ولتاژ گام چیست ؟
ولتاژ گام یکی از پارامترهای مهم در طراحی پست‌های فشار قوی است که همواره به آن توجه میشود. «ولتاژ گام» (Step Voltage) اختلاف ولتاژ بین پای فردی است که در نزدیکی یک جسمِ زمین شده دارای انرژی ایستاده است. در این آموزش، مطالبی را درباره ولتاژ گام بیان می‌کنیم.
معیارهای طراحی سیستم زمین
عملکرد شبکه زمین در یک پست شامل معیارهای مربوط به پاسخ الکتریکی یک یا چند الکترود درون زمین است. جریان‌هایی به اندازه هزاران آمپر گرادیان پتانسیل بالایی در مجاورت نقاط تماس پست با زمین ایجاد می‌کنند. اگر افراد یا حیوانات به نقاطی با پتانسیل‌های مختلف دست بزنند، ممکن است دچار برق‌گرفتگی شوند.
مهمترین معیارهای طراحی شبکه‌های زمین عبارتند از:
- از گرادیان‌های پتانسیل خطرناک در مجاورت سازه‌های الکتریکی زمین شده در شرایط خطا خودداری کنید.
- مقاومت زمینی کمتر از مقدار از پیش تعیین شده به دست آورید. درک این نکته ضروری است که مقدار مقاومت پایین زمین ایمنی افرادی را که بر روی زمین بالای شبکه زمین یا مناطق اطراف ایستاده‌اند، تضمین نمی‌کند.
طراحی شبکه زمین نیاز به محاسبه حداکثر ولتاژهای گام، تماس و انتقال دارد که فرد میتواند تحمل کند.
پتانسیل الکتریکی
یک ذره باردار در داخل میدان الکتریکی به دلیل برهم‌کنش با میدان دارای انرژی پتانسیل است. پتانسیل الکتریکی در یک مکان، انرژی پتانسیل در واحد بار است که در محل قرار می‌گیرد. واحد پتانسیل الکتریکی ولت است که به افتخار دانشمند ایتالیایی الساندرو ولتا (1745-1827) با V نشان داده میشود.
اگر یک بار از یک نقطه (P1) به نقطه دیگر (P2) در طول هر مسیری حرکت کند، میدان الکتریکی اختلاف پتانسیل الکتریکی – یا ولتاژ – بین P1 و P2 را تجربه میکند.
برای مشخص کردن میزان کار مورد نیاز برای انتقال بار از P1 به P2، باید یک سطح مرجع داشته باشیم که بتوانیم از آن انرژی مصرف شده را پیدا کنیم. معمولاً این موقعیت مرجع در فاصله قابل توجهی از همه بارها قرار دارد و پتانسیل الکتریکی در این فاصله، برای راحتی، صفر ولت است.
هر نقطه ممکن است یک موقعیت مرجع باشد و مقدار پتانسیل مرجع میتواند هر مقداری باشد. اغلب، در تحلیل مدار، زمین مرجع پتانسیل با مقدار صفر ولت است.
برای آشنایی بیشتر با ولتاژ گام و سایر مباحث مربوط به این موضوع، پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه آموزش‌های مهندسی قدرت مراجعه کنید که توسط فرادرس تهیه شده و لینک آن در ادامه آورده شده است.
گرادیان پتانسیل زمین
مقدار کل مقاومت زمین یک الکترود را می‌توان با افزودن مقاومت‌های سری از الکترود به نقطه‌ای در فاصله نامتناهی از الکترود نمایش داد. بزرگی این مقاومت‌ها با فاصله از الکترود متناسب است. مقاومت‌های بزرگ‌تر نزدیک الکترود زمین هستند. با بالا رفتن مقاومت از الکترود، میزان افزایش مقاومت کلی کاهش می‌یابد.
هنگامی که یک جریان (I) در اثر خطای زمین یا تخلیه جوی از طریق الکترود زمین عبور میکند، از طریق تمام مقاومت‌ها تا بی‌نهایت جریان می‌یابد. طبق قانون اهم، این جریان افت ولتاژ V = IR را در هر مقاومت ایجاد میکند.
پتانسیل هر نقطه از زمین را می‌توان با افزودن افت ولتاژ از الکترود نسبت به بی‌نهایت محاسبه کرد، و الکترود زمین را به عنوان موقعیت مرجع با پتانسیل مرجع صفر ولت در نظر گرفت.
در عمل، پتانسیل در سطح زمین با استفاده از تکنیک‌هایی مانند روش افت پتانسیل اندازه‌گیری میشود. شکل 1 نشان می‌دهد که چگونه پتانسیل زمین – نسبت به الکترود زمین – با دور شدن از الکترود افزایش می‌یابد.
میزان افزایش پتانسیل در نقاط نزدیک به الکترود زیاد است، اما با دور شدن از آن کاهش می‌یابد، درست مانند مقاومت، که البته منطقی است. زیرا قانون اهم یک معادله خطی است. بنابراین، بیشترِ پتانسیل ناشی از جریانِ I در سطح زمین و نزدیک به الکترود زمین ظاهر میشود.
همان‌طور که در شکل 1 دیده میشود، پتانسیل از صفر ولت شروع میشود و در بی‌نهایت به حداکثر مقدار می‌رسد.
در تجزیه و تحلیل زمین، روش معمول این است که از بی‌نهایت به عنوان موقعیت مرجع پتانسیل زمین استفاده کنیم تا الکترود زمین. بنابراین، پتانسیل الکترود در حداکثر مقدار خود قرار می‌گیرد و با دور شدن از آن کاهش می‌یابد و در بی‌نهایت به مقدار صفر ولت می‌رسد.
«افزایش پتانسیل زمین» (Ground Potential Rise) یا GPR حداکثر پتانسیل الکتریکی است که الکترود زمین ممکن است به آن برسد. از نظر عددی، این مقدار حاصل‌ضرب جریان I در مقاومت الکترود Rg نسبت به زمین است.
شکل 2 ساختار معمولی یک پست را نشان می‌دهد که فقط پایه یا فونداسیون آن زمین شده و منحنی پتانسیل زمین برحسب فاصله شعاعی نشان داده شده است. توجه کنید که پتانسیل روی تجهیز نسبت سطح زمین به حداکثر می‌رسد و با افزایش فاصله کاهش می‌یابد.
منحنی پتانسیل در شکل 2 یک تصویر آینه‌ای از منحنی شکل 1 است. این موضوع به دلیل تغییر موقعیت‌های مرجع ایجاد شده است. در عمل، با یک میله تنها، پتانسیل پس از فاصله حدود 20 متر ناچیز خواهد بود و این نشان می‌دهد که بی‌نهایت از آنچه فکر می‌کنیم نزدیک‌تر است.
منحنی پتانسیل با دور شدن از الکترود زمین، «قیف پتانسیل» را در اطراف الکترود تشکیل می‌دهد.
برخی از منابع مقادیر پتانسیل را، همان‌طور که در شکل 3 نشان داده شده است، در قسمت پایینی محور مختصات نشان می‌دهند. این امر میتواند باعث سردرگمی شود، زیرا روش معمول این است که مقادیر مثبت را در قسمت بالای محور مختصات نمایش دهیم.
شکل 4 یک منحنی پتانسیل را بر اساس شکل 3 نشان می‌دهد. این خطوط پتانسیل یک طرح از «قیف پتانسیل» در سطح زمین است. دایره‌ها خطوط هم‌پتانسیل هستند، زیرا همه نقاط را با پتانسیل یکسان به هم می‌پیوندند.
با الکترود متقارن – و مقاومت ثابت خاک – نقاط هم‌پتانسیل در سطح زمین مجموعه‌ای از دایره‌های هم مرکز را تشکیل می‌دهند. در عمل، خطوط هرگز حلقه‌های کاملی نیستند. شکل آن‌ها به چندین عامل مختلف بستگی دارد و موارد نشان داده شده فقط برای یادگیری است. تفریق پتانسیل‌های دو دایره مجاور اختلاف پتانسیل بین آن‌ها را نشان می‌دهد.
ولتاژ گام ، ولتاژ تماسی و ولتاژ انتقالی
شکل 5 سه حالت شوک معمولی را که هنگام طراحی شبکه زمین در پست‌های برق تجزیه و تحلیل میشوند، نشان می‌دهد. پروفیل ولتاژ هنگام تزریق جریان I به الکترود زمین نمایان میشود.
موقعیت 1 ولتاژ گام است. وقتی شخصی به سمت الکترود زمین حرکت کند، پاهای او پتانسیل‌های مختلفی را تجربه میکند. این اختلاف پتانسیل ولتاژ گام است. طول استاندارد یک گام برای انسان 1 متر و برای حیوانات 1٫5 متر است.
ولتاژ گام تحت شرایط خاصی میتواند خطرناک باشد. با این حال، مطالعات مختلفی نشان می‌دهد که گرچه این ولتاژ دردناک است، اما خطرناک‌تر از سایر انواع تماس‌ها نیست، زیرا جریان گردش از یک پا به پای دیگر از اندام‌های حیاتی بدن مانند قلب عبور نمی‌کند. با این حال، ولتاژ گام میتواند باعث آسیب‌دیدگی فرد شود، جریان را در قفسه سینه ایجاد کرده و اندام‌های حیاتی را در معرض خطر قرار دهد. همچنین میتواند بر فردی که روی زمین کار میکند یا دراز کشیده است تأثیر بگذارد.
در حیوانات، تفکیک بیشتر بین اندام‌ها باعث ایجاد ولتاژهای بالاتر میشود و به دلیل ساختار آناتومی آن‌ها، قلب در مسیر جریان قرار دارد.
شکل 6 شخصی را نشان می‌دهد که بر روی منحنی شکل 3 به سمت الکترود زمین راه می‌رود. واضح است که ولتاژ گام با نزدیک شدن فرد به الکترود افزایش می‌یابد و بدترین حالت هنگام تماس است. این به دلیل شیب شدیدتر منحنی روی زمین در نزدیکی الکترود است.
در موقعیت 2، شخصی با سازه‌ای تماس برقرار میکند که پاهایش در پتانسیل دیگری غیر از سطح سازه قرار دارد. این وضعیت ولتاژ تماس، همان‌طور که در شکل 5 مشاهده میشود، پتانسیل GPR است. حداکثر فاصله‌ای که فرد میتواند به آن برسد 1 متر است، بنابراین فاصله بین تماس دست و پا است.
موقعیت 2 خطرناک‌تر است، زیرا جریان در اندام‌های حیاتی از جمله قلب عبور میکند.
موقعیت 3 ولتاژ انتقالی است. این وضعیت یک مورد خاص از ولتاژ تماس است و زمانی اتفاق می‌افتد که فرد از الکترود زمین فاصله دارد و یک عنصر فلزی در تماس با الکترود را لمس میکند. در اینجا، فرد یک اختلاف پتانسیل برابر یا فراتر از GPR پست را می‌بیند. اختلاف پتانسیل در موقعیت 3 قابل توجه‌تر از دو مورد دیگر است.
یک معیار اساسی برای ایمنی این است که مقادیر ولتاژ گام و ولتاژ تماس زیر آستانه‌ای باشد که ممکن است در آن آسیب ایجاد شود.
جمع‌بندی ولتاژ گام
جریان‌های بالا از طریق پست برق پتانسیلی در سطح زمین ایجاد میکند که ممکن است جان افراد و حیوانات اطراف را به خطر بیندازد. سیستم زمین پتانسیل را کنترل کرده و مقاومت کافی در زمین ایجاد میکند. افزایش پتانسیل زمین (GPR) حداکثر مقدار پتانسیل الکتریکی است که یک الکترود زمینی ممکن است به آن برسد. در عملِ زمین کردن، موقعیت مرجع پتانسیل الکتریکی بی‌نهایت است. پتانسیل الکترود GPR است و در جهت شعاعی کاهش می‌یابد و در بی‌نهایت به صفر ولت می‌رسد.
سه حالت شوک معمولی که هنگام طراحی شبکه های زمینی مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند عبارتند از ولتاژ گام و ولتاژ تماس و ولتاژ انتقالی. ولتاژ تماس خطرناک‌ترین است، زیرا جریان از اندام‌های حیاتی بدن عبور میکند. ولتاژ انتقالی مورد خاصی از ولتاژ تماسی است که در آن بدن ممکن است تحت GPR کامل قرار گیرد. طراحی یک شبکه زمین باید مقادیر ایمن ولتاژ گام و ولتاژ تماس و ولتاژ انتقالی انجام شود.
