دلایل ایجاد ولتاژهای گامی و تماسی و محاسبه آن‌ها

زمانی که دست فرد با یک قسمت برقدار تماس پیدا کند، جریان از دست وارد بدنش شده و از پاها خارج می‌شود. این مسیر از اندام‌های حیاتی مانند قلب می‌گذرد و لذا ولتاژ تماسی می‌تواند خطرناک‌تر از ولتاژ گامی باشد. در مورد ولتاژ گامی، جریان از یک پا وارد بدن شده و از پای دیگر خارج می‌شود و چون مسیر عبور کوتاه‌تر است و معمولاً به اندام‌های حیاتی نمی‌رسد، خطر کمتری دارد اما همچنان می‌تواند باعث آسیب‌های موضعی مانند سوختگی شود.

2. اثرات اندازه جریان الکتریکی بر بدن

شکل ۵ اثر اندازه جریان عبوری از بدن را نشان می‌دهد. مهمترین مشکلی که عبور جریان از بدن می‌تواند ایجاد کند، فیبریلاسیون بطنی (Ventricular Fibrillation) است. این اصطلاح به معنی از بین رفتن ریتم منظم و طبیعی قلب است. عبور جریان‌های بین ۵۰ تا ۱۰۰ میلی‌آمپر به مدت کوتاه (در حدود ۰.۱ ثانیه) از بدن می‌تواند منجر به فیبریلاسیون بطنی شود. جریان‌های بالاتر از ۱۰۰ میلی‌آمپر می‌توانند باعث سوختگی‌های شدید در محل ورود و خروج جریان شوند. این آسیب‌ها معمولاً ناشی از عبور جریان بالا در مدت زمان طولانی هستند.

حدود ولتاژهای گامی و تماسی

استاندارد IEEE 80 معیارهای مشخصی برای محدود کردن این ولتاژها ارائه داده است:

• ولتاژ تماسی مجاز باید به گونه‌ای باشد که جریان عبوری از بدن کمتر از آستانه فیبریلاسیون بطنی باقی بماند.
• ولتاژ گامی مجاز باید به حدی باشد که جریان عبوری بین دو پا از مقدار ایمن تجاوز نکند.

روش‌های محاسبه ولتاژهای گامی و تماسی مجاز 

محاسبه ولتاژهای گامی و تماسی، گام کلیدی در ارزیابی ایمنی سیستم‌های الکتریکی است. این محاسبات به مهندسان اجازه می‌دهد تا خطرات احتمالی ناشی از جریان‌های اتصالی به زمین را شناسایی کرده و اقدامات پیشگیرانه را برای کاهش این ولتاژها طراحی کنند. استاندارد IEEE 80 روش‌ها و فرمول‌های دقیقی برای تخمین این ولتاژها ارائه داده است. برای محاسبه دقیق ولتاژهای گامی و تماسی، باید ابتدا پارامترهای زیر را تعیین کرد:

• جریان اتصالی به زمین (I_g​)
• مقاومت مخصوص خاک (ρ)
• امپدانس سیستم ارتینگ (Z_g​)

2. محاسبه ولتاژ گامی (V_step​)

با استفاده از این فرمول که در Annex D استاندارد IEEE Std 80-2013 آمده است، ولتاژ گامی را می‌شود حساب کرد. 

که در آن :

ρ: مقاومت متوسط خاک بر حسب اهم.متر (Ω.m)

I_G​: جریان ماکزیمم مؤثر (rms) عبوری بین شبکه زمین و خاک، بر حسب آمپر (A)

C_S​: ضریب مقیاس است که با داشتن مقاومت مخصوص لایه سطحی خاک (ρ_s) و ضخامت این لایه به متر () از رابطه زیر حساب می‌شود

t ​: مدت زمان برقراری جریان برحسب ثانیه (s)

R_b​: مقاومت بدن انسان (مقدارنوعی 1000 اهم).

3. محاسبه ولتاژ تماسی (V_touch​)

مثال واقعی

فرض کنید یک پست توزیع برق در یک منطقه صنعتی قرار دارد. در این پست، اتصال کوتاه رخ می‌دهد و جریان اتصال کوتاه فاز به زمین ایجاد می‌شود (شکل ۶). یکی از کارکنان در نزدیکی تجهیزاتی که به زمین متصل است، در حال انجام تعمیرات است. روی زمین یک لایه آسفالت به ضخامت 20 سانتی‌متر و با مقاومت مخصوص 3500 اهم-متر ریخته شده و خود خاک هم دارای مقاومت مخصوص 100 اهم-متر است. در چنین شرایطی یک اتصال کوتاه فاز به زمین با جریان 15 کیلوآمپر رخ داده و برای 0.5 ثانیه تداوم می‌یابد. ولتاژهای گام و تماس مجاز برای این فرد چقدر است؟

حل: با عدد گذاری در روابط فوق 0.8215=C_S​ و 1638=V_touch​ و 3112=V_Step​ به دست می‌آید.