足元に危険が潜んでいる: タッチ電圧とステップ電圧の詳細

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はじめに

電気的危険について考えるとき, 私たちは高圧送電線や機械の火花との直接接触をよく想像します。. しかしながら, 電気工学における最も潜行的な危険のいくつかは、通電している導体との直接接触なしに発生します。. 変電所または送電線での地絡時, 大電流が大地に流れ込む. この電気の流入により、地面自体に電圧勾配が生じます。, 人の足元の土壌を死の罠に変える. この現象は 2 つの重要な安全概念によって制御されます。: ステップ電圧 とタッチ電圧.

これらの概念を理解することは単なる学術的な演習ではありません; それは変電所の設計と公共施設の安全性の基礎です. 業界標準で指摘されているように, 安全な接地システムの主な目的は、接地された施設の近くにいる人が重大な感電の危険にさらされないようにすることです。[1][3]. この記事では、これらの電圧の定義について説明します。, それらが人体にどのような影響を与えるかの背後にある科学, 安全限界を定める国際規格, そして、これらの目に見えない脅威を軽減するために使用されるエンジニアリング手法.

危険の定義: ステップ対. タッチ電圧

リスクを理解するには, まず、障害時に人が遭遇する可能性のある 2 種類の潜在的な違いの違いを理解する必要があります。.

ステップ電圧 ある距離を橋渡しする人が経験する可能性のある表面電位の差です。 1 メーター (約1歩) 彼らの足で, 接地されたものに接触することなく [1][4] . 電流が地面に散逸する故障を想像してください。. 電圧は電流が大地に流れる地点で最も高くなります (例えば, 倒れた電線または送電鉄塔) そしてその点からの距離が離れるにつれて減少します[3] . 人がそのエリアを歩いた場合, 片足が高電圧のところにある可能性があります (故障に近い) もう一方の足はより低い電圧で (もっと遠くへ). これら 2 点間の電圧差がステップ電圧です。. この電圧が十分に高い場合, 人間の脚と下半身に電流を流します, 筋肉制御の喪失または心室細動を引き起こす可能性がある[2][5]..

タッチ電圧, 一方で, 手から足までの経路が含まれる. それは、次の間の電位差として定義されます。グランド電位上昇 (GPR) 接地された構造の (変電所のフェンスや金属製の筐体など) 人が立っていると同時にその構造に触れている点の表面電位[1][4]. . 例えば, 故障中, 変電所のフェンスは、相対的に危険な高電圧まで上昇する可能性があります。 “本当の地球。” 数フィート離れたところに立っている人がそのフェンスに触れたら, 彼らの体は回路を完成させます. 胸に電流を流そうとする電圧 (手から足まで) はタッチ電圧です[2].

3番目, 関連するコンセプトは伝達電圧, タッチ電圧の特殊なケース. これは、電圧がパイプなどの導電性パスを介して変電所に出入りするときに発生します。, レール, またはコミュニケーション [1][3] . これに触れる人 “元気づけられた” 遠隔地にある物体は、遠隔地にある断層の最大の力にさらされる可能性があります。.

衝撃の物理学: 体内電流と細動

なぜこれらの電圧が危険なのか? 人間の体は本質的に大きな抵抗器です. 両端に電圧差が生じた場合, 電流が流れる. 感電による主な死亡原因は、心室細動, 心臓のリズミカルなポンプ作用が止まり、無秩序に震え始める状態, 血液を送り出せなくなる[5][2].

感電の重症度は 3 つの主な要因によって決まります。: 電流の大きさ, 暴露期間, 電流が身体を通る経路 (手から足への接触は心臓を横切るため最も危険です) .

IEEE などの標準 (電気電子学会) およびIEC (国際電気標準会議) これらの要因に基づいて安全な電圧制限を決定するための数学的モデルを確立しました. IEEE規格 80 Dalziel の研究から導き出された公式を使用します, これは体重と固定の身体抵抗を仮定します。1000 Z  [1][5]. 許容人体電流 50 kg (110 ポンド) 人は次のように計算されます:

私はB=0.116Tの アンペア私はB=Tの0.116アンペア

どこTのts衝撃の持続時間（秒単位）です. のために 70 kg人, からの定数の変化 0.116 へ 0.157[5] .

これを使うと, 許容可能なタッチ電圧とステップ電圧を計算できます. フォーミュラには身体抵抗が組み込まれています (1000 Z) そして足の抵抗, 導電性ディスクとしてモデル化されています. 足の抵抗は表面素材の抵抗率に依存します (rのrの​) 人が立っている場所. 標準的な方程式は次のとおりです。:

  • ステップ電圧: それのTとP=(1000+6℃のrの)0.116TのそれのTとP=(1000+6℃の​rの​)Tの0.116
  • タッチ電圧: それTザ·とC言語H=(1000+1.5℃のrの)0.116TのそれTザ·とC言語H=(1000+1.5℃の​rの​)Tの0.116

の要因 “6” ステップ方程式では、直列の 2 フィートが考慮されます (同じ面上の 2 つの足の接触の抵抗), 一方、 “1.5” タッチ方程式では平行 2 フィートが考慮されます [1][3] .

IEC規格 (IEC 60479-1) より複雑なアプローチを取る, 身体インピーダンスを電圧と人口パーセンタイルに依存する変数として考慮する, そして、 “心臓電流因子” さまざまな電流経路に対応. 一般に, IEC 規格では、故障期間が以下の場合にはより高い安全限界値が認められています。 400 ミリ秒, 心臓の脆弱なT波段階のタイミングを認識する[2][5] .

エンジニアリングによる緩和と設計

断層を取り除くために地球自体に頼ることはできないからです (接地棒だけでは接触電位を安全なレベルまで下げることはできません[3])), エンジニアは積極的に人員を保護するための接地システムを設計する必要があります. 設計プロセスには土壌の抵抗率の測定が含まれます, 最大故障電流の計算, 次に、実際のタッチ電圧とステップ電圧が計算された許容限界を下回るように接地グリッドを設計します。[1][3] .

これを達成するためにいくつかの重要な戦略が採用されています:

1. グラウンディンググリッド: 主な防御は、適切に設計された接地グリッドです. これは、格子状に埋め込まれた裸の銅導体のネットワークで構成されています。 (しばしば間隔をあけて 10 へ 20 足を離して) 地上のすべての金属構造物にしっかりと接着されています. このグリッドは、エリア全体をより均一な電位に保つのに役立ち、故障電流に対して低インピーダンスの経路を提供します。[1][3][4].

2. 高抵抗表面層: これは最も目に見えて効果的な緩和策の 1 つです. 変電所内, 砕けた岩の層 (砂利) 表面に広がっている. この材料は非常に高い抵抗率を持っています (rのρs​) 普通の土と比べて. この層を人の足とその下の地面の間に置くことで、, ショック回路に大幅な直列抵抗が追加されます, それによって体に流れる電流が減少します[1][4]. この層の有効性は、安全方程式でスケーリング係数によって考慮されます。℃のCs​[1].

3. 等電位ゾーン: 接地された機器に直接接触する必要がある作業者向け, を作成する等電位帯 重要です. これは多くの場合、一時的な手段を使用して実現されます。グランドマット (金属メッシュ) 機器に接着されているもの. 作業者がマットの上に立って設備に触れた場合, 彼らの足と手は同じ電位にあります, タッチ電圧を効果的にゼロに下げる [4] . 直接の作業領域にあるすべての導電性オブジェクトを接着することも同様の目的を果たします。[3].

4. より高速な保護クリア: 許容電圧制限は、衝撃持続時間の平方根に反比例します。 (TのTの​​). 故に, 保護リレーがより早く動作して障害を解消できる, 電圧が高ければ高いほど、理論的には人は生き残ることができます. 障害解決時間を短縮することで, エンジニアは安全マージンを大幅に増やすことができます.

結論

ステップ電圧とタッチ電圧は、電気安全における独特の課題を表しています: 危険は目に見えず、私たちが歩いている地面に存在します. 危険なのは送電線の電圧そのものではない, しかし、導体として機能する地球によって生じる電圧勾配. 電気が人体に及ぼす影響についての数十年の研究を通じて, IEEE Std などの規格 80 およびIEC 60479 これらのリスクを定量化し、リスクを軽減するシステムを設計するためのツールをエンジニアに提供してきました。[1][2]..

変電所の足元にある高抵抗の砂利から、接地グリッドの設計に使用される複雑なコンピューター モデルまで, すべての要素が連携して動作し、障害が発生したときに確実に動作します。, 目に見えない電圧勾配はそのまま残ります。, 最も重要なこと, 無害な. 分散型エネルギー資源とスマートグリッドの進化に伴い, これらの接地システムの完全性を維持することは、公共と公共事業従事者の両方を保護するために依然として最優先事項です。 [3][4].

参照

  1. IEEE規格80、交流変電所の接地における安全性ガイド .
  2. IEC 60479-1、*人間および家畜に対する電流の影響 – 一部 1: 一般的な側面*.
  3. IEEE 規格 81、接地抵抗率測定ガイド, 接地インピーダンス, と接地システムの地表電位 .
  4. オシャ (労働安全衛生管理) 電気安全に関するガイダンス.
  5. ダルジール, ℃. F., & リー, で. R. (19601970年代～1970年代). 致死的な電流。産業および一般アプリケーションに関する IEEE トランザクション .
  6. IEC 62305、雷に対する保護 .

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