تقييم مخاطر القوس الكهربائي: دليل منهجي لحماية العاملين في المنشآت الكهربائية

يمثل القوس الكهربائي (Arc Flash) أحد أكثر المخاطر فتكًا في البيئات الكهربائية. فهو عبارة عن تفريغ كهربائي عنيف عبر الهواء، ينتج عنه حرارة شديدة يمكن أن تتجاوز درجة حرارة سطح الشمس، وموجة انفجارية قوية، ورش من المعدن المنصهر. لتقييم هذا الخطر بدقة، طورت لجنة IEEE 1584 معادلات تجريبية لحساب طاقة الحادث (Incident Energy)، والتي تشكل الأساس لبرامج السلامة الحديثة. تشرح هذه المقالة الخطوات التفصيلية لإجراء هذا التقييم.

الخطوة الأولى: تحديد المواقع والمعدات الخاضعة للتقييم

المبدأ الأساسي: أي معدات كهربائية يحتمل العمل عليها وهي مُوصَّلة بالطاقة (Energized) يجب تقييم مستوى الخطر فيها.

التطبيقات:

• يجب تقييمها: دوائر التغذية في مراكز البيانات، لوحات التوزيع، واللوحات الرئيسية (Switchboards) التي تغذيها محولات صغيرة (أقل من 500 كيلو فولت أمبير) بجهد 480 فولت.
• يمكن إهمالها: اللوحات واللوحات الرئيسية المصنفة بجهد 240 فولت أو أقل، إذا كان المحول المغذي لها أصغر من 125 كيلو فولت أمبير، وذلك بسبب انخفاض مستويات تيار القصر والطاقة بشكل كبير.

الهدف من هذه الخطوة: وضع حدود نطاق الدراسة وتحديد أولويات التقييم، لضشمول كافة المعدات التي تشكل خطرًا محتملاً.

الخطوة الثانية: تحليل أوضاع تشغيل النظام المختلفة

لا يكفي تحليل النظام في وضع التشغيل “الطبيعي” فقط، فقد تتغير مستويات الخطر بشكل جذري في أضاع أخرى.

أمثلة على أوضاع التشغيل التي يجب دراستها:

• وجود مصادر متعددة من الشبكة العامة (Utility) يمكن فتحها أو غلقها.
• تشغيل المولدات الاحتياطية بشكل منفصل أو متوازٍ مع الشبكة الرئيسية.
• أوضاع الطوارئ أو الصيانة التي تؤدي إلى انخفاض تيارات القصر وزيادة زمن فصل الأجهزة الوقائية.
• فتح أو غلق القواطع الرابطة (Tie Breakers) بين الألواح المختلفة.
• إيقاف تشغيل المحركات الكبيرة أو أقسام عملية معينة.

لماذا هذا مهم؟
كل تغيير في وضع التشغيل يمكن أن يغير من قيمة تيار القصر المتاح، مما يؤثر بدوره على زمن فصل القواطع الكهربائية، والمرحلات، والصمامات. وبما أن طاقة الحادث تعتمد بشكل مباشر على زمن الفصل، فإن تغيير بسيط في الزمن يمكن أن يرفع مستوى الخطر من requiring ملابس واقية خفيفة إلى requiring ملابس واقية ثقيلة للغاية.

الخلاصة: يجب أن يشمل تقييم القوس الكهربائي كافة أوضاع التشغيل الممكنة للنظام الكهربائي لضمان حساب أسوأ سيناريو ممكن للطاقة في كل قطعة من المعدات.

الخطوة الثالثة: تحديد مسافة العمل والحدود الآمنة

قبل إجراء الحسابات، يجب تحديد المعايير التي ستبنى عليها الدراسة:

1. مسافة العمل (Working Distance):
   • هي المسافة بين صدر وعين العامل ومصدر القوس المحتمل. يتم حساب طاقة الحادث وحدود الخطر بناءً على هذه المسافة، وليس على مسافة اليدين.
   • السبب: أن الحروق في منطقة الصدر والوجه أكثر خطورة على الحياة من الحروق في الأطراف.
   • توفر المعايير مسافات عمل قياسية لمستويات الجهد المختلفة، حيث تكون المسافات أكبر للجهود الأعلى (مثل العمل بعصا عزل “Hot Stick”).
2. عتبة طاقة الحادث (Threshold Incident Energy) ومتطلبات معدات الحماية الشخصية (PPE):
   • طاقة الحادث: هي كمية الطاقة الحرارية التي تسقط على وحدة المساحة عند مسافة معينة من القوس، وتقاس عادةً بالسعرات الحرارية لكل سنتيمتر مربع (cal/cm²) أو الجول لكل سنتيمتر مربع (J/cm²).
   • يتم تحديد عتبة للطاقة (مثلاً 1.2 cal/cm² وفقًا لمعايير NFPA 70E) والتي فوقها يجب ارتداء معدات وقائية.
   • تربط معايير مثل NFPA 70E بين مستويات طاقة الحادث ومستويات معدات الحماية الشخصية (PPE) المطلوبة، من المستوى 1 (الأقل وقاية) إلى المستوى 4 (الأعلى وقاية).

الخطوة الرابعة: دراسة تنسيق الأجهزة الوقائية وإجراء الحسابات النهائية

هذه هي المرحلة الحسابية الفعلية، وتتم على النحو التالي:

أ) حساب تيارات القصر (Bolted Fault Currents):
يتم حساب أعلى تيار قصر ممكن عند كل نقطة في النظام باستخدام برامج محاكاة متخصصة.

ب) دراسة تنسيق الأجهزة الوقائية (Protective Device Coordination Study):

• الهدف: ضمان أن الجهاز الوقائي الأقرب إلى العطل هو من يقوم بالفصل أولاً، لعزل العطل فقط مع الحفاظ على استمرارية التغذية لباقي النظام.
• يتم رسم منحنيات زمن-تيار (Time-Current Curves – TCCs) لجميع الأجهزة الوقائية (قواطع، صمامات، مرحلات) وضبط إعداداتها لتحقيق هذا التنسيق.

ج) حساب تيارات القوس (Arcing Fault Currents):

• تيار القوس أقل من تيار القصر المباشر. يتم حسابه باستخدام المعادلات التجريبية من معيار IEEE 1584 أو NFPA 70E، مع مراعاة عوامل مثل الجهد، وكون القوس في هواء طلق أو داخل خزانة مغلقة.

د) حساب طاقة الحادث النهائية (Incident Energy):

• باستخدام قيمة تيار القوس وزمن الفصل المقابل له (المأخوذ من منحنيات TCC)، يتم تطبيق معادلات IEEE 1584 لحساب طاقة الحادث عند مسافة العمل المحددة.
• يتم بعد ذلك تحديد حدود منطقة الخطر (Arc-Flash Boundary) ومستوى معدات الحماية الشخصية المطلوب.

التحدي الرئيسي: غالبًا ما يكون هناك تناقض بين “التنسيق الانتقائي” (Selective Coordination) وتقليل خطر القوس الكهربائي. فزيادة زمن الفصل لتحقيق تنسيق أفضل قد يؤدي إلى ارتفاع هائل في طاقة الحادث، كما هو موضح في الشكل 8 من النص الأصلي، حيث ارتفعت الطاقة من 11 إلى 29 cal/cm² بسبب تغيير في الإعدادات، مما رفع متطلبات الوقاية من المستوى 3 إلى 4.

الخلاصة والتلخيص النهائي للعملية

لضمان تقييم شامل ودقيق، يجب اتباع هذه الخطوات الختامية:

1. إجراء الحسابات الأساسية لوضع التشغيل العادي.
2. تحليل جميع أوضاع التشغيل المختلفة المحددة في الخطوة الثانية.
3. مقارنة نتائج جميع الحالات وأخذ أسوأ قيمة لطاقة الحادث لكل قطعة معدات.
4. الأخذ في الاعتبار تيار القوس ذو المعاوقة العالية، حيث أن انخفاض تيار القوس قد لا يكفي لتفعيل الأجهزة الوقائية بسرعة، مما يطيل زمن الفصل ويزيد الطاقة بشكل كبير. (تبدأ الدراسة عادةً بنسبة 80% من تيار القوس المحسوب).
5. في النهاية، وبعد تحديد أسوأ سيناريو، يتم طباعة ملصقات التحذير ووضعها على المعدات. توضح هذه الملصقات بشكل واضح طاقة الحادث، حدود المنطقة الخطرة، مسافة العمل، ومستوى معدات الحماية الشخصية المطلوب، مما يمكن العاملين من فهم المخاطر واتخاذ إجراءات السلامة المناسبة قبل البدء في أي عمل.

من خلال اتباع هذا المنهج التفصيلي، لا تفي المنشآت بالمتطلبات التنظيمية فحسب، بل تخلق بيئة عمل آمنة تحمي الأرواح والممتلكات من العواقب المدمرة للقوس الكهربائي.