حلقه هم پتانسیل کننده و اثر آن بر پتانسیل های تماس

دسته‌بندی: ارتینگ

حلقه‌های هم‌پتانسیل‌کننده یکی از راهکارهای مناسب برای کمک به ایمنی اشخاص از طریق کاهش پتانسیل تماس هستند. در این مقاله با استفاده از یک مثال ساده عملکرد این حلقه و نحوه اثرگذاری آن بر روی پتانسیل‌های توزیع شده در سطح خاک و همچنین پتانسیل‌های تماس و گام مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

اگر تا کنون عضو کانال تلگرام اطلاع‌رسانی و انتشار مقالات وی‌دلتا به آدرس vdelta_ir نشدید، حتما به ما بپیوندید.

 

درصورتی که به یادگیری نرم افزاری طراحی سیستم های اتصال زمین علاقه مند هستید، دوره "طراحی سیستم اتصال زمین در شبکه‌های قدرت با محوریت محاسبات و شبیه‌سازی‌های نرم‌افزاری" از وبسایت ویدلتا را از دست ندهید!

 

پتانسیل‌های تماس و گام مجاز یکی از مهم‌ترین ملاحظات در حوزه ایمنی تجهیزات الکتریکی هستند. اتفاقا در وبسایت وی‌دلتا در این مقاله و بخش دوم آن به بخشی از مباحث پتانسیل‌های تماس و گام مجاز از نگاه استاندارد IEEE80 پرداخته شده که به مخاطبان پیشنهاد می‌شود که حتما نگاهی به این مقالات نیز داشته باشند. 

نکته مهم: این مقاله صرفا به پتانسیل‌های تماس و گام می‌پردازد و به شکلی بسیار مختصر به مقادیر مجاز آن اشاره خواهد شد. یعنی ما در این مقاله صرفا قصد داریم تا چند رویکرد ساده در کنترل پتانسیل تماس با استفاده از الکترودهای افقی را در یک سیستم زمین به شدت ساده مورد بررسی قرار دهیم و لزوما قصد طراحی یک سیستم زمین ایمن برای پست موجود در مثال را نداریم! چرا که در آن صورت نیاز بر این وجود داشت تا ظرایف کار و ترفندهای متعدد در بهبود طراحی در جهت دستیابی به طرح بهینه را تشریح نمود که چنین بحثی در یک مقاله نمی‌گنجد. امید است تا در صورت باقی بودن عمر، در آینده‌ای نزدیک و در یک آموزش مدون با رویکردی محاسباتی/نرم‌افزاری (محاسبات اتصال کوتاه و تحلیل‌های حفاظتی با DIgSILENT، محاسبات ایمنی و طراحی سیستم زمین با CYMGrd) به روند کامل طراحی سیستم‌های زمین بپردازیم.

پتانسیل تماس و رابطه آن با محل ایستادن شخص به چه شکلیست؟ حلقه‌های هم‌پتانسیل کننده تا چه میزان کارا هستند؟ آیا اجرای یک حلقه ساده می‌تواند خیال ما را از باب تامین حداقل‌های ایمنی راحت کند؟ در این مقاله با استفاده از یک مثال ساده تلاش خواهد شد تا حدی به سوالات مطرح شده پاسخ داده شود.

سیستم زمین یک پست هوایی را در نظر بگیرید. فرض بر آن است که این پست هوایی نظیر شکل 1 باشد. الکترود زمین در این مثال از یک حلقه هم پتانسیل کننده و دو الکترود میله‌ای تشکیل شده است. حلقه در عمق 0.5 متری زمین تعبیه گردیده است. در این مثال دو مطالعه تعریف خواهد شد.

• در مطالعه اول فرض بر این است که حلقه‌ای وجود نداشته و سیستم زمین صرفا از دو الکترود میله‌ای تشکیل شده است.
• در مطالعه دوم حلقه هم‌پتانسیل کننده در کنار دو الکترود میله‌ای با هم در نظر گرفته می‌شوند.
  • در این مطالعه نیم نگاهی هم به یک طرح با دو حلقه تودرتو خواهیم داشت.

در هر دو مطالعه مقاومت مخصوص خاک برابر با 50 اهم متر در نظر گرفته خواهد شد. فرض بر آن است که سطح پست با آسفالت به ضخامت 10 سانتی‌متر پوشیده شده و زمان برقراری شوک برابر با 1 ثانیه است. برای چنین حالتی و با استفاده از استاندارد IEEE80 پتانسیل‌های تماس و گام مجاز در شکل 2 محاسبه شده‌اند. توضیحات مربوط به این محاسبات در بخش سوم از سری مقالات "جریان الکتریکی و بدن انسان (بریده‌ای از IEEE80)" که در دست تحریر است، از طریق همین وبسایت به عزیزان ارائه خواهد شد.

شکل 1-مثال تحت بررسی، یک پست هوایی و تابلو آن که با الکترود زمین حفاظتی همبند گردیده 

 

شکل 2- محاسبات پتانسیل‌های تماس و گام مجاز به استناد استاندارد IEEE80 با فرض پوششی 10 سانتی‌متری از آسفالت (خیس) 

مطالعه 1

با فرض خاکی با مقاومت مخصوص 50 اهم‌متر، استفاده از تنها دو الکترود میله‌ای در این مطالعه مقاومتی برابر با 8.83 اهم را نتیجه می‌دهد. فرض کنید بروز خطای تک‌فاز (فشار متوسط) به زمین در این مثال سبب عبور جریانی برابر با 800 آمپر از سیستم زمین شود. این امر سبب می‌شود تا EPR¹ یا افزایش پتانسیل زمین در این مثال در حدود 7060 ولت گردد! یعنی بر روی الکترودهای زمین و هر آن چه که با آن همبند گردیده این ولتاژ ظاهر گردیده است. اما اگر شخصی درست روبروی تابلو مذکور ایستاده باشد و دست آن بر روی بدنه فلزی این تابلو باشد، چه ولتاژی بر روی او ظاهر می‌شود؟ در حال حاضر ولتاژ دست او را میدانیم که برابر با EPR است، اما ولتاژ در کف پای او چند ولت است؟ برای یافتن پاسخ این پرسش نیاز است تا بدانیم پتانسیل سطح زمین در اثر عبور جریان  خطا از خاک به چه شکلی می‌شود. تصویر سه بعدی از پتانسیل سطح خاک در شکل 3 ارائه گردیده است.

شکل 3- پتانسیل سطح خاک در سطح سیستم زمین شکل 1

با تامل در شکل 3 می‌توان دید که در اماکنی که الکترود وجود داشته (درست بالای الکترودهای میله‌ای) ولتاژ سطح خاک به بیشترین میزان خود رسیده است. ولتاژ سطح خاک در این دو نقطه به حداکثر میزان خود و به 2753 ولت رسیده است. اما با دور شدن از الکترودها این ولتاژ کاهش یافته و در کمترین میزان خود که در گوشه های تصویر رخ داده به 1612.9 ولت رسیده است. یعنی بسته به این که الکترودها کجا باشند و شخص در کجا ایستاده باشد، ولتاژ در کف پاهای او متفاوت است. برای نشان دادن شیوه اثرگرفتن پتانسیل های تماس از این مطلب در شکل 4، پتانسیل های تماس در محدوده این سیستم زمین ترسیم گردیده است.

شکل 4- پتانسیل تماس در حوزه سیستم زمین مطالعه 1، به صورت سه بعدی کانتور دو بعدی

پتانسیل تماس برابر با اختلاف پتانسیل دست و پای شخص در حالتی است که شخص در یک متری تجهیز ایستاده و آن را لمس می‌نماید. با این تعریف دیده می‌شود که فرم پتانسیل های تماس در شکل 4 مکمل فرم پتانسیل های خاک در شکل 3 است. یعنی هر جا پتانسیل سطح خاک افزایش یافته، پتانسیل تماس کاهش یافته و بالعکس. لذا بسته به آن که شخص در چه جایی ایستاده باشد، پتانسیل تماس او متفاوت است. در این حالت اگر محل تماس دست شخص به تابلو دقیقا در مرکز بین الکترودهای میله ای فرض شده و پای شخص در 1 متری تابلو باشد، ولتاژ تماسی در حدود 5 کیلوولت ولت بر روی شخص ظاهر میگردد! این ولتاژ بسیار خطرناک بوده و با توجه به محاسبات شکل 2 میدانیم که ولتاژ تماس مجاز از دید IEEE80 حتی با فرض وجود پوشش سطحی آسفالت، مقادیری به مراتب کمتر از این حرف ها دارد! حال چه برسد در مواردی که این پوشش سطحی وجود نداشته باشد و شخص در تماس مستقیم با خاک فرض شده باشد که در آن شرایط مقادیر مجاز برای ولتاژهای تماس و گام مجاز به مراتب کمتر از آن چیزی می‌شود که در این جا محاسبه شده است!

مطالعه 2 - یک حلقه

در این مطالعه علاوه بر دو الکترود میله ای، حلقه ترسیم شده در شکل 1 نیز در نظر گرفته می‌شود. مقاومت سیستم زمین در این حالت برابر با 5.6 اهم گشته (3.2 اهم کاهش مقاومت نسبت به مطالعه 1) و در نتیجه آن با فرض جریان خطای 800 آمپری EPR آن در حدود 4500 ولت می‌شود. هرچند موضوع بحث این مقاله چیز دیگریست اما ذکر این نکته خالی از لطف نیست که اثر این حلقه بر کاهش مقاومت تنها در حالتی باید در نظر گرفته شود که عمق دفن حلقه پایین تر از عمق یخ زدگی منطقه باشد. در شکل 5 نیز پتانسیل تماس در محدوده سیستم زمین ترسیم گردیده است. در همان محل قبلی که برای شخص در نظر گرفته بود، این بار و با استفاده از حلقه هم پتانسیل کننده ولتاژ تماس به 1320 ولت کاهش یافته است. اثربخشی حلقه بر کاهش پتانسیل تماس نسبت به مطالعه قبلی (که در حدود 5 کیلوولت بود) در این مثال به خوبی قابل رویت است. علاوه بر این از شکل 3بعدی به خوبی مشخص است که حلقه توانسته تا تغییرات پتانسیل تماس را در ناحیه خود به بازه مشخصی محدود نماید. رنگ بندی استفاده شده در شکل 5 و ولتاژ تماس متناظر با هر رنگ ذیل شکل ترسیم گردیده است. با فرضیات مطرح شده در این مثال و محاسبات شکل 1، دیده می‌شود که حلقه توانسته ولتاژهای تماس را به میزان خوبی (در حدود 70 درصد میزان مجاز، رنگ آبی تیره) محدود نماید. هرچند که در خارج از حلقه پتانسیل تماس از کنترل خارج شده و مقدار آن به شدت افزایش پیدا کرده است. برای ایمنی افراد لازم است تا شعاع 1 متری بدنه های هادی تجهیزات پتانسیل تماس کنترل گردد.

شکل 5-پتانسیل تماس در حوزه سیستم زمین مطالعه 2، به صورت سه بعدی کانتور دو بعدی

در این حلقه بیشترین کنترل پتانسیل تماس درست بر روی هادی حلقه بوده و با دور شدن از هادیها پتانسیل تماس نیز افزایش می یابد. بیشترین پتانسیل تماس در داخل محدوده حلقه درست در وسط آن رخ میدهد. در این مثال کمترین پتانسیل تماس در نزدیکی محل اتصال الکترودهای میله‌ای با حلقه رخ داده است. هرچند که استفاده از حلقه های هم‌پتانسیل کننده علاوه بر اثر مثبت در کاهش مقاومت زمین، بر کنترل پتانسیل‌های تماس نیز اثرگذار است، اما در این مثال هم می‌توان دید که اثر بخشی آن تا حد مشخصی بوده و برخلاف برخی تصورات نمیتوان از آن انتظار معجزه داشت! یعنی اگر در این مثال کمک وجود آسفالت (یا هر پوشش سطحی پرمقاومت دیگر) را نداشتیم، پتانسیل تماس به هیچ وجه با این تدابیر قابل کاهش به مقادیر مجاز نبود. در این موارد به ناچار طراح مجبور بود تا با اضافه نمودن الکترودهای افقی بیشتر در راستای کنترل پتانسیل تماس یا افزایش الکترودهای عمودی در راستای کاهش مقاومت سیستم زمین در جهت بهبود طرح اقدام نماید. در آموزش مذکور در ابتدای مقاله انشالله کلیه نکات لازم در طراحی با رویکردی محاسباتی/نرم افزاری تشریح خواهد شد.

مطالعه 2 - دوحلقه تو در تو

حلقه های هم‌پتانسیل کننده بسته به سطحی که پوشش داده و شکل آن ها عملکردهای متفاوتی در کنترل پتانسیل تماس دارند. برای نمونه اگر در این پست به جای یک حلقه، از دو حلقه (با فرض ممکن بودن اجرای چنین چیزی از نظر عمرانی) استفاده میشد میزان کنترل پتانسیل تماس بسیار متفاوت میبود. خالی از لطف نیست قبل از ورود به بحث پتانسیل های گام این وضعیت را نیز بررسی نماییم. با اضافه نمودن یک حلقه دیگر در داخل حلقه فعلی نظیر آن چه در شکل 6 ترسیم گردیده، مقاومت سیستم زمین به 5.3 اهم کاهش می یابد. نحوه توزیع پتانسیل های تماس در سطح پست نیز در این شکل ارائه گردیده و برای شخصی که در محل مشخص شده در تصویر ایستاده به 730 ولت کاهش یافته است.

شکل 6- تکمله‌ای بر مطالعه 2، حالتی که 2 حلقه تو در تو وجود داشته باشد!

همانطور که از از نمودار سه بعدی شکل 6 پیداست، کنترل پتانسیل تماس در سطح خاک و درست در بالای سیستم زمین در حالتی که از دو حلقه تو در تو استفاده شده به مراتب بهتر از حالات ترسیم شده در شکل‌های 4 و 5 است! چرا که به واسطه وجود الکترودهای افقی بیشتر در زیر خاک ولتاژ سطح خاک افزایش یافته و در نتیجه آن پتانسیل تماس در سطح پست کنترل بهتری پیدا کرده است. در رنگبندی شکل 6 هم این امر قابل رویت است که نواحی مرکزی سیستم زمین به آبی روشن (حدودا 33 درصد از پتانسیل تماس مجاز) متمایل شده و پتانسیل تماس کاهش چشمگیری داشته است. 

وضعیت پتانسیل‌های گام به چه شکلیست؟

پتانسیل‌های تماس مجاز غالبا کوچک‌تر از پتانسیل‌های گام مجاز هستند و از این رو همواره در طراحی‌ها حساسیت بالاتری نسبت به کنترل پتانسیل تماس وجود دارد. هرچند این امر دلیل نمی‌شود تا از پتانسیل‌های گام غافل شویم. بررسی پتانسیل‌های گام در طراحی‌ها اصولا در چندین مسیر بررسی می‌شود تا از ایمن بودن طرح اطمینان حاصل شود. هرچند در این مقاله و برای اجتناب از طولانی شدن مقاله به بررسی پتانسیل های گام در یک مسیر اکتفا می‌شود. همانطور که در شکل 7 مشخص شده، این مسیر بر روی خط واصل بین الکترودهای میله‌ای واقع شده و از فاصله 2 متری از الکترود سمت چپ شروع شده و به فاصله 2 متری پس از الکترود سمت راست ختم می‌شود. نمودارهای سبز رنگ در این شکل پتانسیل گام هستند و دیده می‌شود که اضافه شدن حلقه‌های هم‌پتانسیل کننده سبب شده تا پتانسیل گام بزرگ‌تر شود (در حدود دو برابر). یعنی در این مثال حلقه هم‌پتانسیل کننده اثری مخرب بر روی پتانسیل‌های گام داشته، هرچند که اثر مثبتی بر روی پتانسیل‌های تماس داشت. از آن جهت که پتانسیل گام مجاز (خط چین سبز رنگ) به مراتب بزرگ‌تر از پتانسیل گام هر سه حالت بررسی شده در این مقاله است، لذا می‌توان گفت از نظر پتانسیل گام در مسیر انتخاب شده جای نگرانی وجود ندارد. هرچند مجددا ذکر می‌شود که برای حصول اطمینان از مجاز بودن پتانسیل‌های گام نیاز است تا این پارامتر در چندین مسیر مورد بررسی قرار بگیرد و نه یک مسیر. هرچند که برای کنترل پتانسیل گام، ضمن کنترل پتانسیل تماس ترفندهایی وجود دارد که در پست های بعدی به آن ها نیز پرداخته خواهد شد.

شکل 7- پتانسیل‌های گام، تماس و سطح خاک در مسیر مشخص شده در شکل

در آینده نزدیک سومین بخش از مجموعه مقالات "جریان الکتریکی و بدن انسان (بریده‌ای از IEEE80)" و بسته آموزشی جامع در دست آماده‌سازی (بحث طراحی سیستم‌های زمین و محاسبات مورد نیاز) تقدیم حضور عزیزان خواهد شد. 

 

1: EPR: Earth Potential Rise افزایش پتانسیل زمین در اثر عبور جریان خطا از سیستم زمین، در بیان استانداردهای آمریکایی این پدیده GPR یا Ground Potential Rise نامیده می‌شود.