Arc Flash (Vlamboogontlading)

Een arc flash is verschillend van een arc blast (vlamboogexplosie), wat de supersonische schokgolf is die wordt geproduceerd wanneer de geleiders en de omringende lucht worden verhit door de boog en transformeren in een snel expanderend plasma. Beide verschijnselen maken deel uit van dezelfde vlamboogfout en worden vaak simpelweg als "arc flash" aangeduid, maar vanuit een veiligheidsperspectief worden ze vaak apart behandeld.

Persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) kunnen een werknemer effectief afschermen van de straling van een arc flash, maar dezelfde PBM zijn waarschijnlijk ineffectief tegen de vliegende objecten, gesmolten metaal en de hevige schok die een arc blast kan veroorzaken. (Bijvoorbeeld: categorie-4 bescherming, vergelijkbaar met een bompak, beschermt waarschijnlijk niet tegen de schok van een zeer grote explosie, hoewel het kan voorkomen dat de werknemer dodelijk wordt verbrand door het intense licht van de flits). Om deze reden worden naast het dragen van PBM meestal andere veiligheidsmaatregelen genomen om letsel te voorkomen. Het fenomeen van de arc blast wordt echter soms gebruikt om de elektrische boog te doven in bepaalde types zelf-blast-kamerstroomonderbrekers.

Definitie

Een arc flash is het licht en de hitte die worden geproduceerd door een elektrische boog die voorzien is van voldoende elektrische energie om aanzienlijke schade, letsel of brand te veroorzaken. Elektrische bogen vertonen een negatieve incrementele weerstand, wat betekent dat de elektrische weerstand afneemt naarmate de boogtemperatuur stijgt.

Naarmate de boog zich ontwikkelt en heter wordt, daalt de weerstand, waardoor er steeds meer stroom wordt getrokken (runaway). Dit gaat door tot een deel van het systeem smelt, uitschakelt of verdampt, waardoor er voldoende afstand ontstaat om het circuit te onderbreken en de boog te doven.

Wanneer elektrische bogen goed worden beheerst en gevoed door beperkte energie, produceren ze zeer helder licht. Dit wordt toegepast in:

  • Booglampen (gesloten of met open elektroden);
  • Lassen;
  • Plasmasnijden;
  • Andere industriële toepassingen.

Lasbogen kunnen staal gemakkelijk vloeibaar maken met een gemiddelde van slechts 24 DC volt. Wanneer er echter een ongecontroleerde boog ontstaat bij hoge spanningen, vooral waar grote toevoerleidingen of hoogstroomgeleiders worden gebruikt, kunnen arc flashes het volgende veroorzaken:

  • Oordovende geluiden;
  • Supersonische schokgolven;
  • Superverhit schroot;
  • Temperaturen die veel hoger zijn dan het oppervlak van de zon;
  • Intense, hoogenergetische straling die nabijgelegen materialen kan verdampen.

De temperaturen bij een arc flash kunnen bij de boogterminals 19.400 °C (35.000 °F) bereiken of overschrijden. De enorme hoeveelheid vrijgekomen energie doet de betrokken metalen geleiders snel verdampen, waarbij gesmolten metaal en expanderend plasma met enorme kracht naar buiten worden geslingerd. Tijdens de arc flash verandert het metaal van vaste vorm naar gasdamp, wat een explosieve uitzetting veroorzaakt. Wanneer koper bijvoorbeeld verdampt, neemt het volume plotseling toe met een factor 67.000.

Naast de explosieve drukgolf (de arc blast) ontstaat er vernietiging door de intense stralingswarmte. De metaalplasmaboog produceert enorme hoeveelheden lichtenergie, van ver infrarood tot ultraviolet. Oppervlakken van nabijgelegen objecten, inclusief mensen, absorberen deze energie en worden onmiddellijk verhit tot verdampingstemperaturen.

Voorbeelden

De meeste elektrische installaties van 400 V en hoger hebben voldoende capaciteit om een arc flash-gevaar te vormen. Apparatuur met een middenspanning (boven 1000 V) heeft een hoger potentieel en dus een hoger risico. Hogere spanningen kunnen ervoor zorgen dat een vonk overspringt, waardoor een arc flash ontstaat zonder dat er fysiek contact nodig is, en kunnen een boog over langere afstanden in stand houden. De meeste hoogspanningslijnen gebruiken spanningen boven de 1000 volt en kunnen een gevaar vormen voor vogels, eekhoorns, mensen of apparatuur zoals voertuigen of ladders.

Hoogspanningslijnen werken vaak in het bereik van tientallen tot honderden kilovolt, wat kan leiden tot zeer lange vlamboogontladingen, vaak aangeduid als een flashover. Er moet worden gewaakt dat lijnen zijn geïsoleerd met een juiste "flashover-classificatie" en voldoende van elkaar gescheiden zijn. Als hoogspanningslijnen te dicht bij elkaar of bij de aarde komen, kan er een corona-ontlading ontstaan. Dit is doorgaans een blauw of roodachtig licht veroorzaakt door ionisatie van de lucht, vergezeld van een sissend of bakkend geluid. Deze corona-ontlading kan gemakkelijk leiden tot een arc flash door een geleidend pad tussen de lijnen te creëren.

Energieberekening voorbeeld

Ter illustratie van de vrijgekomen energie: bij een enkelvoudige fase-fasefout in een 480 V-systeem met een foutstroom van 20.000 ampère is het resulterende vermogen 9,6 MW. Als de fout 10 cycli duurt bij 60 Hz, is de resulterende energie 1,6 megajoules. Ter vergelijking: TNT laat bij detonatie 2.175 J/g of meer vrij (waarbij vaak een conventionele waarde van 4.184 J/g wordt gebruikt voor TNT-equivalent). Deze foutenergie is dus gelijk aan 380 gram TNT. Hoewel het karakter van een arc flash verschilt van een chemische explosie (meer hitte en licht, minder mechanische schok), is de resulterende verwoesting vergelijkbaar.

Typen arc flash-gebeurtenissen

Bij het ontwerpen van veiligheidsprogramma's worden vier verschillende typen arc flash-gebeurtenissen beoordeeld:

  1. Open lucht (Open air)
  2. Uitgestoten (Ejected)
  3. Apparatuur-gecentreerd / "Arc-in-a-box" (Equipment focused)
  4. Kruipstroom (Tracking)

Voorzorgsmaatregelen

Schakelen

Een van de meest voorkomende oorzaken van arc flash-letsel treedt op bij het inschakelen van elektrische circuits en met name bij uitgevallen stroomonderbrekers. Een uitgevallen schakelaar duidt vaak op een fout verderop in de lijn. De fout moet meestal eerst worden geïsoleerd voordat de stroom weer wordt ingeschakeld, anders kan er gemakkelijk een arc flash ontstaan.

Kleine bogen vormen zich meestal in schakelaars wanneer de contacten elkaar voor het eerst raken. Als de spanning hoog genoeg is en de draden naar de fout groot genoeg zijn om een aanzienlijke hoeveelheid stroom door te laten, kan er een arc flash ontstaan in het paneel. Meestal is een elektromotor met kortgesloten wikkelingen of een kortgesloten transformator de boosdoener. Motoren van meer dan twee pk hebben meestal magnetische starters om de operator te isoleren van de hoogenergetische contacten.

Stroomonderbrekers zijn vaak de primaire verdediging tegen stroomrunaway. Als er een arc flash in een onderbreker ontstaat, kan deze snel migreren van een enkel circuit naar de busbars van het paneel zelf. Voorzorgsmaatregelen bij het schakelen zijn onder meer:

  • Naast de schakelaar staan (uit de baan van een eventuele explosie);
  • Beschermende kleding dragen;
  • Apparatuur, circuits en panelen stroomafwaarts uitschakelen vóór het schakelen.

Naast hitte, licht en schokgolven produceert een arc flash een wolk van plasma en geïoniseerde deeltjes. Bij inademing kan dit gas ernstige brandwonden aan de luchtwegen en longen veroorzaken. Het geladen plasma kan ook worden aangetrokken door metalen voorwerpen die mensen dragen (zoals oorbellen, riemgespen, sleutels, lichaamssieraden of brillenmonturen), wat leidt tot ernstige lokale brandwonden. Technici dienen daarom metalen voorwerpen te verwijderen, hun adem in te houden en hun ogen te sluiten bij het schakelen.

Bovendien is een arc flash waarschijnlijker in een schakelaar die langzaam wordt gesloten. Daarom is het wenselijk om schakelaars met een snelle, krachtige beweging om te zetten.

Metingen onder spanning

Bij het testen van energiezwevende hoogvermogenscircuits moeten technici voorzorgsmaatregelen nemen voor het onderhoud van testapparatuur en ervoor zorgen dat de omgeving schoon en vrij van puin is. Er dient gebruik te worden gemaakt van beschermende uitrusting, zoals rubberen handschoenen en andere PBM, om het ontstaan van een boog te voorkomen en personeel te beschermen.

Personeelsbescherming

De beste manier om de risico's van een arc flash te elimineren, is door elektrische apparatuur spanningsloos te maken. Echter, het spanningsloos maken zelf kan een arc flash-gevaar inhouden. Een moderne oplossing is om de operator op afstand te laten werken via remote-operated switches of remote racking.

Persoonlijke Beschermingsmiddelen (PBM)

De effectiviteit van beschermende uitrusting wordt gemeten door de arc rating (vlamboogclassificatie). Dit is de maximale incidentele energieresistentie van een materiaal voordat er een gat in het materiaal ontstaat of voordat er een kans van 50% is op tweedegraads brandwonden. De arc rating wordt normaal gesproken uitgedrukt in $\text{cal/cm}^2$.

De selectie van de juiste PBM gebeurt meestal op een van de volgende twee manieren:

  1. Raadplegen van een classificatietabel: Bijvoorbeeld de NFPA 70E-tabel, die typische elektrische taken per spanningsniveau koppelt aan een categorie PBM. Een Categorie 3 systeem biedt bijvoorbeeld bescherming tot $25 \text{ cal/cm}^2$.
  2. Berekening van het gevaar: Via een arc flash hazard calculation (zoals beschreven in IEEE 1584) wordt de beschikbare incidentele energie bepaald op basis van de maximale foutstroom en de duur van de fout. Vervolgens wordt PBM gekozen die een hogere beschermingsgraad biedt dan de berekende energie.

PBM vormen de laatste lijn van verdediging. De eerste prioriteit moet liggen bij het verminderen van de frequentie en ernst van incidenten via risicobeoordelingen en technologieën zoals hoog-resistieve aarding.

Gevaar verminderen door ontwerp

Drie factoren bepalen de intensiteit van een arc flash: de hoeveelheid beschikbare foutstroom, de tijd totdat de fout wordt opgeheven en de afstand van de persoon tot de boog.

Foutstroom (Fault current)

De foutstroom kan worden beperkt door gebruik te maken van stroombegrenzende apparaten, zoals:

  • Stroombegrenzende automaten;
  • Aardingsweerstanden;
  • Boogonderdrukkingsspoelen;
  • Zekeringen.

Als de foutstroom wordt beperkt tot 5 ampère of minder, doven veel aardfouten vanzelf uit.

Boogduur (Arcing time)

De boogduur kan worden verkort door:

  • ZSIP (Zone-Selective Interlocking Protection): Hierbij communiceert een stroomonderbreker stroomafwaarts met een bovenliggende onderbreker om de onmiddellijke uitschakeling uit te stellen, waardoor de fout door de schakelaar die het dichtst bij de fout staat wordt opgeheven.
  • Optische detectie: Sensoren die het licht van een arc flash detecteren en dit combineren met overstroominformatie om razendsnel in te grijpen.
  • UFES (Ultra-fast earthing switch): Een ultrasnelle aardingsschakelaar die binnen enkele milliseconden een driefasige kortsluiting naar aarde creëert, waardoor de foutstroom veilig wordt weggeleid van de locatie van de arc flash.
  • Getriggerde stroombegrenzers: Apparaten die een zekering met een lage nominale stroom invoegen die smelt en de arc flash binnen 4 ms onderbreekt.

Afstand

De stralingsenergie van een elektrische boog kan een mens doden of permanent verwonden op afstanden tot ongeveer 6 meter (20 voet). De afstand waarbinnen een onbeschermde persoon 50% kans heeft op tweedegraads brandwonden wordt de flash protection boundary (vlamboogbeschermingsgrens) genoemd. Voor activiteiten met een hoog risico kunnen robots of remote racking-systemen worden ingezet om de operator buiten deze gevarenzone te houden.

Onderzoek en Normen

Onderzoek

Het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) en de National Fire Protection Association (NFPA) werken samen aan onderzoek om het begrip van arc flashes te vergroten en veiligheidsnormen te verbeteren.

Normen

  • OSHA Standards 29 CFR (Parts 1910 en 1926): Bevatten algemene vereisten voor veiligheidspraktijken en richtlijnen voor arc flash-bescherming.
  • NFPA 70 "The National Electrical Code" (NEC): Bevat vereisten voor waarschuwingslabels.
  • NFPA 70E: Biedt richtlijnen voor werkpraktijken om werknemers te beschermen bij werkzaamheden aan blootliggende elektrische geleiders.
  • CSA Z462: De Canadese versie van de NFPA 70E.
  • IEEE 1584: De standaardgids voor het uitvoeren van arc flash-gevaarsberekeningen.

Bekende incidenten

Bij een opmerkelijk industrieel ongeval in een Con Edison-onderstation in Astoria, Queens, op 27 december 2018, faalde een potentiaalapparaat van 138.000 volt. Dit resulteerde in een arc flash die aluminium deed verbranden, waardoor de lucht voor kilometers omringend blauw-groen kleurde. Hoewel de luchthaven LaGuardia tijdelijk stroomverlies leed, waren er geen doden of gewonden.

***

Bronverwijzingen

  • Jones, R. A., & Jones, J. G. (2009). Safe Work Practices for the Electrician. Jones and Bartlett Publishing.
  • NIOSH Publication No. 2007-116D. Arc Flash Awareness: Information and Discussion Topics for Electrical Workers.
  • Jones, R. A., & Jones, J. G. (2000). Electrical Safety in the Workplace. National Fire Protection Agency.
  • Nabours, R. E., Fish, R. M., & Hill, P. F. (2004). Electrical Injuries: Engineering, Medical, and Legal Aspects. Lawyers & Judges.
  • Singh, S. N. (2008). Electric power generation: Transmission and distribution. PHI Limited.
  • Hoagland, H. (2009). "Arc Flash Training & PPE Protection". Occupational Health & Safety.
  • Das, J. C. (2012). ARC Flash Hazard Analysis and Mitigation. IEEE Press.
  • Cadick, J., Capelli-Schellpfeffer, M., & Neitzel, D. (2006). Electrical Safety Handbook 3E. McGraw-Hill.
  • Ryan, H. M. (2001). High Voltage Engineering and Testing. Institute of Electrical Engineers.
  • IEEE 1584. Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations. IEEE Industry Applications Society.