Опасност испод ваших ногу: Дубоко уроњење у напон додира и корака

Увод

Када помислимо на електричне опасности, често замишљамо директан контакт са високонапонским далеководом или варничим делом машине. Међутим, неке од најподмуклијих опасности у електротехници настају без икаквог директног контакта са проводником под напоном. Током земљоспоја у електричној трафостаници или на далеководу, велике струје навиру у земљу. Овај прилив електричне енергије ствара градијенте напона преко самог тла, претварајући тло под ногама човека у потенцијалну смртоносну замку. Овај феномен је регулисан са два критична концепта безбедности: напон корака инапон додира.

Разумевање ових концепата није само академска вежба; то је камен темељац дизајна трафостанице и безбедности комуналних предузећа. Као што је наведено по индустријским стандардима, примарни циљ безбедног система уземљења је да обезбеди да особа у близини уземљених објеката не буде изложена опасности од критичног струјног удара[1][3]. Овај чланак истражује дефиниције ових напона, наука која стоји иза тога како утичу на људско тело, међународни стандарди који диктирају сигурне границе, и инжењерске методе које се користе за ублажавање ових невидљивих претњи.

Дефинисање опасности: Корак вс. Додирните Волтаге

Да би разумели ризик, прво се мора разумети разлика између две врсте потенцијалних разлика са којима се особа може сусрести током квара.

Степ Волтаге је разлика у површинском потенцијалу коју би могла искусити особа која премошћује удаљеност од 1 метар (отприлике један корак) својим ногама, без контакта са било којим уземљеним [1][4] . Замислите квар где се струја распршује у земљу. Напон је највећи на месту где струја улази у земљу (на пример, оборен проводник или преносни торањ) а опада како се растојање од те тачке повећава[3] . Ако особа хода у околини, једна нога може бити на тачки вишег напона (ближе квару) а друга нога на нижем напону (даље). Разлика напона између те две тачке је напон корака. Ако је овај напон довољно висок, провући ће струју кроз ноге и доњи део тела, потенцијално изазива губитак контроле мишића или вентрикуларну фибрилацију[2][5]..

Додирните Волтаге, с друге стране, укључује пут од руке до стопала. Дефинише се као потенцијална разлика измеђуРаст потенцијала тла (ГПР) уземљене структуре (such as a substation fence or a metal enclosure) and the surface potential at the point where a person is standing while simultaneously touching that structure[1][4]. . На пример, during a fault, a substation fence might rise to a dangerously high voltage relative to “true earth.” If a person standing a few feet away touches that fence, their body completes the circuit. The voltage trying to drive current through their chest (from hand to feet) is the touch voltage[2].

A third, related concept isTransferred Voltage, a special case of touch voltage. This occurs when a voltage is transferred into or out of a substation from or to a remote point via conductive paths like pipes, rails, or communication [1][3] . A person touching this “energized” remote object while standing on local ground could be exposed to the full force of the remote fault.

Физика шока: Телесна струја и фибрилација

Зашто су ови напони опасни? Људско тело је у суштини велики отпорник. Када се на њему појави разлика напона, струја тече. Примарни узрок смрти од струјног удара јевентрикуларна фибрилација, стање у којем престаје ритмично пумпање срца и оно почиње хаотично да подрхтава, чинећи га неспособним да пумпа крв[5][2].

Озбиљност електричног удара зависи од три главна фактора: величина струје, трајање експозиције, и пут којим струја пролази кроз тело (с тим што је рука на ногу најопаснија јер прелази преко срца) .

Стандарди попут ИЕЕЕ (Институт инжењера електротехнике и електронике) и ИЕЦ (Међународна електротехничка комисија) успоставили су математичке моделе за одређивање безбедних граница напона на основу ових фактора. ИЕЕЕ Стд 80 uses a formula derived from studies by Dalziel, which assumes a body weight and a fixed body resistance of1000 З  [1][5]. The allowable body current for a 50 kg (110 lb) person is calculated as:

${\mathrm{Ја}}_{Б}=\frac{0.116}{\sqrt{{Т}_{с}}}\text{ <span class="tr\_" id="tr\_38" data-source="" data-orig="Amperes">Amperes</span>}$ЈаБ​=Тс​​0.116​ Amperes

Где${Т}_{с}$ts​ is the duration of the shock in seconds. For a 70 kg person, the constant changes from 0.116 до 0.157[5] .

Using this, the tolerable touch and step voltages can be calculated. The formulas incorporate the body resistance (1000 З) and the resistance of the feet, which is modeled as a conducting disc. The foot resistance is dependent on the resistivity of the surface material (${\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_52"\; data-source=""\; data-orig="\rho ">\rho </span>}}_{с}$ρс​) on which the person stands. The standard equations are:

• Степ Волтаге: ${\mathrm{Она}}_{сТиП}=(1000+6{Ц}_{с}{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_56"\; data-source=""\; data-orig="\rho ">\rho </span>}}_{с})\frac{0.116}{\sqrt{{Т}_{с}}}$ОнасТиП​=(1000+6Цс​ρс​)Тс​​0.116​
• Додирните Волтаге: ${\mathrm{Она}}_{Тoицх}=(1000+1.5{Ц}_{с}{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_60"\; data-source=""\; data-orig="\rho ">\rho </span>}}_{с})\frac{0.116}{\sqrt{{Т}_{с}}}$ОнаТoицх​=(1000+1.5Цс​ρс​)Тс​​0.116​

The factor of “6” in the step equation accounts for two feet in series (the resistance of two foot contacts on the same surface), while the factor of “1.5” у додирној једначини чини две стопе паралелно [1][3] .

ИЕЦ стандард (ИЕЦ 60479-1) узима сложенији приступ, узимајући у обзир телесну импедансу као променљиву која зависи од напона и перцентила популације, и увођење а “фактор срчане струје” за различите струјне путеве. Обично, ИЕЦ стандард дозвољава више безбедне границе за трајања квара краће од 400 милисекунди, признајући тајминг рањиве фазе Т-таласа срца[2][5] .

Инжењерско ублажавање и пројектовање

Зато што се не може ослонити на саму Земљу да би отклонила грешку (само уземљени штап не може смањити потенцијал додира на безбедан ниво[3])), инжењери морају дизајнирати системе уземљења како би активно заштитили особље. Процес пројектовања укључује мерење отпорности тла, израчунавање максималне струје квара, а затим дизајнирати мрежу за уземљење која осигурава да стварни напони додира и корака остану испод израчунатих толерантних граница[1][3] .

Да би се то постигло, користи се неколико кључних стратегија:

1. Тхе Гроундинг Грид: Примарна одбрана је добро дизајнирана мрежа за уземљење. Ово се састоји од мреже голих бакарних проводника укопаних у мрежу (често размакнуте 10 до 20 стопала одвојено) и безбедно везани за све надземне металне конструкције. Ова мрежа помаже да се читава област одржи на уједначенијем потенцијалу и обезбеђује пут ниске импедансе за струју квара[1][3][4].

2. Површински слојеви високог отпора: Ово је једна од највидљивијих и најефикаснијих мера ублажавања. У трафостаницама, слој ломљеног камена (шљунак) распростире се по површини. Овај материјал има веома високу отпорност (${\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_68"\; data-source=""\; data-orig="\rho ">\rho </span>}}_{с}$ρс​) у поређењу са обичним земљиштем. Постављањем овог слоја између стопала особе и земље испод, додаје значајан серијски отпор струјном колу, чиме се смањује струја која може да протиче кроз тело[1][4]. Ефикасност овог слоја се у безбедносним једначинама објашњава фактором скалирања${Ц}_{с}$Цс​[1].

3. Еквипотенцијалне зоне: За раднике који морају бити у директном контакту са уземљеном опремом, стварање анзона еквипотенцијала је критичан. Ово се често постиже коришћењем привременогземља мат (метална мрежа) који је везан за опрему. Када радник стоји на струњачи и додирује опрему, и стопала и руке имају исти потенцијал, ефективно смањујући напон додира на нулу [4] . Лепљење свих проводних предмета у непосредној радној зони служи сличној сврси[3].

4. Брже уклањање заштите: Границе толерантног напона су обрнуто пропорционалне квадратном корену трајања шока ($\sqrt{{Т}_{с}}$Тс,). Дакле, што брже заштитни релеј може да ради да отклони грешку, већи напон човек теоретски може да преживи. Смањењем времена отклањања квара, инжењери могу значајно повећати маргину сигурности.

Закључак

Напони корака и додира представљају јединствен изазов у ​​електричној безбедности: опасност је невидљива и постоји на тлу по којем ходамо. Опасност није напон самог далековода, али градијент напона који ствара земља која делује као проводник. Кроз деценије истраживања утицаја електричне енергије на људски организам, стандарди попут ИЕЕЕ Стд 80 и ИЕЦ 60479 су инжењерима обезбедили алате за квантификацију ових ризика и дизајн система за њихово ублажавање[1][2]..

Од шљунка високог отпора испод наших ногу у трафостаници до сложених компјутерских модела који се користе за пројектовање уземљивача, сваки елемент ради усклађено како би се осигурало да када дође до квара, невидљиви градијент напона остаје управо то — невидљив и, што је најважније, безопасан. Како се дистрибуирани енергетски ресурси и паметне мреже развијају, одржавање интегритета ових система уземљења остаје најважније за заштиту и јавних и комуналних радника [3][4].

Референце

1. ИЕЕЕ стандард 80,Водич за безбедност у уземљивању наизменичне подстанице .
2. ИЕЦ 60479-1, *Ефекти струје на људска бића и стоку – Део 1: Општи аспекти*.
3. ИЕЕЕ стандард 81,Водич за мерење отпорности Земље, Гроунд Импеданце, и Земљини површински потенцијали система уземљења .
4. ОСХА (Управа за безбедност и здравље на раду) упутство о електричној безбедности.
5. Далзиел, Ц. Ф., & Лее, У. Р. (1960с-1970-их). Смртоносне електричне струје.ИЕЕЕ трансакције у индустрији и опште примене .
6. ИЕЦ 62305,Заштита од грома .

Садржај направљен уз помоћ вештачке интелигенције и потврђен од стране аутора на основу 30 године искуства у области квалитета електричне енергије.