발 아래의 위험: 터치 및 스텝 전압에 대한 심층 분석

소개

전기 위험을 생각할 때, 우리는 종종 고전압 전력선이나 불꽃이 튀는 기계 부품과의 직접적인 접촉을 상상합니다.. 그러나, 전기 공학에서 가장 교활한 위험 중 일부는 활선 도체와의 직접적인 접촉 없이 발생합니다.. 변전소 또는 전력선에서 접지 오류가 발생한 경우, 큰 전류가 땅으로 솟아오르다. 이러한 전기 유입은 접지 자체에 걸쳐 전압 구배를 생성합니다., 사람의 발 아래 흙을 잠재적인 죽음의 함정으로 바꾸는 것. 이 현상은 두 가지 중요한 안전 개념에 의해 제어됩니다.: 단계 전압 과터치 전압.

이러한 개념을 이해하는 것은 단순한 학문적 연습이 아닙니다.; 변전소 설계 및 유틸리티 안전의 초석입니다.. 업계 표준에 명시된 바와 같이, 안전한 접지 시스템의 주요 목표는 접지된 시설 근처에 있는 사람이 심각한 감전의 위험에 노출되지 않도록 하는 것입니다.[1][3]. 이 기사에서는 이러한 전압의 정의를 살펴봅니다., 인체에 어떤 영향을 미치는지에 대한 과학, 안전 한계를 규정하는 국제 표준, 이러한 보이지 않는 위협을 완화하는 데 사용되는 엔지니어링 방법.

위험 정의: 단계 대. 터치 전압

위험을 이해하려면, 먼저 결함이 발생하는 동안 사람이 직면할 수 있는 두 가지 유형의 잠재적 차이 사이의 차이점을 이해해야 합니다..

스텝 전압 거리를 연결하는 사람이 경험할 수 있는 표면 전위의 차이입니다. 1 미터 (대략 한 단계) 발로, 어떤 접지에도 접촉하지 않고 [1][4] . 전류가 접지로 소멸되는 결함을 상상해 보십시오.. 전류가 대지에 유입되는 지점에서 전압이 가장 높습니다. (예를 들면, 쓰러진 지휘자 또는 송전탑) 그리고 그 지점으로부터의 거리가 멀어질수록 감소합니다.[3] . 사람이 그 지역을 걷는다면, 한쪽 발이 더 높은 전압 지점에 있을 수 있음 (잘못에 더 가깝다) 다른 쪽 발은 더 낮은 전압에서 (더 멀리). 두 지점 사이의 전압 차이가 스텝 전압입니다.. 이 전압이 충분히 높다면, 사람의 다리와 하체를 통해 전류를 흐르게 합니다., 잠재적으로 근육 조절 상실이나 심실 세동을 유발할 수 있습니다.[2][5]..

터치 전압, 반면에, 손에서 발까지의 경로가 포함됩니다.. 이는 다음과 같은 잠재적인 차이로 정의됩니다.접지 전위 상승 (GPR) 접지된 구조의 (변전소 울타리 또는 금속 인클로저와 같은) 사람이 서 있는 동시에 해당 구조물을 만지는 지점의 표면 전위[1][4]. . 예를 들면, 결함이 있는 동안, 변전소 울타리는 다음에 비해 위험할 정도로 높은 전압으로 상승할 수 있습니다. “진정한 지구.” 몇 피트 떨어진 곳에 서 있는 사람이 그 울타리에 닿으면, 그들의 몸은 회로를 완성한다. 가슴을 통해 전류를 유도하려는 전압 (손에서 발까지) 터치 전압은[2].

세 번째, 관련 컨셉은전달된 전압, 접촉 전압의 특별한 경우. 이는 파이프와 같은 전도성 경로를 통해 원격지와 변전소 안팎으로 전압이 전송될 때 발생합니다., 울타리, 또는 의사소통 [1][3] . 이걸 만지는 사람이 “활력이 넘치는” 로컬 지면에 서 있는 동안 원격 개체는 원격 결함의 전체 힘에 노출될 수 있습니다..

충격의 물리학: 신체 전류 및 세동

이러한 전압이 위험한 이유? 인체는 본질적으로 큰 저항기입니다.. 양단에 전압차가 나타날 때, 전류 흐름. 감전으로 인한 사망의 주요 원인은 다음과 같습니다.심실세동, 심장의 리드미컬한 펌핑 활동이 중단되고 혼란스럽게 떨기 시작하는 상태입니다., 혈액을 펌프질할 수 없게 만드는 것[5][2].

감전의 심각도는 세 가지 주요 요인에 따라 달라집니다.: 전류의 크기, 노출 기간, 그리고 전류가 몸을 통과하는 경로 (손과 발은 심장을 가로지르기 때문에 가장 위험하다) .

IEEE와 같은 표준 (전기전자공학회) 및 IEC (국제 전기 기술위원회) 이러한 요소를 기반으로 안전한 전압 한계를 결정하기 위해 수학적 모델을 확립했습니다.. IEEE 표준 80 Dalziel의 연구에서 파생된 공식을 사용합니다., 이는 체중과 고정된 신체 저항을 가정합니다.1000 제트  [1][5]. 허용되는 신체 전류 50 kg (110 파운드) 사람은 다음과 같이 계산됩니다.:

${\mathrm{나는}}_B=\frac{0.116}{\sqrt{{티}_{\mathrm{에스}}}}\text{ 암페어}$나는B​=티에스​​0.116​ 암페어

어디에서${티}_{\mathrm{에스}}$TS​는 충격이 지속되는 시간(초)입니다.. 에 대한 70 kg 사람, 끊임없는 변화 0.116 에 0.157[5] .

이것을 사용하여, 허용 가능한 터치 및 스텝 전압을 계산할 수 있습니다.. 공식에는 신체 저항이 포함되어 있습니다. (1000 제트) 그리고 발의 저항, 전도성 디스크로 모델링된 것. 발 저항은 표면 재료의 저항에 따라 달라집니다. (${\mathrm{아르\; 자형}}_{\mathrm{에스}}$아르 자형에스​) 그 사람이 서있는 곳에. 표준 방정식은 다음과 같습니다.:

• 스텝 전압: ${\mathrm{그것}}_{\mathrm{에스}티과피}=(1000+6C_{\mathrm{에스}}{\mathrm{아르\; 자형}}_{\mathrm{에스}})\frac{0.116}{\sqrt{{티}_{\mathrm{에스}}}}$그것에스티과피​=(1000+6C에스​아르 자형에스​)티에스​​0.116​
• 터치 전압: ${\mathrm{그것}}_{티\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_0"\; data-source="1"\; data-orig="o">o</span>}너CH}=(1000+1.5C_{\mathrm{에스}}{\mathrm{아르\; 자형}}_{\mathrm{에스}})\frac{0.116}{\sqrt{{티}_{\mathrm{에스}}}}$그것티o너CH​=(1000+1.5C에스​아르 자형에스​)티에스​​0.116​

요인 “6” 단계 방정식에서는 2피트를 직렬로 설명합니다. (동일한 표면에 있는 두 발 접촉의 저항), 반면에 “1.5” 터치 방정식에서 평행한 두 피트를 차지합니다. [1][3] .

IEC 표준 (IEC 60479-1) 좀 더 복잡한 접근 방식을 취합니다, 신체 임피던스를 전압과 인구 백분위수에 따른 변수로 고려, 그리고 소개하는 “심장 전류 요인” 다양한 전류 경로용. 일반적으로, IEC 표준은 다음보다 짧은 오류 기간에 대해 더 높은 안전 한계를 허용합니다. 400 밀리 초, 심장의 취약한 T파 단계의 타이밍을 인식[2][5] .

엔지니어링 완화 및 설계

왜냐하면 땅 자체는 잘못을 해결하는 데 의존할 수 없기 때문입니다. (접지봉만으로는 접촉 가능성을 안전한 수준으로 줄일 수 없습니다[3])), 엔지니어는 직원을 적극적으로 보호하기 위해 접지 시스템을 설계해야 합니다.. 설계 과정에는 토양 저항력 측정이 포함됩니다., 최대 결함 전류 계산, 그런 다음 실제 터치 및 스텝 전압이 계산된 허용 한계 미만으로 유지되도록 보장하는 접지 그리드를 설계합니다.[1][3] .

이를 달성하기 위해 몇 가지 핵심 전략이 사용됩니다.:

1. 접지 그리드: 1차 방어 수단은 잘 설계된 접지 그리드입니다.. 이는 그리드 패턴에 묻혀 있는 순동 도체 네트워크로 구성됩니다. (종종 간격을 두고 10 에 20 피트 떨어져) 지상의 모든 금속 구조물에 단단히 접착되어 있습니다.. 이 그리드는 전체 영역을 보다 균일한 전위로 유지하는 데 도움이 되며 결함 전류에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공합니다.[1][3][4].

2. 고저항성 표면층: 이는 가장 눈에 띄고 효과적인 완화 조치 중 하나입니다.. 변전소에서, 부서진 암석층 (자갈) 표면에 퍼져있습니다. 이 물질은 저항률이 매우 높습니다. (${\mathrm{아르\; 자형}}_{\mathrm{에스}}$ρs​) 일반 흙에 비해. 사람의 발과 밑에 있는 땅 사이에 이 층을 놓는 것으로, 충격 회로에 상당한 직렬 저항을 추가합니다., 그러면 몸에 흐르는 전류가 줄어듭니다.[1][4]. 이 계층의 효율성은 안전 방정식에서 스케일링 계수로 설명됩니다.$C_{\mathrm{에스}}$CS​[1].

3. 등전위대: 접지된 장비와 직접 접촉해야 하는 작업자의 경우, 만들기등전위대 중요하다. 이는 종종 임시 방법을 사용하여 달성됩니다.접지 매트 (금속 메쉬) 장비에 붙어 있는 것. 작업자가 매트 위에 서서 장비를 만졌을 때, 발과 손은 모두 같은 잠재력을 가지고 있습니다., 효과적으로 터치 전압을 0으로 줄입니다. [4] . 인접한 작업 영역에 있는 모든 전도성 물체를 접착하는 것도 비슷한 목적으로 사용됩니다.[3].

4. 더 빠른 보호 해제: 허용 가능한 전압 한계는 충격 지속 시간의 제곱근에 반비례합니다. ($\sqrt{{티}_{\mathrm{에스}}}$티에스​​). 따라서, 보호 계전기가 더 빠르게 작동하여 결함을 제거할 수 있을수록, 사람이 이론적으로 생존할 수 있는 전압이 높을수록. 결함 제거 시간을 단축함으로써, 엔지니어는 안전마진을 크게 늘릴 수 있습니다..

결론

스텝 및 터치 전압은 전기 안전의 고유한 과제를 나타냅니다.: 위험은 눈에 보이지 않으며 우리가 걷는 땅에 존재합니다.. 위험은 전력선 자체의 전압이 아닙니다, 그러나 도체 역할을 하는 지구에 의해 생성된 전압 구배. 전기가 인체에 미치는 영향에 대한 수십 년간의 연구를 통해, IEEE Std와 같은 표준 80 및 IEC 60479 엔지니어에게 이러한 위험을 정량화하고 이를 완화하기 위한 설계 시스템을 제공하는 도구를 제공했습니다.[1][2]..

변전소의 발 아래에 있는 고저항 자갈부터 접지 그리드를 설계하는 데 사용되는 복잡한 컴퓨터 모델까지, 모든 요소가 함께 작동하여 오류가 발생할 때 이를 보장합니다., 눈에 보이지 않는 전압 변화도는 그대로 유지됩니다., 가장 중요한 것은, 무해한. 분산 에너지 자원과 스마트 그리드가 발전함에 따라, 이러한 접지 시스템의 무결성을 유지하는 것은 공공 및 유틸리티 작업자 모두를 보호하는 데 가장 중요합니다. [3][4].

참조

1. IEEE 표준 80,AC 변전소 접지 안전 지침 .
2. IEC 60479-1, *인간과 가축에 대한 전류의 영향 – 부분 1: 일반적인 측면*.
3. IEEE 표준 81,대지 저항률 측정 가이드, 접지 임피던스, 접지 시스템의 지표면 전위 .
4. OSHA (산업안전보건청) 전기 안전 지침.
5. 달지엘, C. F., & 이씨, 에. R. (19601970년대). 치명적인 전류.산업 및 일반 응용 분야에 대한 IEEE 거래 .
6. IEC 62305,번개로부터 보호 .

AI 지원을 통해 초안을 작성하고 작성자가 검증한 콘텐츠 30 전력 품질 분야에서의 다년간의 경험.