محافظت در برابر ورود شوک الکتریکی

شوک الکتریکی

شوک الکتریکی اثر پاتوفیزیولوژیکی جریان الکتریکی در بدن انسان است. عبور جریان برق از بدن انسان، اساساً بر عملکردهای عضلانی، گردش خون و قسمت های تنفسی تأثیر می گذارد و گاهی اوقات منجر به سوختگی های جدی می شود.

 درجه خطر برای قربانی تابعی از موارد زیر است:

• میزان جریانی که از بدن عبور کرده است.
• قسمت هایی از بدن که برق از آنها عبور کرده است.
• مدت زمان عبور جریان برق از بدن.
• میزان مقاومت بدن شخص در مقابل عبور جریان برق.

آتش سوزی ها با منشاء برق

آتش سوزی های الکتریکی یکی از مهمترین خطرات برق می باشند، در اثر اضافه بار، اتصال کوتاه و جریان های نشتی زمین و همچنین قوس الکتریکی و آرک فلش در کابل ها و اتصالات، آتش سوزی اتفاق می افتد و می تواند صدمات جانی و مالی بسیاری را بهمراه داشته باشد.

خطر نسبت به برق گرفتگی

زمانیکه جریان به اندازه 30 میلی آمپر از قلب یا نزدیک آن عبور کند و در مدت زمان قابل تحمل بدن انسان، این جریان عبوری قطع نشود، فرد مورد نظر در معرض یک خطر جدی قرار می گیرد و احتمال اینکه جان خود را از دست بدهد، وجود دارد. حفاظت از اشخاص در مقابل برق گرفتگی در تاسیسات LV باید مطابق با استاندارد های ملی و بین المللی و آیین نامه های عملیاتی آنها، انجام شود.

برخی از استاندارد های مهم در این زمینه به قرار زیر است:

IEC60947

IEC61140

IEC60497

IEC61008

IEC61009

نشریه IEC 60479-1 ، چهار ناحیه با شدت جریان، زمان، مدت را تعریف می کند، که در هر یک از آنها اثرات پاتوفیزیولوژیک توضیح داده شده است ، این موارد در شکل شماره یک نشان داده شده است.

 

شکل 1: مناطق زمان / جریان متناوب بر بدن انسان هنگام عبور از دست چپ به سمت پا

محدوده AC-1: نامحسوس

محدوده AC-2: قابل درک است.

محدوده AC-3: اثرات برگشت پذیر-انقباض عضلانی

محدوده AC-4: امکان اثرات غیر قابل برگشت

محدوده AC-4-1: احتمال فیبریلاسیون قلب تا 5 درصد

محدوده AC-4-2: تا 50 درصد احتمال فیبریلاسیون قلبی

محدوده AC-4-3: بیش از 50 درصد احتمال فیبریلاسیون قلبی

منحنی A: آستانه درک جریان

منحنی B: آستانه واکنش عضلانی

منحنی C1: فیبریلاسیون بطنی بعید استاتفاق بیافتد

منحنی C2: آستانه 5 درصد احتمال فیبریلاسیون بطنی

منحنی C3: آستانه 50 درصد احتمال فیبریلاسیون بطنی

محافظت در برابر شوک الکتریکی

استاندارد ملی IEC 61140 مبانی و مفاهیمی در مورد حفاظت در برابر شوک الکتریکی، ارائه کرده است که هم تاسیسات الکتریکی و هم تجهیزات الکتریکی را پوشش می دهد.

قطعات رسانای خطرناک نباید در دسترس باشند و قطعات رسانای قابل دسترس نباید خطرناک باشند.

الزامات باید طوری اجرا شوند که در دو حالت یک: شرایط عادی و بدون خطا و دو: شرایط یک خطای واحد به درستی حفاظت کافی را بعمل آورند.

مهمترین اقدامات جعت حفاظت از خطای احتمالی

• تشخیص محل خطا و قطع خودکار منبع تغذیه تجهیزات الکتریکی معیوب که باعث خطا شده اند.
• استفاده از مواد عایق کلاس II یا سطح عایق معادل آن
• دور از دسترس نمودن مکان های خطر مانند کابلها و قطعات الکتریکی با استفاده از لوله های فلکسی و تابلو برق و یا ایجاد مانع
• همبندی الکتریکی
• جداسازی الکتریکی با استفاده از ترانسفورماتورهای ایزوله در صورت نیاز

انواع برق گرفتگی

• برق گرفتگی مستقیم و تماس با سیم فاز
• برق گرفتگی غیر مستقیم یا تماس با هادی ها و رسانا هایی که در شرایط عادی برقدار نیستند ولی در شرایط خطا ممکن برقدار شوند.

اقدامات حفاظتی مربوطه:

1-حفاظت اولیه

حفاظت از خطا

قطعات رسانای خطرناک نباید در دسترس باشند و قطعات رسانای قابل دسترسی نباید خطرناک باشند.

برق گرفتگی مستقیم یا تماس مستقیم با هادی فاز

این مدل برق گرفتگی به تماس عمدی یا تصادفی شخص با یک هادی زنده یا سیم فاز اشاره دارد که در شرایط عادی برقدار است، حفاظتی که در این شرایط باید اجرا شود «حفاظت اساسی» نامیده می شود. در شکل شماره 2 این حالت از برق گرفتگی، نشان داده شده است.

تماس با قطعات رسانا در شرایط خطا (تماس غیر مستقیم)

برق گرفتگی غیر مستقیم به تماس بدن انسان با یک هادی مانند بدنه فلزی یک دستگاه الکتریکی اشاره دارد که در شرایط عادی برقدار نیستند ولی در شرایط وقوع یک خطای الکتریکی برقدار شده است. این خطا می تواند خرابی عایق دستگاه الکتریکی باشد و در اینصورت، برق از هادی زنده یا فاز به بدنه آن راه پیدا کرده و یا اتصال کرده باشد.

جریان خطا قسمت رسانا در معرض خطا را تا ولتاژی که برای انسان خطرناک است، افزایش می دهد، در نهایت با لمس آن توسط انسان یا ارتباط بدن شخص با بدنه دستگاه برقی تحت شرایط خطا، خطر ولتاژ تماسی ایجاد می شود و تهدید کننده است، زیرا یک جریان لمسی را از طریق شخصی که با این قطعه رسانا در معرض تماس قرارگرفته، ایجاد می کند . شکل شماره 3 خطای ولتاژ لمسی را نشان می دهد.

حفاظتی که در این شرایط نیاز است، “محافظت از خطا” نامیده می شود.

انواع حفاظت در برابر برق گرفتگی

هدف این است که اطمینان حاصل شود که قطعات زنده خطرناک در دسترس نیستند و قطعات رسانای قابل دسترس نباید خطرناک باشند. مقررات حفاظتی متفاوتی باید اجرا شود. اقدامات حفاظتی از ترکیب مناسب آنها حاصل می شود.

در یک فرآیند حفاظت الکتریکی پارامترهای مختلفی مانند دمای محیط، شرایط آب و هوایی، وجود آب، میزان رطوبت، تنش های مکانیکی، توانایی افراد و منطقه تماس افراد تعیین کننده هستند. در نتیجه طراح شبکه حفاظتی باید اشراف کامل به شرایط مختلف و تاثیر آنها در پروسه حفاظت داشته باشد و بتواند ابتدا حالت های مختلف و تاثیر شرایط در فصول مختلف را مورد برسی قرار دهد و در مرحله بعدی نسبت به انتخاب قطعات و سیستم های حفاظتی مناسب با شرایط، اشراف کافی داشته باشد و در نهایت نسبت به طراحی یک سیستم و شبکه حفاظتی مناسب و کافی، اقدام نماید و با اجرای نقشه راه طراحی شده، بیشترین اطمینان ممکن را در جهت حفاظت از اشخاص و تجهیزات ایجاد نماید. بعنوان مثال حفاظت در صنعت مسکن با حفاظت در صنعت نفت تفاوت های بسیاری دارند.

حفاظت اولیه

حفاظت اولیه شامل استفاده از مواد نارسانا است که در نهایت یک عایق نارسانا را ایجاد نمایند تا در شرایط عادی از لمس یا تماس با قطعات برقدار جلوگیری می کند.

حفاظت با عایق بندی قطعات زنده

این حفاظت شامل یک عایق است که با استاندارد های مربوطه مطابقت دارد. رنگ ‌ها و لاک ‌ها از حفاظت کافی برخوردار نیستند. بعنوان مثال این عایق می تواند روکش سیم ها و کابل های برق باشد. در شکل شماره 4 یک مدل از حفاظت با استفاده از عایق، نشان داده شده است.

حفاظت با استفاده از موانع یا محفظه ها

استفاده از محفظه هایی مانند تابلو برق یکی از راهکار های حفاظت در مقابل برق گرفتگی و خطا است. امروزه تمامی قطعات مهم مانند کلید ها و بریکرها در یک محفظه نصب می شوند، این محفظه یا تابلو برق یا جعبه تقسیم، مجهز به یک درب است که علاوه بر آنکه نظم بسیار مناسبی به کار می دهد، از لمس اتفاقی یا تماس بدن اشخاص با قطعات و هادی های برق، جلوگیری می نماید.

برای اینکه این تجهیزات به عنوان محافظت مؤثر در برابر خطرات تماس مستقیم در نظر گرفته شوند، باید دارای درجه حفاظتی برابر با حداقل IP 2X  باشند. IP ها نشاندهنده درجه حفاظتی محصولات است که با ترکیب اعداد مختلف، نشان می دهند که قطعه یا دستگاه یا محفظه، از چه درجه حفاظتی برخوردار است و چه میزان در مقابل ضربه، نفوذ آب و گرد و غبار و موارد مانند این، مقاوم است.

تابلو ها یا پنل های برق، دارای یک درب در جلو هستند، البته برخی از آنها بصورت کشویی ساخته می شوند. درب مربوطه باید مجهز به قفل و یک کلید باشد تا امکان باز نمودن آن برای هر شخصی وجود نداسته باشد. البته نیاز است که کلید در جایگاهی قابل دسترس قرار داده شود تا در مواقع خطر و یا نیاز بتوان به سرعت درب تابلو برق را باز نمود.

توجه: اگرقطعات رسانای در معرض تماس به درستی به سیستم اتصال زمین مناسب، متصل شده باشند، می توان انتظار داشت که با استفاده از قطع خودکارمنبع تغذیه، از خطا و آسیب حفاظت شود.

اقدامات حفاظتی:

دو سطح از اقدامات حفاظتی وجود دارد:

• ارتینگ تمام قطعات رسانا در معرض تماس تجهیزات الکتریکی در زمان نصب و راه اندازی و ایجاد یک شبکه از تجهیزات هم پتانسیل و متصل به هادی PE و الکترود زمین.
• قطع خودکار منبع تغذیه بخش معیوب یا بخشی که در معرض خطا واقع شده است تا آن تجهیز یا بخش معیوب از مدار شبکه مصرف خارج شود و خطری متوجه اشخاص و تجهیزات وجود نداشته باشد.

شکل شماره 6 را ببینید.

هر چه مقدار Uc بیشتر باشد، سرعت قطع منبع درجهت حفاظت از برق گرفتگی و خطای ایجاد شده، بیشتر است. بر اساس استاندارد های بین المللی، سطح خطر برای بدن انسان، حداکثر 50 ولت متناوب می باشد، این میزان Uc به آستانه درد معروف است و به این معنی است که بدن انسان ولتاژ بیشتر از این میزان را نمی تواند تحمل کند و احتمال آسیب برای اشخاص، بسیار بالا می باشد. در شکل شماره 7، این مورد نشان داده شده است.

شکل7

بر اساس شرایط جدول شکل 7، حداکثر زمان قطع (بر حسب ثانیه) برای مدارهای نهایی بیش از 63A  با یک یا چند پریز، و 32A  که فقط تجهیزات مصرف کننده جریان متصل ثابت را تامین می کند.

میزان Uc جریان برق DC یا برق مستقیم، 120 ولت است، در واقع آستانه درد در زمانی که خطا در یک سیستم الکتریکی DC رخ داده باشد، 120 ولت می باشد.

در استاندادرد IEC 60364-4-41 در مورد محدودیت های زمانی حفاظت به تفضیل صحبت شده است.

نکته:

• در سیستم های اتصال زمین TN، زمان قطع بیش از 5 ثانیه برای مدارهای توزیع مجاز است، به غیر از مواردی که در جدول شکل 7 نشان داده شده است.
• در سیستم های TT، زمان قطع بیش از 1 ثانیه برای مدارهای توزیع و مدارهایی که در جدول شکل 7 پوشش داده نشده اند مجاز است.

نکته:

ولتاژ لمسی Uc ولتاژ موجود (در نتیجه شکست عایق) بین یک قسمت رسانا در معرض و هر عنصر رسانا در دسترس است که در پتانسیل متفاوت (عموماً زمین) قرار دارد.

حفاظت اضافی: RCD با حساسیت بالا

کلید حفاظتی جریان نشتی باقیمانده، کلیدی است که یک حفاظت اضافی انجام می دهد و عملکرد آن به این صورت است که در صورتی که جریانی بیش از 30 میلی آمپر نشتی را در شبکه مصرف کننده تشخیص دهد، تحریک شده و منبع تغذیه را قطع می کند.

تمام اقدامات حفاظتی قبلی پیشگیرانه است، اما تجربه نشان داده است که به دلایل مختلف نمی توان از رخ دادن خطا در یک سیستم الکتریکی پیشگیری نمود. از جمله این دلایل می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• عدم نگهداری مناسب
• بی احتیاطی و بی دقتی
• شکست عایقی
• قطع اتصالات یا شل شدن آنها در گذر زمان
• واکنش های شیمیایی اتصالات و فرسودگی در گذر زمان.
• تماس تصادفی
• غوطه ور شدن در آب و مایعات دیگر و وضعیتی که در آن عایق کاری دیگر موثر نیست.

به منظور محافظت از کاربران در چنین شرایطی، از دستگاه های بسیار حساس تحریک سریع، بر اساس تشخیص جریان های باقیمانده به زمین (که ممکن است از طریق انسان یا حیوان باشد یا نباشد) برای قطع برق به صورت خودکار و با مقدار کافی و در زمان مناسب استفاده می شود تا در زمان متناسب، حفاظت کافی صورت پذیرد و انسان یا هر موجود زنده ای با اطمینان بیشتری در زمان خطا، در امان باشند و در واقع در مقابل خطای برق، حفاظت شوند. شکل شماره 8 را ببینید.

کلید های جریان باقیمانده، بر اساس اصل اندازه‌ گیری جریان باقیمانده کار می‌کنند، که در آن، هر اختلافی بین جریان ورودی به مدار و جریان خروجی از آن به هر طریقی که به زمین نشت کند، باعث تحریک و حفاظت می شود. همانطور که گفتیم جریان الکتریکی به هر طریقی که به زمین نشت کرده باشد، به این معنی است که چه آن سیستم الکتریکی مجهز به سیستم ارتینگ باشد یا نباشد، باید حفاظت کافی انجام شود.

نشت جریان به زمین به هر دلیل و هر مسیری که صورت گرفته باشد، یک خطای خطرناک محسوب می شود. در نتیجه چه نشتی جریان از طریق سیم ارت در یک سیستم مجهز به ارتینگ به زمین نشت کرده باشد و یا از طریق بدن انسان یا هر موجود زنده ای به زمین نشت کرده باشد، توسط کلید RCD شناسایی و حفاظت می شود. با توجه به توضیحات، عملکرد این کلید تا حدی ساده است ولی بسیار کاربردی و استفاده از آن از اهمیت بالایی برخوردار است. جریان نشتی حفاظت این کلیدها بطور معمول 30 میلی آمپر است و زمان حفاظت آنها نیز به قدری سریع است که جان اشخاص را نجات دهد.

زمان پاسخگویی این کلید ها در استانداردهای IEC 61008 و  IEC61009 مورد برسی قرار گرفته است. شکل 9 را ببینید.

طبق استاندارد IEC60364-444-41 ، حفاظت اضافی با استفاده از  RCDهای با حساسیت بیشتر از 30 میلی آمپر، باید برای موارد زیر ارائه شود:

1- مدارهای تامین کننده پریزهای استفاده عمومی با جریان نامی بیشتر از 32 آمپر قابل استفاده توسط افراد عادی.

2- برای مدارهایی که تجهیزات سیار را با جریان نامی بیش از 32 آمپر پشتیبانی می کنند و برای استفاده در فضای باز در نظر گرفته شده اند.

3- مدارهای نهایی AC تامین کننده روشنایی در خانه یا محل کار.

همچنین توصیه می شود تعداد پریز های محافظت شده توسط RCD با حساسیت بالا را محدود کنید (مثلاً 10 پریز برای یک کلید RCD)

در شرایط خطا RCD  های با حساسیت بالا برای انواع سیستم های ارت مناسب هستند. در شکل شماره  10(الف) استفاده از کلید RCD  در سیستم های TT یا TN و در شکل 10(ب)  استفاده از کلید RCD در سیستم های IT را نشان می دهند.

کلید جریان باقیمانده

تعریف

ویژگی های اساسی به صورت شماتیک در شکل 11 نشان داده شده است.

یک هسته مغناطیسی تمام هادی های حامل جریان یک مدار الکتریکی را در بر می گیرد و شار مغناطیسی تولید شده در هسته در هر لحظه به مجموع برداری جریان ها بستگی دارد. جریان هایی که در یک جهت می گذرند مثبت و با نام I1 درنظر گرفته می شوند، در حالی که جریان هایی که در جهت مخالف می گذرند منفی و با I2 نامگذاری می شوند.

در مدار و شبکه الکتریکی که خطا و مشکلی در آن وجود نداسته باشد، جمع برداری جریان ها، صفر خواهد بود:

I1+I2=0

و هیچ شاری در هسته مغناطیسی وجود نخواهد داشت .

در شرایط خطا، یک جریان خطای زمین Id از هسته به سمت زمین عبور می کند، اما از طریق زمین یا از طریق هادی های محافظ در یک سیستم  ارتینگ TN به منبع باز می گردد.

بنابراین تعادل جریان در هادی هایی که از هسته مغناطیسی عبور می کنند دیگر وجود ندارد و این عدم تعادل باعث ایجاد شار مغناطیسی در هسته می شود. جریان اختلاف به عنوان جریان “باقیمانده” شناخته می شود و این اصل به عنوان اصل “جریان باقیمانده” نامگذاری شده است.

در فناوری مستقل از ولتاژ (VI) که در شکل 12( الف )نشان داده شده است، شار متناوب حاصل در هسته، باعث القای الکترومغناطیسی در سیم پیچ آن می شود، به طوری که یک جریان I3 در سیم پیچ ، دلیلی بر وجود و تشخیص خطا و تحریک کلید RCD و قطع مصرف کننده ها می شود. اگر جریان باقیمانده از مقدار مورد نیاز برای کارکردن مستقیم یا از طریق یک رله الکترونیکی بیشتر شود، قطع کننده مدار مربوطه قطع خواهد شد. انرژی لازم برای قطع کردن مکانیزم به طور مستقیم از جریان باقیمانده، مستقل از ولتاژ خط می آید.

با این فناوری، ولتاژ خط هر چه باشد ، یعنی حتی در صورت خرابی خنثی یا افت ولتاژ کمتر از 50 ولت، RCD  قادر است در صورتی که جریان باقیمانده از مقدار تعیین شده آن، بیشتر شود، حفاظت را انجام دهد و برق را قطع نماید.

در فن آوری وابسته به ولتاژ (VD) که در شکل 12 (الف) نمایش داده شده است، ترانسفورماتور جریان T جمع جریان باقیمانده را اندازه گیری می کند، یک مدار الکترونیکی سطح خاموشی را تشخیص می دهد و سپس دستوری را برای باز کردن مدار محافظت شده، ارسال می کند. در این حالت منبع تغذیه مدار الکترونیکی و انرژی برای واحد تریپ از ولتاژ خط تامین می شود.

با استفاده از این فناوری، RCD  قادر خواهد بود در صورت کم بودن ولتاژ خط، خطا را تشخیص دهد، اما نمی تواند خاموش شود، زیرا مدار الکترونیکی و واحد های قطع کننده نیاز به تغذیه دارند.

حداقل ولتاژ خط تغذیه 50 ولت است تا امکان قطع برق فراهم شود.

در شکل 12 دو فناوری مختلف کلید RCD نشان داده شده است.

انواع RCD براساس نوع کاربرد

کلیدهای جریان باقیمانده RCD  معمولاً در قسمت های زیر قرار می‌گیرند یا با آنها مرتبط می‌شوند:

1- در قالب کلید MCCB صنعتی و قطع کننده های مدار هوایی (ACB) مطابق با استاندارد  IEC 60947-2 و ضمیمه B یا  M

2- کلیدهای حفاظتی مینیاتوری نوع صنعتی (MCB) مطابق با IEC 60947-2 و ضمیمه B یا M آن

3- کلیدهای  مینیاتوری (MCB) مصارف خانگی و مشابه مطابق با استانداردهای:

IEC 60898, IEC 61008, IEC 61009, IEC62423

4- سوئیچ بار باقیمانده مطابق با استانداردهای ملی خاص

5- رله ها با ترانسفورماتورهای جریان حلقوی مجزا (حلقه ای)، مطابق با IEC 60947-2 ضمیمه  M

توجه: RCD ها به طور اجباری در مبدأ تاسیسات مبتنی بر سیستم ارتینگ TT مورد استفاده قرار می گیرند، جایی که توانایی آنها در هماهنگی با سایر RCD ها امکان خاموش کردن انتخابی را فراهم می کند و در نتیجه سطح تداوم خدمات مورد نیاز را تضمین می کند.

قطع کننده های مدار از نوع صنعتی با ماژول RCD یکپارچه یا سازگار

قطع کننده های مدار صنعتی مجهز به RCD که بصورت یکپارچه تولید می شوند، در استاندارد IEC60947-2 و پیوست B این استاندارد، پوشش داده شده اند. در شکل 13  برخی از انواع آنها، نشان داده شده اند.

سخن پایانی

برق در زندگی ما نقشی تعیین کننده و حیاتی دارد، امروزه انرژی الکتریکی مهمترین نیرویی است که چرخ زندگی و صنایع را به حرکت در می آورد و شاید بتوان گفت حیات بدون برق امکان پذیر نیست و یا بسیار سخت و طاقت فرسا خواهد بود، ولی باید توجه داشت که برق در مقاطعی می تواند خطرآفرین باشد و حتی به قیمت جان انسان ها تمام شود، در نتیجه حفاظت در مقابل شوک الکتریکی و برق گرفتگی از مهمترین مباحث در استفاده از این انرژی است. جهت حفاظت از برق گرفتگی، تجهیزات و سیستم های مختلفی طراحی و تولید شده است، یکی از مهمترین راه کارها در ایمنی الکتریکی، طراحی و اجرای سیستم ارتینگ و اتصال به زمین مناسب و استفاده از تجهیزات مکمل حفاطتی مانند کلید RCD می باشد.

ارت الکترونیکی نیز یک سیستم مکمل حفاظتی می باشد که می تواند در کنار یک سیستم زمین، جهت حفاظت بیشتر مورد استفاده قرار گیرد. ارت الکترونیکی سیستمی اتصال به زمین است که توسط کارشناسان شرکت کنزا صنعت الموت طراحی و تولید شده است و با شماره 46660 در سازمان ثبت اختراعات و مالکیت معنوی به ثبت رسیده است و در تمامی حقوق مادی و معنوی آن به نام شرکت کنزا صنعت الموت به محفوظ است.

جهت کسب اطلاعات در مورد سیستم اتصال به زمین ارت الکترونیکی به سایت شرکت کنزا صنعت مراجعه نمایید و یا با کارشناسان ما در ارتباط باشید.