گرادیان ولتاژ در اطراف الکترود زمین

48- گرادیان ولتاژ در اطراف الکترود زمین

480- کلیات

        گرادیان ولتاژ در اطراف همه الکترودهای قائم و افقی و صفحه ای، ایجاد می شود، اما در اطراف الکترود قائم بارزتر از همه است؛ لذا بیشتر مطالب توضیحی برای این نوع الکترود است.

481- گرادیان ولتاژ در اطراف یک الکترود زمین قائم

      در قسمت 401 درباره حوزه ولتاژ یک الکترود بحث شده است. در اثر عبور جریان از الکترود زمین،افت ولتاژی در مقاومت الکترود نسبت به ” جرم کلی زمین” ایجاد می شود که ولتاژ الکترود نسبت به “جرم کلی زمین” را بالا می برد و هادیهایی که به الکترود وصل بوده، ناگهان دارای ولتاژ می شوند. این ولتاژ برای انسان و حیوان و لوازم الکتریکی خطرناک می باشد.

نکته ای که باید به آن توجه شود این است که مقاومت الکترود نسبت به “جرم کلی زمین” از نظر فیزیکی یک مقاومت مشخص با ابعادی معین نمی باشد بلکه متشکل از توده ای خاک است که الکترود را احاطه می کند. این ساختار مقاومت در اطراف الکترود سبب می شود که افت ولتاژ در توده خاک در حجمی بزرگ و بتدریج صورت گیرد. حال اگر نقاط همولتاژ را در سطح زمین یا در عمق کمی از سطح زمین (یعنی محلی که “مقاومت” توده خاک با محیطی که انسان ها و حیوانات و لوازم برقی در آن قرار می گیرند) به یکدیگر وصل کنند، تغییرات افت ولتاژ در اطراف الکترود یا “گرادیان ولتاژ” حاصل خواهد شد.

شکل 481-1 خاک اطراف الکترود- تشکیل دهنده اصلی مقاومت آن است ولتاژ تماس- ولتاژ قدم

مقاومت الکترود نسبت به “جرم کلی زمین” را می توان با فرض مقاومتهای متعدد که بشکل سری وصل می باشند، بصورت لایه های چسیبده به هم خاک در اطراف الکترود تصور کرد. ساختمان پوسته ای پیاز را در نظر بیاورید و شکل 401- 2 را ببینید در شکل 481-1 نحوه پخش جریان از الکترود به خاک اطراف و توده ای از خاک که تشکیل دهنده مقاومت زمین استنشان داده شده است.

     ” ولتاژ قدم ” و ولتاژ تماس” که درباره آن بحث می شود نیز نشان داده شده است .شدت جریان اتصال کوتاه یا هر جریان دیگری از الکترود به “جرم کلی زمین” از راه این مقاومتهایمتعدد لایه ای انجام می شود. در نتیجه، در مقاومت الکترود نسبت به جرم کلی زمین ، افت ولتاژی ایجاد می شود که نحوه تقسیم این افت ولتاز در اطراف الکترود بوسیله گرادیان ولتاژ  نمایش  می شود که نحوه تقسیم این افت ولتاژ در اطراف الکترود بوسیله گرادیان ولتاژ نمایش داده می شود. (برش پیاز را از وسط با صفحه ای عمود بر محور آن مجسم کنید) پتانسیل در سطح هر لایه در اطراف الکترود ثابت است. تفاوت ولتاژی که بین لایه ها (یا حلقه های منحنی در سطح زمین) وجود دارد همان گرادیان ولتاژ است.

 

در مورد زمین همگن مانند انچه که در قسمت 401 گفنه شده است برای یک الکترود قائم، خطوط گرادیان ولتاژ دوایر متحدالمرکز می باشند.

شکل 481-2 ولتاژ سطح زمین در اطراف یک الکترود تکی و الکترود میانی از 3 الکترود در یک خط را نشان داده است.

شکل 481-2 پتانسیل روی سطح زمین در اطراف یک میله تکی و سه میله در یک امتداد

بطوری که ملاحظه می شود، گردایان ولتاژ(افت ولتاژ) در چند سانتیمتری الکترود بسیار شدید است (30 تا 40 در صد) اگر حداکثر ولتاژ زیاد باشد، لازم است حتماً نوعی حفاظ پیش بینی شود که از تماس افراد و حیوانات با خود الکترود و زمینهای اطراف آن تا شعاع 1 تا 2 متری جلوگیری کند.

اگر چند الکترود قائم موازی در یک خط مستقیم نصب شوند، مثلاً چهار الکترود، گرادیان ولتاژ بین الکترودهای داخلی ملایمتر از گرادیان در اطراف الکترودهای انتهایی خواهد بود. شکل 481-3 این موضوع را نشان می دهد. شیب منحنی و حداکثر تفادت ولتاژ را در سطح الکترودها از شکل 481-3 (حدود 65% ولتاژ) با شیب منحنی و تفاوت ولتاژ مربوط به همین فاصله برای الکترود تکی از شکل 481-2 (حدود 85% ولتاژ) را مقایسه کنید.

شکل 481-3 پتانسیل روی سطح زمین بین دو الکترود وسطی از چهار الکترود در یک خط

482- گرادیان ولتاژ در اطراف یک الکترود زمین افقی

      گرادیان ولتاژ(تغییرات ولتاژ) در اطراف یک الکترود افقی به شدت الکترود قائم نیست، یعنی ولتاژ با شیب کمتری در طول خطی عمود بر مرکز هادی نقصان پیدا می کند و بعلت وجود لایه خاک در بالای الکترود، ولتاژ در بالای سر الکترود حدود 70% ولتاژ الکترود است. شکل 482-1 گرادیان ولتاژ را برای یک الکترود افقی نشان می دهد. بدیهی است بر خلاف الکترود قائم، که خطوط گرادیان ولتاژ در آن دو برابر متحدالمرکزمی باشند، در این مورد خطوط گرادیان در نزدیکی الکترود بموازات هادی الکترود میباشند که در هر یک از دو سر آن به یک نیم دایره تبدیل می شود و در فواصل دو سر به تدریج تبدیل به دایره می شود. گرادیان ولتاژ در فاصله بین دو الکترود افقی موازی، باز هم ملایمتر از گرادیان در اطراف یک الکترود تکی است. در نیروگاهها و پستها که ، علاوه بر احتمال  بروز اتصال به زمین ،

احتمال اصابت صاعقه نیز در حد بسیار بالا می باشد، با نصب الکترودهای افقی در عمق کمی از سطح زمین (5،. تا 1 متر) و در فواصلی حدود 5 تا 20 متر از یکدیگر، از برقگرفتگی پرسنل در صورت بروز اتصالی یا اصابت صاعقه جلوگیری می کنند.

شکل 482-1 پتانسیل روی سطح زمین در اطراف یک الکترود افقی تسمه ای

 

483- خطرات عادی ناشی از وجود گرادیان ولتاژ در اطراف الکترود

      بدیهی است در شرایط عادی، یعنی هنگامی که جریانی از الکترود به زمین برقرار نباشد یا جریان نشتی در صورت وجود کم باشد، گرادیان ولتاژ هم بسیار ضعیف و اختلاف ولتاژ بین نقاط مختلف زمین در جهت شعاعی از الکترود بسیار کوچک است. ولی هنگام عبور جریانهای بزرگ اتصال کوتاه از الکترود به داخل حجم زمین ، احتمال وجود اختلاف پتانسیل های بسیار بزرگ بین نقاط مختلف سطح و حجم زمین در اطراف الکترود وجود دارد که هم برای انسان و هم برای حیوانات اهلی و همچنین برای برخی  از اجزای الکتریکی مانند کابلهای مخابراتی، کنترل و مخصوصاً انتقال داده ها (کامپیوتر) که در برابر ولتاژهای بالا مقاوم نیستند بسیار خطرناک خواهد بود. در مورد حیوانات، با وجود طول زیاد بین پاهای جلو و عقب آنها، ولتاژ برقرار شده بسیار بیشتر از مورد بین دو پای انسان خواهد بود. ضمناً حیواناتی با جثه بزرگ مانند گاو (باضربان قلب حدود35-40 در دقیقه). از نظر برقگرفتگی خیلی حساستر از انسان (با ضربان قلب حدود 75-80 در دقیقه) می باشد. یاد اوری می کند که خطرناکترین لحظه برقگرفتگی هنگامی بروز می کند که لحظه برقراری عبور جریان برق از بدن انسان یا حیوان اهلی ( سهم قلب)، با ناحیه ای از سیکل ضربان قلب که وضعیت استراحت آن است مصادف شود، و هر چه زمان کل استراحت در زمانی معین طولانی تر باشد(گاو) ، شانس وقوع برقگرفتگی در آن بیشتر خواهد بود.

برای نحوه تقسیم ولتاژ در طول یک خط شعاعی از نقطه استقرار یک الکترود قائم در سطح زمین (و همچنین در عمق کمی از سطح زمین) شکل 481-1 را ببینید.

از مطالب بالا نتیجه گیری می شود که وجود الکترود زمین مستقل در نزدیکی سطوح بزرگ و طولانی فلزی مانند حصارها و فنسها بدون رعایت فواصل مجاز (استقرار در خارج از حوزه ولتاژ) یا همبندی الکترودها(برای همولتاژ کردن)،  خطر آفرین خواهد بود.

همچنین با در نظر گرفتن اینکه بیشترین افت ولتاژ در فاصله ای کم در اطراف الکترود ایجاد می شود، آماده سازی الکترود بسیار کار ساز خواهد بود و در اطراف الکترود های دارای آماده سازی،گرادیان ولتاژ شیبی بسیار ملایم دارد.

483-1- ولتاژ تماس- هنگامی که شخصی در نزدیکی الکترود ایستاده و یک دست وی با هادی وصل به الکترود در تماس باشد، در صورت وقوع اتصال کوتاه، تحت بیشترین مقدار ولتاژ قرار خواهد گرفت، زیرا بیشترین گرادیان یا افت ولتاژ در نزدیکی الکترود بوجود می آید. شکل 481-1 این موضوع را نشان می دهد.

483-2- ولتاژ قدم – قدم زدن در اطراف الکترود سانحه دیده نیز خالی از خطر نیست. قدم انسان (حدود 75،0 متر) ممکن است در نزدیکی الکترود ولتاژ خطرناکی را بین دو پای انسان بوجود آورد. شکل 482-1 این موضوع را نشان می دهد.