ولتاژ بالا

ولتاژ بالا
واژه ولتاژ بالا مدارهای الکتریکی را توصیف می كند كه ولتاژ بكار رفته علت امور مربوط به ایمنی و لازمه عایق می باشد. ولتاژ بالا در توزیع نیروی برق، در لوله اشعه کاتدی، جهت تولید پرتوهای ایکس و پرتوهای ذرات، برای نشان دادن جرقه های برق، برای احتراق، در لوله های تقویت كننده نور، لوله های خلاء تقویت كننده نیرو (highpower) و دیگر کاربردهای صنعتی و علمی مورد استفاده قرار می گیرد.


تعریف
تعریف عددی ولتاژ بالا به چارچوب بحث بستگی دارد. دو عامل در نظر گرفته شده در طبقه بندی ولتاژ بالا عبارتند از: امکان ایجاد جرقه در هوا، و خطر شوک الکتریکی از طریق تماس یا نزدیکی. تعاریف ولتاژ بالا ممکن است برای ولتاژ بین دو رسانا از یک سیستم، یا بین رسانا و زمین بكار برده شود.
در رشته مهندسی انتقال برق، معمولا هر ولتاژ بیش از حدود 35،000 ولت به عنوان ولتاژ بالا در نظر گرفته می شود. این طبقه بندی بر اساس طراحی دستگاه و عایق می باشد.
کمیسیون علوم الکترونیکی بین المللی و همتایان ملی خود (IET ، IEEE ، VDE و غیره) مدارهای ولتاژ بالا را به عنوان ولتاژهایی با بیش از 1000 ولت برای جریان متناوب و حداقل 1500 ولت برای جریان مستقیم، تعریف كرده و آن را از مدارهای ولتاژ پایین (1000-50 ولت AC یا 1500-120 ولت DC) و مدارهای ولتاژ بسیار پایین(>50 ولت AC یا >120 ولت DC) متمایز می كند. این در چهار چوب سیم کشی ساختمان و ایمنی دستگاه الکتریکی می باشد.
کد ملی برق(NEC) در ایالات متحده در سال 2005 اعلام كرد هر ولتاژ بیش از 600 ولت، ولتاژ بالا است. استاندارد انگلیس در سال 2008 ولتاژ بالا را بصورت هر اختلاف ولتاژ بین رساناها که بالاتر از 1000 ولت AC یا 1500 ولت DC بدون موج است، یا هرگونه اختلاف ولتاژ بین رسانا و زمین که بالاتر از 600 ولت AC یا 900 ولت DC بدون موج می باشد، تعریف كرده است. در برخی از حوزه های قضایی ممكن است به متخصصین برق در کلاس های ولتاژ خاص مجوز داده شود. به عنوان مثال ممکن است یك امتیاز الكتریكی برای یك زیرمجموعه تخصصی تجاری از قبیل نصب و راه اندازی سیستم های تهویه مطبوع، سیستم های هشداردهنده آتش، سیستم های تلویزیونی مدار بسته، مجاز به نصب سیستم هایی با برق بیش از 30 ولت بین رساناها باشد، و امكان دارد كه برای كار بر روی مدارهای ولتاژ قابل ملاحظه فاقد مجوز باشد .
عموم مردم ممکن است به مدارهای اصلی خانگی (250-100 ولت AC) که بالاترین ولتاژی است كه آنها بطور معمول با آن مواجه می شوند، بعنوان ولتاژ بالا توجه كنند.
ولتاژهای بیش از حدود 50 ولت معمولا باعث ورود مقادیر خطرناک جریان به بدن انسان از طریق لمس دو نقطه از یك مدار گردد، پس به طور کلی استانداردهای ایمنی بیشتر ماهیت محدود کننده دارند در جاییكه احتمال تماس با چنین مدارهای با ولتاژ بالا وجود دارد.
در الکترونیک دیجیتال ، ولتاژ بالا آنست که یك منطق 1 را نشان می دهد، و این ممکن است تنها چند صد میلی ولت برای خانواده های منطقی باشد.
تعریف ولتاژ بسیار بالا (EHV) به چهار چوب این بحث بستگی دارد. در رشته مهندسی انتقال برق این واژه برای تجهیزات طراحی شده با بیش از 345،000 ولت برق بین رساناها بكار می رود . در سیستم های الکترونیکی، یك منبع تغذیه که بیش از 275،000 ولت برق تولید می كند به عنوان منبع تغذیه اضافه ولتاژ بالا شناخته می شود كه اغلب در آزمایش های فیزیک مورد استفاده قرار می گیرد.
ممکن است ولتاژ شتاب برای لامپ اشعه کاتدی تلویزیون در مقایسه با دیگر منابع تغذیه ای ولتاژ درون دستگاه به عنوان "اضافه ولتاژ بالا" و یا "اضافه تنش بالا" توضیح داده شود. این منبع تغذیه از > 5 کیلوولت تا حدود 50 کیلوولت می باشد.

جرقه در هوا
قدرت شكستن عایقی هوای خشک در دما و فشار استاندارد (STP) بین الکترودهای کروی در حدود 33 کیلوولت بر سانتیمتر است، البته ولتاژ شکست واقعی به شکل و اندازه الکترود وابسته است. میدان های الکتریکی قوی حاصل از ولتاژهای بالای بكار رفته در رساناهای کوچک، اغلب باعث ایجاد تخلیه بار الكتریكی هاله ای شكل به رنگ بنفش در هوا و همچنین جرقه های قابل رویت می شوند. ولتاژهای كمتر از 700-500 ولت نمی توانند به راحتی در هوا و در فشار اتمسفر جرقه یا تابش های قابل رویت تولید كنند، بدین ترتیب این ولتاژها 'کم' هستند. با این حال، تحت شرایط فشار جوی پایین (مانند هواپیما در ارتفاع زیاد)، یا در محیط گازهای بی اثر از قبیل آرگون، نئون و غیره، جرقه ها در ولتاژهای بسیار پایین تر ظاهر می شوند. 700- 500 ولت یک حداقل ثابت برای تولید جرقه نیست، اما یک قاعده کلی می باشد. برای تهویه در شرایط استاندارد، حداقل ولتاژ لازم برای تشكیل جرقه حدود 380 ولت می باشد.
در حالی که معمولا ولتاژهای پایین تر به فاصله ای كه قبل از اعمال ولتاژ وجود دارد، نخواهد رفت، قطع جریان های موجود فعلی اغلب باعث تولید یك جرقه یا قوس الكتریكی با ولتاژ پایین می گردد. ضمن اینكه تماس قطع می شود، تعداد کمی از نقاط کوچک تماس بجا می ماند جریان به این" لکه های گرم و کوچک " راه می یابد و آنها را درخشان و نورانی می كند، به طوری که آنها از طریق نشر گرمایونی از خود الکترون ساطع می كنند. حتی یك باتری کوچک 9 ولتی به طور محسوس می تواند با این مکانیسم در یک اتاق تاریک جرقه تولید كند. هوای یونیزه و بخار فلزی حاصل از تماس منجر به تشكیل پلاسما می شود که به طور موقت از روی شکاف عریض پل می زند. اگر منبع تغذیه و بارالكتریكی اجازه جاری شدن جریان کافی دهند، ممکن است یك قوس مقاوم شكل گیرد بمحض تشکیل شدن، قوس الکتریکی می تواند قبل از شکسته شدن مدار به اندازه قابل ملاحظه ای كشیده شود. تلاش برای باز کردن یك مدار القایی اغلب باعث شكل گیری یك قوس الکتریکی می شود، از لحظه ای كه اندوكتاس(خودالقا) یک پالس ولتاژ بالا را وقتی جریان قطع می گردد، تولید می كند. سیستم های AC قوس های الكتریكی مقاوم ایجاد می كنند از زمانیكه جریان دو بار در هر چرخه به صفر برمی گردد. هر زمان كه جریان از صفر عبور می كند، قوس الكتریكی خاموش می شود؛ و باید در طی نیم سیکل بعدی بمنظور حفظ قوس باقی بماند.
بر خلاف رسانای اهمی، ولتاژ در دو سر یك قوس الکتریکی کاهش می یابد همانطور كه جریان افزایش می یابد. این قوس در دستگاه الکتریکی، زمانیكه حتی یك قوس کوچک شروع می شود، در صورت در دسترس بودن جریان کافی رشد خواهند کرد. چنین قوس های بزرگی می توانند منجر به آسیب جدی به تجهیزات شده و باعث آتش سوزی گردند. قوس های الكتریكی ایجاد شده بطور عمدی (مثلا در جوشكاری یا احتراق) برای تثبیت جریان و مشخصه های ولتاژ قوس نیاز به چندین عنصر در مدار الكتریكی دارند.

پدیده ها و دستگاههای الکترو استاتیک
یك ولتاژ بالا در صورتیكه نتواند جریان قابل توجهی ارسال كند، لزوما خطرناک نیست. جرقه های الكتریكی ساكن مشاهده تحت شرایط رطوبت کم همیشه شامل buildups ولتاژ بالاتر از 700 ولت می باشند. برای مثال، جرقه های درب خودرو در زمستان می تواند ولتاژی به بزرگی 20،000 ولت داشته باشد. همچنین دستگاه های تشریح علم فیزیک مانند ژنراتورهای Van de Graff و ماشین آلات Wimshurst می توانند ولتاژی نزدیک به یک میلیون ولت تولید كنند. این ابزار دارای مقدار محدودی انرژی ذخیره شده می باشند، بنابراین جریان تولید شده کم است و معمولا برای مدت کوتاهی مورد استفاده قرار می گیرد. در طول تخلیه، این ماشین آلات ولتاژ بالا را تنها به مدت یك میلیونیوم ثانیه یا کمتر به بدن وارد می كنند. این تخلیه الكتریكی ممکن است دارای قدرت بسیار بالا بیش از زمان دوره ای بسیار کوتاه باشد، اما به منظور تشکیل الیاف در قلب، منبع تغذیه برق باید جریان قابل توجهی در عضله قلب در میلی ثانیه های بسیاری تولید كند، و باید کل انرژی را در طیف وسیعی از حداقل میلی ژول تا بالاتر ذخیره كند متناوبا باید انرژی کافی را از طریق گرم كردن جهت صدمه به بافت برساند. از زمانیكه که مدت زمان تخلیه كوتاه شود، گرمای بسیار کمتر از یك تلفن همراه (در طول زمان) ایجاد می شود.
توجه داشته باشید که سیم پیچ های تسلا موارد خاصی می باشند، و لمس کردن آنها توصیه نمی شود. این سیم پیچ ها در سرتاسر مدار خود تمایل به ایجاد قوس الكتریكی دارند، که می تواند فرکانس خطوط برق را در ولتاژهای بالای كشنده در بدن (50 هرتز یا 60 هرتز، و قادر به دپلاریزه كردن سولها و ایست قلبی) نشان دهد.


خطوط برق
خطوط برق فشار بالا
در خطوط توزیع و انتقال الكتریكی برای نیروی برق همیشه از ولتاژ قابل توجهی بالاتر از 50 ولت استفاده می شود، بنابراین تماس یا نزدیکی با خطوط رسانا، خطر برق گرفتگی را به دنبال دارد.تماس با سیم های سربار باعث تکرر جراحت یا مرگ است. نردبان های فلزی، تجهیزات کشاورزی، دكل قایق ها، ماشین آلات ساختمانی، آنتن های هوایی و اشیاء مشابه غالبا منجر به مرگ در تماس با سیم های سربار می شوند. همچنین کاوش درون یک کابل مدفون شده در خاک در مكان های حفاری می تواند برای کارگران خطرناک باشد. تجهیزات حفاری (اعم از ابزار دست یا ماشین های رانش) که در تماس با یک کابل کابل مدفون شده در خاک می باشند ممکن است باعث تقویت زمین یا لوله کشی در این منطقه گردد كه منجر به برق گرفتگی کارگران در نزدیکی آن است. وجود نقص در خطوط انتقال ولتاژ بالا ممکن است منجر به جاری شدن جریان زیاد در امتداد سطح زمین شود كه باعث افزایش پتانسیل زمین می گردد و خطر شوک الکتریکی را بهمراه دارد. افراد غیر مجازی كه از تیرهای برق یا دستگاه های الکتریکی بالا می روند نیز اغلب قربانیان برق گرفتگی می باشند. در انتقال ولتاژ بسیار بالا حتی یک تماس كوچك می تواند خطرناک باشد از زمانیكه ولتاژ بالا ممکن است در سراسرشکاف قابل توجه در هوا جرقه بزند.
در خطوط انتقال ولتاژ بالا و ولتاژ فوق العاده بالا، پرسنل آموزش دیده از تکنیک های "خط زندگی" جهت دست زدن به تجهیزات انرژی استفاده می كنند. در این حالت مددکار از نظر الكتریكی به خطوط فشار قوی وصل شده اما کاملا از زمین ایزوله می گردد به طوری که او در پتانسیل الکتریکی مشابه خطوط می باشد. از آنجا که آموزش برای چنین عملیاتی طولانی بوده و خطرات زیادی برای پرسنل در بر دارد، تنها خطوط انتقال بسیار مهم موضوع تعمیر و نگهداری می باشد. خارج از موقعیت های مهندسی شده نباید فرض كرد که ایزوله بودن از زمین باعث انتقال هیچ جریانی یا قوس الكتریكی به زمین نمی شود، بلكه جریانات با فركانس بالا حتی می تواند باعث سوختگی افرادی كه روی زمین قرار ندارند، گردد(به همین دلیل دست زدن به آنتن فرستنده خطرناک است).
تجهیزات حفاظتی در خطوط انتقال ولتاژ بالا به طور معمول مانع از شکل گیری قوس های الكتریكی ناخواسته می گردد، و حتی در مدت دهها میلی ثانیه جلوی آن را می گیرد. دستگاه الكتریكی که مدارهای ولتاژ بالا را قطع می كند طوری طراحی شده است كه باعث مستقیم شدن قوس الكتریكی شده و آن را بدون آسیب از بین می برد. در قطع كننده های جریان ولتاژ بالا اغلب از یک جریان هوا با فشار بالا، یك گاز دی الكتریك (مانند SF6 تحت فشار) و یا غوطه وری در روغن معدنی یا نفت جهت خاموش کردن قوس هنگامی که مداربا ولتاژ بالا قطع می شود،. استفاده می كنند.
خطر فلاش قوس
بسته به نوع مدار جریان کوتاه موجود در تابلو برق، خطری برای پرسنل نگهداری و عملیاتی با توجه به احتمال قوس الکتریکی با شدت بالا بوجود می آید. حداکثر دمای قوس الكتریكی می تواند به بالای 10،000 کلوین برسد كه حرارت تابشی ، انتشار هوای گرم ، تبخیر فلزات قابل انفجار و عایق بندی مواد می تواند به کارگران بی حفاظ صدمه شدید وارد كند. چنین تابلو برق ها و منابع قوس الکتریکی با انرژی معمولا در پست برق و تاسیسات ایستگاه های مولد برق، کارخانه های صنعتی و ساختمانهای بزرگ تجاری قرار دارند. انجمن ملی حفاظت در برابر آتش در ایالات متحده، استاندارد NFPA 70E را برای ارزیابی و محاسبه خطر فلاش قوس الكتریكی منتشركرده است و استانداردهای مربوط به لباس محافظ مورد نیاز برای برق كارانی كه در محل کار خود در معرض چنین خطراتی قرار می‌گیرند را فراهم نموده است.
خطر انفجار
حتی ولتاژهای کم برای شکستن هوا می تواند دارای انرژی کافی جهت گرم كردن زیاد اتمسفر حاوی بخارات و گازهای قابل اشتعال، یا گرد و غبار معلق در هوا باشد. برای مثال گاز هیدروژن، گاز طبیعی، یا بخار بنزین مخلوط با هوا می تواند با جرقه های تولید شده توسط دستگاه الکتریکی مشتعل شوند. نمونه هایی از امکانات صنعتی با مناطق خطرناک عبارتند از: پالایشگاه پتروشیمی، کارخانه های شیمیایی، بالابرهای دندانه‌ای و معادن زغال سنگ.
اقدامات انجام شده برای جلوگیری از انفجار عبارتند از :
� ایمنی ذاتی با استفاده از دستگاه طراحی شده نه برای تجمع انرژی الکتریکی ذخیره شده بلكه برای توقف انفجار.
� افزایش ایمنی كه در دستگاه های اندازه گیری مانند محفظه‌های پر شده با روغن برای جلوگیری از جرقه اعمال می شود.
� محفظه های ضد انفجار (ضد شعله) که بصورتی طراحی شده اند که انفجار در داخل محفظه نمی‌توانند فرار كرده و فضای اطراف مواد منفجره را مشتعل كند.
در سال های اخیر استاندارد برای حفاظت از خطر انفجار بین اروپا و آمریکای شمالی یکنواخت تر شده است. سیستم طبقه بندی در حال حاضر به صورت متغییر در کد ملی برق ایالات متحده و کد برق کانادا استفاده می شود دستگاه ایمنی ذاتی در حال حاضر برای استفاده در برنامه های کاربردی آمریکای شمالی تایید شده، هر چند محفظه‌های ضد انفجار (ضد شعله) استفاده شده در امریکای شمالی هنوز در اروپا نادر و غیر متداول است.
گاز های سمی
تخلیه الکتریکی ، از جمله هاله و تخلیه جزئی، می تواند مقدار کمی از گازهای سمی را تولید كند که در یک فضای محدود می تواند خطر جدی برای سلامت باشد. این گازها عبارتند از ازن و اکسیدهای مختلف نیتروژن.

رعد و برق
بزرگترین جرقه‌ها به طور طبیعی توسط رعد و برق تولید می‌شوند. یك بولت متوسط رعد و برق با بار منفی حامل جریانی از 30 تا 50 كیلوآمپر است كه باعث شارژ 5 کولنی و تولید انرژی به میزان 500 میلی‌ژول می‌گردد (انرژی لازم برای روشن كردن یك لامپ 100 وات برای 2 ماه). با این حال، یك بولت متوسط رعد و برق با بار مثبت (از سر صاعقه) می‌تواند جریانی به اندازه 300 - 500 كیلوآمپرحمل كرده و باعث شارژ 300 کولن و اختلاف پتانسیل یك گیگاولت ( یك میلیون ولت) می‌گردد، همچنین ممکن است انرژی لازم برای روشن كردن یک لامپ 100 وات را تا 95 سال فراهم كند. صاعقه با بار منفی به طور معمول تنها برای دهها میكروثانیه به طول می‌انجامد، اما حملات متعدد همچنان وجود دارند. یك صاعقه با بار مثبت به طور معمول یك رویداد منفرد است، با این حال پیك بزرگتر جریان ممکن است به اندازه صدها میلی‌ثانیه باشد كه آن را بطور قابل توجهی داغتر و خطرناکتر از صاعقه با بار منفی می‌كند.
خطرات ناشی از رعد و برق به وضوح شامل حمله مستقیم به افراد یا اموال آنهاست. با این حال، رعد و برق همچنین می‌تواند شیب‌های ولتاژی خطرناکی در زمین ایجاد کرده كه اشیاء فلزی از قبیل کابل‌های تلفن، حفاظ‌ها و خطوط لوله را تا ولتاژهای بالا و خطرناک شارژ می‌كند و مسافتی به اندازه چندین مایل را در بر می‌گیرد. گرچه بسیاری از این اشیاء معمولا رسانا نمی‌باشند، ولتاژ بسیار بالا می‌تواند منجر به تخلیه الكتریكی در چنین عایق‌هایی گردد كه باعث می‌شود آنها بعنوان رسانا عمل کنند. این پتانسیل انتقال یافته برای انسان، خوراک دام و دستگاه های الکترونیکی خطرناک می‌باشد. رعد و برق نیز باعث آتش‌سوزی و انفجار شده که منجر به تلفات، صدمات و خسارت به اموال می‌گردد. برای مثال، هر ساله در امریکای شمالی هزاران آتش‌سوزی در جنگل‌ها با حملات رعد و برق آغاز می‌شود.
اقدامات لازم برای کنترل رعد و برق می‌تواند خطر را کاهش دهد؛ این خدمات عبارتند از: میله های برقگیر رعد و برق، سیم‌های روكش‌دار، اتصال قطعات الکتریکی و ساختاری ساختمان‌ها برای تشكیل یك محفظه پیوسته. بنظر می‌رسد بنظر می‌رسدتخلیه الكتریكی صاعقه با ولتاژ بالا در ژوپیتر منبع نشر امواج رادیویی قوی در سیارات است.

بهارك خیاط نادری

توجه: مطالب این صفحه جهت اطلاع درج گردیده و این شرکت فروشنده تجهیزات مرتبط با تست ارت نمی باشد.