وميض القوس الكهربائي

الوميض القوسي هو الضوء والحرارة الناتجين كجزء من عطل القوس (يشار إليه أحيانًا باسم الوميض الكهربائي )، وهو نوع من الانفجار أو التفريغ الكهربائي الناتج عن اتصال عبر الهواء بالأرض أو طور جهد آخر في النظام الكهربائي.

يختلف وميض القوس الكهربائي عن انفجار القوس الكهربائي ، وهو عبارة عن موجة صدمية فوق صوتية تنتج عندما تسخن الموصلات والهواء المحيط بها بفعل القوس الكهربائي، متحولةً إلى بلازما تتمدد بسرعة. كلاهما جزء من نفس عطل القوس الكهربائي ، ويُشار إليهما غالبًا باسم وميض القوس الكهربائي، ولكن من وجهة نظر السلامة، يُتعامل معهما بشكل منفصل. على سبيل المثال، يمكن استخدام معدات الوقاية الشخصية لحماية العامل بشكل فعال من إشعاع وميض القوس الكهربائي، ولكن من المحتمل ألا تكون هذه المعدات فعالة ضد الأجسام المتطايرة والمعادن المنصهرة والارتجاج العنيف الذي يمكن أن يُحدثه انفجار القوس الكهربائي. (على سبيل المثال، من غير المرجح أن تحمي معدات الحماية من وميض القوس الكهربائي من الفئة الرابعة، المشابهة لبدلة الوقاية من القنابل ، الشخص من ارتجاج انفجار كبير جدًا، على الرغم من أنها قد تمنع العامل من التعرض لحروق مميتة بسبب الضوء الشديد للوميض). لهذا السبب، تُتخذ عادةً احتياطات سلامة أخرى بالإضافة إلى ارتداء معدات الوقاية الشخصية، مما يساعد على منع الإصابة. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، يتم استخدام ظاهرة انفجار القوس الكهربائي أحيانًا لإخماد القوس الكهربائي بواسطة بعض أنواع قواطع الدائرة الكهربائية ذاتية الانفجار .

الوميض القوسي هو الضوء والحرارة الناتجين عن قوس كهربائي مزود بطاقة كهربائية كافية لإحداث أضرار جسيمة أو أذى أو حريق أو إصابة. تتعرض الأقواس الكهربائية لمقاومة متزايدة سالبة ، مما يؤدي إلى انخفاض المقاومة الكهربائية مع ارتفاع درجة حرارة القوس. لذا، مع تطور القوس وازدياد سخونته، تنخفض المقاومة، مما يؤدي إلى سحب تيار متزايد (هروب كهربائي) حتى ينصهر جزء من النظام أو يتعطل أو يتبخر، مما يوفر مسافة كافية لقطع الدائرة وإخماد القوس. ^{[ 2 ]} تنتج الأقواس الكهربائية، عند التحكم بها جيدًا وتغذيتها بطاقة محدودة، ضوءًا ساطعًا جدًا، وتُستخدم في مصابيح القوس (المغلقة أو ذات الأقطاب الكهربائية المكشوفة) في اللحام وقطع البلازما وغيرها من التطبيقات الصناعية. يمكن لأقواس اللحام تحويل الفولاذ بسهولة إلى سائل بمتوسط ​​جهد 24 فولت تيار مستمر فقط . عندما يتشكل قوس كهربائي غير متحكم فيه عند الفولتية العالية، وخاصة عند استخدام أسلاك إمداد كبيرة أو موصلات تيار عالي، يمكن أن تنتج ومضات القوس ضوضاء صاخبة، وقوى ارتجاجية فوق صوتية، وشظايا شديدة السخونة ، ودرجات حرارة أعلى بكثير من سطح الشمس، وإشعاع مكثف عالي الطاقة قادر على تبخير المواد القريبة.

قد تصل درجات حرارة وميض القوس الكهربائي إلى 35,000 درجة فهرنهايت (19,400 درجة مئوية) أو تتجاوزها عند أطراف القوس. ^{[ 3 ]} تعمل الطاقة الهائلة المنبعثة في العطل على تبخير الموصلات المعدنية بسرعة، مما يؤدي إلى قذف المعدن المنصهر وتمدد البلازما إلى الخارج بقوة هائلة. ^{[ 3 ]} قد يكون حادث وميض القوس الكهربائي العادي غير مؤثر، ولكنه قد يؤدي بسهولة إلى انفجار أشد (انظر الحساب أدناه). يمكن أن تتسبب نتيجة هذا الحدث العنيف في تدمير المعدات، ونشوب حريق، وإصابة ليس فقط عامل الكهرباء، بل أيضًا المارة. أثناء وميض القوس الكهربائي، تعمل الطاقة الكهربائية على تبخير المعدن، الذي يتحول من الحالة الصلبة إلى بخار غازي، مما يؤدي إلى تمدده بقوة انفجارية. على سبيل المثال، عندما يتبخر النحاس، يتمدد فجأة بمقدار 67,000 ضعف حجمه. ^{[ 4 ]}  

إضافةً إلى الانفجار الهائل، المعروف بانفجار القوس الكهربائي الناتج عن هذا النوع من الصدوع، ينجم الدمار أيضاً عن الحرارة الإشعاعية الشديدة التي يُنتجها القوس. يُولّد قوس البلازما المعدني كميات هائلة من الطاقة الضوئية، من الأشعة تحت الحمراء البعيدة إلى الأشعة فوق البنفسجية . تمتص أسطح الأجسام القريبة، بما في ذلك الأشخاص، هذه الطاقة، فتسخن على الفور إلى درجات حرارة التبخر. ويمكن ملاحظة آثار ذلك على الجدران والمعدات المجاورة، حيث غالباً ما تتعرض للتآكل والتلف بفعل الإشعاع.

معظم خدمات الكهرباء ذات الجهد 400 فولت فأكثر لديها قدرة كافية للتسبب في خطر حدوث وميض قوس كهربائي. أما المعدات ذات الجهد المتوسط ​​(أكثر من 1000 فولت) فهي ذات جهد أعلى، وبالتالي تشكل خطرًا أكبر لحدوث وميض قوس كهربائي. يمكن أن تتسبب الفولتية العالية في قفز شرارة، مما يؤدي إلى بدء وميض قوس كهربائي دون الحاجة إلى تلامس مباشر، ويمكن أن يستمر القوس عبر فجوات أطول. تستخدم معظم خطوط نقل الطاقة فولتية تتجاوز 1000 فولت، ويمكن أن تشكل خطر وميض قوس كهربائي على الطيور والسناجب والأشخاص أو المعدات مثل المركبات أو السلالم. غالبًا ما تُشاهد ومضات القوس الكهربائي، وهي ومضات ساطعة تشبه البرق يمكن رؤيتها من مسافات بعيدة، من الخطوط أو المحولات قبل انقطاع التيار الكهربائي مباشرة. ^{[ 5 ]}

غالبًا ما تعمل خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي في نطاق يتراوح بين عشرات ومئات الكيلوفولت، مما قد يؤدي إلى ومضات قوسية طويلة جدًا، تُعرف عادةً باسم الوميض الكهربائي. يجب توخي الحذر لضمان عزل الخطوط بعزل مناسب ذي قدرة تحمل مناسبة للوميض الكهربائي، وأن تكون متباعدة عن بعضها البعض بمسافة كافية لمنع حدوث وميض قوسي تلقائيًا. إذا اقتربت خطوط الجهد العالي من بعضها البعض أو من الأرض بشكل مفرط، فقد يتشكل تفريغ هالي بين الموصلات. يظهر هذا التفريغ عادةً على شكل ضوء أزرق أو محمر ناتج عن تأين الهواء، مصحوبًا بصوت أزيز أو صفير. يمكن أن يؤدي التفريغ الهالي بسهولة إلى وميض قوسي، من خلال إنشاء مسار موصل بين الخطوط. يمكن أن يزداد هذا التأين أثناء العواصف الرعدية، مما يتسبب في ومضات قوسية تلقائية ويؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي. ^{[ 6 ]}

كمثال على الطاقة المنبعثة في حادثة وميض قوس كهربائي، في حالة حدوث عطل أحادي الطور بين طورين في نظام 480 فولت بتيار عطل 20,000 أمبير، تبلغ الطاقة الناتجة 9.6 ميغاواط . إذا استمر العطل لمدة 10 دورات بتردد 60  هرتز، فإن الطاقة الناتجة ستكون 1.6 ميغا جول . للمقارنة، يُطلق تي إن تي طاقة 2,175 جول/غرام أو أكثر عند تفجيره (تُستخدم قيمة تقليدية تبلغ 4,184 جول/غرام لمكافئ تي إن تي ). وبالتالي، فإن طاقة هذا العطل تُعادل 380 غرامًا (حوالي 0.8 رطل) من تي إن تي. يختلف تأثير انفجار وميض القوس الكهربائي تمامًا عن الانفجار الكيميائي (حرارة وضوء أكثر، وصدمة ميكانيكية أقل)، لكن الدمار الناتج عنه متقارب. يمكن أن يتسبب البخار شديد التسخين والمتمدد بسرعة الناتج عن القوس الكهربائي في إصابات أو أضرار خطيرة، ويمكن أن يتسبب ضوء الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء المكثف الناتج عن القوس الكهربائي في العمى المؤقت وأحيانًا الدائم أو التسبب في تلف العين للأشخاص.

هناك أربعة أنواع مختلفة من أحداث وميض القوس الكهربائي التي يجب تقييمها عند تصميم برامج السلامة:

• في الهواء الطلق
• تم طرده
• معدات مركزة ( قوس كهربائي في صندوق )
• التتبع ^{[ 7 ]}

توجد طرق عديدة لحماية الأفراد من مخاطر الوميض القوسي. قد تشمل هذه الطرق ارتداء الأفراد لمعدات الوقاية الشخصية (PPE) الخاصة بالوميض القوسي، أو تعديل تصميم وتكوين المعدات الكهربائية. أفضل طريقة لإزالة مخاطر الوميض القوسي هي فصل التيار الكهربائي عن المعدات الكهربائية عند التعامل معها، إلا أن فصل التيار الكهربائي عن المعدات بحد ذاته يُعدّ خطرًا للوميض القوسي. في هذه الحالة، يتمثل أحد أحدث الحلول في تمكين المشغل من الوقوف على مسافة بعيدة من المعدات الكهربائية عن طريق تشغيلها عن بُعد، ويمكن تحقيق ذلك باستخدام معدات مزودة بمفاتيح تشغيل عن بُعد أو باستخدام رفوف تحكم عن بُعد. ^{[ 12 ]}

معدات الحماية من وميض القوس الكهربائي

مع ازدياد الوعي مؤخراً بمخاطر الوميض القوسي، ظهرت العديد من الشركات التي تقدم معدات الحماية الشخصية (PPE) الخاصة بالوميض القوسي، مثل البدلات، والملابس الواقية، والخوذات، والأحذية، والقفازات.

تُقاس فعالية معدات الحماية بتصنيفها لمقاومة القوس الكهربائي. يُعرَّف تصنيف مقاومة القوس الكهربائي بأنه أقصى طاقة كهربائية يتحملها الجسم قبل حدوث ثقب فيه، أو قبل أن يخترقه التيار الكهربائي مُسببًا احتمالًا بنسبة 50% لحدوث حروق من الدرجة الثانية. ^{[ 4 ]} يُعبَّر عن تصنيف مقاومة القوس الكهربائي عادةً بوحدة كالوري /سم² ⁽ أو كمية صغيرة من الطاقة الحرارية لكل سنتيمتر مربع). تُحدد اختبارات تحديد تصنيف مقاومة القوس الكهربائي في معيار ASTM F1506 الخاص بمواصفات الأداء القياسية للمواد النسيجية المقاومة للهب المستخدمة في ملابس عمال الكهرباء المعرضين لقوس كهربائي لحظي والمخاطر الحرارية المرتبطة به .

عادةً ما يتم اختيار معدات الوقاية الشخصية المناسبة، وفقًا لمهمة محددة، بإحدى طريقتين. الطريقة الأولى هي الرجوع إلى جدول تصنيف فئات المخاطر، كما هو الحال في معيار NFPA 70E. يسرد الجدول 130.7(C)(15)(a) عددًا من المهام الكهربائية النموذجية حسب مستويات الجهد المختلفة، ويوصي بفئة معدات الوقاية الشخصية التي يجب ارتداؤها. على سبيل المثال، عند العمل على مفاتيح كهربائية بجهد 600 فولت وإزالة الأغطية المثبتة بمسامير لكشف الأجزاء المكشوفة والمكهربة، يوصي الجدول بنظام ملابس واقية من الفئة 3. يتوافق نظام الفئة 3 مع مجموعة من معدات الوقاية الشخصية التي توفر معًا حماية تصل إلى 25 كالوري/سم² ⁽ 105 جول/سم² ^؛ 1.05 ميجا جول/م² ⁾ . الحد الأدنى لتصنيف معدات الوقاية الشخصية اللازمة لأي فئة هو الحد الأقصى للطاقة المتاحة لتلك الفئة. على سبيل المثال، يتطلب خطر الوميض القوسي من الفئة 3 معدات الوقاية الشخصية المصنفة بما لا يقل عن 25 كالوري/سم ² (1.05 ميجا جول/م ² ) .     

تتمثل الطريقة الثانية لاختيار معدات الوقاية الشخصية في إجراء حساب لمخاطر وميض القوس الكهربائي لتحديد طاقة القوس الكهربائي المتاحة. يوفر معيار IEEE 1584 دليلاً لإجراء هذه الحسابات بشرط معرفة الحد الأقصى لتيار العطل، ومدة الأعطال، وغيرها من المعلومات العامة عن المعدات. بمجرد حساب طاقة القوس الكهربائي، يمكن اختيار مجموعة معدات الوقاية الشخصية المناسبة التي توفر حماية أكبر من الطاقة المتاحة.

توفر معدات الوقاية الشخصية الحماية بعد وقوع حادثة وميض القوس الكهربائي، ويجب اعتبارها خط الدفاع الأخير. ينبغي أن يكون تقليل تكرار الحوادث وشدتها الخيار الأول، ويمكن تحقيق ذلك من خلال تقييم شامل لمخاطر وميض القوس الكهربائي، ومن خلال تطبيق تقنيات مثل التأريض عالي المقاومة، الذي ثبتت فعاليته في تقليل تكرار الحوادث وشدتها.

تعاون كل من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) والرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) في مبادرة لتمويل ودعم البحوث والاختبارات الرامية إلى تعزيز فهم ظاهرة وميض القوس الكهربائي. ^{[ 16 ]} ستوفر نتائج هذا المشروع التعاوني معلومات تُستخدم لتحسين معايير السلامة الكهربائية ، والتنبؤ بالمخاطر المرتبطة بأعطال القوس الكهربائي والانفجارات المصاحبة لها، وتوفير وسائل حماية عملية للعاملين في أماكن العمل.

• معايير إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA ) 29 CFR، الأجزاء 1910 و1926. معايير السلامة والصحة المهنية. يتضمن الجزء 1910، القسم الفرعي S (الكهرباء) §§ 1910.332 إلى 1910.335 متطلبات عامة قابلة للتطبيق على ممارسات العمل المتعلقة بالسلامة. في 11 أبريل 2014، اعتمدت إدارة السلامة والصحة المهنية معايير منقحة لأعمال توليد ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية في الجزء 1910، § 1910.269 والجزء 1926، القسم الفرعي V، والتي تتضمن متطلبات الحماية من وميض القوس الكهربائي وإرشادات لتقييم مخاطر وميض القوس الكهربائي، وإجراء تقديرات معقولة لطاقة الحرارة الناتجة عن الأقواس الكهربائية، واختيار معدات الحماية المناسبة (79 FR 20316 وما يليها، 11 أبريل 2014 ^{[ 17 ]} ). تشير جميع معايير إدارة السلامة والصحة المهنية هذه إلى معيار NFPA 70E.
• يتضمن معيار الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق ( NFPA) رقم 70 " قانون الكهرباء الوطني " (NEC) متطلبات خاصة بملصقات التحذير.
• يوفر معيار NFPA 70E إرشادات حول تطبيق ممارسات العمل المناسبة المطلوبة لحماية العمال من الإصابة أثناء العمل على أو بالقرب من الموصلات الكهربائية المكشوفة أو أجزاء الدوائر التي يمكن أن تصبح موصلة للكهرباء.
• معيار CSA Z462 الخاص بالحماية من وميض القوس الكهربائي الصادر عن جمعية المعايير الكندية هو النسخة الكندية من معيار NFPA70E. وقد صدر في عام 2008. ^{[ 18 ]}
• معيار مختبرات التأمين الكندية بشأن السلامة الكهربائية في مكان العمل في شركات الكهرباء لتوليد ونقل وتوزيع الكهرباء CAN/ULC S801 .
• معهد مهندسي الإلكترونيات والكهرباء IEEE 1584. ^{[ 19 ]}

في حادث صناعي بارز وقع في محطة فرعية تابعة لشركة كون إديسون في أستوريا، كوينز، بتاريخ 27 ديسمبر/كانون الأول 2018، تعطل جهاز مكثف اقتران جهده 138 ألف فولت ، مما أدى إلى حدوث شرارة كهربائية تسببت بدورها في احتراق الألومنيوم ، وأضاءت السماء بمشهد أزرق مخضر كان مرئيًا على بعد أميال. حظي الحادث بتغطية إعلامية واسعة على مواقع التواصل الاجتماعي، وانقطعت الكهرباء مؤقتًا عن مطار لاغوارديا ، لكن لم تُسجل أي وفيات أو إصابات. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

• فيديو توعوي حول مخاطر القوس الكهربائي متوفر على يوتيوب أو من موقع المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH).
• دليل وميض القوس الكهربائي
• مثال على نظام الحماية من القوس الكهربائي على يوتيوب