کتاب ایمنی برق در سیستم های فشار ضعیف

مقدمه

ممکن است برخی تصور کنند که ایمنی برق فقط مجموعه‌ای از اقدامات احتیاطی است که در زمان کار در مقابل اجسام برقدار اعمال می‌گردد و یا حفاظتی است كه در برابر تماس مستقیم با اجسام برقدار صورت می‌گیرد. در حالیكه، ایمنی افراد به مواجهه آنها با تماس غیرمستقیم هم بستگی دارد، یعنی، تماس با قسمت‌هایی که در شرایط عادی برقدار نیستند ولی به دلیل بروز خطاها ممکن است برقدار شوند. بنابراین، توجه به قسمت‌های برقدار تنها راه جلوگیری از حوادث نیست.
با توجه به این مفهوم، این کتاب از نقطه نظر علمی تلاش دارد فاصله بین موضوعات ایمنی در سیستم‌های برق فشارضعیف (یعنی سیستم‌هایی‌که ولتاژ آنها از بیشتر نیست) و درک صحیح از آنها و راه‌حل طراحی با توجه به استانداردهای قابل اجرای IEEE و IEC را كم نماید. در حقیقت، فرض می‌کنیم که به صورت تحلیلی می‌توانیم میزان خطرات ایجاد شده به خاطر تماس غیرمستقیم را تعیین کنیم، بدین ترتیب با ارتقاء طراحی مناسب سیستم‌های الکتریکی ریسك مربوطه را كاهش دهیم.
این کتاب که براساس تجربیات بیست ساله من به عنوان یك استاد دانشگاه و یك مهندس حرفه‌ای تدوین گردیده است، مباحث حلقه‌های خطا در انواع سیستم‌های مختلف اتصال به زمین (یعنی TT، TN و IT) و خطاهایی که در هر دو سمت منبع تغذیه (یعنی اولیه و ثانویه ترانسفورماتورهای پست برق) رخ می‌دهد، ارائه می‌گردد. نقش اصلی که توسط وضعیت خنثی ایفا می‌شود، عمیقا مورد بررسی قرار گرفته است، در نتیجه، درک دلایل مربوط به روش‌های حفاظت در برابر شوک الکتریکی از طریق استانداردها و قوانین لازم میسر گردیده است.
مخاطبان این کتاب دانشجویان مهندسی برق که لازم است از اصول ایمنی در برق آگاه شوند و همچنین مهندسین حرفه‌ای که در همبندی و اتصال به زمین سیستم‌های قدرت فعالیت دارند، هستند. پیش نیازاین کتاب، اطلاعاتی در مورد مدارهای الکتریکی a.c.، جبر، اعداد مختلط و حساب دیفرانسیل و انتگرال است.
چیدمان هر فصل به گونه‌ای است که با ارائه تعداد زیادی از شکل‌ها و مدارهای معادل، هم به صورت بصری و هم تحلیلی، در نظر دارد که درک و اطلاعات خواننده را از مفاهیمی که مطرح می‌شود، ارتقاء بخشد. مانند تعیین جریان‌های خطا و ولتاژهای تماس. همچنین در انتهای تعدادی از فصول، مجموعه سوالات به همراه پاسخ‌ بر اساس مطالب ارائه شده برای دانشجویان و متخصصان در نظر گرفته شده است.
سه فصل نخست اصول اساسی‌ایمنی در برق را توضیح می‌دهد و در آنها مفاهیم اولیه حفاظت در برابر تماس مستقیم و تماس غیرمستقیم و همچنین تفسیر ریاضی ایمنی و ریسک از اقدامات حفاظتی استاندارد ارائه شده است.
فصل 4 نقش زمین را به عنوان یک مسیر بازگشتی موجود به سمت منبع تغذیه جریان‌های خطا مورد بحث قرار داده و سپس تئوری ولتاژهای زمین و مقاومت زمین الکترودها را مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌دهد.
فصل 5 اثرات جریان‌هایی که از بدن انسان عبور كرده و بر روی سیستم الكتریكی بدن تداخل ایجاد كرده و نیز باعث تنش حرارتی در بافت‌های بدن می‌گردد، مورد بررسی قرار می‌دهد. همچنین این فصل مفاهیم جریان که در استانداردهای فنی IEC و IEEE بکار می‌روند تشریح می‌گردد.
فصل‌های 6 تا 9 حفاظت در برابر تماس غیرمستقیم را در سیستم‌های مختلف اتصال به زمین مانند TT, TN, PME و IT ارائه می‌کند و جزئیات مواجهه با ولتاژ و مسائل حفاظتی هر یك از آنها را شرح می‌دهد.
فصل10 اختصاص به سیستم‌هایی با ولتاژ بسیار پایین دارد و موضوعات ایمنی مربوطه که تحت شرایط خطا مطرح می‌شود را توصیف می‌کند.
فصل 11 مولفه‌های اصلی طرحهای اتصال زمین را بیان كرده، عملکردهای آنها را توضیح می‌دهد و حداقل مقادیر مجاز برای استانداردهای فنی کاربردی را ارائه می‌نماید. یک روش تحلیلی برای تعیین حداقل سطح مقطع هادی‌های حفاظتی که یک فرآیند حرارتی بی دررو در طول خطا می‌باشد هم ارائه شده است.
فصل 12 تاثیرات اضافه ولتاژ بخصوص نوع موقت آن در انواع متفاوت سیستم‌های اتصال به زمین و همچنین ولتاژهای استرس که ممکن است تحت شرایط خطا ایجاد شود و باعث خرابی عایقبندی اولیه تجهیزات بشود را مورد بحث و بررسی قرار می‌دهد.
فصل 13 مسائل ایمنی ناشی از الکتریسیته ساکن و ولتاژهای پس ماند که در دستگاه‌های بی‌برق باقی می‌مانند را بررسی می‌کند. كه در این راستا انرژی ذخیره در تجهیزات محاسبه شده و استراتژی‌های لازم جهت کاهش آنها ارائه می‌گردد.
فصل 14 روش‌های اندازه‌گیری به کار رفته در مرحله طراحی (مثلا اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک) و بعد از نصب سیستم الکتریکی و همچنین قبل از استفاده از آن (مثلا اندازه‌گیری مقاومت زمین) را مورد بحث و بررسی قرار می‌دهد.
فصل آخر تجزیه و تحلیل الزامات ایمنی در برابر تماس غیرمستقیم که در تاسیسات یا مکان‌های خاص به کار می‌رود را مورد بررسی قرار می‌دهد، در این مکان‌های خاص ممکن است شرایط محیطی خطر تماس غیرمستقیم را افزایش دهد (مکان‌های خاص یعنی قایق‌های تفریحی، ایستگاه‌های قطار، استخرهای شنا، اتاق‌های عمل و غیره).
در انتها سه پیوست، مفاهیم اصلی حالت سینوسی و فازورها، قراردادهای اساسی و قضایای شبکه که به طور گسترده‌ای در سراسر متن به کار رفته است مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. هدف این پیوست‌ها این است که خواننده را جهت درک روش‌های فنی که به وفور در کتاب به کار رفته است، پشتیبانی نماید.
نوشتن این کتاب یک سفر دشوار در زمینه همبندی و اتصال زمین سیستم‌های الکتریکی بود كه امیدوارم این کتاب مفاهیمی که به طور رایج در جامعه مهندسی به کار می‌روند، ولی کاملا درک نشده‌اند را تا حدی روشن‌تر کند.
از تمام همکاران و دوستانم از واحدهای صنعتی و دانشگاهی که باانتقادهای سازنده خود در طول نگارش نسخه اولیه به من کمک کردند، صادقانه تشکر می‌کنم و در آخر، از پشتیبانی و حمایت دائمی و موثر همسرم جنیفر که به زندگی من نور بخشیده است، تشکر می‌کنم.

Massimo. A. G. Mitolo

در مورد نویسنده
ماسیمو. 1. گ. میتولو در ایتالیا تحصیل كرده و مدرك دكترای خود را در رشته مهندسی برق و الكترونیك از دانشگاه فدریكو ناپل دریافت نموده است. رشته تحقیقی او بررسی و تجزیه و تحلیل اتصال به زمین در سیستم‌های برق می‌باشد. دكتر میتولو از سال 1991 در كسوت یك مهندس حرفه‌ای در ایتالیا مطرح شده است.
در حال حاضر به عنوان یكی از مهندسین مشاور سازمان چواند گسمن نیویورك مشغول بكار است. او عضو ارشدIEEE بوده و در زمینه اداره سیستم‌های برق واحدهای تجاری و صنعتی IEEE IAS بسیار فعال است. او نایب رئیس انجمن فنی مهندسی سیستم‌های برق، رئیس انجمن بررسی مقالات، رئیس انجمن بررسی و تجزیه و تحلیل سیستم‌های برق و نایب رئیس انجمن اتصال به زمین در سیستم‌های برق می‌باشد. دكتر میتولو همچنین بعنوان ویراستار در انتشارات IEEE فعالیت می‌كند.


فهرست مطالب

فصل 1 تعاریف پایه و فهرست واژگان 1
1.1 مقدمه 2
1.2 تعاریف پایه¬ای و فهرست واژگان 2
فصل 2 اصول ایمنی برق 11
2.1 مقدمه 12
2.2 حفاظت در برابر تماس مستقیم 13
2.3 حفاظت در برابر تماس غیرمستقیم 23
فصل 3 اصول و قواعد ریاضی در ایمنی الكتریكی 35
3.1 مقدمه 36
3.2 تعریف ریاضی ایمنی 36
3.3 ریسك تماس مستقیم و غیرمستقیم 39
3.4 ریسك باقیمانده قابل قبول 41
3.5 ایمنی و ریسك عایقبندی اصلی 45
3.6 ایمنی و ریسك تجهیزات کلاس 0 46
3.7 ایمنی و ریسك تجهیزات کلاس I 46
3.8 ایمنی و ریسك مربوط به تجهیزات کلاس II 49
3.9 ایمنی و ریسك جداسازی الكتریكی 50
3.10 مقایسه كیفی بین ایمنی و ریسك اقدامات حفاظتی 52
فصل 4 زمین 55
4.1 مقدمه 56
4.2 مقاومت زمین 56
4.3 ولتاژ زمین 61
4.4 الكترودهای زمین اثرمتقابل و مستقل 64
4.5 الكترودهای كروی 68
4.6 آشکارسازی ولتاژ در معرض خطاهای زمین 72
4.7 ولتاژ یا جریان؟ 81
فصل 5 اثرات جریان‌های الكتریكی عبوری از بدن و الزامات ایمنی 85
5.1 مقدمه 86
5.2 بدن انسان به عنوان یك سیستم الكتریكی 86
5.3 تاثیر فركانس بر روی اثرات جریان 92
5.4 واكنش فیزیولوژیكی به جریان‌های الكتریكی 93
5.5 جریان مجاز بدن و جرم بدن فرد 97
5.6 جریان بدن مجاز مستقل از سایز انسان 98
5.7 امپدانس بدن انسان 101
5.8 مسیرهای جریان 104
5.9 ولتاژ تماس احتمالی مجاز 106
5.10 اثرات جریان‌های مستقیم 109
فصل 6 سیستم اتصال به زمین TT 113
6.1 مقدمه 114
6.2 مواجهه با ولتاژ در سیستم‌های TT 115
6.3 حفاظت در برابر تماس غیرمستقیم در سیستم‌های TT با استفاده از دستگاه‌های اضافه جریان 118
6.4 حفاظت در برابر تماس غیرمستقیم با استفاده از RCD 122
6.5 خطای هادی خنثی به زمین در سیستم‌های TT 123
6.6 ECP های دارای اتصال به زمین مستقل در سیستم‌های TT 125
6.7 نشتی به زمین ECP ها، در سیستم‌های TT سه فاز 126
6.8 تداخل های الکتریکی در سیستم‌های TT 128
6.9 هادی خنثی در سیستم‌های TT 129
6.10 همبندی برای هم ولتاژ کردن 131
6.11 همبندی اضافی برای هم ولتاژ کردن 135
6.12 اختلاف پتانسیل میان قسمت‌های فلزی در موقعیت‌های خطا در سیستم‌های TT 137
فصل 7 سیستم اتصال به زمین TN 139
7.1 مقدمه 140
7.2 مواجهه با ولتاژ در سیستم‌های TN-S 143
7.3 اختلاف پتانسیل بین ECP ها و بین ECP ها و EXCP ها در سیستم‌های TN 145
7.4 حفاظت در برابر تماس غیرمستقیم در سیستم‌های TN-S با استفاده از تجهیزات حفاظتی اضافه جریان 148
7.5 حفاظت در برابر تماس غیرمستقیم در سیستم TN-S با استفاده از RCD 151
7.6 ولتاژهای منتقل شده بین مدار توزیع و مدار نهایی در سیستم‌های TN 152
7.7 اتصال زمین محلی ECP ها در سیستم‌های TN 155
7.8 سیستم‌های TN-C و هادی PEN 158
7.9 هادی خنثی در سیستم‌های TN 160
7.10 ولتاژ تماس در سیستم‌های TN 161
7.11 ولتاژ گام 164
فصل 8 اتصال زمین متعدد حفاظتی (سیستم اتصال به زمین TN-C-S) 169
8.1 مقدمه 170
8.2 برقدار شدن هادی PEN در سیستم‌های اتصال زمین متعدد حفاظتی 173
8.3 قطع شدن هادی PEN در اتصال زمین متعدد حفاظتی 178
8.4 جریان‌های سرگردان 180
8.5 ولتاژهای سرگردان 181
فصل 9 سیستم اتصال به زمین IT 183
9.1 مقدمه 184
9.2 اضافه ولتاژ ناشی از خطا در سیستم‌های IT 188
9.3 خطاهای رزنانسی (تشدید) در سیستم‌های IT 191
9.4 حفاظت در برابر تماس مستقیم و غیرمستقیم با استفاده ازRCD ها در سیستم‌های IT 193
9.5 حفاظت در برابر تماس غیرمستقیم در زمان وقوع خطای ثانویه 194
9.6 نقش مقاومت خطا در سیستم‌های TT و IT 198
فصل 10 سیستم‌های با ولتاژ خیلی پایین 203
10.1 مقدمه 204
10.2 سیستم‌های ولتاژ خیلی پایین مجزا 205
10.3 سیستم‌های ولتاژ خیلی پایین حفاظتی 209
10.4 سیستم‌های کاربردی با ولتاژ خیلی پایین 212
فصل 11 الكترودهای زمین، هادی‌های حفاظتی و هادی‌های همبندی هم‌ولتاژی 215
11.1 مقدمه 216
11.2 الکترودهای زمین 217
11.3 هادی‌های حفاظتی 220
11.4 هادی‌های همبندی برای هم ولتاژی 229
11.5 هادی‌های اتصال زمین و ترمینال اصلی اتصال زمین 232
11.6 هادی حفاظتی خنثی 233
فصل 12 ایمنی در برابر اضافه ولتاژ 237
12.1 مقدمه 238
12.2 ایمنی و اضافه ولتاژهای موقت 238
12.3 اضافه ولتاژهای خارجی 247
فصل 13 ایمنی در برابر الكتریسته ساكن و ولتاژهای باقیمانده 253
13.1 مقدمه 254
13.2 تولید الکتریسیته ساکن 255
13.3 انرژی بار ساکن 257
13.4 استراتژی‌های اعمال تخفیف 259
13.5 ولتاژهای باقیمانده 260
فصل 14 آزمایش ایمنی الكتریكی 265
14.1 مقدمه 266
14.2 آزمون مقاومت ویژه خاک 266
14.3 اندازه‌گیری مقاومت زمین 270
14.4 سنجش مقاومت زمین در تاسیسات صنعتی 272
14.5 اندازه‌گیری مقاومت زمین در سیستم‌های TT 274
14.6 اندازه‌گیری امپدانس حلقه خطا در سیستم‌های TN 276
14.7 اندازه‌گیری ولتاژ تماس در سیستم‌های TN (خطاهای زمین ولتاژ ضعیف) 279
14.8 اندازه‌گیری ولتاژ گام و ولتاژ تماس در سیستم‌های TN 280
14.9 اندازه‌گیری‌های اساسی در سیستم‌های IT 284
14.10 آزمون پیوستگی هادی حفاظتی 286
14.11 آزمایش مقاومت عایقبندی 287
فصل 15 كاربردهای ایمنی الكتریكی در تاسیسات و موقعیت‌های خاص 289
15.1 مقدمه 290
15.2 ایمنی الکتریکی در اسکله‌ها 290
15.3 شرایط ایمنی الکتریکی برای تجهیزاتی که جریان‌های هادی حفاظتی بالایی دارند 293
15.4 ایمنی الکتریکی در ایستگاه‌های قطار 296
15.5 ایمنی الکتریکی در استخرهای شنا 299
15.6 ایمنی الکتریکی در مکان‌های رسانای محدود شده 302
15.7 ایمنی الکتریکی در تاسیسات روشنایی خارجی 302
15.8 ایمنی الکتریکی در مکان‌های پزشکی 304