مقاومت زمین، ولتاژ تماس و ایمنی در برابر خطاهای الکتریکی

مقاومت زمین، ولتاژ تماس و ایمنی در برابر خطاهای الکتریکی

فرمت: Pdf  تعداد صفحات: 8

• مقدمه
• مقاومت زمین
• ولتاژ زمین
• الکترودهای زمین: اثر متقابل و مستقل
• الکترودهای کروی
• آشکارسازی ولتاژ در معرض خطاهای زمین
  • 1.6. ولتاژ تماس
  • 2.6. بدنه هادی بیگانه
    • 1.2.6. آیا هر EXCP را باید همبند کنیم؟
• ولتاژ یا جریان؟
• مثال‌ها (۳ مثال)
• سوال و پاسخ (۴ سوال)

1 مقدمه
تمام خطاهای الکتریکی باعث انتشار جریان در زمین نمی‌شوند. با این وجود، صرف‌نظر از سیستم زمین اتخاذ شده، اگر یک خطا بخشی از یک ECP را برقرار کند، آنگاه بین محفظه آن و زمین اختلاف پتانسیل به وجود خواهد آمد. در نتیجه، جریان از طریق بدن فردی که با آن بخش در تماس است، منتشر شده، به گونه‌ای که زمین واقعی تبدیل به یک مسیر بازگشت به منبع تغذیه می‌گردد. این بدین خاطر است که زمین یک هادی است با مقاومت مشخص، که مقدار آن بر حسب ساختار آن متفاوت خواهد بود. در نتیجه، برای حفظ ایمنی الکتریکی افراد، این موضوع حائز اهمیت است که رفتار الکتریکی زمین را به عنوان ابزار برگشت جریان‌های خطا، درک کنیم.

2 مقاومت زمین

جریان‌ها می‌توانند در زمین به وسیله الکترودهای زمین تحت تاثیر قرار گیرند. الکترودهای زمین قسمت‌های هادی هستند که ممکن است در یک وسیله هادی خاص تعبیه گردند و در تماس الکتریکی نزدیکی با زمین باشند. هدف آنها این است که با فراهم نمودن دسترسی موثر جریان‌های خطا به زمین، ایمنی را تضمین نمایند.

زمانی که اختلاف پتانسیلی بین دو الکترود ایجاد می‌گردد، به طور ناگزیر یک حوزه جریان در خاک ایجاد می‌شود. در اینجا ما خاک همگن و دارای خواص فیزیکی مشابه و الکترودهای نیم کروی را بررسی خواهیم کرد که بر حسب تقارن فیزیکی آنها، جریان‌ها به طور یکنواخت در هر جهت از زمین منتشر می‌شوند. در حقیقت، چنین الکترودی هرگز در کاربردهای عملی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد ولی رفتار و مشخصه‌های آن می‌تواند پیش‌بینی کننده الکترودهای دیگر با اشکال متفاوت باشد. در حقیقت، در فاصله کافی از هر الکترودی و صرف‌نظر از شکل آن، جریان زمانی که تحت تاثیر الکترود نیم کروی است، می‌تواند به عنوان جریانی شعاعی مد نظر قرار گیرد.

اجازه دهید از اختلاف پتانسیل بین دو الکترود کروی با شعاع r استفاده کنیم که یکی از این الکترودها جریان را منتشر می‌کند و دیگری دریافت می‌کند یعنی از نظر تئوری بی‌نهایت بودن گستردگی ذرات، در فاصله‌ای کافی از هم قرار گرفته‌اند. به خاطر تقارن فیزیکی آنها، الکترود منتشر کننده جریان I را به طور شعاعی به زمین می‌فرستند و به طریقی مشابه، الکترود دورتر آن را دریافت می‌کند. جریانی که از الکترود خارج می‌شود به طور یکنواخت در هر جهت موجود توزیع می‌شود (شکل 1).

نکات:

• همانطور که بعداً نشان داده می‌شود، این مورد در سیستم‌های بدون اتصال زمین (سیستم‌های IT) هم کاربرد دارد.
• خاک همگن دارای مشخصه‌های فیزیکی است که بر اساس جهت تغییر نمی‌کند.
• برای اثبات این نظریه، فرض کنید که الکترود نیم کروی به عنوان یک آبکن عمل می‌کند.

جریان به وسیله مقاومت خاک اطراف الکترود محدود می‌شود که می‌تواند به عنوان چند سری “لایه” کروی مدل‌سازی شود که هر لایه شعاع افزایش‌دهنده‌ای دارد و ضخامت آن بی‌نهایت کوچک (dx) است (شکل 2).

شکل 1 – جریان که به طور شعاعی از یک الکترود نیم کروی منتشر می‌شود

شکل 2 – زمین می‌تواند به وسیله چند لایه نیم کروی مدل‌سازی شود

می‌توانیم مقاومت اولیه (dR) یک لایه نمونه با شعاع r را مد نظر قرار دهیم و سپس از آنجایی که فرمول آن مشخص است، می‌توانیم سهم تمام مقاومت‌های اولیه را زمانی که از سطح الکترود به سمت زمین (در تئوری بی‌نهایت بودن ذرات) می‌روند را با هم جمع کنیم.

فرضیات ما در مورد یکنواختی خاک، این امکان را به ما می‌دهد که از فرمول یکسانی به عنوان مقاومت یک هادی استفاده کنیم:

R = (ρ/5) × (l/S)^1/2

که ρ مقاومت ویژه ماده، l طول هادی، S سطح مقطع مسیر جریان می‌باشد. در این مورد، ρ مقاومت الکتریکی خاک می‌باشد که تحت عنوان مقاومت ویژه خاک هم نامیده می‌شود. این مقاومت ویژه به عنوان مقاومت یک متر مکعب زمین تعریف می‌شود.

با استفاده از این فرمول، مقاومت لایه نیم کره نمونه شکل 2 را به صورت زیر بدست خواهیم آورد:

dR = ρ × (dx / (2π r²)) (1)

از معادله (1) مشخص می‌شود که زمانی که فاصله r از الکترود افزایش می‌یابد، مقاومت لایه نیم کره زمین کوچکتر می‌شود. این موضوع به خاطر بخش بزرگتری است که از طریق آن جریان منتشر خواهد شد.

این فرضیه در مورد ضخامت بی‌نهایت کوچک لایه dx، ضروری می‌باشد چون به ما این امکان را می‌دهد که فقط سطح داخلی لایه، که از آن جریان منتشر می‌شود، را مد نظر قرار دهیم. در نتیجه، مقاومت این لایه ایده‌آل، که هیچ ضخامتی ندارد، به طور انحصاری به وسیله مساحت جانبی آن تعیین می‌شود.

مقاومت کل R_G الکترود نیم کروی نسبت به جریان، به عنوان مقاومت زمین تعریف می‌شود و می‌تواند با انتگرال گرفتن از معادله (1) بین سطح الکترود و بی‌نهایت به دست آید:

R_G = (ρ / (2π)) × ∫_r0^∞ (dr / r²) = (ρ / (2π)) × [ -1/r ]_r0^∞ = ρ / (2π r₀) (2)

قبلاً اشاره شد زمانی که فاصله از الکترود افزایش می‌یابد، مقاومت زمین کمتر و کمتر می‌شود. برای درک بهتر این موضوع، اجازه دهید با جایگزین کردن هر کدام از لایه‌های نیم کروی خاک با یک لایه دایره‌ای را مورد بررسی قرار دهیم، به گونه‌ای که مساحت هر دو این لایه‌ها یکسان است .

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ ارزش گذاری اقتصادی در طرح های HSE و هزینه های حوادث ناشی از کار

⇐ اقتصاد مهندسی در HSE

⇐ ارزیابی اقتصادی سیستم های HSE