The dangers and effects of electric current

 

أخطار وآثار التيار الكهربائي

 مقدمة :

لم يعد خافيا على أحد مدى خطورة التيار الكهربائي وخاصة ذو التوتر المنخفض 220/380 والتردد 50/60 HZ الشائع الاستخدام وذلك عند سوء التعامل مع الأنظمة التي يسري بها مثلا عند لمس الإنسان لأجزاء لا تمرر تيار بالحالة الطبيعية ولكن لخطأ ما أو لسوء في المادة العازلة أصبحت ناقلة للتيار الكهربائي وبالتالي فإن كل مستثمر لنظام كهربائي يتحمل مسؤوليتين الأولى تجاه نفسه والأخرى تجاه الآخرين والممتلكات العامة التي قد تتضرر بفعل سوء التعامل مع الأنظمة الكهربائية .

لذلك حتى يكون المستثمر للأنظمة الكهربائية قادرا على تحمل هذه المسؤوليات فلا بد له أن :

       ‌أ-          يمتلك دراية حول أخطار وآثار التيار الكهربائي على الإنسان .

     ‌ب-       أن يمتلك دراية حول المعلومات الكافية حول تيارات التجهيزات الكهربائية .

   ‌ج-   أن يستوعب إجراءات الحماية من أخطار التيار الكهربائي والعمل وفقها لحماية الإنسان ولحماية التجهيزات على السواء .

 

1-    أخطار التيار الكهربائي :

تشكل الأجسام البشرية والنسج الحية ممرا سهلا للتيار الكهربائي وإن اختلفت ناقليتها وبالتالي فإنها تتأثر بالتيار وليس بالتوتر الكهربائي كما هو شائع لدى الكثير من الناس . فمشاركة التوتر تكمن فقط في كونه يتسبب بمرور تيار وسنقوم بتبيان خطورة التيار على جسم الإنسان وذلك من خلال توضيح أثره عليه حيث يتعلق هذا الأثر بعدة عوامل هي :

   ‌أ-    نوع التيار : حيث تبين أن من أجل شدات تيار متساوية وزمن مرور متساوي يشكل التيار المتناوب وخاصة ذو الترددات الشائعة الاستخدام 50/60HZ خطرا أكبر من التيار المستمر على حياة الإنسان لأن هذه الترددات تؤثر على ضربات القلب وكلما زاد التردد قلت درجة خطورة التيار ففي الترددات العالية يجري التيار فقط في محيط الجسم أي في الطبقة الخارجية منه فقط ويستمر تحسس جسم الإنسان بتيارات متناوبة يصل ترددها حتى 200HZ ، الشكل ص5 يبين العلاقة بين شدة التوتر التي يمكن أن يتحملها الإنسان كتابع للتردد .

  ‌ب-   زمن مرور التيار في جسم الإنسان : فكلما قلت فترة مروره قلت خطورته وهي مرتبطة بشدة هذا التيار فكلما زادت شدته يجب أن يقل زمن مروره أما التيارات التي تزيد شدتها عن 0.5A تعتبر خطرة مهما قصر زمن مرورها .

   ‌ج-   شدة التيار المار في الجسم : إن خطورة الكهرباء وآثارها على جسم الإنسان تزداد بازدياد شدة التيار المار فيه حيث تبدأ أجسام البشر بالتحسس للتيارات المتناوبة المستخدمة إذا زادت شدة التيار التيارات بشكل عام عن 0.5mA  ولكن خطورة التيارات الحقيقية تبدأ اعتبارا من قيمة تساوي تقريبا 10mA وذلك إذا مرت مثل هذه التيارات لفترات طويلة وكافية على الجسم والتيارات التي تقل عن 10mA لا تعتبر خطرة مهما طال زمن مرورها بالجسم .

فشدة التيارات المارة في جسم الإنسان تتلازم مع زمن مرورها فكلما نقصت شدة التيار كلما استطاع الإنسان أن يتحمل مرورها لمدة أطول والعكس بالعكس . ولقد تم رسم منحنيات بيانية تبين العلاقة الهامة بين شدة التيار المتناوب (50/60)HZ وزمن مرورها بالجسم وكذلك شدة التيار المستجر وزمن مروره بالجسم والمجالات المختلفة لدرجة خطورته حسب الشكلين  3-a)ص 6) ويظهر الشكل العلاقة بين شدة التيار وزمن مروره لتيارات متناوبة والشكل  3-b ص7 للتيارات المستمرة .

معتبرين أن التيار يمر من إحدى اليدين وحتى القدمين عند شخص ناضج حسب IEC حيث يمكن تميز أربع مجالات مختلفة وهي :

المجال الأول : والمحدد حتى 0.5A في هذا المجال لا يقوم الإنسان بأي رد فعل أي لا يتحسس لمثل هذه التيارات بهذه القيم الصغيرة .

المجال الثاني : في هذا المجال قبل الدخول إلى عتبة التشنجات يتحسس الإنسان بشكل عام بالتيارات الكهربائية ولكن لا تؤثر على ضربات القلب والجملة العصبية أي لا يوجد خطر على وظائف الجسم .

المجال الثالث : حيث يبدأ هذا المجال عند عتبة تيار مساوي ل 10mA فكلما زادت شدة التيار وطال زمن مروره في الجسم لا يستبعد أن تحدث تقلصات في العضلات وقد تصيب عضلات الصدر مما يؤدي إلى صعوبة في التنفس وأحيانا الدخول في غيبوبة . وكثيرا ما يحدث عدم قدرة الإنسان على التخلص من ناقل التيار الكهربائي الذي أصابه بالصعقة الكهربائية وهذا ما يعزى إلى تقلص عضلات الجسم وعدم قدرة الإنسان على السيطرة عليها وبشكل عام يمكن القول بأن منحني عتبة التشنجات هو عبارة عن الحد الفاصل بين قيم التيارات الخطيرة وتلك غير الخطيرة تبعا لمدة مرورها في الجسم .

المجال الرابع : وهنا تظهر خطورة على الحياة من خلال اضطراب دقات القلب وأحيانا إيقافه إذا زادت مدة تأثير التيارات وشدتها لذلك تم عالميا وحسب IEC الاتفاق على المنحني المبين ﺒ ص9 والجدول المرفق له والذي يبين زمن مرور التيار المسموح به في جسم الإنسان كتابع للتوتر المطبق عليه ولأجل توتر متناوب تردد 50HZ ولأجل توتر مستمر ونلاحظ من الجدول أن القيمتين الحديتين 50V متناوب و120V مستمر .

   ‌د-    بنية الجسم والحالة الصحية : يعتبر المرضى والأطفال وكبار السن أكثر الأشخاص تعرضا للخطر عند تماسهم لنواقل التيار الكهربائي وذلك بسبب صفر مقاومة جسمهم نتيجة ضعف أجسامهم .

   ‌ه-    المسار الذي يسلكه التيار في الجسم : إن مقاومة جسم الإنسان وكذلك شدة التيار الكهربائي تتوقف كذلك على مسار التيار وقد تم قياس هذه المقاومات لحالات تماس مختلفة من أجل توتر مطبق على جسم الإنسان مقداره 220 V   ذو تردد HZ 50 . 

 

مسار التيار	قيمة مقاومة جسم الإنسان ( Ω)
من يد إلى اليد الأخرى	1000
من يد إلى أحد القدمين	1000
من يد إلى كلا القدمين	750
من كلا اليدين إلى كلا القدمين	500
من اليد حتى الصدر	450
من كلا اليدين حتى الصدر	230
من اليد حتى مقعد الإنسان	550
من كلا اليدين حتى مقعد الإنسان	300

 

وكذلك قيمة مقاومة جسم الإنسان تتعلق ببنية الجسم وبوضعيته الصحية ولهذا السبب فإن قيمة هذه المقاومة تختلف من جسم إلى آخر .

2-    آثار التيار الكهربائي :

للتيار الكهربائي أثرين، مفيد ويقصد به المستخدم في الاستفادة في معالجة بعض الأمراض بالأشعة الكهرومغنطيسية وهذا الأثر لسنا بصدد دراسته . والآخر أثر ضار عند مروره بالجسم بشدة معينة وأخطرها الذي يؤدي إلى الوفاة .

ويمكن التميز بين ثلاث مجموعات لأضرار التيار :

   ‌أ-    أجزاء ناجمة عن التحليل الكهربائي : وهذا الأثر ناجم عن التيار المتناوب وليس عن التيار المستمر حيث تبين نتيجة الدراسات أن الجسم يستطيع تحمل التيارات المستمرة بشكل أفضل من المتناوب والأضرار الكهروليتية قد تظهر في الجسم بعد فترة زمنية متأخرة بسبب نتائج التهديم العضوي .

  ‌ب-   أضرار ناجمة عن التأثير على وظائف الجسم : وذلك لكون التيار الكهربائي يؤثر ويشوش على الجهاز العصبي المسؤول عن قيادة وظائف الجسم فهو أحيانا يتسبب بالوفاة عند تأثيره على اضطراب دقات القلب كما أنه يتسبب بتقلص العضلات المار بها مما يؤدي إلى خروج هذه العضلات عن طاعة الإنسان وعدم قدرتها على الاستجابة لإرادته وهذا ما يفسر عدم قدرة الإنسان على التخلص من الناقل الكهربائي عندما يقع تحت تأثير التوتر عند تماسه .

   ‌ج-   أضرار ناجمة عن الحرارة الزائدة : عندما تكون كثافة التيار المارة في الجسم عالية فإنها تسبب إلى حرق الخلايا الحية وأحيانا تفحمها وقد تكون هذه الحروق خارجية تصيب الجلد وهذه الحال يمكن معالجتها وقد تكون داخلية وهنا تكون غير مرئية ولا تظهر آثارها مباشرة وإنما بعد فترة زمنية .

وهكذا نرى مما سبق تبرز أهمية حماية جسم الإنسان من التيارات تلافيا لآثار وأخطار التيار الكهربائي التي قد تسبب أحيانا إلى الوفاة ، وعملية الحماية هذه يتم تطويرها وإجراء التعديلات عليها بشكل مستمر بما يتناسب مع التطور التقني العالمي وذلك من قبل هيئات ومنظمات عالمية مختصة لتكون الغاية في النهاية هي الحصول على حماية أفضل للإنسان والحد من الخسائر المادية قدر المستطاع .

لقد ميز نظامVDE الألماني وهو المعمول به في الكثير من دول العالم بين إجراءات الحماية المختلفة من أخطار التيار الكهربائي على الشكل التالي :

1.     الحماية من التيارات الخطرة على أجسام البشر والحيوانات الأليفة .

2.     الحماية من الحرائق المسببة من التيار الكهربائي .

3.     الحماية من التوترات الزائدة .

4.     الحماية من تيارات النواقل والكوابل الزائدة .

5.     الحماية عند حالات الوصل والفصل المختلفة .

ولا تختلف إجراءات الحماية لواحدة منها عن الأخرى بسبب تداخل أخطار كل واحدة منها مع الأخرى فمثلا الحرائق قد تظهر بسبب القوس الكهربائي عند حالات الفصل غير النظامي لتيارات التجهيزات أو بسبب التيارات الزائدة للنواقل والكوابل لذلك يجب أن تكون إجراءات الحماية متكاملة وشاملة لحماية الأرواح والممتلكات .

تماس الأجسام بنواقل التيار الكهربائي وأخطارها :

ويعزى الخطأ هنا في كثير من الأحيان إلى خلل في عزل الأجزاء المعدنية الغير حاوية على تيار كهربائي فعند حدوث عطل ما في النظام يؤدي نتيجة لذلك لتماس جزء يمر فيه أصلا تيار كهربائي ونسميه بالجزء الفعال بجزء لا ينتمي بالأساس إلى الدارة الكهربائية للنظام وندعوه الجزء غير الفعال ثم وبنفس الوقت يلامس العامل لهيكل الآلة الذي صار ناقلا للتيار نتيجة للعطل ، مما يؤدي هنا إلى تطبيق توتر على الإنسان .

وهنا نميز نوعين من التيارات :

1.     تيار العطل ( تيار الخطأ ) وهو عبارة عن التيار الذي سيمر في الدارة الكهربائية .

2.     تيار الجسم i_k  وهو الجزء من التيار الذي سيمر عبر الجسم البشري :

حيث : R_k تمثل مقاومة جسم الإنسان .

        U_L فرق الكمون المطبق على الجسم أو على الجزء الواقع منه تحت التوتر ونسميه توتر التماس .

والأنظمة العالمية قد حددت قيمة التوتر المسموح بتطبيقه على جسم الإنسان لمدة غير محددة بأقل من 50V  إذا كان متناوباً وأقل من 120V إذا كان مستمراً وذلك في شروط مثالية (مثلاً درجة رطوبة عادية ، لا تعتبر مناجم الفحم مثلاً ذات شروط مثالية لأن درجة الرطوبة فيها عالية جداً لذلك حددت اﻠ IEC توتر التماس المسموح به ضمن هذه المناجم ﺒ 30V بدلاً من 50V .

أنظمة الشبكات الكهربائية :

وفقاً للنظام IEC فإن الشبكات الكهربائية تأخذ ثلاثة أشكال رئيسية وهي ما تسمى بشبكات IT,TT,TN .

فإذا كان الحرف الأول (T) فهذا يعني بأن النظام مؤرضاً بشكل موضعي ونقطة النجمي لمحول التغذية مؤرض في موضع واحد مباشرة (تأريض تشغيل) . أما إذا كان الحرف الأول (I) فهذا يدل على أن كل النواقل معزولة عن الأرض أي عدم وجود تأريض تشغيل أو موصولة هذه النواقل وبنقطة واحدة عبر ممانعة الى الأرض .

وإذا كان الحرف الثاني هو (N) فهذا يعني أن كل الهياكل المعدنية للتجهيزات الكهربائية المربوطة مع النظام موصولة مباشرة الى مؤرض التشغيل وذلك إما عبر ناقل الحماية الخاص أو عبر الحيادي أو يكون بعض التجهيزات موصول مع ناقل الحيادي وبعضها الآخر مع ناقل الحماية وقد تم التعبير عن هذه الإمكانيات الثلاثة المختلفة بإضافة أحرف الى التسمية السابقة وهي خاصة بشبكات TN فقط وبالتالي يأخذ هذا النوع من الشبكات تسميات ثلاثة مختلفة هي :

TN-C : وهو نظام الشبكات الذي توصل فيه هياكل التجهيزات الكهربائية مباشرة الى ناقل الحيادي أي يكون الحيادي هو نفسه ناقل الحماية ويصبح اسمه في هذه الحالة PEN .

TN-S : وهو نظام الشبكات الذي يتم فيه وصل هياكل التجهيزات الكهربائية الى مؤرض التشغيل عبر ناقل خاص منفصل وهو ناقل الحماية والذي يدعى هنا PE .

TN-C-S : وهو نظام الشبكات الذي يتم فيه وصل هياكل التجهيزات إما الى ناقل الحماية الخاص في بعض أجزاء النظام أو الى ناقل حماية وحيادي مشترك في أجزاء أخرى منه . أي قد يشترك ناقل الحماية مع الحيادي في جزء من النظام وينفصل عنه أحياناً .

وإذا كان الحرف الثاني هو (T) فهذا يعني بأن الهياكل المعدنية للتجهيزات الكهربائية المربوطة مع نظام القدرة مؤرضاً بشكل مباشر وهذا التأريض مستقل تماماً عن تأريض منبع التغذية .