حفاظت در برابر شوک الکتریکی

شوک الکتریکی

قبل از هر چیز باید با مفاهیم شوک الکتریکی آشنا شویم. شوک الکتریکی یک اثر پاتوفیزیولوژیکی در بدن انسان یا موجود زنده بوده که بعلت عبور جریان الکتریکی رخ می دهد. عبور جریان الکتریکی از بدن انسان بر عملکرد عضله ها، گردش خون و تنفس تاثیر گذاشته و گاهی اوقات به سوختگی شدید منجر می شود. میزان خطر ناشی از شوک الکتریکی به عوامل زیر بستگی دارد:

• میزان یا اندازه ی جریان
• مسیر عبور جریان یا قسمت هایی از بدن که جریان از آن عبور می کند.
• مدت زمان عبور جریان از بدن

جریان برق علاوه بر شوک الکتریکی می تواند باعث شروع آتش سوزی شود. آتش سوزی الکتریکی اغلب بعلت عبور جریان بیش از حد یا عبور جریان از مسیرهای غیر مجاز رخ می دهد. به عنوان مثال خطاهای اضافه بار، اتصال کوتاه و نشتی جریان را در نظر بگیرید. این خطاها می توانند باعث افزایش دمای تجهیزات، کابل ها و غیره شوند. پدیده ی آرک در کابل ها و اتصالات نیز می تواند باعث آتش سوزی الکتریکی شود. اقدامات حفاظتی جهت جلوگیری از آتش سوزی الکتریکی در بخش 9 از فصل F هندبوک اشنایدر شرح داده شده است.

خطرات مربوط به شوک الکتریکی

طبق تصویر زیر، استاندارد IEC 60479-1 میزان اثرات پاتوفیزیولوژیک ناشی از عبور جریان را به چهار بخش تقسیم می کند. تقسیم بندی ها بر اساس میزان جریان عبوری از بدن انسان و مدت زمان آن انجام شده است. حفاظت از افراد در برابر برقگرفتگی در تاسیسات فشار ضعیف باید مطابق با استانداردهای ملی، آئین‌نامه‌های قانونی، عملی، راهنماهای رسمی، بخشنامه‌ها و دیگر مدارک انجام شود. برخی از استانداردهای مرتبط با خطرات شوک الکتریکی عبارتنداز:

• IEC 61140
• IEC 60364
• IEC 60479
• IEC 61008
• IEC 61009
• IEC 60947

تصویر1: تقسیم بندی اثرات عبور جریان متناوب از دست چپ بطرف پاهای انسان بر اساس شدت جریان و زمان عبور آن

قوانین حفاظت در برابر شوک الکتریکی

قوانین پایه ای حفاظت در برابر شوک الکتریکی در سند IEC 61140 ارائه شده است. عنوان این استاندارد “حفاظت در برابر شوک الکتریکی- جنبه های مشترک تاسیسات و تجهیزات” نام دارد. استاندارد فوق هردو بخش تاسیسات و تجهیزات الکتریکی را پوشش می دهد. حفاظت در برابر شوک الکتریکی دو قانون اصلی دارد:

• بخش های برقدار و خطرناک نباید در دسترس باشند.
• بخش های رسانای در معرض تماس نباید خطرناک باشند.

الزامات فوق باید در شرایط نرمال و هنگام رخ دادن یک خطا رعایت شود. رخ دادن خطای دوم یا رخ دادن دو خطای همزمان در برخی از سیستم ها باعث ایجاد شرایط خطرناک خواهد شد. اقدامات مختلفی به منظور حفاظت در برابر شوک الکتریکی مشخص شده است. به عنوان مثال، قطع خودکار منبع تغذیه کننده ی تجهیز الکتریکی یکی از این موارد است. از اقدامات خاص دیگر می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استفاده از مواد عایق کلاس II یا سطح عایقی مشابه
• مکان های غیر رسانا، دور از دسترس یا محدود شده با انواع مانع
• هم بندی یا هم پتانسیل سازی
• جدا سازی الکتریکی با استفاده از ترانسفورماتور ایزوله

تماس با قسمت های برقدار یا تماس مستقیم

در این حالت فرد به صورت عمدی یا تصادفی با هادی های برقدار تماس پیدا می کند. به عبارت دیگر فرد با قسمت هایی از مدار تماس خواهد داشت که در حالت نرمال، برقدار هستند. به عنوان مثال برخورد دست با شینه های موجود در تابلو برق از نوع تماس مستقیم است. به منظور جلوگیری از برخورد مستقیم با قسمت های برقدار از حفاظت های اصلی استفاده می شود.

تماس با قسمت های رسانا هنگام رخ دادن خطا یا تماس غیر مستقیم

تماس غیر مستقیم به شوک الکتریکی ناشی از برخورد با قسمت هایی از تجهیزات اشاره می کند که نباید در حالت نرمال برقدار باشند. به عنوان مثال بدنه ی تجهیزات، کیس ها و تابلوها در حالت نرمال برقدار نیستند. بخش های رسانا مانند بدنه ی الکتروموتور، ممکن است در صورت رخ دادن خطای داخلی یا شکست عایقی برقدار شود. جریان خطای عبوری از بخش های فلزی در دسترس باعث تولید ولتاژ خطرناکی با عنوان ولتاژ تماس خواهد شد. تماس با قسمت های فلزی تجهیزات هنگام رخ دادن خطای داخلی، یکی از علل اصلی شوک الکتریکی است. حفاظت در برابر تماس غیر مستقیم اصطلاحا “حفاظت خطا” نام دارد.

تصویر 2: تماس با بخش های برقدار یا تماس مستقیم در سمت چپ و تماس با قسمت های رسانا هنگام رخ دادن خطا در سمت راست

انواع حفاظت در برابر شوک الکتریکی

هدف اصلی حفاظت در برابر شوک الکتریکی این است که بخش های برقدار و خطرناک در دسترس افراد قرار نگرفته و بخش های فلزی در دسترس آن ها، هیچ گاه خطرناک نباشند. جهت ایجاد شرایط فوق باید مقررات حفاظتی متفاوتی اجرا شود. به صورت کلی اقدامات حفاظتی جهت جلوگیری از شوک الکتریکی، ترکیبی از حفاظت های مناسب و مرتبط است. به منظور حفاظت افراد باید پارامترهای مختلفی در نظر گرفته شود. از عوامل مهم می توان به دمای محیط، شرایط آب و هوایی، وجود آب، تنش های مکانیکی، مهارت افراد، محدوده ی حضور افراد و غیره اشاره کرد.

حفاظت اصلی

حفاظت اصلی شامل یک یا چند مقررات است که از تماس افراد با قسمت های برقدار در شرایط عادی جلوگیری می کند. در ادامه چند روش جهت جلوگیری از برخورد با بخش های برقدار مدار و تجهیزات الکتریکی شرح داده شده است. تاکید می شود که این موارد جهت جلوگیری از برخورد افراد در شرایط عادی طراحی شده اند.

حفاظت با عایق کردن بخش های برقدار

در این روش از عایق الکتریکی برای قسمت های برقدار مانند کابل ها استفاده می شود. عایق مورد نظر باید با استانداردهای مناسب، مطابقت داشته باشد. در نظر داشته باشید که رنگ، لاک و وارنیش از حفاظت کافی جهت تماس مستقیم برخوردار نبوده و به عنوان عایق محسوب نمی شوند.

تصویر 3: حفاظت در برابر تماس مستقیم با عایق کردن یک کابل سه فاز به همراه غلاف خارجی

حفاظت با استفاده از موانع یا محفظه ها

این روش به صورت گسترده ای استفاده شده و تجهیزات الکتریکی زیادی به همراه اجزای مرتبط مانند شینه ها، سیم ها، ترمینال ها و غیره داخل یک محفظه نصب می شوند. محفظه ی قابل استفاده به منظور جلوگیری از تماس مستقیم می تواند انواع کابینت، کشو یا واحدهای نصب تجهیزات در تابلوهای کشویی، تابلوهای سفارشی، کنترل پنل، تابلوهای توزیع و غیره باشد. جهت حفاظت موثر در برابر خطرات تماس مستقیم، انواع تابلو ها و محفظه ها باید دارای حداقل درجه حفاظتی IP2X یا IPXXB باشند. علاوه بر این یک بخش قابل دسترسی در تابلو یا محفظه مانند درب، پنل جلویی، کشو و غیره تنها با یکی از روش های زیر قابل باز یا خارج کردن باشد:

• به وسیله ی کلید یا ابزاری که به این منظور تعبیه شده باشد.
• پس از جداسازی یا ایزوله کردن تمام بخش های برقدار موجود در تابلو
• با دخالت اتوماتیک یک مانع که تنها با کلید یا ابزار خاصی قابل برداشتن باشد. تابلوهای فلزی و تمام جداکننده های فلزی قابل برداشتن، باید به هادی حفاظتی تاسیسات متصل شوند. قابل ذکر است در تابلو برق ها از انواع درب، روبند، جداکننده و موانع فلزی و غیر فلزی استفاده می شود. المان های فلزی حتما باید دارای سیم ارت مجزا باشند.

سایر اقدامات حفاظتی

به منظور حفاظت در برابر تماس مستقیم، روش های دیگری مانند قرار دادن مانع یا خارج کردن تجهیزات برقدار از دسترسی افراد نیز وجود دارد. این موارد در فصل دوم کتاب تاسیسات فشار متوسط شرح داده شده است. استفاده از روش های ذکر شده تنها در محل هایی مجاز است که افراد ماهر یا آموزش دیده در آن ها شاغل هستند. به عنوان مثال در پست های برق، کانال های انرژی و موارد مشابه. الزامات این روش های حفاظتی در استاندارد IEC 60364-4-41 به تفصیل شرح داده شده است.

مدار با ولتاژ بسیار پائین یا ELV یا Extra-Low Voltage نیز یکی دیگر از اقدامات جلوگیری از خطر تماس مستقیم با بخش های برقدار محسوب می شود. مدارهای با ولتاژ بسیار پائین عملا توانایی تخلیه ی انرژی در بدن افراد را نداشته و با محدودیت هایی مواجه هستند. استفاده از ولتاژ بسیار پائین تنها در مدارهای با توان مصرفی پائین ممکن است. شرایط استفاده از مدارهای ELV در بخش 8.1 همین فصل شرح داده خواهد شد.

حفاظت هنگام رخ دادن خطا

در این بخش دو سطح حفاظتی وجود دارد:

1. ارت کردن تمام بخش های رسانای تجهیزات الکتریکی در تاسیسات و تشکیل یک شبکه ی هم پتانسیل: این روش به منظور جلوگیری از ایجاد اختلاف پتانسیل بین سطوح مختلف طراحی شده است.
2. قطع اتوماتیک منبع تغذیه کننده ی بخش معیوب: قطع خودکار باید به نحوی صورت بگیرد که تمام الزامات ایمنی مربوط به ولتاژ تماس/زمان در هر سطحی از ولتاژ تماس برآورده شود. ولتاژ تماس یا Uc میزان ولتاژی است که بعلت خطای داخلی مانند شکست عایقی، بین بخش های رسانای در دسترس و یک سطح دیگر ایجاد می شود. در واقع خطای داخلی باعث ایجاد پتانسیل متفاوت بین بخش فلزی تجهیزات و سطوح دیگر خواهد شد. در اغلب موارد اختلاف پتانسیل بین بدنه ی فلزی تجهیز معیوب و زمین ایجاد می شود.

تصویر4: ایجاد Uc یا ولتاژ تماس خطرناک هنگام رخدادن خطا

با افزایش ولتاژ تماس یا Uc، باید سرعت جداسازی از منبع تغذیه نیز افزایش پیدا کند. افزایش سرعت جدا سازی جهت تامین حفاظت در برابر برقگرفتگی بوده و با میزان ولتاژ تماس رابطه مستقیم دارد. در صورتی که منبع تغذیه پس از رخ دادن خطا به صورت آنی قطع نشود، خطر ایجاد ولتاژ تماس و برقگرفتگی به شدت بالا می رود. بیشترین ولتاژ تماس AC که انسان می تواند به صورت نامحدود و بدون خطر تحمل کند، معادل 50 ولت است. ولتاژ مستقیم قابل تحمل به صورت نامحدود و بدون خطر بیشتر از مقدار متناوب بوده و معادل 120 ولت DC می باشد.

در استاندارد IEC 60364-4-41 محدودیت های زمانی برای جدا سازی از منبع تغذیه در سیستم های مختلف مشخص شده است. به عنوان مثال در جدول زیر حداکثر زمان جداسازی منبع تغذیه در سیستم های TN و TT را مشاهده می کنید. پارامتر U0 مربوط به ولتاژ نامی فاز به زمین سیستم است.

U0>400	230<U0≤400	120<U0≤230	50<U0≤120	U0(VAC)
0.1	0.2	0.4	0.8	TN
0.04	0.07	0.2	0.3	TT

جدول 1: حداکثر زمان قطع بر اساس ثانیه در مدارهای نهایی کمتر از 63 آمپر با یک یا چند پریز و مدارهای 32 آمپر که فقط مصرف کننده های ثابت را تغذیه می کند.

نکته:

• در سیستم های TN، زمان قطع تا 5 ثانیه برای مدارهای توزیع و مدارهایی که در جدول بالا مشخص نشده اند، مجاز است.
• در سیستم های TT، زمان قطع تا 1 ثانیه برای مدارهای توزیع و مدارهایی که در جدول بالا مشخص نشده اند، مجاز است.

حفاظت اضافی یا تکمیلی توسط RCD های با حساسیت بالا

تمام اقدامات شرح داده شده تا کنون از نوع پیشگیرانه هستند. تجربه نشان داده که به دلایل مختلف، امکان بروز خطا در سیستم های حفاظتی یا رخ دادن خطای انسانی وجود دارد. موارد مهم در قطعی نبودن سیستم های ایمنی قبلی عبارتنداز:

• عدم نگهداری مناسب
• بی احتیاطی و سهل انگاری افراد
• از بین رفتن طبیعی یا غیر طبیعی عایق ها به عنوان مثال بعلت خم شدن بیش از حد، خراش یا سائیده شدن عایق سیم ها و ارتباط ها
• تماس تصادفی با بخش های برقدار
• غوطه ور شدن در آب و موارد مشابه که دیگر عایق در آن شرایط کارایی ندارد.

به منظور حفاظت افراد در چنین شرایطی، از دستگاه های بسیار حساس با سرعت قطع بسیار بالا استفاده می شود. این دستگاه ها بر اساس تشخیص جریان باقی مانده یا جریان نشتی به زمین عمل کرده و منبع تغذیه را به صورت خودکار و با سرعت بالا قطع می کنند. توجه داشته باشید که جریان باقی مانده یا جریان نشتی می تواند ناشی از تماس انسان یا حیوان با قسمت های برقدار باشد.

سرعت عملکرد سیستم های تشخیص جریان باقی مانده باید به حدی بالا باشد تا از آسیب های جدی و مرگ ناشی از برقگرفتگی انسان سالم و نرمال جلوگیری کند. نحوه ی نصب و عملکرد سیستم RCD در تصویر زیر نمایش داده شده است.

تصویر 5: حفاظت اضافی با RCD

تجهیزات RCD بر اساس اصل اندازه گیری جریان باقی مانده کار می کنند. در این دستگاه به صورت دائم اختلاف میزان جریان ورودی به مدار با جریان خروجی از آن اندازه گیری می شود. در صورت افزایش تفاوت بین جریان ورودی و خروجی مدار، دستگاه تشخیص جریان باقی مانده وارد عمل شده و منبع تغذیه را قطع می کند. در منبع تغذیه که بخشی از آن اتصال زمین شده باشد، وجود اختلاف بین جریان ورودی به مدار و جریان خروجی از آن به معنی رخ دادن خطا و هدایت شدن بخشی از جریان به سمت زمین است. هدایت جریان به سمت زمین می تواند ناشی از معیوب شدن عایق، تماس هادی های مدار با بخش های اتصال زمین شده یا تماس مستقیم افراد و حیوانات با بخش های برقدار باشد.

دستگاه های تشخیص جریان باقی مانده استاندارد با حساسیت کافی جهت حفاظت در برابر تماس با بخش های برقدار مدار، با جریان عملکرد یا جریان عامل 30 میلی آمپر مشخص می شوند. دستگاه فوق با عنوان RCD نیز شناخته شده و باید توانایی پاسخگویی سریع طبق استاندارد IEC 61008 و IEC 61009 را داشته باشد. زمان پاسخگویی در این استانداردها به اندازه ی کافی سریع در نظر گرفته شده تا حفاظت را فراهم کند. منحنی عملکرد دستگاه تشخیص جریان باقی مانده استاندارد در تصویر زیر آورده شده است.

تصویر 6: منحنی تریپ RCD استاندارد با حساسیت بسیار بالا و جریان عامل 30 میلی آمپر در مقایسه با منحنی حساسیت بدن انسان. این دستگاه مدار را در جریان های خطای 30، 60 و 150 میلی آمپر به ترتیب با زمان های 300، 150 و 40 میلی ثانیه قطع می کند.

طبق استاندارد IEC 60364-4-41 باید از دستگاه های جریان باقی مانده با حساسیت بسیار بالا یا IΔn ≤ 30 mA در موارد زیر استفاده شود:

• مدارهای تغذیه کننده ی پریزهای عمومی با جریان کمتر-مساوی 32 آمپر که توسط افراد معمولی استفاده می شوند.
• مدارهای تغذیه کننده ی تجهیزات قابل جابجایی یا سیار با جریان کمتر-مساوی 32 آمپر جهت استفاده در فضای بیرونی
• مدارهای نهایی تغذیه کننده ی لامپ ها در خانه.

توصیه می شود تعداد پریزهای تغذیه شده از RCD های با حساسیت بالا محدود شود. به عنوان مثال حداکثر تا 10 پریز را به هر RCD متصل کنید. در بخش 3 از فصل Q هندبوک اشنایدر می توانید لیست مکان هایی را مشاهده کنید که نصب RCD در آن ها اجباری است. قابل ذکر است که برای مشخص شدن مکان های خاص باید به قوانین منطقه ای و قابل پذیرش در هر کشور مراجعه کنید.

در هر صورت نصب دستگاه های جریان باقی مانده به عنوان یک حفاظت موثر جهت جلوگیری از برقگرفتگی در تماس مستقیم و غیر مستقیم توصیه می شود. منظور از تماس غیر مستقیم، ارتباط با بخش های فلزی تجهیزات بوده که ممکن است هنگام رخ دادن خطا برقدار شوند.

RCD های با حساسیت بسیار بالا برای انواع سیستم ارت قابل استفاده و مناسب هستند. در تصویر زیر روش نصب RCD در سه طرح ارتینگ TT، TN و IT را به صورت تک خطی مشاهده می کنید. در این دیاگرام از RCD تکفاز به منظور حفاظت پریزها استفاده شده است.

 

تصویر 7: مدار تغذیه کننده ی پریزها (a) سیستم TT یا TN و (b) سیستم IT

محتوای این مقالات برگرفته از کتاب تاسیسات فشار ضعیف (طرح های ارتینگ و RCD) تالیف مثلث زرد می باشد. این کتاب دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد غیرمجاز بوده و پیگرد قانونی دارد.