کنترل خطرات ناشی از جریان الکتریکی

[علیرضا پورحبیب]

 

---

اهداف مبحث کنترل خطرات ناشی از جریان الکتریکی :

کنترل خطرات ناشی از جریان های شوک دهنده

سیستم اتصال زمین

کنترل خطرات ازدیاد جریان

انواع فیوز

حفاظت توسط کلید های قطع کننده خودکار

زمین کردن حفاظتی

حفاظت در برابر اضافه بار

---

 
[list]
[*]کنترل خطرات ناشی از جریان های شوک دهنده
[/list]– تجهیزات و مدارها را به زمین متصل کنید

وقتی یک سیستم الکتریکی به طور صحیح به زمین متصل نشود، خطر بوجود می آید، به این دلیل که قسمت هایی از سیم کشی در سیستم الکتریکی که فرد ممکن است بطور عادی آن ها را لمس کند، نسبت به زمین برق دار خواهند بود.

قسمت هایی مانند صفحه سوئیچ، جعبه های تقسیم (جعبه ترمینال)، محفظه ها و لامپ ها ضروری است که نسبت به زمین ولتاژ صفر داشته باشند. اگر سیستمی نادرست به زمین متصل شده باشد، این قسمت ها ممکن است برق دار باشند بنابراین بدنه فلزی تجهیزات باید به زمین متصل شوند.

 
[list]
[*]سیستم اتصال زمین
[/list]

اتصال به زمین (Grounding) عبارتست از اتصال سیستم الکتریکی به زمین توسط یک سیم. جریان اضافی و پراکنده (نشتی) از طریق این سیم به جزئی که در عمق زمین قرار دارد(معمولاً grand نامیده می شود)،  منتقل می شود. اتصال به زمین از ورود جریان ناخواسته به تجهیزات برقی جلو گیری می کند. وقتی از لوله کشی بعنوان هدایت کننده به زمین استفاده می شود، باید توسط یک میله هادی به الکترود متصل شود (میله هایی با حداقل ۸ فوت که در زمین فرو می روند.)

                                                                                                                سیستم اتصال زمین

 

بعضی مواقع یک سیستم الکتریکی، ولتاژی بالاتر از آنچه که برای حمل آن طراحی شده است، دریافت می کند. این ولتاژهای بالا ممکن است از برخورد صاعقه، افزایش ناگهانی جریان یا تماس با خطوط ولتاژ بالا ناشی شوند. بعضی مواقع نقصی در دستگاه اتفاق می افتد که اجازه می دهد قسمت های فلزی لخت برق دار شوند. اتصال زمین به حفاظت افراد مشغول بر روی سیستم، خود سیستم و دیگران که از ابزار و تجهیزات استفاده می کنند، کمک می کند.

اتصال به زمین مسیری را برای عبور جریان های ناخواسته که توسط ولتاژهای بالا تولید شده اند، ایجاد می کند. این جریان ها علاوه بر عبور از بدن اشخاصی که تجهیزات برق دار را لمس می کنند، مسیر زمین را نیز دنبال خواهند کرد. حتی اگر به یک میله اتصال به زمین، صاعقه برخورد کند و میله در خاک ماسه ای مدفون باشد، میله باید برای اطمینان از اینکه هنوز به خوبی وظیفه اش را انجام می دهد، مورد آزمایش قرار گیرد. میله اتصال به زمین باید در تماس با خاک مرطوب باشد تا مؤثر واقع شود.

نشتی جریان وقتی اتفاق می افتد که جریان برق از مسیر مورد نظرش خارج شود. نشتی ها بعضی مواقع خطاهایی با جریان کم هستند که می توانند در همه تجهیزات الکتریکی بدلیل کثیفی، پوسیدگی، آسیب یا رطوبت اتفاق بیافتند. یک سیستم با اتصال به زمین مناسب باید قادر به حمل این گونه جریان های نشتی باشد. نقص در اتصال به زمین وقتی اتفاق می افتد که جریان از طریق بدنه دستگاه برقی به زمین عبور کند.

خرابی در اتصال به زمین معمولاً به علت استفاده نادرست از ابزار یا آسیب دیدن عایق بوجود می آیند. این گونه آسیب دیدگی ها اجازه تماس یک هادی لخت را با قسمت های فلزی با بدنه ابزار خواهند داد. یکی از ابزار های تشخیص نشتی جریان محافظ جان است.

اگر ابزار با سیستم الکتریکی به زمین متصل گردد، مسیر کم مقاومتی به زمین ایجاد می شود. وقتی این عمل بطور صحیح انجام شود، این مسیر ظرفیت کافی برای حمل جریان را برای حذف ولتاژهایی که ممکن است سبب شوک خطرناک گردند، خواهد داشت.

اتصال به زمین تضمین نمی کند که فرد به علت وجود تجهیزات معیوب دچار شوک یا آسیب نگردد. اما احتمال چنین مواردی رابه میزان زیادی کاهش می دهد.

 
                      پریز از نوع اتصال به زمین
 

تحت هر یک از شرایط زیر ضروری است که تجهیزات به زمین متصل شوند:

 
– تجهیزاتی که بطور عمودی در فاصله ۸ فوتی و بطور افقی در فاصله ۵ فوتی از کف یا سطوح پیاده روقرار دارند.

– تجهیزاتی که بطور عمودی در ۸ فوتی و بطور افقی در ۵ فوتی اشیاء فلزی متصل به زمین قرار دارندکه امکان تماس افراد با آنها وجود دارد.

– تجهیزاتی که در نواحی خیس یا نمناک قرار گرفته و جدا نشده باشند.

– تجهیزاتی که توسط سیم و دوشاخه به منبع تغذیه متصل شده اند و عایق دوتایی ندارند.

 

 NEC پیشنهاد می کند که GFCI در موقعیت های زیر که دارای ریسک بالایی هستند، به کار گرفته شود:

– الكتریسیته در مکان های مرطوب استفاده می شود.

– کاربر تجهیزات الکتریکی به زمین اتصال دارد. (از طریق لمس مواد متصل زمین)

– مدار منبع تغذیه ابزار آلات دستی، در خارج از ابزار قرار دارند.

– از سیم کشی موقت یا شاخه های فرعی استفاده می شود.

به عبارت دیگر، GFCI باید در حمام، گاراژ، محیط های بیرونی، زیرزمین های نیمه کاره (ناتمام)، آشپزخانه و… نصب شوند.

 
[list]
[*]متصل کردن تجهیزات به یکدیگر جهت اطمینان از مسیر اتصال به زمین
[/list]

به منظور اطمینان از وجود یک مسیر الکتریکی دائمی و قابل اعتماد به زمین، از یک سیم bonding jumper برای اتصال قسمت های الکتریکی، استفاده می شود.

 bonding jumper
 

بعضی اتصالات فیزیکی، مانند لوله های فلزی که به یک جعبه ختم می شوند، ممکن است بدلیل وجود رنگ یا خوردگی احتمالی، اتصال الکتریکی خوبی نداشته باشند. برای ایجاد یک اتصال خوب، نیاز به نصب bonding jumper (هادی اتصال دهنده) می باشد.

یک لوله فلزی آب سرد که قسمتی از مسیر آن منتهی به زمین می شود ممکن است در اطراف دستگاه های پلاستیکی ضد ارتعاش، کنتورهای پلاستیکی آب یا بخشی از لوله پلاستیکی نیاز به bonding Jumper داشته باشد.

Bonding Jumper از مواد فلزی ساخته شده و جهت میان بر کردن و اطمینان از وجود مسیر دائمی اتصال به لوله های فلزی ، با پیچ یا بست به زمین محکم وصل می شود. وجود Bonding Jumper ضروری است زیرا پلاستیکی نمی تواند الکتریسیته را هدایت نماید و در مسیر انتقال به زمین گسستگی ایجاد می شود.

علاوه بر این، لوله کشی فلزی داخلی متصل به تجهیزات الکتریکی به منظور نگه داشتن زمین در پتانسیل یکسان (صفرولت) باید به زمین متصل شود. حتی کانال های فلزی هوا، باید به تجهیزات الکتریکی متصل شوند. این کار با همبندی همه اجزای فلزی ساختمان و اتصال همبندی به سیستم اتصال به زمین انجام می شود.

[list]
[*]کنترل خطرات ازدیاد جریان
[/list]

وقتی میزان جریان از مقدار اسمی تجهیزات با سیم کشی فراتر رود، خطر بوجود می آید. در این حالت سیم کشی مدار، تجهیزات با ابزار نمی تواند جریان را بدون گرم شدن یا حتی ذوب شدن حمل کند. نه تنها سیم کشی با ابزار آسیب خواهند دید، بلکه درجه حرارت زیاد هادی می تواند باعث حریق شود. برای پیشگیری از این اتفاق، یک دستگاه محافظت کننده از جریان زیاد (قطع کننده مدار یا فیوز) در مدار باید استفاده شود.

این دستگاه در صورتی که جریان بیش از جریان اسمی تجهیزات با سیم کشی تشخیص دهد بطور خودکار مدار را قطع می کند. ازدیاد جریان می تواند به علت بار زیاد، مدار اتصال کوتاه یا عیب زمین باشد.

دستگاه های محافظ در برابر ازدیاد جریان برای حفاظت تجهیزات و ساختمان در برابر حریق طراحی شده اند. این دستگاه ها نمی توانند فرد را در مقابل شوک الکتریکی محافظت کنند. در صورتیکه آمپراژ درمدار خیلی بالا باشد، این دستگاه جریان را قطع می کند. یک قطع کننده مدار یا فیوز مقادیر نسبتا کوچک جریان را که می تواند باعث جراحت یا مرگ شود، متوقف نخواهند کرد.

یعنی قطع کننده یا فیوز خانگی تا زمانی که جریان به بیش از ۲۰ آمپر نرسد، مدار را قطع نمی کند (با عبور ۲۰ میلی آمپر (ramps 0/2) از قفسۀ سینه، مرگ میتواند اتفاق بیافتد). دستگاه های محافظ جریان زیاد مجاز نیستند در نواحی که در معرض آسیب های فیزیکی یا محیط های پر مخاطره قرار می گیرند، نصب شوند. این دستگاه ها ممکن است گرم و گهگاهی جرقه بزنند که سبب حریق با انفجار در مناطق خاص شوند.

 

 

محیط های پرمخاطره مکان هایی هستند که حاوی مواد قابل اشتعال یا قابل انفجار باشند مانند بخارات یا گازهای قابل اشتعال (محیط های پرمخاطره کلاس I)، گرد و غبار های ریز قابل اشتعال (محیط های پرمخاطره کلاس II)، فیبرها با پر کننده های فلزی (محیط های پرمخاطره کلاس III) که براحتی می توانند آتش بگیرند.

محیط های پرمخاطره ممكن است در آشیانه هواپیما، پمپ بنزین ها، مخازن ذخیره مایعات قابل اشتعال، سیلوها و آسیاب هایی که در آنها رشته های کتان ممکن است معلق باشند، یافت شوند. بنابراین به سیستم های الکتریکی ویژه ای در محیط های پرمخاطره نیاز می باشد.

اگر یک دستگاه محافظ جریان زیاد، مدار را قطع کند ممکن است به علت وجود مشکل در طول مدار باشد. (در مورد قطع کننده های مدار، فعال شدن مکرر ممکن است مشخص کند که قطع کننده معیوب است). وقتی قطع کننده ی مدار فعال و یا فیوز ذوب شود علت را باید جستجو نمود.

قطع کننده ی مدار نوعی دستگاه محافظ جریان زیاد و یک نوع سوئیچ خودکار می باشد که در مدار قرار می گیرد. زمانی قطع کننده مدار فعال می شود که جریان خیلی زیادی از آن عبور کند. قطع کننده نباید بطور منظم برای روشن یا خاموش کردن منبع تغذیه در مدار به کار رود مگر اینکه برای این منظور طراحی و با علامت SWD مشخص شده باشد.

فيوز ها ساده ترین و قدیمی ترین وسایل حفاظتی هستند. فیوزها سیم هایی از جنس بخصوص با سطح مقطع کوچک هستند که به طور متوالی در مدار برقی قرار می گیرند. اندازه سیم فیوزطوری انتخاب می شود که جریان اسمی، مدار را بدون ایجاد حرارت خارج از حد و ذوب شدن حمل کند و در صورتی که به دلیل بار اضافی با اتصال کوتاه، جریان از حد مجاز افزایش یابد، سیم فیوز گرم و بالاخره ذوب شده و مدار را قطع کند.

بار اضافی کم و کوتاه مدت معمولا صدمه ای به مدار و وسایل وارد نمی کند و لزومی به قطع مدار توسط فیوز نیست، ليكن در موارد اتصال کوتاه، فيوز باید به سرعت عمل کرده و مدار را قطع کند.

                                        انواع فیوز کاربردی
[list]
[*]انواع فیوز
[/list][list]
[list]
[*]فیوزهای معمولی
[/list][/list]

فیوزهای اولیه یک تکه جسم سربی بودند که به طور متوالی در مدار قرار می گرفتند و در صورت تجاوز جریان از حد معینی ذوب و مدار را قطع می کردند. ذرات مذاب سرب به اطراف پرتاب می شد و به اشخاصی که در نزدیکی آن بودند آسیب می رساند. همچنین جرقه ناشی از قطع مدار خطرات ایجاد آتش سوزی به همراه داشت.

فیوزهای امروزی محصور و ایمن هستند و از سه قسمت تشکیل می شوند. قسمت دوم حامل جزء ذوب شونده است که در داخل پایه فیوز قرار می گیرد و بالاخره قسمت سوم جزء ذوب شونده است که از یک سیم ساده و یا از یک استوانه ای که فلز ذوب شونده را در بردارد تشکیل می شود.

 
[list]
[list]
[*]فیوزهای تأخیری
[/list][/list]

با اینکه فیوزهای معمولی بسته به میزان جریان مدار را پس از گذشت مدت زمانی از شروع جریان اضافی قطع می کنند برای بسیاری از موارد، تأخیر زمانی بیشتری لازم است. یکی از این موارد فیوز محافظ مدار موتورهای برقی است که در آن ها باید مانع سوختن فیوز در طی دوره راه اندازی باید جلوگیری کرد.

 
[list]
[list]
[*]فیوز ها با جزء ذوب شونده دو قسمتی
[/list][/list]

فیوز سریع از نظر حفاظت در مقابل اتصال کوتاه بسیار مناسب است ليكن اضافه بارهای کوچک کوتاه مدت هم باعث قطع بی جهت آن می گردند. فیوزهای تأخیری به علت اضافه بارهای کوچک کوتاه مدت عمل نمی کند، لیکن عملکرد آن ها در مقابل جریان های اتصال کوتاه ممکن است به علت کندی، صدماتی وارد آورد.

برای رفع این معایب گاهی از فیوزهایی استفاده می شود که جزء ذوب شونده آن ها از دو قسمت متوالی تشکیل شده است. یک قسمت آن تأخیری است و حفاظت در مقابل اضافه بار را عهده دار می باشد و قسمت دیگر سریع بوده که جریان های زیاد اتصال کوتاه را در کمتر از یک دوره تناوب جریان قطع می کند. این فیوزها برای حفاظت موتورها، ترانسفورماتورها و سیم پیچ های رله ای و کنتاکتورها مناسب می باشند و جریان با شروع بالا سبب قطع آن ها نمی گردد.

 
[list]
[list]
[*]فيوز های محدود کننده جریان
[/list][/list]

جریان های اتصال کوتاه می توانند شین ها را خم کنند و یا بشکنند و ماشین ها و وسایل کنترل آن ها را ذوب نمایند. بنابراین قطع فوری آن ها و محدود کردن میزان جریان در هنگام قطع ضروری است. فيوز های استاندارد از ۲ آمپر تا ۱۰۰۰ آمپر موجودند. 

 
[list]
[*]حفاظت توسط کلیدها با قطع خودکار
[/list]

کلید با قطع خودکار با دژنکتور دو عمل کنترل و حفاظت را توأماً انجام می دهد و از این نظر مانند یک کلید به انضمام یک فیوز عمل می کند. در شرایط عادی دژنکتور مانند یک کلید عمل می کند که به طور دستی یا الکتریکی از راه دور قطع یا وصل می شود.

در شرایط غیر عادی مانند بار اضافی یا اتصال کوتاه دژنکتور خودبه خود قطع شده و مدار را باز می کند. قطع اتوماتیک به چند صورت مختلف نظیر قطع حرارتی، قطع مغناطیسی با ترکیبی از این دو انجام می شود.

[list]
[*]دژنکتور با قطع حرارتی
[/list]

قطع حرارتی با تأخیر عمل می کند و برای حفاظت در مقابل بار اضافی مورد استفاده قرار می گیرد.

[list]
[*]دژنکتور با قطع مغناطیسی
[/list]

قطع مغناطیسی بدون تأخير عمل می کند و به منظور حفاظت در مقابل اتصال کوتاه مورد استفاده قرار می گیرد.

[list]
[*]دژنکتور با قطع حرارتی و مغناطیسی
[/list]

به قطع حرارتی و مغناطیسی مجهز است. قطع حرارتی حفاظت در مقابل بار اضافی را عهده دار است و به علت عملکرد تأخیری اضافه بارهای کوچک لحظه ای سبب قطع آن نمی گردد.

[list]
[*]دژنکتور کوچک (مینیاتوری) یا فیوزهای اتوماتیک
[/list]

برای کنترل مدار روشنایی و بارهای خانگی و تجاری امروزه از دیژنکتورهای کوچک استفاده می شود که عمل کنترل و حفاظت را توأماً انجام می دهند.

 
[list]
[*]کنتاکتور
[/list]

کنتاکتور ها کلیدهای مغناطیسی هستند و برای قطع و وصل مدارها از راه دور مورد استفاده قرار می گیرند. کنتاکتورها به صورت دوقطبی، سه قطبی و حتی چهار قطبی ساخته می شوند.

 

---

---

[list]
[*]زمین کردن حفاظتی
[/list]

زمین از موادی تشکیل یافته که غالباً هادی الکتریسیته هستند بخصوص در حالاتی که مرطوب باشند. بنابراین اگر شخصی که روی زمین قرار دارد با جسمی که نسبت به زمین دارای پتانسیل است تماس حاصل نماید به علت برقرار شدن جریان دچار برق گرفتگی می شود.

در ابتدای پیدایش صنعت برق، نقطه ی نوترال (خنثی) آلترناتور و ترانسفورماتورها را به زمین متصل نمی کردند. برای شبکه های کوچک آن دوران که دارای طول کم و ولتاژ پایین بودند نیازی به زمین کردن نوترال احساس نمی شد. این شبکه ها به شبکه های «نوترال مجزا»، یا «غير متصل به زمین» یا «زمین نشده» معروف بودند که به آن ها سیستم IT گفته می شود.

 
                                                             سیستم IT
 

این شبکه ها نسبت به شبکه های زمین شده امروزی دارای چند امتیاز بودند. یکی اینکه اتصال اتفاقی یک فاز به زمین موجب برقراری جریان قابل ملاحظه و سبب قطع جریان برق و خاموشی نمیشد. دیگر اینکه در صورت تماس بدن شخصی که روی زمین قرار داشت با یکی از فازها به علت برقرار نشدن جریان خطرناک، شخص دچار برق گرفتگی نمی گردید.

با توسعه شبکه ها و افزایش ولتاژ آن ها جریان ها در حالت اتصال یک فاز به زمین قابل ملاحظه گردید که متناوبا خود به خود قطع و وصل می شد و در محل اتصالی جرقه ای ایجاد می نمود که به پدیده «زمین جرقه زن معروف گردید. این پدیده سبب افزایش ولتاژ فازهای سالم نسبت به زمین و موجب اختلالات شبکه می گردید که به وسایل متصل به شبکه صدمات و خساراتی وارد می آورد.

اتصال نوترال شبکه به زمین مانع این افزایش ولتاژها می گردد زیرا در صورت اتصال اتفاقی یک فاز به زمین، جریان عادی در مدار برقرار می شود که سبب قطع مدار توسط رله های حفاظتی می گردد. یک عیب مهم سیستم های زمین شده این است که اگر شخصی روی زمین قرار داشته باشد در صورت تماس با یکی از فازها دچار برق گرفتگی خواهد شد که جلوگیری از آن با عایق بندی مناسب سیم های گرم به سهولت ممکن است.

این عیب با فایده بزرگی همراه است و آن این است که همه بدنه های فلزی دستگاه های برقی را می توان به زمین متصل نمود. به این ترتیب هیچگاه پتانسیلی بین بدنه فلزی دستگاه ها و زمین برقرار نمی شود که سبب برق گرفتگی گردد. در صورت اتصال یک فاز به بدنه جریان زیادی از طریق زمین در مدار برقرار میشود که سبب قطع برق توسط رله های حفاظتی و رفع خطر می شود. اتصال بدنه فلزی دستگاه های برقی که در حالات عادی جریان برقی را به زمین حمل نمی کنند را «زمین کردن حفاظتی» گویند. سیستم هایی با نقطه خنثی زمین شده به سیستم های TT یا TN معروف هستند.