وظیفه یک سیستم اتصال زمین خوب از جنبه حفاظتی ، آن است که ولتاژ گام و تماس را کاهش دهد.
ولتاژ گام (Step Voltage )
ولتاژ بین دو پای شخص است. در حالت نرمال، فاصله دو پایک متر فرض می شود. در شکل فوق، این ولتاژ برابر اختلاف ولتاژ نقاط 4 و 5 بوده و برابر Es می باشد.اختلاف پتانسیل بین پاهای انسان به فاصله یک متر اگر پا برروی زمین برقدار قرار گیرد الکتریسیته می تواند از یک پا به پای دیگر «از جاییکه ولتاژ بالاتر است به جاییکه ولتاژ کمتری دارد» جریان یابد در صورتی که پاها نزدیک به یکدیگر بوده و باهم تماس داشته باشند ، فرد ایمن خواهید بود. باتوجه به اینکه هیچ اختلاف ولتاژی ما بین دو مکانی که پای فرد در روی آن قرار گرفته است ، وجود ندارد ،به همین دلیل الکتریسیته تمایل اندکی به عبور از مسیر گامهای فرد دارد.
ولتاژ تماس (Touch Voltage )
ولتاژ تماسی مشابه با ولتاژ گامی است با این تفاوت که جریان از دست فرد وارد شده واز پای او خارج می شود.
ولتاژ گام یا Step Voltage : ولتاژ تماس یا Touch Voltage :اختلاف ولتاژ بین دست و پای شخص در شرایطی است که دست به بدنه برق دار وصل شده است. درشکل فوق، ولتاژ تماس برابر اختلاف ولتاژ نقاط 6 و 7 است (محل عبور جریان اتصال کوتاه نقطه 7 می باشد).
نکات مهم در رابطه با ولتاژ گام و تماس:
1- عبور جریان شدید اتصالی از یک سازه و یا دستگاه فلزی به زمین و یا از الکترود اتصال زمین آن سبب می‌شود که ولتاژ زمین در این نقطه به حداکثر خود برسد؛
2- در نقاط مجاور به علت پخش جریان در مقاطع بزرگتر زمین، به تدریج تنزل می‌یابد؛
3- دامنه ولتاژ در یک فاصله دوری (حدود 15 متر) یا بیشتر، مقدار آن تقریبا به صفر می‌رسد؛
4- اختلاف ولتاژ زیر دو پای فرد، تدریجا مطابق شیب منحنی ولتاژ افزایش می‌یابد (فرد پا برهنه خیلی زودتر این اختلاف را احساس می‌کند)؛
روابط و معادلات ریاضی
شکل زیر مدار معادل الکتریکی، شرایط اتصالی رسم شده و در آن مقاومت‌های زیر در حین عبور جریان اتصالی نشان داده شده است.
در مدار فوق مقاومت Rb شامل مقاومت داخل بدن از یک پا تا کف پای دیگر است (معمولاً از مقاومت کفش‌ها که احتمال دارد چرمی بوده و خیس هم باشد در مقابل مقاومت زمین زیر پا (Rf) صرف نظر می‌شود) معمولاً مقاومت زمین زیر هر پا سه برابر مقاومت مخصوص زمین R_f=3ρ_sتخمین زده می‌شود.اگر پای انسان را دایره فرض کنیم فرمول تقریبی مقاومت سطح تماس کفه کفش پا با زمین را می توان به شکل زیر نوشت:
که در آن b برابر است با مقدار سطح تماس کفه کفش پا با زمین و میتوان از فرمول زیر مقدار تقریبی آن را محاسبه کرد:
مقدار محاسبه شده فوق برای یک پای انسان بود که برای دو پا می توان تصور کرد که دو مقاومت موازی است:
پس با افزایش مقاومت زیر پا و نصب کلید حفاظتی یا فیوز قطع سریع جریان اتصال کوتاه جهت کاهش زمان عبور جریان میتوان مقدار ولتاژ قابل تحمل را افزایش داد.
عدم اجرای راهکار فوق، تبعات زیر را به همراه دارد:
اگر پای شما بر روی زمین برقدار دور ازهم قرار گیرد، این اتفاق روی داده و الکتریسیته می‌تواند از یک پا به پای دیگر، از جایی که ولتاژ بالاتر است به جایی که ولتاژ کمتری دارد، جریان یابد.
در صورتیکه پاهای شما نزدیک یکدیگر بوده و باهم تماس داشته باشد، شما ایمن تر خواهید بود. با توجه به اینکه هیچ اختلاف ولتاژی مابین دو مکانی که پای شما در روی آن قرار گرفته است، وجود ندارد، به همین دلیل الکتریسیته تمایل اندکی به عبور از مسیر پاهای شما دارد.
توصیه‌های رهایی از خطرات ولتاژ گامی:
جریان صاعقه پس از تماس با زمین همانند جریان آب در سطح زمین پخش شده و لایه‌های پتانسیل الکتریکی را مشابه شکل ایجاد می‌کند.
1) با دوپای فاصله دار حرکت کنید (با جهش حرکت کنید) یعنی به صورتی که هم زمان دوپای شما، روی زمین نباشند.
2) پاها را به هم بچسبانید (حداکثر فاصله 5 سانت) و مانند بازی گردو شکستم باگامهای بهم چسبیده و کوچک به آرامی به جلو بروید.
3) اگر می‌توانید به صورت لی لی کنان (یک پا)، به شرط اطمینان از حفظ تعادل خود از محل حوزه الکتریکی دور شوید.
روش اندازه گیری مقاومت الکترود گسترده در سایت های صنعتی:
روش اندازه گیری ولتاژ تماس در سایت های صنعتی:
جهت اندازه گیری ولتاژ تماس طبق آرایش زیر اتصالات مربوط به سیم بندی دستگاه تست را انجام داده و به فاصله یک متری از تجهیز مورد نظر الکترود پتانسیل (Y)قرار داده می شود و مقاومت بدست آمده را ثبت می کنیم.با توجه امپدانسهای مسیر اتصالی ؛ جریان اتصال زمین به روشهای مختلف قابل محاسبه است.در حقیقت نسبت ولتاژ اندازه‌گیری شده را در حالت اتصال فاز به زمین توسط دستگاه شبیه سازی می‌کنیم.
از حاصل ضرب این جریان در مقاومت بدست آمده عددی بدست می آید که میتوان آن را ولتاژ تماس (Touch Voltage) نامید.
دقت شود که مقدار فاصله الکترود جریان(Z) حداقل پنج برابر بزرگ ترین بعد الکترود گسترده (قطر مربع یا مستطیل) باید انتخاب شود.
روش اندازه گیری ولتاژ گام در سایت های صنعتی:
جهت اندازه گیری ولتاژ گام طبق آرایش زیر اتصالات مربوط به سیم بندی دستگاه تست را انجام داده و الکترود های پتانسیل (Y) و (Xv )به فاصله یکمتر از هم قرار داده می شود و مقاومت بدست آمده را ثبت می کنیم.با توجه امپدانسهای مسیر اتصالی ؛ جریان اتصال زمین به روشهای مختلف قابل محاسبه است.
از حاصل ضرب این جریان در مقاومت بدست آمده عددی بدست می آید که میتوان آن را ولتاژ گام (Step Voltage) نامید.
نکات مهمی که در اندازه گیری مقاومت الکترود زمین گسترده و ولتاژ گام و تماس پلنت های صنعتی وجود دارد این است که جریان تزریقی جاری توسط دستگاه باید مقداری در بازه 5 تا 10 آمپر باشد و این کار توسط دستگاه های پیشرفته قابل انجام است.