-2013	Przewodnik do specyfikacji obliczeń zagrożeń wyładowaniem łukowym
CSA Z462-2024	Bezpieczeństwo elektryczne w miejscu pracy (Kanada)
EPRI TR-2011	Metodologia analizy zagrożeń wyładowaniem łukowym >15kV
OSHA 1910.269 Załącznik E	Wytyczne prawne USA ochrona przed zagrożeniami eklektycznymi
DGUV 203-077	Dobór środków ochrony osobistej przed zagrożeniami łuku elektrycznego dla Box text Niemcy)

Ważne jest wyjaśnienie, że każdy kraj posiada własne normy. Ogólnie rzecz biorąc, niektóre
wymagania dotyczące limitów podejścia i stref ochronnych mogą się różnić w zależności od
przepisów krajowych; jednak metodologia obliczeń jest zazwyczaj tożsama lub oparta na
normie IEEE 1584-2018 lub DGUV203-077

Proces oceny zagrożenia od łuku elektrycznego (arc flash) wg MR Power
Systems

Oto jak przebiega prawidłowa ocena ryzyka wyładowania łukowego.

Krok 1: Twój ruch – kontakt

Przed rozpoczęciem jakiejkolwiek analizy lub wizyty w terenie niezbędne jest wyraźne zdefiniowanie i pełne zrozumienie zakresu. Wymaga to ścisłej współpracy z klientem w celu określenia wielkości projektu, zidentyfikowania obowiązujących norm oraz zebrania wszelkich kluczowych informacji niezbędnych do przygotowania dokładnej i efektywnej oferty.

Krok 2: Audyt i dane

Przed przeprowadzeniem audytu na obiekcie w celu zebrania danych należy zapoznać się z wszelkimi dostępnymi informacjami technicznymi i przygotować formularz zbierania danych. Podczas wizyty terenowej dane są zbierane w sposób dokładny, a jednocześnie przeprowadzany jest audyt instalacji pod kątem bezpieczeństwa elektrycznego. Wyniki są następnie dokumentowane w raporcie po wizycie który zawiera obserwacje, analizę i zalecenia dotyczące bezpieczeństwa mające na celu poprawę bezpieczeństwa w miejscu pracy. Nie wszystko wynika z obliczeń. Czasami są to proste sprawy jak brak osłon a czasami uszkodzenia instalacji.

Krok 3: Cyfrowy bliźniak

Opracowanie modelu sieci elektrycznej przy użyciu specjalistycznego oprogramowania dokładnie odzwierciedlającego jak wygląda i działa twoja instalacja elektryczna. To jest nasze zadanie, ale warto wiedzieć po co to robimy. Cyfryzacja pozwala na szybszą i powtarzalną pracę w dalszym etapie. Obniża też TCO (Total Cost of Ownership) na przestrzeni następnych 5 lat
lub dalszych modernizacji i w skrócie jest to bardzo przydatne narzędzie dla nas i dla ciebie.

Krok 4: Obliczenia i analizy

Tu się zaczyna techniczna część i w zależności od tego co ustaliliśmy na początku
przeprowadzamy dużo lub bardzo dużo obliczeń w różnym zakresie. Wszystko po to by dać
ci rzetelną odpowiedź na pytanie. To co jest nie tak ? I co ważniejsze co mamy zrobić,
żeby to poprawić. To jest chyba najważniejsza część, bo co z tego, że znasz już problem
jak nie wiesz co z tym zrobić dalej

Zazwyczaj obejmuje to :

• Analiza zwarciowa — IEC 60909 / ANSI
• Ocena instalacji i urządzeń
• Analiza selektywności
• Analiza arc flash

Krok 5: Raport – czyli coś dla ciebie

Raport końcowy zawiera bardzo wiele danych jak wyniki, tabele analityczne dla stanu istniejącego i zalecanego, różne warianty konfiguracji, zalecenia, dane modelu, schematy jednokreskowe oraz naklejki arc flash, skompilowane i dostarczone w odpowiednich formatach, takich jak Word, PDF i Excel.

W dużym skrócie sam raport w MR Power Systems jest tworzony tak żeby ilość danych nie przytłaczała a bardzo stanowiła techniczną pomoc/ W końcu liczy się efekt i możliwość praktycznego wdrożenia zaleceń a nie 600 stron raportu z nieskończonymi tabelkami których nikt i tak nie czyta (więc są, ale w tle).

Krok 6: Omówienie wyników

I to jest coś dla ciebie. Powiedziałbym, że jedno z ważniejszych spotkań, bo daje na chwilę na przekazanie technicznych wyników obliczeń na ludzki język. Tłumaczymy wyniki, skąd się biorą i co z nimi dalej zrobić. Niby wszystko jest w raporcie i dokumentacji, ale, po to jesteśmy specjalistami, żeby ułatwić ci zrozumienie całości, ustawienie priorytetów działań, czasami odradzanie niepotrzebnych modernizacji. W dużym skrócie omawiamy sytuację obecna i planujemy dalsze działania.

Krok 7: Szkolenie i bezpieczeństwo elektryczne

Naklejki informacyjne. W którymś momencie musza się pojawić. Jest jeden z prostszych
sposób komunikowani zagrożeń dla poszczególnych rozdzielnic. Wygląd i treść jest zależna
od wytycznych, ale mają one wspólny cel – dać prostą informację o zagrożeniu

Krok 8 Szkolenie i bezpieczeństwo elektryczne

Szkolenie z zakresu bezpieczeństwa elektrycznego jest ważne. Forma jest elastyczna, on line czy on-site. Preferowane jest u klienta na obiekcie. Obejmuje wstęp do zagrożeń elektrycznych, wyjaśnienie konsekwencji wypadków, pierwsza pomoc, prawidłowy dobór i użytkowanie środków ochrony osobistej (ŚOI), identyfikację zagrożeń oraz czytanie etykiet informacyjnych. Samo szkolenie ma prosty cel – zrozumienie nowego tematu łuku elektrycznego. Ma ono też różne poziomy – czasami dedykowane jest dla działu BHP, kadry zarządzającej czy osób nie pracujących na co dzień z instalacjami elektrycznymi.

Krok 9: Czy to koniec ?

Nie. To dopiero początek, ale większość prac mamy już za sobą. Teraz pracujmy nad tym,
żeby utrzymać stan wiedzy i aktualną dokumentację. Co 5 lat maksymalnie należy odnawiać
oceną, ale po to mamy cyfrowy model, żeby było nam wszystkim łatwiej i taniej.

Dlaczego przegląd wyników jest ważny?

Zgodnie z normą IEEE 1584.1, raport z analizy ryzyka zwarcia łukowego powinien zawierać rekomendacje. Oznacza to, że należy ocenić projekt, wdrożyć zalecenia i ponownie wykonać obliczenia. Fizycznie powinno to stanowić osobny rozdział w raporcie, tak aby klient końcowy mógł zobaczyć wpływ zaproponowanych ulepszeń. Czasami ulepszenia w jednym obszarze mogą negatywnie wpłynąć na inne części instalacji – szczególnie gdy system zawiera wiele nieselektywnych zabezpieczeń.

Przegląd wyników robimy dlatego, że chcemy poprawić bezpieczeństwo i efektywność, a to możliwe tylko wtedy, gdy przedstawimy realne i praktyczne zalecenia.

Tak naprawdę „Krok 9” to ciągła aktywność w projekcie. Przegląd wyników obejmuje:

• Sprawdzenie jakości danych i błędów obliczeniowych
• Wskazanie miejsc o wysokiej energii łuku
• Identyfikację urządzeń z niewystarczającą odpornością zwarciową
• Wykrycie nieselektywnych ustawień zabezpieczeń
• Określenie najgorszych scenariuszy i ich kombinacji

Co dalej?

Po wykonaniu przeglądu należy przeanalizować wyniki analizy łuku i koordynację zabezpieczeń oraz ocenić możliwości poprawy. To moment, w którym projekt staje się bardziej złożony, ponieważ możliwych rozwiązań jest wiele i zależą one od:

• Poziomu ryzyka, który chcemy osiągnąć (zero ryzyka, podejście rozsądne, budżetowe)
• Zakresu prac ustalonego w kontrakcie,
• Technicznych i finansowych możliwości klienta.

Warto w tym momencie zorganizować spotkanie techniczne z klientem, jeśli wcześniej nie zostało to omówione. Aby poprawić sytuację, możemy zastosować różne techniki łagodzenia
i eliminacji łuku elektrycznego. Zwykle zależy to od początkowych wyników energii zdarzenia
i kombinacji rozwiązań wymienionych poniżej. Wszystko to powinno być ściśle omówione z klientem.

Jakie są możliwe rozwiązania?

Najczęstsze metody redukcji energii zwarcia łukowego:

• Zmiana ustawień zabezpieczeń – ważny krok, ale wymaga kompromisu z selektywnością.
• Wymiana wyłączników na nowsze z cyfrowym członem wyzwalającym.
• Modernizacja rozdzielnic nN – np. na formy o wyższej klasie separacji lub odporności łukowej.
• Instalacja systemu wykrywania łuku optycznego.
• Zastosowanie urządzeń gaszących łuk (Arc Quenching).
• ZSI (Zone Selective Interlock) dla wyłączników nN.
• Funkcja ARMS (Arc Flash Maintenance Switch) – dodatkowa funkcjonalność niektórych wyzwalaczy wyłączników niskiego napięcia, proste rozwiązanie z odpowiednim wyzwalaczem.
• Dławiki ograniczające prąd zwarciowy (CLR) – specyficzne tematy, ponieważ może to poprawić lub pogorszyć redukcję prądu zwarciowego.
• Programowalny przełącznik serwisowy dla przekaźników SN — wersja SN ARMS zaprogramowana w przekaźniku z niewielkim okablowaniem potrzebnym do aktywacji przez SCADA, przełącznik LOTO itp.

Ile to trwa i jak wygląda wdrożenie?

Przygotowanie zaleceń wymaga czasu, ale jest to czas dobrze wykorzystany. Zgodnie z zaleceniami IEEE 1584.1, powinno to być częścią każdego badania łuku elektrycznego.
Gdy mamy już raport z informacjami, co należy zrobić, musimy wdrożyć go w zakładzie. Proces doskonalenia może zająć tygodnie, miesiące, a nawet ponad rok, ponieważ zależy to od wielkości obiektu.  Ponieważ proces ten może trochę potrwać, dobrze jest już teraz wykorzystać nasze „istniejące” wyniki i zainstalować etykiety oraz dopasować ŚOI na ich podstawie.
Aktualizacje lub zmiany ustawień urządzeń ochronnych powinny być wykonywane dokładnie tak, jak zaproponowano w raporcie. W przeciwnym razie możemy uzyskać z obliczeń inne wyniki niż w rzeczywistej sytuacji.  Każda zmiana powinna zostać odnotowana i oceniona jako część dokumentacji „powykonawczej”, wszelkie zmiany powinny zostać zaimplementowane w modelu, a wyniki zaktualizowane.

Co oznacza „stan istniejący”?

Ten krok kończy pierwszą część analizy łuku elektrycznego. Nazywany jest „stanem istniejącym” lub „stanem wykonanym”, ponieważ dostarcza informacji o energiach łuku i granicach strefy łuku w aktualnym stanie instalacji – bez wprowadzonych ulepszeń. Identyfikacja stanu istniejącego jest ważna, ponieważ:

• pozwala właścicielowi instalacji szybko zareagować i wdrożyć tymczasowe środki ochrony, jeśli istnieje zagrożenie dla personelu
• wdrożenie zaleceń może zająć dużo czasu (nawet lata), w zależności od wielkości obiektu – wyniki analizy będą wtedy służyć jako punkt odniesienia
• stanowią bazę porównawczą do późniejszych wyników i zaleceń modernizacyjnych

Jakimi normami się kierować?

Mamy już przygotowany model bazowy – teraz należy dodać dane i parametry dotyczące łuku elektrycznego. Warto zaznaczyć, że skupiamy się na obliczeniach energii wyładowania łukowego, a nie na tzw. metodzie tabelarycznej (zob. NFPA 70E). Możliwe normy i dokumenty odniesienia:

• IEEE 1584 – 2018 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations – standard globalny
• DGUV Information 203-077 (Niemcy) 

Dla klientów europejskich oraz instalacji na terenie Europy zaleca się także stosowanie norm EN/IEC/CENELEC/VDE/BS, aby dostosować wyniki do wytycznych IEC, m.in.:

• IEC 60909 – Prądy zwarciowe w trójfazowych systemach prądu przemiennego – Część 0: Obliczanie prądów
• IEC 61660 – Prądy zwarciowe w instalacjach prądu stałego w elektrowniach i stacjach – Część 1: Obliczanie
• IEC 60076 – Transformatory mocy – Część 1: Postanowienia ogólne
• IEC 61439 – Rozdzielnice niskonapięciowe – Część 1: Zasady ogólne
• IEC 62271 – Rozdzielnice wysokiego napięcia
• Lokalne wytyczne w zakresie zabezpieczeń (jeśli obowiązują)
• IEC 60364 – wybrane części
• BS 7671 – 18. wydanie „IET Wiring Regulations”
• NEN 3140/3840
• Seria VDE 0100
• Itp. 

Czym jest łuk elektryczny?

Celem jest określenie energii wyładowania łukowego dla modelowanej instalacji. Piszę „modelowanej”, ponieważ zakres prac może obejmować tylko część całego systemu. Najgroźniejszym skutkiem wyładowania łukowego są ogromne temperatury – sięgające nawet 19 000 °C. I to właśnie stanowi istotę analizy łuku elektrycznego: określić ile energii może się wydzielić i zaplanować odpowiednie środki ochrony życia – z wyprzedzeniem i we właściwy sposób.

Kilka słów o obliczeniach

W większości przypadków obliczenia są wykonywane wg normy IEEE 1584-2018, jednak w zależności od poziomu napięcia, rodzaju zasilania (AC czy DC), warto skorzystać również z dokumentów wskazanych w NFPA 70E, opracowań IEEE 1584, równań wg EPRI, ArcPro oraz tabel OSHA. Tym zagadnieniem zajmiemy się w kolejnych artykułach.

Jak przedstawić wyniki?

Mamy już wyniki analizy łuku dla modelu instalacji w stanie istniejącym. Jak je zaprezentować? Jak je skomentować? Aby utrzymać wysoką jakość opracowania, zaleca się choćby krótkie wyjaśnienie wyników. To techniczny pomost między stanem istniejącym a przyszłymi zaleceniami modernizacyjnymi. W zależności od użytego oprogramowania lub narzędzi przetwarzających dane, wyniki można przedstawić na wiele sposobów. Moje rekomendacje – czytelne i proste formy prezentacji:

• Schemat jednokreskowy (SLD) – z naniesionymi wynikami analizy łuku:
  np. energia incydentu (cal/cm²), granica AF i/lub numer etykiety (PDF, DWG)
• Tabela łuku elektrycznego (Arc Flash Table) – podsumowanie wszystkich wyników w najgorszym scenariuszu lub per scenariusz, jeśli jest to wymagane
• Kolorystyczne kodowanie wyników – szczególnie polecane na SLD i w tabelach:
  pozwala szybko zlokalizować miejsca o wyższej energii (zaleca się stosowanie schematów zgodnych z NFPA 70E)

Przykłady: 

Na czym polega ocena odporności prądowej urządzeń?

Ocena urządzeń (ang. Equipment Evaluation), nazywana również doborem urządzeń lub weryfikacją odporności prądowej, opiera się na wynikach analizy zwarciowej. Sprawdza się w niej, czy znamionowa wytrzymałość zwarciowa urządzeń elektrycznych jest wystarczająco wysoka w porównaniu do obliczonych prądów zwarciowych. Takie obliczenia powinny być standardowo wykonywane już na etapie projektowania, jednak w istniejących instalacjach zaleca się ich ponowną weryfikację – szczególnie jeśli brak jest dokumentacji projektowej.

Dlaczego to jest ważne?

Prawidłowy dobór urządzeń jest kluczowy dla bezpiecznej pracy instalacji – zarówno w warunkach normalnych, jak i awaryjnych. Kable, rozdzielnice, wyłączniki i transformatory są projektowane do wytrzymania określonych wartości prądu zwarciowego przez ustalony czas. Na przykład dla wyłączników bardzo istotne jest, aby mogły one wytrzymać obciążenie zwarciowe bez uszkodzenia – w przeciwnym razie może dojść do ich awarii, co zagraża zarówno ludziom, jak i pozostałej części instalacji.

Jaki to ma związek z analizą łuku elektrycznego?

Ocena odporności urządzeń jest zalecanym krokiem w normie IEEE 1584. Niezależnie od tego, odporność urządzeń wskazuje, jak zachowają się one podczas zwarć oraz w normalnym trybie pracy. Przeciążenia długotrwałe lub naprężenia dynamiczne mogą prowadzić do ich uszkodzenia i pogorszenia funkcjonowania – czego skutkiem może być m.in. fałszywe wyzwalanie, brak wyzwolenia, uszkodzenia termiczne czy nawet pożar. Dla doświadczonych inżynierów zazwyczaj łatwo jest wskazać scenariusz najgorszego przypadku spośród kilku analizowanych.

Przykład

Rozdzielnica niskiego napięcia o parametrach 2000 A, 50 kA/1s, 105 kA wartości szczytowej.
Jeśli nie znamy wartości szczytowej (peak), warto sprawdzić Tablicę 7 z normy IEC 61439.

Obliczono dwie wartości w dwóch scenariuszach:

• Ik” ≈ Ith = 46,45 kA, Ip = 100,5 kA – wynik znajduje się na granicy dopuszczalnej wartości, ale może zostać zaakceptowany. Zaleca się jednak zachowanie marginesu bezpieczeństwa 5–10%.
• Ik” ≈ Ith = 53,38 kA, Ip = 119,44 kA – parametry rozdzielnicy są niewystarczające i należy dobrać rozdzielnicę o wyższej odporności zwarciowej albo ponownie zweryfikować dane wejściowe do obliczeń.

Norma IEC 60909 jasno wskazuje, jakie wartości należy porównywać dla różnych urządzeń: 

Przykład tabeli oceny urządzeń przy użyciu SKM Power Tools

Poniżej przykład podsumowania oceny rozdzielnic i tablic rozdzielczych, wykonany przy użyciu SKM Power Tools. Dla innych programów (ETAP, CYME, EasyPower, DigSilent) wyniki mogą się różnić graficznie, ale kluczowe dane techniczne powinny być zbliżone. Taka analiza daje bardzo dobrą orientację i wskazuje potencjalne problemy z doborem urządzeń.

Na co jeszcze zwrócić uwagę?

W szczególnych przypadkach konieczna może być weryfikacja współczynnika X/R lub stałej czasowej sieci, szczególnie w przypadku lokalnych źródeł zasilania (generatory, UPS-y, odnawialne źródła energii, magazyny energii). Ma to szczególne znaczenie w instalacjach morskich i offshore. Wszystkie te źródła należy odpowiednio uwzględnić w obliczeniach.

Czym jest analiza selektywności zabezpieczeń?

Analiza selektywności zabezpieczeń (ang. Selectivity Analysis) znana również jako Koordynacja Urządzeń Ochronnych (ang. Protective Device Coordination – PDC), Studia Selektywności lub Studia Dyskryminacji, to obowiązkowa analiza przy nowych instalacjach elektrycznych, a także przy modernizacjach, remontach lub dużych zmianach w istniejących systemach. Koordynacja urządzeń ochronnych polega na właściwym doborze i ustawieniu zabezpieczeń tak, aby izolować tylko uszkodzoną gałąź lub miejsce awarii. Jeśli analiza zostanie przeprowadzona poprawnie, ograniczy to uszkodzenia samej instalacji oraz podłączonych urządzeń. Kluczowym elementem analizy selektywności jest eliminacja zwarcia jak najbliżej jego źródła, bez wpływu na działanie reszty systemu.

Dlaczego jest ważna?

Nieselektywne zabezpieczenia mogą zwiększać uszkodzenia urządzeń, wydłużać przestoje oraz generować dodatkowe koszty. W skrajnych przypadkach mogą prowadzić do sytuacji niebezpiecznych, takich jak pożar, zagrożenie porażeniem prądem, automatyczne odłączenie zasilania czy nawet zwarcie łukowe. Czasem zabezpieczenia mogą w ogóle nie zareagować, co oczywiście jest niepożądane.

Jaki jest związek z analizą zwarć łukowych?

Obliczenia dotyczące zwarć łukowych wymagają określenia czasu wyzwalania urządzeń ochronnych. W poprzednich krokach zamodelowaliśmy wszystkie niezbędne urządzenia ochronne, takie jak:

• Bezpieczniki niskiego napięcia (LV)
• Wyłączniki niskiego napięcia (ACB, MCCB, MCB)
• Wyłączniki średniego napięcia (MV) z przekaźnikami ochronnymi (elektromechaniczne, cyfrowe)
• Bezpieczniki średniego napięcia (MV)
• Specjalne systemy ochronne (np. zabezpieczenia różnicowe, detekcja łuku optycznego, urządzenia tłumiące łuk, przełączniki konserwacyjne redukujące ryzyko zwarcia łukowego)

Wymagania dotyczące selektywności i analizy zwarć łukowych są często sprzeczne, co wymaga kompromisu. Aby zmniejszyć energię zwarcia łukowego, czas wyzwalania powinien być jak najkrótszy (szybsze wyzwalanie). Z kolei wymogi selektywności nakazują wydłużenie czasu wyzwalania (wolniejsze wyzwalanie). Istnieją rozwiązania sprzętowe, które mogą rozwiązać ten problem, ale nie zawsze są one dostępne lub opłacalne (ze względu na koszty, możliwość modernizacji lub problemy techniczne).

Analiza selektywności a zwarcia łukowe

Sama analiza zwarć łukowych nie wymaga selektywności systemu, jednak przeprowadzenie takiej analizy jest bardzo przydatne. Ten krok jest istotny, ponieważ pozwala na opracowanie dedykowanych rekomendacji dotyczących poprawy selektywności i zwarć łukowych. Koordynacja urządzeń ochronnych to szeroki temat i często jest pomijana podczas analizy zwarć łukowych, co prowadzi do identyfikacji jedynie obecnej sytuacji, zamiast skupienia się na możliwych ulepszeniach.

Aby zrobić to dobrze, należy zidentyfikować problemy w systemie, takie jak:

• Nieprawidłowe ustawienia urządzeń ochronnych
• Obszary bez selektywności
• Niewystarczająca ochrona urządzeń, takich jak kable, transformatory, rozdzielnice i silniki

Najlepszą metodą jest podzielenie analizy na dwa etapy:

• Pierwszy etap to dostarczenie informacji o stanie obecnym
• Drugim etapem jest opracowanie rekomendacji dotyczących poprawy selektywności i zwarć łukowych

Porównanie istniejącej i zalecanej selektywności:

Wnioski i uwagi:

W przypadku transformatora analiza koordynacji zabezpieczeń wykazała, że obecna konfiguracja wykazuje częściową selektywność, a przekaźniki średniego napięcia są ustawione z czasem wyzwalania stałym, co jest powszechną praktyką.
Kluczowe problemy:

• Nakładanie się ustawień przeciążeniowych LV i MV może prowadzić do niepotrzebnego wyzwalania po stronie MV, co dezaktywuje cały system, utrudniając dostęp do stacji MV.
• Kable transformatorowe po stronie MV i LV nie są odpowiednio chronione przed prądami zwarciowymi.
• Ochrona zwarciowa transformatora może zostać poprawiona zarówno dla zwarć pierwotnych, jak i wtórnych.
• Wyniki analizy zwarcia łukowego dla rozdzielnic 11 kV i 415V można poprawić.

Podsumowanie

Komponent	Istniejący poziom energii oddziaływania cal/cm2	Zalecany poziom energii oddziaływania cal/cm2
BUS-11kV	18.2	6.18
BUS-LV 415V	11.1	2.4

 
W niektórych przypadkach osiągnięcie kompromisu między selektywnością a bezpieczeństwem łukowym jest konieczne. Obecnie coraz częściej stosuje się rozwiązania oparte na komunikacji, schematy blokad oraz przełączniki konserwacyjne zmniejszające ryzyko zwarcia łukowego.

Scenariusze zwarć

Gdy nasz model jest już gotowy, możemy tworzyć scenariusze zwarć. To zależy od systemu, ale najczęściej w Europie będziemy używać IEC 60909 lub lokalnych wersji zharmonizowanych. Ponieważ wiemy, że koncentrujemy się na analizie łuku elektrycznego, ocenie sprzętu i koordynacji nastaw zabezpieczeń, potrzebujemy więcej niż jednego scenariusza.

W przypadku prostego systemu przemysłowego będzie to wymagało stworzenia co najmniej dwóch scenariuszy:

• Minimalny prąd zwarciowy (media, min moc zwarciowa, brak silników itp.)
• Maksymalny prąd zwarciowy (wkład silników, C=max itp.)

W przypadku złożonych systemów potrzebnych jest wiele scenariuszy ze względu na możliwą konfigurację systemu. Obejmuje to:

• Równoległa praca źródła (fotowoltaika, generator, media)
• Transformatory równoległe (zamknięty lub otwarty wyłącznik ściągowy)
• Obsługa pierścienia SN (otwarta lub zamknięta)
• Wkład silnika (duże silniki modelowane oddzielnie, VFD z obejściem itp.)
• Tryb generatora (praca awaryjna, praca normalna)
• Tryb UPS (obejściowy lub normalny)
• Konfiguracje specyficzne dla systemu (wyłączniki otwarte, zamknięte, tryby laboratorium testowego itp.)

Wyniki zwarcia zależą od wszystkich tych czynników. Dodatkowo ma to znaczenie, czy obliczymy usterkę w pobliżu lub daleko od generatora, na który wpływa zanik prądu przemiennego. Reprezentacja IEC 60909 daje jasny przegląd tego zachowania.

Analiza zwarć zostanie wykorzystana do identyfikacji najgorszych przypadków. Oznacza to minimalne i maksymalne prądy zwarciowe. Wyniki tego badania zostaną wykorzystane do dalszych obliczeń, dlatego ważne jest, aby je zweryfikować.

Jak mogą wyglądać wyniki?

Można je podsumować w tabeli, co pomaga znaleźć właściwe dane. Dodatkowo fajnie jest pokazać częściowe wyniki na schemacie jednokreskowym (zachowaj jego czytelność). Poniżej kilka przykładów:

Jak wspomniano wcześniej, może się zdarzyć, że zakres prac obejmuje część sieci, a reszta nie jest uwzględniona. Chociaż jest to w pełni zrozumiałe z punktu widzenia kosztów, może mieć duży wpływ na wyniki końcowe. Ponieważ szukamy prądu zwarciowego, który doprowadzi do (zazwyczaj) najdłuższych czasów wyzwalania i najwyższej energii padania, ważne jest, aby nie być zbyt konserwatywnym. Zawężenie analizy do części instalacji może skończyć się nierealistycznymi wynikami i nadmiarem/zaniżoną rozmiarem środków ochrony indywidualnej, co prowadzi do błędnych wniosków i kosztownych zaleceń. To jest coś, czego chcielibyśmy uniknąć.

W jaki sposób wykorzystujemy wyniki zwarć?

• Ocena sprzętu wykorzysta maksymalne wyniki zwarć do porównania wytrzymałości urządzeń, takich jak, rozdzielnice, wyłączniki, transformatory, itp.
• Koordynacja nastaw zabezpieczeń (analiza selektywności) wymaga zarówno maksymalnych, jak i minimalnych, czasami specyficznych dla scenariusza wyników dla obliczeń ustawień ochrony
• Analiza łuku elektrycznego wymaga kombinacji najgorszego przypadku (min., maks. itp.) w odniesieniu do schematu ochrony

Wracając do częściowego obliczania zwarć: Jest to specyficzne dla danego miejsca i wymaga rekomendacji inżyniera systemu elektroenergetycznego dla każdego projektu, aby było prawidłowe (patrz omówienie zakresu prac).

Dane zwarciowe – typowe problemy

Typical situations: 

• Mamy poprzednie obliczenia zwarciowe, ale brakuje w nim minimalnych wartości maksymalnych i było zbyt ogólne, brakowało źródeł zwarcia, zwłaszcza generatorów i silników
• Nie mamy badań, ale nasz zakres prac jest ograniczony, więc duża część systemu nie zostanie uwzględniona w badaniu zwarć  
• Brak danych transformatora głównego lub trudne do uzyskania (to samo dotyczy danych użytkowych) 
• Topologia pierścieniowa z wieloma ścieżkami zwarciowymi (dla dużych obiektów)
• Równoległe operacje dla mediów i innych źródeł (sytuacja dla części modelowania systemu).

Tworzenie modelu sieci w praktyce

Ten krok  jest rozpoczęciem pracy na modelu odwzorowującym parametry sieci elektrycznej (digital twin). Obecnie do tego typu zadań używamy wyspecjalizowanego oprogramowania do analiz systemów elektrycznych. Najbardziej popularne są SKM, ETAP, Digsilent, CYME i inne. Obliczenia mogą być wykonane ręcznie lub z użyciem arkuszu Excel, ale nie będzie to wydajne oraz ograniczy możliwości techniczne.  Przy tym należy pamiętać, że są to tylko narzędzia, a efekt wyjściowy zależy od danych wejściowych. Poprawne modelowanie jest bardzo ważne. 

Samo modelowanie wymaga określenia pewnych obszarów: 

• Topologia sieci oraz konfiguracje pracy 
• Dane zwarciowe dla punktu przyłączenia 
• Dane elementów modelowanej sieci 
• Konfiguracja elektrod oraz wymiary rozdzielnic 
• Scenariusze pracy sieci 
• Założenia 

Topologia sieci i zakres prac 

Zebraliśmy potrzebne dane i możemy zacząć przygotowywać model. Sposób przygotowania może się różnić pomiędzy oprogramowaniem, ale wspólną cechą jest odwzorowanie systemu elektrycznego jako bazy do modyfikacji i rekomendacji. W kroku 1 nie bez powodu skupiliśmy się na zakresie pracy. Możemy analizować: 

• Kompletną sieć (w znaczeniu elektrycznym) 
• Tylko wybrany fragment 

Analiza całości sieci elektrycznej pozwala na stworzenie  różnych wariantów pracy sieci  (scenariuszy)  oraz określenia dla nich prądów zwarciowych (min, max Generator, Emergency, itd.)  W przypadku analizy fragmentu sieci dane trzeba dobrze zastanowić się nad precyzyjnymi danymi zwarciowymi dla wybranego fragmentu. Dlaczego jest to ważne ? Ponieważ bardzo często w analizach zwarciowych skupiamy się na wartościach maksymalnych (np. dobór aparatury). W przypadku zwarć łukowych największy prąd zwarciowy nie zawsze prowadzi, a właściwie rzadziej niż częściej,  do najwyższych energii (czyt. najgorszych wyników). 

Scenariusze pracy 

Kiedy mamy już gotowy model, skupiamy się nad dobraniem konfiguracji sieci, odwzorowaniem scenariuszy pracy, wybraniem właściwych standardów do obliczeń oraz sparametryzowaniem ich. Oprogramowanie nie zrobi za nas wszystkiego  i może być użyte dobrze lub źle. Większość analiz wykonujemy bazując na IEEE 1584. Dla rynku EU wypada dokonać kilku modyfikacji: 

• Metoda analizy prądów zwarciowych wg. IEC 60909 
• Dystanse między szynami wg. IEC 61439 lub IEC 62271-1   
• Odległość pracy pozostaje wg. IEEE 1584  (można dostosować do EN 50110, ale nie ma bezpośrednio takiej potrzeby)

Scenariusze pracy systemu

Nasz bazowy model jest gotowy i czas stworzyć kilka scenariuszy pracy systemu, aby znaleźć ten, który prowadzi do najgorszych wyników.

Najważniejszym elementem poza samą analizą jest rozszerzenie jej o konkretne rekomendacje
i możliwości poprawy bezpieczeństwa, ale także innych elementów pracy sieci. W tym celu będziemy weryfikować  kilka obszarów:

• Wyniki analiz zwarciowych (wytrzymałość zwarciowa aparatury i rozdzielnic) 
• Koordynacja nastaw zabezpieczeń (poprawności i selektywność nastaw) 
• Analiza zwarć łukowych (poprawa bezpieczeństwa) 
• *Analiza rozpływu mocy/prądów (jeśli ujęta) 

Dodatkowo, w zależności od rodzaju sieci i elementów możemy uwzględnić: 

• Systemy magazynów energii (akumulatory) 
• Układy OZE (PV, Wind etc.) 
• Systemu UPS, RUPS, DRUPS  
• Dławiki zwarciowe 
• Układy pracy równoległej (transformatory, generatory itd.)  
• Dodatkowe typy zabezpieczeń, np. łukoochronne optyczne, ARMS, ZSI, urządzenia gaszące łuk, zabezpieczenie różnicowe, itd.

Elementy sieci i konfiguracja  

Dane uzyskane podczas wizyty na obiekcie, dokumentacja i pozostałe informacje muszą być skrupulatnie wprowadzone do stworzonego cyfrowego modelu sieci elektrycznej. Czasami wiąże się to z weryfikacją dostępnych modeli w bazie oprogramowania i wychwycenie drobnych błędów lub nieścisłości. Do tych elementów przykładamy różną wagę. Najpewniejszym rozwiązaniem jest wykorzystać dane zweryfikowane na obiekcie zwłaszcza jeśli mówimy o nastawach zabezpieczeń. 

Założenia do projektu 

Z mojego doświadczenia założenia są trudne do uniknięcia, ale powinny być ograniczone do minimum. Dzieje się tak, ponieważ często zbyt długo trwa zdobycie informacji ze względu: 

• Brak współpracy ze strony operatora sieci dystrybucyjnej  
• Braku dostępu ze względu na działający proces (czasami może to trwać kilka miesięcy do planowanego postoju) 
• Ograniczony dostęp (podstacja SN obsługiwane przez firmę zewnętrzną) 
• Stara aparatura (brak DTR, instrukcji, danych)

W oparciu o wiedzę i doświadczenie można dokonać rozsądnych założeń. Konieczne jest, by wszystkie założenia były jasno zawarte w projekcie, a doświadczony inżynier musi oszacować ich wpływ na obliczenia. Dla każdego projektu temat ten jest mocno indywidualny, natomiast można wyszczególnić kilka najczęściej pojawiających się obszarów: 

• Poszczególne dane transformatora (napięcie zwarcia, typ, itd.) 
• Zamienniki bezpieczników i charakterystyki 
• Stare wyłączniki (ACB, MCCB, itd.) 
• Moc zwarciowa w punkcie przyłączenia (w zależności od konfiguracji może mieć znikomy efekt)
• Dane silników elektrycznych  
• Dane znamionowe rozdzielnic elektrycznych (np. zwarciowe)    
• Długości i typ przewodów (przyjęcie gorszego wariantu).

Zbieranie danych do analizy zwarć łukowych

Każda analiza wymaga danych wejściowych, i także tu nie jest inaczej. W przypadku analizy zwarć łukowych chcemy, aby nasze dane były możliwie  precyzyjne. Dlaczego? Ponieważ w tym przypadku najgorszym wariantem niekoniecznie będzie ten z najwyższym napięciem lub  największym prądem zwarciowym.  Bardzo często największe energie łuku zwarciowego są właśnie w rozdzielniach 400 V, a nie jak często mylnie się zgaduje w sieci 15 kV. Powoduje to często bagatelizowanie bezpieczeństwa prac elektrycznych w sieciach 400 V. 

Ważne czynniki podczas zbierania danych

Podczas wizyty na obiekcie i zbierania danych ważne jest, aby być możliwie dokładnym. Bardzo często dane z dokumentacji trzeba skonfrontować z tym co znajdziemy w rozdzielni. Często pojawiają się rozbieżności, na które nie możemy sobie pozwolić na tym etapie. Z uwagi na charakter pracy jest kilka czynników, które przemawiają, aby ten ważny etap wykonywał nie klient, ale firma, przygotowując analizę, są to:   

• Brak wiedzy technicznej po stronie klienta (nie jest wymagana, ale wpływa na dokumentację i przekazywane dane) 
• Brak lub ograniczona ilość dokumentacji  
• Brak czasu i wykwalifikowanych ludzi do wsparcia procesu po stronie klienta 
• Niezależna firma zewnętrzna vs pracownik firmy (czasami odpowiedzialny za nieaktualne dane) 

Co wpływa na czas trwania wizyty?

Każda instalacja jest inna i każda wizyta trochę się od siebie różni. Typowe czynniki, które mają wpływ: 

• Rodzaj instalacji, sektor przemysłu, np. zakład chemiczny, oil & gas, produkcja przemysłowa, automotive, koksownie, huty, PV & WIND, offshore, kopalnie 
• Wielkość instalacji i zakres AC, DC, SN, nN
• Dostępna dokumentacja 
• Lokalne wsparcie (wykwalifikowany elektryk, inżynier, itp.) 

Kto Powinien Zbierać Dane? Uprawnienia SEP
i Bezpieczeństwo Pracy

Prace te nie są bezpośrednio kwalifikowane, ale można przyjąć, ze względu na ich charakter jako bardzo podobne jak skanowanie podczerwienią. Mówimy tu o instalacjach najczęściej 400 V i 15 kV, a to wymaga osoby przeszkolonej (elektryk lub inżynier) z minimum uprawnień
SEP E w podanym zakresie. Bardzo często wymagany jest dostęp do podstacji, rozdzielnic, zabezpieczeń oraz  wymusza to zdejmowanie osłon, itd. Dobrze jest rozpocząć proces
od spotkania: 

• Wprowadzenie dla zespołu co będziemy robić 
• Skompletowanie pozwoleń jeśli są wymagane  
• Skompletowanie ŚOI stosowanych na zakładzie + środki łukochronne 
• Zapoznanie się z wytycznymi BHP dla danego zakładu 

Jakie dane będą nam potrzebne? 

Dużo z tego zależy od obiektu i instalacji, ale możemy wymienić ogólnie listę typowych elementów w sieci elektrycznej, które nas interesują. Najczęściej potrzebujemy informacji o: 

• Konfiguracji systemu i wariantach pracy  (praca normalna, zasilanie z generatora, zasilanie awaryjne itd.) 
• Dane zwarciowe z sieci dla punktu przyłączenia (często jest ujęte w projekcie wykonawczym)  
• Dane nastaw zabezpieczeń nadprądowych, różnicowych, itd. 
• Dokumentacja dla starej aparatury (DTR, katalogi, instrukcje) 
• Schematy elektryczne bez względu na formę (stare, nowe, cad, zdjęcia, pdf itd.) 
• Dane rozdzielnic (wymiary, dane znamionowe, dane zwarciowe)
• Dane przewodów typ, długość, przekrój, ilość na fazę
• Dane znamionowe generatorów
• Dane znamionowe transformatorów (aktualne nastawy)
• Silniki elektryczne  >37 kW  i rodzaj startu (VFD, Softstart, DOL) 
• Typy i nastawy zabezpieczeń SN (typ zabezpieczenia, przekładniki prądowe)  
• Typy i nastawy wyłączników nN 
• Dane bezpieczników nN i SN 

Dodatkowe dane do analizy systemów AC i DC
w niektórych przypadkach

• Rodzaj uziemienia sieci  (dla analizy zwarciowej i analizy nastaw zabezpieczeń) 
• Dane systemów magazynowania energii (BESS), akumulatory 
• OZE Fotowoltaika – moc, schemat, rodzaj inwertera i zabezpieczeń DC 
• OZE Elektrownia wiatrowa: dane generatora, topologia, dane konwertera etc. 
• Sieci DC do 1000 V – wymiary, dane zabezpieczeń, aparatura, przewody etc. 
• UPS:  konfiguracja, układy pracy, moc, zabezpieczenia

Przykład podsumowania zebranych danych

Zebrane dane zostaną użyte w  modelowaniu systemu. Dla dużych sieci lub kiedy to klient sam dostarcza dane, dobrze jest wprowadzić plik kontrolny. Pliku takiego np. w Excelu używamy do przekazania wymaganego zakresu, określania czy dane są kompletne oraz do weryfikowania ich poprawności. 

Określenie zakresu prac

W pierwszej fazie ważne jest, aby określić zakres prac, czyli jaką cześć instalacji chcemy przeanalizować. Wpływ na zakres prac mają:

• Wymagania klienta (modernizacja, względy BHP itd.)
• Wielkość instalacji
• Zakres napięć w instalacji (np. 110 kV do 400 V)
• AC czy AC i DC
• Typ zakładu (koksownia, serwerownia, zakład produkcyjny itd.) 
• Aparatura na obiekcie (generatory, UPS-y, zestawy akumulatorowe, źródła OZE, silniki, rodzaje zabezpieczeń itd.)
• Konfiguracje pracy systemu (sprzęgła, systemy ATS, praca awaryjna itd.)
• Wymagania korporacyjne (BHP, wymagania z instrukcji eksploatacji itd.)
• Pozostałe

Gdzie znaleźć dane do analizy?

Najprościej jest to zrobić podczas spotkania wstępnego. Inżynier prowadzący projekt  po wstępnym obejrzeniu instalacji i/lub dokumentacji wskaże konkretne informacje potrzebne do przygotowania oferty. Do oszacowania zakresu prac przydatne są:

• Dokumentacja elektryczna (forma nie ma znaczenia)
• Schematy elektryczne sieci od punktu przyłączenia (jednokreskowe, poglądowe itd.)
• Listy aparatury, rozdzielnic, silników, itd.
• Procedury i instrukcje BHP
• Lokalne, dodatkowe informacje 

Zakres analizy zwarć łukowych: modele IEEE 1584, EPRI i OSHA 1910.269

 Model IEE 1584 pozwala na analizę sieci o parametrach:

• 208 V do 600 V: prądy zwarciowe 500 A do 106 000 A (AC)
• 601 V do 15 000 V: prądy zwarciowe 200 A do 65 000 A (AC)

Powyżej 15 kV  stosuje się  inne modele matematyczne EPRI  oraz  ArcPro (OSHA 1910.269) aż do 800 kV, aczkolwiek większość przemysłowych instalacji zasilana jest z sieci o napięciu do 20 kV.
W praktyce wymagania co do zakresu prac prościej jest określić poprzez dolny poziom zabezpieczeń nadprądowych na niskim napięciu 400 V: 

• Wyłącznik nadprądowy  ≥63A 3P (MCB, MCCB)
• Bezpiecznik  ≥ 100A
• Silniki elektryczne  ≥  50HP (37 kW)
• Sieć DC do  1000 V DC

Co zrobić kiedy nie mamy odpowiedniej dokumentacji technicznej?

Mamy dwie opcje:

1. Przygotować dokumentację (długi proces trwający miesiące).
2. Oszacować zakres podczas wizyty na obiekcie (szybki proces – kilka dni) 

Wizyta na obiekcie ma na celu oszacować:

• Wielkość instalacji elektrycznej
• Kondycję techniczną
• Typ aparatury i zabezpieczeń
• Ilość aparatury, rozdzielnic, złożoność sieci itd.

Brak dokumentacji technicznej jest problemem, ale doświadczony inżynier w takie wizyty jest w stanie  określić precyzyjnie zakres prac i kosztów z tym związanych. Oczywiście brak  dokumentacji nie jest komfortową sytuacją  dla klienta docelowego. Powyższe podejście jest sposobem, aby temu zaradzić i pomóc klientowi nawet w takiej sytuacji.

Mapowanie systemu jako alternatywa

Jeżeli na obiekcie brakuje jakichkolwiek schematów elektrycznych, dobrym pomysłem jest rozszerzyć zbieranie danych do analizy zwarć łukowych o tzw. mapowanie systemu. Mapowanie systemu jest procesem odtworzenia schematów elektrycznych dla danej instalacji. Ponieważ proces ten może być połączony ze zbieraniem danych do analizy zwarć łukowych, pozwala to na oszczędności czasu i pieniędzy.

Wprowadzenie do oceny ryzyka

Incydenty związane z łukiem elektrycznym są jednymi z najpoważniejszych zagrożeń w instalacjach elektrycznych, o potencjalnie katastrofalnych skutkach dla ludzi, sprzętu i infrastruktury. Ta seria ma na celu pogłębienie zrozumienia zjawiska łuku elektrycznego, zapewnienie systematycznych ram wiedzy i poprowadzenie użytkownika przez podstawy dokładnej oceny ryzyka w tej dziedzinie. Zaczynamy!

Podstawy oceny ryzyka łuku elektrycznego

Przeprowadzenie właściwej oceny ryzyka łuku elektrycznego wymaga precyzyjnych obliczeń i przestrzegania ustalonych wytycznych. W zależności od regionu obejmują one:

IEEE 1584 – Przewodnik wykonywania obliczeń zagrożenia łukiem elektrycznym (cały świat),

NFPA 70E – Podręcznik bezpieczeństwa elektrycznego w miejscu pracy,

DGUV 203-077 – (Niemcy),

Oraz metody doświadczalne i najlepsze praktyki inżynieryjne.

Ten artykuł przedstawia kompleksowy proces, który pomaga zrozumieć, co składa się na szczegółową i profesjonalną ocenę.

Jak wygląda projekt oceny ryzyka od A do Z?

Poniższe kroki dla typowego projektu dają nam wyobrażenie o tym, czego powinniśmy się spodziewać. Oczywiście wymagania te można rozszerzyć w zależności od konkretnej instalacji lub specyficznych wymagań klienta.

Poza standardem IEEE 1584 istnieje także IEEE 1584.1, który definiuje, co powinno znaleźć się w raporcie oraz jakie elementy są zalecane i niezbędne w dokumentacji Oceny Ryzyka od Zwarć Łukowych. Dlaczego jest to takie ważne? Nie będzie odkryciem jeśli stwierdzę, że tego typu analizy, jak każdą inną rzecz, można wykonać pobieżnie, pozostawiając klienta z tabelką wyników bez żadnych sensownych wniosków. Nie jest to prosta sytuacja i ten temat rozwinę w kolejnym artykule. 

Na bazie mojego doświadczenia oraz wytycznych w standardach przedstawiam zakres analiz i dokumentacji, których powinno się wymagać jako standard w tego typu analizach. Czasami dochodzą drobne modyfikacje, ale daje to już dobry obraz, czego powinniśmy oczekiwać. Bardzo ważnym elementem, który rozwinę dalej, jest analiza wyników i precyzyjne rekomendacje rozwiązań ograniczających energię zwarć łukowych, ryzyko lub osprzęt elektryczny.  

Poniżej przedstawiono ustrukturyzowany, 16-etapowy proces zapewniający wiarygodne i przydatne wyniki.

16-etapowy proces:

1. Określenie zakresu prac – wraz z klientem określamy zakres prac od strony elektrycznej. Zazwyczaj górnym zakresem jest punkt przyłączeniowy a dolnym zabezpieczenia nadprądowe o prądzie znamionowym 63 A w sieci 400 V (zakres można zawsze rozszerzyć w dowolnym momencie).
2. Zebranie danych do analizy – wizyta na obiekcie, dokumentacja elektryczna, opis działania sieci elektrycznej, schematy elektryczne itd.
3. Tworzenie modelu – z zebranych danych tworzymy model instalacji elektrycznej zazwyczaj w zaawansowanym oprogramowaniu (SKM, ETAP, CYME, itd.).
4. Analiza prądów zwarciowych – wykonywanie obliczeń w oparciu o normy (IEC 60909, ANSI, IEC 61660 itp.) dla kilku wariantów pracy sieci elektrycznej.
5. Analiza selektywności „istniejąca” – przygotowanie charakterystyk zabezpieczeń.
6. Analiza wytrzymałości zwarciowej aparatury – weryfikacja poziomu wytrzymałości rozdzielnic, wyłączników względem obliczonych w kroku 4 prądów zwarciowych.
7. Analiza zwarć łukowych „istniejąca” – obliczenia energii cieplnej łuku elektrycznego, wymaganego  poziomu ŚOI dla wszystkich rozdzielnic elektrycznych dla sytuacji „istniejącej”. 
8. Analiza wyników – przegląd wyników pod kątem rekomendacji dla poprawy selektywności, obniżenia energii łuku elektrycznego czy wskazania rozdzielnic z przekroczoną wytrzymałością zwarciową.
9. Analiza selektywności „rekomendacje” – rekomendacje nastaw zabezpieczeń wyłączników, zabezpieczeń SN itd. w celu poprawy selektywności działania zabezpieczeń.
10. Analiza zwarć łukowych „rekomendacje” – analiza z użyciem rekomendowanych nastaw zabezpieczeń lub proponowanych rozwiązań technicznych (what if).
11. Raport – wszystkie wyniki, rekomendacje, dane do modelowania, dane z obliczeń.
12. Szkolenie – szkolenie wprowadzające w temat zwarć łukowych w formie stacjonarnej u klienta lub zdalnej w formie telekonferencji.
13. Oznakowanie instalacji – dostawa oraz instalacja naklejek informacyjnych dla analizowanych rozdzielnic elektrycznych.
14. Dobór ŚOI – wsparcie w doborze odpowiednich Środków Ochrony Indywidualnej.
15. Prezentacja raportu – ruchomy krok, zazwyczaj służy do omówienia wyników raportu, dyskusji nad możliwymi rozwiązaniami technicznymi w danej instalacji oraz dyskusji.
16. Aktualizacja – aktualizacja wyników nie rzadziej niż co 5 lat lub po większych modernizacjach instalacji elektrycznej.

Dlaczego dokładna analiza ma znaczenie.

Powierzchowne oceny mogą oferować szybkie wyniki, ale często pozostawiają klientów z niewystarczającym wglądem i nierozwiązanymi zagrożeniami. Kompleksowa analiza, poparta praktycznymi zaleceniami i ulepszeniami systemu, zapewnia zarówno bezpieczeństwo, jak i wydajność.

W kolejnych artykułach zagłębimy się w każdą fazę procesu, oferując praktyczne rozwiązania zwiększające bezpieczeństwo elektryczne i ograniczające ryzyko wystąpienia łuku elektrycznego.