Proč je kondenzátor nebezpečný, proč kondenzátory explodují a hoří, což zajišťuje elektrickou bezpečnost a požární bezpečnost při práci s nimi

Dozvíte se o potenciálních nebezpečích, která představují kondenzátory, a o tom, jak podniknout kroky k jejich bezpečnému provozu. V tomto článku analyzujeme všechna možná varování a bezpečnostní tipy.

Kondenzátor jako základní prvek elektrických obvodů může za určitých podmínek ohrozit lidské zdraví a dokonce i život. V první řadě hrozí nebezpečí úrazu elektrickým proudem při vybití nabitého kondenzátoru.

Kondenzátor odpojený od sítě nebo zařízení může silně „zasáhnout“ po poměrně významné době a poté, co byl odpojen. Obzvláště „zákeřné“ jsou utěsněné kondenzátory s dielektrikem z filmu nebo papírové fólie, které mají velmi velkou časovou konstantu samovybíjení.

Navíc můžete cítit šok z kondenzátoru, který byl před časem vybitý. Důvodem je to, že při krátkých vybíjecích dobách v kondenzátoru se dielektrikum nestihne plně depolarizovat a jakoby se samo znovu nabije a přerozdělí náboje v tloušťce dielektrika.

Jsou kondenzátory jako zdroje elektrické energie nebezpečnější než např. AC nebo DC síť? K zodpovězení této otázky je nutné vědět, co nebezpečí způsobuje, proč vzniká a na čem závisí.

Předpokládá se, že hodnoty nebezpečného proudu při dlouhodobé expozici jsou přibližně (15–20)·10-3 A pro střídavý proud o frekvenci 50 Hz a (60–80)·10-3 A pro stejnosměrný proud.

Střídavý proud větší než 50 · 10 -3 A je považován za smrtelný, i když jsou známy případy, kdy člověk zůstal naživu po vystavení proudům mnohem vyšších hodnot.

Nebezpečný proud je tedy jeho velikost a nebezpečné napětí závisí na odporu cesty, po které je tento proud uzavřen.

Velikost nebezpečného napětí závisí na fyzickém a emocionálním stavu člověka a řadě dalších faktorů, jako je denní doba, počasí a také odpor izolace (hlavně obuvi), pokud je člověk vystaven potenciálu vůči Zemi.

Velikost lidského odporu, z nichž většina je soustředěna ve vnější vrstvě jeho kůže, se pohybuje ve velmi širokých mezích a pohybuje se od několika set ohmů až po desítky tisíc ohmů pro různé lidi.

Velikost nebezpečného proudu se u různých lidí také velmi liší a navíc není u stejného člověka konstantní a stejně jako jeho odpor se může měnit v závislosti na různých faktorech, zejména na věku atd.

Nebezpečná velikost proudu závisí u střídavého proudu také na délce jeho toku, frekvenci a tvaru (v mnohem menší míře).

Číselné charakteristiky všech těchto vlivů jsou přibližně známy, neboť základní údaje o nich byly získány ze smutných a ne vždy jasných praktických zkušeností.

Vliv pulzního vybíjení kondenzátorů na člověka

Nebezpečné a bezpečné vlastnosti pulzního vybíjení kondenzátorů na osobě jsou obecně známy, protože statistiky případů z praxe jsou velmi nevýznamné a speciální experimenty jsou nebezpečné pro lidský život a zdraví.

Kvalitativní vztahy jsou následující: riziko smrtelného úrazu elektrickým proudem z výboje kondenzátoru je tím větší, čím vyšší je napětí a kapacita kondenzátoru. Jinými slovy, pravděpodobnost poškození se zvyšuje s rostoucí energií kondenzátoru.

Ale vezmeme-li v úvahu, že čím kratší je doba expozice, tím vyšší je nebezpečná hodnota proudu, není lhostejné, jak se dosáhne stejné energie výboje: zvýšením napětí nebo zvýšením kapacity kondenzátoru.

Pokud je tedy kondenzátor nabitý na napětí, které je bezpečné pro trvalé vystavení, například do 4,5 V (napětí baterie), pak při jakékoli kapacitě kondenzátoru, při které může být jeho energie velmi vysoká, není výboj člověku nebezpečný.

Pokud se vybije kondenzátor o malé kapacitě, jehož vysoké nabíjecí energie je dosaženo vysokým napětím, pak bude nebezpečí pro lidský život také zanedbatelné.

Přes velkou amplitudu pulzu vybíjecího proudu (u malých kapacit může být jeho bezpečná hodnota desítky ampérů) je jeho účinek na člověka značně oslaben se zkrácením doby trvání výboje.

K tomu dochází proto, že tělo reaguje na elektrický proud různě po různé době trvání, zejména proto, že velikost proudu rychle klesá, a také proto, že při krátkých výbojích (řádově miliontiny sekundy nebo méně) proud neprochází vitálními centry, ale šíří se v povrchové vrstvě kůže.

Unikátní „nedobrovolné“ pokusy na lidech s vybitím leydenské sklenice umožnily zjistit bezpečné poměry energie, kapacity a napětí.

Jak již bylo zmíněno, závažnost poranění a nebezpečná velikost proudu závisí na dráze, po které protéká. Nejnebezpečnější cesta proudu vede přes levou paži k pravé paži nebo nohám (v tomto případě proud prochází blízko srdce).

Pulzní výboj vysokonapěťového kondenzátoru do oblasti srdce se používá v lékařské praxi k násilnému obnovení normální funkce srdečního svalu ve stavu fibrilace (chaotické kontrakce).

V tomto případě vybití kondenzátoru na krátkou dobu potlačí neuspořádanou činnost svalu, načež se obnoví jeho normální řízení impulsů přicházejících z mozku.

I když je však výbojová dráha taková, že neohrožuje lidský život, např. podél paže, může vysokoenergetický výboj způsobit těžké poranění v důsledku pulzního zahřívání malých oblastí těla, zejména v místě kontaktu. Popáleniny a dokonce i eroze se mohou objevit v důsledku vystavení elektrickému oblouku nebo rychlému odpařování v kůži.

Závažnost zranění je snížena při vysoké kapacitě a nízkém napětí, protože energie uvolněná při vysoké kapacitě a nízkonapěťových kondenzátorech se uvolňuje postupně a teplo má čas se rozptýlit, aniž by způsobilo poškození.

Proč kondenzátory explodují a hoří?

Některé kondenzátory mohou explodovat a hořet, tj. způsobit mechanické poškození a požár. Pouze kondenzátory s utěsněnými pouzdry mohou explodovat. Důvodem jejich výbuchů je hromadění plynů uvnitř těla vlivem silného zahřívání.

Malé kondenzátory nedokážou nashromáždit velké množství plynů, a proto velkolepě explodují (zvuk připomíná výstřel z pistole), ale bez větší destrukce. Nebezpečné jsou zejména výbuchy velkorozměrových výkonových kondenzátorů, jejichž pouzdra jsou silná, a proto pod vysokým tlakem praskají, dosahují jednotek, někdy i desítek atmosfér, tj. tlak zde dosahuje jednotek i desítek kg/cm2.

Následky výbuchu kondenzátoru jsou strašné zejména tehdy, když prorazí a proteče jím zkratový proud výkonné napájecí sítě a také vybíjecí proud paralelně zapojených bateriových kondenzátorů.

Tento proud může dosahovat desítek a stovek tisíc ampér. V důsledku velkého vývinu tepla (při zkratu „shoří“ oblouk v kondenzátoru) dochází k velmi intenzivní tvorbě plynu.

V důsledku tepelného rozkladu dielektrika extrémně rychle vzrůstá vnitřní tlak. Poté dochází k mechanickému zničení kondenzátoru, jeho prasknutí, což je doprovázeno hlasitým zvukem a rozptylem materiálů a částí kondenzátoru v okruhu až několika set metrů.

Možná jste byli svědky výbuchů elektrolytických kondenzátorů, ke kterým dochází při jejich poruše nebo přehřátí.

Rozsah destrukce je samozřejmě mnohem menší než v případě výbuchů výkonových kondenzátorů: tělo kondenzátoru se obvykle odtrhne od víka a vločky papíru nasáklé elektrolytem se rozmetají po celém zařízení.

Výbuchy takových kondenzátorů jsou nebezpečné při seřizování zařízení, kdy mohou způsobit vážné zranění.

Filmové kondenzátory, včetně malých, mohou také „střílet“ kvůli silnému přehřátí. Při vysoké teplotě tvoří dielektrikum filmu velké množství plynů.

Válcové kondenzátory „střílí“ v axiálním směru, obvykle nějakou (menší) část sekce.

Kondenzátory mohou „explodovat“ pouze tehdy, je-li dodávaný výkon vysoký, tj. stačí ohřát dielektrikum na teplotu tepelného rozkladu. To způsobuje vysokou pravděpodobnost výbuchů výkonových kondenzátorů.

Vzhledem k tomu, že při výbuchu vznikají plyny a páry impregnační kapaliny, pokud je kondenzátor impregnován, elektrický oblouk tyto látky „zapálí“, v důsledku čehož bezprostředně po výbuchu dojde k požáru, který je obtížné uhasit.

Hořet může i pevné dielektrikum organického původu. Některá dielektrika (například fluoroplast, chlorbifenyly a další) přitom produkují toxické produkty spalování.

Výbuchy kondenzátoru způsobují mechanické poškození okolních součástí a zařízení.

Naštěstí jsou exploze kondenzátorů a požáry vzácné. Při vývoji konstrukce kondenzátorů jsou přijímána opatření k zajištění jejich požární a výbuchové bezpečnosti.

K takovým případům však v praxi stále dochází kvůli velkému počtu a rozšířenosti kondenzátorů, zejména v elektronických zařízeních. Někdy jsou výbuchy a požáry výkonových kondenzátorů způsobeny provozními chybami.

Výkonové kondenzátory jsou v zásadě izolovány od lidí: v uzavřených místnostech, ve skříních, v otevřených rozvodnách a daleko od lidí. A pravděpodobnost bezprostředního ohrožení lidského života je velmi nízká (mnohem nižší než např. z auta na ulici).

Nebezpečí přírodních kondenzátorů

Nebezpečí vybití „přirozeného“ kondenzátoru „cloud-Earth“ je lidstvu známo již dlouho, hořká zkušenost ho naučila bojovat s lineárními blesky pomocí hromosvodů.

Bleskosvod ve formě uzemněné tyče se špičatým koncem, připevněný k nejvyššímu bodu budovy, pro ochranu před úderem blesku navrhl Benjamin Franklin v roce 1753.

Takové hromosvody se používají dodnes ve formě jednoduchých a skupinových konstrukcí. Vedení vysokého napětí je chráněno před přímým úderem blesku speciálními kabely pro ochranu před bleskem umístěnými nad dráty elektrického vedení.

Lidé stále nepřišli na způsob, jak se chránit před kulovým bleskem kvůli vzácnosti tohoto jevu.

Nebezpečí přírodních kondenzátorů

Jaké je nebezpečí „přirozených“ kondenzátorů? O vlivu „přirozených“ kondenzátorů na provoz zařízení a nebezpečí, které pro něj někdy vytvářejí, pojednává článek Co je to kapacita v elektrotechnice. Zastavme se podrobněji u některých aspektů nebezpečí pro lidský život vyplývající z „přirozených“ kondenzátorů.

Většina „přirozených“ kondenzátorů má nízkou kapacitu a energii, díky čemuž jsou prakticky bezpečné. Jejich výboj na člověka má za následek lehké a okamžité píchnutí nebo šok.

Do vinutí těchto zařízení se velmi rychle vybijí „parazitní“ kapacity induktorů, transformátorů a elektrických strojů po jejich odpojení od zdrojů energie.

Některé „přirozené“ kondenzátory však nejsou tak neškodné. Nezatížené kabelové vedení se značnou kapacitou, odpojené vypínačem, si tedy může po dlouhou dobu udržet značný náboj a životu nebezpečné napětí.

Pouze postupně mohou být tyto náboje neutralizovány svodovým proudem izolace. A čím vyšší je kvalita izolace, a tedy čím nižší je svodový proud, tím déle zůstává kondenzátor nabitý, a proto nebezpečný.

Velikost zbytkového napětí závisí na okamžiku a povaze procesu vypínání: při odpojování kabelu s oscilačním procesem může být nejvyšší napětí, které se objeví, téměř dvojnásobkem jmenovité hodnoty.

Totéž se stane, když se odpojí nezatížené nadzemní elektrické vedení. Aby nedošlo k úrazu elektrickým proudem z výboje, stačí vybít kondenzátor pomocí vybíjecího zařízení. Nedodržení tohoto pravidla může mít vážné následky.

Jsou známy případy smrtelných zranění při dotyku odpojeného, ​​ale „nevybitého“ vysokonapěťového kabelu. Naštěstí jsou tyto případy velmi vzácné.

Dalším, závažnějším nebezpečím je možnost výbuchu a požáru výbušného prostředí při poruše „přirozených“ kondenzátorů.

Vzhledem k tomu, že jejich kapacita je velmi malá, malé množství elektřiny nebo náboje na nich může vyvinout vysoké napětí, které může způsobit poruchu. Výsledná jiskra může zapálit výbušnou směs.

Viníky mnoha původně „bezpříčinných“ výbuchů a požárů, jak se ukázalo, byly „přirozené“ kondenzátory.

Protože ve většině případů akumulují náboje vzniklé elektrifikací prachu a čím nižší je vlhkost, tím rychleji a na vyšší potenciál se nabíjejí, je pro zabránění poruchám těchto kondenzátorů nutné dobré větrání a zvlhčování prostředí tam, kde je to přípustné.

Ve vlhkém prostředí je svodový odpor „přirozených“ kondenzátorů nízký a výkon „zdroje náboje“ nestačí ke zvýšení jejich potenciálu na nebezpečnou úroveň.

Jak zajistit, aby byla manipulace s kondenzátory bezpečná?

Zajištění elektrické bezpečnosti při práci s elektrickými zařízeními je zajištěno zvláštními pokyny a pravidly.

Zvláštností kondenzátorů je, že i když jsou odpojeny od zdroje energie nebo instalovány z napájecí sítě, může na nich po dlouhou dobu zůstat nebezpečný náboj.

Pro zajištění elektrické bezpečnosti jsou pomocí obvodu vytvořeny podmínky pro rychlé vybití kondenzátoru nebo kondenzátorové baterie po jejich odpojení od napájecí sítě. Nejjednodušší způsob, jak zajistit vybíjení, je instalovat rezistory paralelně s kondenzátory.

Odpor vybíjecího rezistoru závisí na kapacitě kondenzátoru a požadované době vybíjení. Během této doby musí mít kondenzátory čas vybít se na bezpečnou úroveň napětí. Jeho hodnota je dána podmínkami, ve kterých se kondenzátory a obsluhující personál nachází.

Podle mezinárodních norem by doba vybíjení kondenzátorů na napětí 50 V neměla být delší než jedna minuta při jmenovitém napětí kondenzátorů do 660 V a maximálně pět minut při vyšších jmenovitých napětích.

Vybíjecí rezistory mohou být vnější – připojené zvenčí ke kondenzátoru nebo baterii a vnitřní – zabudované do těla kondenzátoru.

Systém podpory vybíjení s vnitřními odpory je spolehlivější, když je paralelně zapojeno několik kondenzátorů, protože pokud jeden z odporů selže, vybíjení bude zajištěno přes odpory ostatních kondenzátorů. Vestavěné odpory však navíc ohřívají kondenzátory a tato metoda se obvykle používá u vysokonapěťových kondenzátorů.

I přes výše uvedená opatření je nutné každý kondenzátor vybít pomocí výbojové tyče namontované na izolační tyči.

Připomeňme, že kondenzátory s vysokým absorpčním koeficientem (poměr velikosti napětí obnoveného na deskách kondenzátoru po jejich otevření k velikosti napětí před jejich uzavřením), jako jsou papírové, keramické, elektrolytické a další, mají schopnost obnovit napětí po krátkodobém vybití.

Zvláště významné množství napětí se obnoví na kondenzátoru, který byl vystaven konstantnímu napětí po dlouhou dobu (desítky minut až hodiny) a byl krátce vybit. V praxi mohou nastat případy obnovení napětí na několik desítek procent jmenovité hodnoty.

Konstantní potenciál může také vzniknout na svorkách kondenzátoru v elektrickém poli v důsledku elektrifikace v atmosféře nasycené elektřinou.

Proto se při přepravě, instalaci, opravách a jiných pracích doporučuje propojit vývody kondenzátorů spolu s tělem pružným vícežilovým vodičem – propojkou.

Pro zajištění požární a výbuchové bezpečnosti se obecně doporučuje odstranit z provozu kondenzátory s nafouklým pouzdrem, stopami vytékající impregnační kapaliny atd.

Lokalizaci následků výbuchů kondenzátorů lze provést konstrukčními opatřeními, například vytvořením ochranných síťových obalů, které nenarušují chlazení kondenzátorů a zadržují „úlomky“ při výbuchu.

Hlavní opatření k zajištění požární a výbuchové bezpečnosti kondenzátorů jsou však realizována vytvořením vhodných konstrukcí s použitím různých pojistek, materiálů, pouzder atd., jakož i pomocí vnější ochrany kondenzátorů před přepětím, proudovým přetížením atd.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře