جریان الکتریکی و بدن انسان (بریده‌ای از IEEE80) - بخش اول

دسته‌بندی: ارتینگ

پتانسیل های تماس و گام مجاز دو ستون مهم در طراحی یک سیستم زمین ایمن محسوب می‌شوند. در این مقاله دو بخشی گزیده‌ای از مباحث مربوط به حدود قابل تحمل پتانسیل‌های تماس و گام به استناد استاندارد IEEE80-2013 خدمت عزیزان ارائه می‌گردد. توصیه اکید می‌گردد تا در صورت علاقه به این بحث حتما مرجع اصلی (IEEE80-2013) برای کسب اطلاعات کامل‌تر مطالعه شود.

بازه جریان‌های قابل تحمل [1]

اثرات عبور جریان الکتریکی از اعضای حیاتی بدن انسان به عواملی نظیر مدت زمان، بزرگی و فرکانس جریان عبوری بستگی دارد. خطرناک‌ترین اثر عبور چنین جریانی آسیبی خطرناک تحت عنوان "ventricular fibrillation" یا فیبریلاسیون بطنی به قلب بوده که نتیجه آن ایست فوری قلب و توقف گردش خون است.

اثر فرکانس

انسان‌ها در برابر آثار جریان‌های الکتریکی در فرکانس‌های 50 یا 60 هرتز به شدت آسیب پذیرند. در این بازه فرکانسی، جریان‌هایی در حدود 0.1 آمپر کشنده تلقی می‌شوند. تحقیقات نشان می‌دهد که بدن انسان در بازه فرکانس 25 هرتز می‌تواند جریانی بالاتر و در حالت DC تحمل جریانی (حدودا) 5 برابری داشته باشد. در بازه فرکانسی 3000 تا 10000 هرتز نیز تحمل جریانی افزایش می‌یابد. در برخی موارد ممکن است بدن انسان قادر به تحمل جریان‌های بسیار شدیدی در برابر صاعقه (که جریانی با فرکانس بالایی است) داشته باشد. در استاندارد IEC 60479-2 نمودارهایی پیرامون ارتباط جریان قابل تحمل بدن با فرکانس آورده شده است. 

اثر بزرگی جریان عبوری و مدت زمان برقراری آن

رایج‌ترین آثار فیزیولوژیکال عبور جریان الکتریکی از بدن به ترتیب افزایشی عبارت است از: آستانه تشخیص، انقباض عضلانی، بیهوشی، فیبریلاسون قلب، انسداد عصب تنفسی و سوختن.

جریان 1 میلی‌آمپر عموما به عنوان آستانه تشخیص عبور جریان شناخته شده و جریانیست که یک شخص در ازای آن احساس خفیف سوزن‌سوزن شدن در دستان یا سرانگشتانش حس می‌کند.

جریان های 1 تا 6 میلی‌آمپر، اغلب به عنوان جریان آستانه رهایی شناخته می‌شوند. باقی‌ماندن چنین جریانی در بدن نامطلوب بوده اما شخص قادر است عضلاتش را برای رها کردن هادی برقدار کنترل کند. تحقیقات جناب دالزیل (Dalziel) بر روی 28 زن و 134 مرد نشان می‌دهد که میانگین جریان رهایی برای بانوان و آقایان به ترتیب برابر با 10.5 و 16 میلی‌آمپر و مقادیر جریان آستانه به ترتیب برابر با 6 و 9 میلی‌آمپر هستند. تصاویری از این تحقیقات در شکل‌های 1 و 2 ارائه گردیده است.

شکل 1 - توزیع آماری جریان‌های رهایی برای آقایان و خانم‌ها [2]

شکل 2 - یکی از سوژه‌های آزمایش آقای دالزیل در حال اندازه‌گیری جریان و ولتاژ رهایی [2]

در بازه 9 الی 25 میلی‌آمپر، جریان‌ها دردآور بوده و رهایی از هادی برق‌داری که در داخل دست نگه‌داشته شده، غیرممکن است. برای جریان‌های بالاتر انقباض عضلانی سبب دشواری تنفسی نیز می‌شود. این آثار دائمی نبوده و با قطع جریان از بین می‌روند، مگر در حالتی که انقباض بسیار شدید بوده و تنفس برای دقایقی (به جای چند ثانیه) متوقف شود. حتی در این موارد نیز شخص اغلب به اجرای عملیات احیا پاسخ می‌دهد. 

در بازه 60 تا 100 میلی‌آمپر بروز پدیده فیبریلاسیون بطنی، ایست قلبی یا مهار تنفس رخ داده و سبب آسیب و مرگ می‌شود. در این حالت متخصص CPR می‌بایست پس از متوقف کردن منبع جریان (و اطمینان از ایمنی) عملیات را اجرا کرده تا مصدوم به مراکز درمانی منتقل شود.

از این رو، استاندارد IEEE80 بر اهمیت آستانه فیبریلاسیون تأکید می‌کند. اگر بتوان جریان‌های عبوری از بدن در اثر شوک الکتریکی را به‌وسیله طراحی دقیق سیستم‌های زمین به مقداری پایین‌تر از این آستانه نگه داشت، می‌توان از بروز آسیب‌های شدید و مرگ جلوگیری کرد. 

نویسنده مقاله: پاراگراف بالا حاوی نکته بسیار مهمی در شناخت استاندارد IEEE80 و رویکرد آن به بحث ایمنی است. دقت بفرمایید که در این استاندارد وقتی صحبت از ولتاژهای تماس و گام مجاز می‌شود، این ولتاژها به نوعی تعریف می‌شوند که صرفا سبب مرگ اشخاص نشود. 

دالزیل نشان داد جریانی که به فیبریلاسیون بطنی منجر نمی‌شود (I_B) در بازه‌های زمانی بین 0.03 تا 3.0 ثانیه با انرژی جذب شده توسط بدن شخص ارتباط داشته و با استفاده از رابطه زیر قابل بیان است:

اهمیت پاکسازی سریع خطا

در کنار رابطه مطرح شده در بالا، پاک‌سازی سریع خطاهای زمین از دو جهت اهمیت فراوانی دارد: 

1) برخلاف حالتی که ممکن است خطا برای دقایق و یا حتی ساعاتی برقرار بماند، احتمال در معرض شوک الکتریکی قرار گرفتن به واسطه پاکسازی سریع خطا کاهش می‌یابد.

2) تجربه و آزمون نشان می‌دهد که احتمال آسیب‌های شدید و یا مرگ با کاهش مدت زمان جاری بودن جریان خطا از بدن شخص و در صورتی که این زمان بسیار کوتاه باشد، کاهش می‌یابد.

پاراگراف بنابراین جریان مجاز وابسته به زمان پاک‌سازی خطا توسط تجهیزات حفاظتی اصلی یا پشتیبان خواهد شد. در رابطه با این که از زمان پاک‌سازی خطا توسط کدام حفاظت (اصلی یا پشتیبان) استفاده شود بحث‌های مختلفی مطرح می‌شود. برای نمونه می‌توان گفت به این دلیل که احتمال همزمانی بروز اشتباه در عملکرد رله با سایر پدیده هایی که می‌تواند منجر به خطای زمین و نیز جاری شدن جریان از بدن شخص شود پایین است، می‌توان از زمان عملکرد حفاظت‌های اصلی استفاده نمود. هرچند که انتخاب محافظه کارانه‌تر و ایمن‌تر استفاده از زمان پاک‌سازی خطا توسط حفاظت‌های پشتیبان است. چرا که این کار حاشیه اطمینان‌های بزرگ‌تری را در محاسبات منظور می‌کند.

ملاحظه دیگر نیز این است که زمان پاک‌سازی خطا به مقادیری کمتر از 0.5 ثانیه محدود شود. چرا که قلب انسان هرچه زمان باقی ماندن جریان به زمان یک تپش نزدیک‌تر شود، نسبت به بروز فیبریلاسیون بطنی آسیب پذیرتر است. خطر برای زمان‌های بین 0.06 الی 0.3 ثانیه کمتر است. 

پایان بخش اول از مقاله «جریان الکتریکی و بدن انسان به روایت استاندارد IEEE 80». بخش دوم از این مقاله در همین پلتفرم تقدیم حضور عزیزان خواهد شد. لینک به بخش دوم مقاله:

لینک به بخش دوم مقاله «جریان الکتریکی و بدن انسان به روایت استاندارد IEEE 80»

 

مراجع

[1] - "IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding," in IEEE Std 80-2013 (Revision of IEEE Std 80-2000/ Incorporates IEEE Std 80-2013/Cor 1-2015) , vol., no., pp.1-226, 15 May 2015, doi: 10.1109/IEEESTD.2015.7109078.

[2] - Dalziel, C. F., and Massogilia, F. P., “Let-go currents and voltages,” AIEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. 75, part II, pp. 49–56, 1956.