Omgaan met vlamboogdrukgolven

Werken aan elektrische installaties gaat vaak gepaard met het risico op vlambogen. Bijvoorbeeld bij het openen van of het werken aan een kast die onder spanning staat. Of wanneer iemand in de buurt van elektrische componenten met open busbars of geleiders staat, of werkt aan een spanningsvrij gemaakte kast – waarvan onderdelen per abuis nog onder spanning staan. Vlambogen zijn zeldzaam, maar de gevolgen kunnen desastreus zijn. Naast oogverblindend licht en temperaturen van meer dan 19.000 graden Celsius veroorzaakt een vlamboogexplosie een drukgolf met een oorverdovende knal. 

In een gesloten ruimte kan zo’n vlamboogdrukgolf enkele milliseconden voortduren, misschien een halve seconde, en gedurende die tijd blijft de druk zich opbouwen. De duur van de vlamboog hangt af van de snelheid waarmee de beveiligingsinrichting (zekering of stroomonderbreker) reageert, wat weer wordt bepaald door de instellingen ervan of stroomtijd-karakteristiek. Een vlamboogdrukgolf kan de druk in een ruimte doen oplopen tot een veelvoud van de standaard atmosferische druk. Dat is niet alleen bijzonder gevaarlijk voor iedereen die in de buurt staat, maar zelfs gebouwen kunnen geheel of gedeeltelijk worden verwoest. Alles binnen een bepaalde straal kan binnen enkele seconden worden vernietigd. Ramen gaan stuk, hout versplintert en metselwerk en metaal kunnen breken. Om veiligheidsredenen moet de opbouw van de vlamboogdrukgolf worden berekend, maar ook welke druk iemand op een bepaalde afstand ervan zou ondervinden.

In veel gevallen zijn gebouwen niet speciaal ontworpen voor de installaties die zij huisvesten. Het gedrag van vlamboogdrukgolven voorspellen aan de hand van berekeningen draagt bij aan de veiligheid, doordat er inzicht wordt verkregen in de exacte risico’s en in hoe deze kunnen worden geminimaliseerd. Wij hebben uitgebreid geschreven over de gevaren van vlambogen en het belang van Persoonlijke Beschermingsmiddelen (PBM’s). Het is echter ook van groot belang om inzicht te krijgen in de opbouw van de druk, om ervoor te zorgen dat de structurele schade aan gebouwen wordt beperkt. Dit kan met adequate maatregelen worden voorkomen: structurele elementen kunnen worden aangepast of versterkt, of er kan een route worden aangelegd waarlangs de druk kan ontsnappen, met minimale schade.

Het volume van een gebouw is van groot belang voor het berekenen van een vlamboogdrukgolf. Afhankelijk van het beschikbare volume kan de drukgolf werknemers in de buurt wegduwen, of zelfs leiden tot desintegratie van fysieke structuren zoals motorpanelen of, in extreme gevallen, volledige ruimtes. Normaal gesproken moet er tijdens de ontwerpfase van een elektrische installatie rekening worden gehouden met vlamboogdrukgolfscenarios en dient er een goede ontluchting/ontsnappingsroute te worden gedefinieerd. Mensen zijn zich er echter niet altijd van bewust hoe gevaarlijk en destructief een vlamboog kan zijn, of zien niet in dat overdreven zuinigheid tijdens de bouw het risico op schade door een vlamboogontlading aanzienlijk kan vergroten. 

Panelen moeten worden ontworpen om tegen een vlamboogdrukgolf bestand te zijn. Als ze in een open opstelling staan, komt de druk aan alle kanten vrij, zodat het gebouw of de ruimte feitelijk een nieuw “compartiment” wordt. Het kan zeker de moeite waard zijn om vlamboogberekeningen uit te voeren op kastcompartimenten om gemoedsrust te bieden met betrekking tot de drukgolf.

Voor een ‘gewone’ vlamboogmeting hebben we de details van de kast en installatie in kwestie nodig. Op basis van de resulterende energiewaarde kunnen de juiste PBM’s worden bepaald. Voor een vlamboogdrukgolfberekening heb je ook gegevens van het gebouw nodig, zoals afmetingen, indeling en volume. De resultaten laten klanten zien welke energieniveaus er verwacht kunnen worden en welke druk er in een gebouw zal ontstaan, inclusief krachten op verschillende afstanden en locaties. Het optimaliseren van het moment waarop de boog wordt uitgeschakeld, vermindert het totale drukniveau. De druk waaraan een persoon in de omgeving kan worden blootgesteld, wordt beïnvloed door de initiële ontploffing en de gebruikelijke werkafstand tot een machine. 

Hoewel er steeds meer aandacht wordt besteed aan de energie die vrijkomt bij een vlamboog, is er relatief weinig onderzoek gedaan naar vlamboogdrukgolven. Deze breiden zich vanaf de bron in drie dimensies uit. De kwantificering van de druk wordt gedefinieerd als een combinatie van de verwachte initiële druk op het moment dat de vlamboog ontstaat, en de drukstijging of -opbouw gedurende de tijd tot de vlamboog volledig is gedoofd. Vlamboogdrukstudies worden gedaan aan de hand van bewezen methodologieën, maar deze zijn minder gevestigd en algemeen aanvaard als de methodieken voor vlamboogberekeningen. HyTEPS heeft een aanpak ontwikkeld op basis van wetenschappelijke onderzoeken en publicaties, inclusief inzicht in de bijbehorende beperkingen, discrepanties en aannames.

Hieronder staan twee recente voorbeelden van projecten waarbij HyTEPS vlambookdrukgolfstijging heeft berekend op basis van documentatie van de klant en onze eigen metingen. Deze analyse wordt gevolgd door aanbevelingen aan de klant om de gevolgen van vlambogen te beperken.

Een ketel staat naast een trap en is voorzien van middenspanning (open elektrische kast met elektroden bovenop). HyTEPS leverde resultaatberekeningen in geval van een vlamboog op de ketelelektroden: invallende energie, initiële druk, drukstijging, temperatuur en warmteoverdracht. Er werden hoge energieniveaus verwacht, maar het volume van het gebouw heeft een positieve invloed op de berekening – de druk kan niet zo hoog oplopen als binnen in een klein kastcompartiment. De hotspot van de temperatuurmeting bevindt zich bij de elektroden. Hoe verder het voorwerp/de persoon van de vlambooglocatie verwijderd is, hoe lager de warmteoverdracht van de ontvangen warmte.

Het is belangrijk om te beseffen dat zelfs het stevigste gebouw niet onverwoestbaar is – bij een klant uitgevoerde metingen laten zien dat een atmosferische drukverhoging van slechts 20% de muren letterlijk zou kunnen vernietigen.