تعریف ولتاژ گام در صنعت برق

ولتاژ گام چیست ؟
ولتاژ گام یکی از پارامترهای مهم در طراحی پست های فشار قوی است که همواره به آن توجه می شود.

«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 می کنیم.

معیارهای طراحی سیستم زمین:
عملکرد شبکه زمین در یک پست شامل معیارهای مربوط به پاسخ الکتریکی یک یا چند الکترود درون زمین است. جریان هایی به اندازه هزاران آمپر گرادیان پتانسیل بالایی در مجاورت نقاط تماس پست با زمین ایجاد می کنند. اگر افراد یا حیوانات به نقاطی با پتانسیل های مختلف دست بزنند، ممکن است دچار برق گرفتگی شوند.

مهم ترین معیارهای طراحی شبکه های زمین عبارتند از:

از گرادیان های پتانسیل خطرناک در مجاورت سازه های 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 ایستاده اند، تضمین نمی کند.

طراحی شبکه زمین نیاز به محاسبه حداکثر ولتاژهای گام، تماس و انتقال دارد که فرد می تواند تحمل کند.

پتانسیل الکتریکی:
یک ذره باردار در داخل میدان الکتریکی به دلیل برهم کنش با میدان دارای انرژی پتانسیل است. پتانسیل الکتریکی در یک مکان، انرژی پتانسیل در واحد بار است که در محل قرار می گیرد. واحد پتانسیل الکتریکی ولت است که به افتخار دانشمند ایتالیایی الساندرو ولتا (1745-1827) با V نشان داده می شود.

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 می کند.

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 می تواند هر مقداری باشد. اغلب، در تحلیل مدار، زمین مرجع پتانسیل با مقدار صفر ولت است.

گرادیان پتانسیل زمین:
مقدار کل مقاومت زمین یک الکترود را می توان با افزودن مقاومت های سری از الکترود به نقطه ای در فاصله نامتناهی از الکترود نمایش داد. بزرگی این مقاومت ها با فاصله از الکترود متناسب است. مقاومت های بزرگ تر نزدیک الکترود زمین هستند. با بالا رفتن مقاومت از الکترود، میزان افزایش مقاومت کلی کاهش می یابد.

هنگامی که یک جریان (I) در اثر خطای زمین یا تخلیه جوی از طریق الکترود زمین عبور می کند، از طریق تمام مقاومت ها تا بی نهایت جریان می یابد. طبق قانون اهم، این جریان افت ولتاژ V = IR را در هر مقاومت ایجاد می کند.

پتانسیل هر نقطه از زمین را می توان با افزودن افت ولتاژ از الکترود نسبت به بی نهایت 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 تکنیک هایی مانند روش افت پتانسیل اندازه گیری می شود. شکل 1 نشان می دهد که چگونه پتانسیل زمین - نسبت به الکترود زمین - با دور شدن از الکترود افزایش می یابد.

میزان افزایش پتانسیل در نقاط نزدیک به الکترود زیاد است، اما با دور شدن از آن کاهش می یابد، 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 می شود.

همان طور که در شکل 1 دیده می شود، پتانسیل از صفر ولت شروع می شود و در بی نهایت به حداکثر مقدار می رسد.

در تجزیه و تحلیل زمین، روش معمول این است که از بی نهایت به عنوان موقعیت مرجع پتانسیل زمین استفاده کنیم تا الکترود زمین. بنابراین، پتانسیل الکترود در حداکثر مقدار خود قرار می گیرد و با دور شدن از آن کاهش می یابد و در بی نهایت به مقدار صفر ولت می رسد.

«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 حاصل ضرب جریان I در مقاومت الکترود Rg نسبت به زمین است.

شکل 2 ساختار معمولی یک پست را نشان می دهد 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 می رسد و با افزایش فاصله کاهش می یابد.

منحنی پتانسیل در شکل 2 یک تصویر آینه ای از منحنی شکل 1 است. این موضوع به دلیل تغییر موقعیت های مرجع ایجاد شده است. در عمل، با یک میله تنها، پتانسیل پس از فاصله حدود 20 متر ناچیز خواهد بود و این نشان می دهد که بی نهایت از آنچه فکر می کنیم نزدیک تر است.

منحنی پتانسیل با دور شدن از الکترود زمین، «قیف پتانسیل» را در اطراف الکترود تشکیل می دهد.

برخی از منابع مقادیر پتانسیل را، همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، در قسمت پایینی محور مختصات نشان می دهند. این امر می تواند 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 می دهد. این خطوط پتانسیل یک طرح از «قیف پتانسیل» در سطح زمین است. دایره ها خطوط هم پتانسیل هستند، زیرا همه نقاط را با پتانسیل یکسان به هم می پیوندند.

با الکترود متقارن - و مقاومت ثابت خاک - نقاط هم پتانسیل در سطح زمین مجموعه ای از دایره های هم مرکز را تشکیل می دهند. در عمل، خطوط هرگز حلقه های کاملی نیستند. شکل آن ها به چندین عامل مختلف بستگی دارد و موارد نشان داده شده فقط برای یادگیری است. تفریق پتانسیل های دو دایره مجاور اختلاف پتانسیل بین آن ها را نشان می دهد.

ولتاژ گام، ولتاژ تماسی و ولتاژ انتقالی:
شکل 5 سه حالت شوک معمولی را که هنگام طراحی شبکه زمین در پست های برق تجزیه و تحلیل می شوند، نشان می دهد. پروفیل ولتاژ هنگام تزریق جریان I به الکترود زمین نمایان می شود.

موقعیت 1 ولتاژ گام است. وقتی شخصی به سمت الکترود زمین حرکت کند، پاهای او پتانسیل های مختلفی را تجربه می کند. 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 می تواند خطرناک باشد. با این حال، مطالعات مختلفی نشان می دهد که گرچه این ولتاژ دردناک است، اما خطرناک تر از سایر انواع تماس ها نیست، زیرا جریان گردش از یک پا به پای دیگر از اندام های حیاتی بدن مانند قلب عبور نمی کند.

با این حال، ولتاژ گام می تواند باعث آسیب دیدگی فرد شود، جریان را در قفسه سینه ایجاد کرده و اندام های حیاتی را در معرض خطر قرار دهد. همچنین می تواند بر فردی که روی زمین کار می کند یا دراز کشیده است تأثیر بگذارد.

در حیوانات، تفکیک بیشتر بین اندام ها باعث ایجاد ولتاژهای بالاتر می شود و به دلیل ساختار آناتومی آن ها، قلب در مسیر جریان قرار دارد.

شکل 6 شخصی را نشان می دهد که بر روی منحنی شکل 3 به سمت الکترود زمین راه می رود. واضح است که ولتاژ گام با نزدیک شدن فرد به الکترود افزایش می یابد و بدترین حالت هنگام تماس است. این به دلیل شیب شدیدتر منحنی روی زمین در نزدیکی الکترود است.

در موقعیت 2، شخصی با سازه ای تماس برقرار می کند که پاهایش در پتانسیل دیگری غیر از سطح سازه قرار دارد. این وضعیت ولتاژ تماس، همان طور که در شکل 5 مشاهده می شود، پتانسیل GPR است. حداکثر فاصله ای که فرد می تواند به آن برسد 1 متر است، بنابراین فاصله بین تماس دست و پا است.

موقعیت 2 خطرناک تر است، زیرا جریان در اندام های حیاتی از جمله قلب عبور می کند.

موقعیت 3 ولتاژ انتقالی است. این وضعیت یک مورد خاص از ولتاژ تماس است و زمانی اتفاق می افتد که فرد از الکترود زمین فاصله دارد و یک عنصر فلزی در تماس با الکترود را لمس می کند. در اینجا، فرد یک اختلاف پتانسیل برابر یا فراتر از GPR پست را می بیند. اختلاف پتانسیل در موقعیت 3 قابل توجه تر از دو مورد دیگر است.

یک معیار اساسی برای ایمنی این است که مقادیر ولتاژ گام و ولتاژ تماس زیر آستانه ای باشد که ممکن است در آن آسیب ایجاد شود.

جمع بندی ولتاژ گام:
جریان های بالا از طریق پست برق پتانسیلی در سطح زمین ایجاد می کند که ممکن است جان افراد و حیوانات اطراف را به خطر بیندازد.

سیستم زمین پتانسیل را کنترل کرده و مقاومت کافی در زمین ایجاد می کند. 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 بی نهایت است. پتانسیل الکترود GPR است و در جهت شعاعی کاهش می یابد و در بی نهایت به صفر ولت می رسد.

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 خطرناک ترین است، زیرا جریان از اندام های حیاتی بدن عبور می کند.

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.