الجهد الطفيلي

في عام 2005، شكّل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) فريق العمل رقم 1695 في محاولة لوضع تعريفات وإرشادات للتخفيف من حدة الظواهر المختلفة التي تُعرف باسم "الجهد الشارد". وقد سعى فريق العمل إلى التمييز بين مصطلحي الجهد الشارد وجهد التلامس على النحو التالي:

• يُعرَّف الجهد الطفيلي بأنه "جهد ناتج عن التوصيل و/أو الاستخدام الطبيعي للكهرباء (عادةً ما يكون أقل من 10 فولتات) قد يتواجد بين سطحين موصلين يمكن أن يلامسهما في الوقت نفسه أفراد من عامة الناس و/أو حيواناتهم. وينتج الجهد الطفيلي عن تيار العودة الأولي و/أو الثانوي، والتيارات المستحثة في نظام الطاقة، حيث تتدفق هذه التيارات عبر مقاومة مسار العودة المقصود، ومساراته الموصلة الموازية، والحلقات الموصلة القريبة من نظام الطاقة. ولا يرتبط الجهد الطفيلي بأعطال نظام الطاقة، ولا يُعتبر عمومًا خطرًا." ^{[ 1 ]}
• يُعرَّف جهد التلامس بأنه "جهد ناتج عن ظروف غير طبيعية في نظام الطاقة، قد يتواجد بين سطحين موصلين يمكن أن يتلامسا في آن واحد من قِبل عامة الناس و/أو حيواناتهم. وينتج جهد التلامس عن تيار عطل نظام الطاقة أثناء مروره عبر مقاومة مسارات تيار العطل المتاحة. ولا يرتبط جهد التلامس بالتشغيل الطبيعي للنظام، وقد يصل إلى مستويات خطرة." ^{[ 2 ]}

على الرغم من التعريفات المذكورة أعلاه، لا يزال مصطلح " الجهد الشارد" شائع الاستخدام بين عمال شركات الكهرباء وعامة الناس للإشارة إلى جميع حالات تسرب الكهرباء غير المرغوب فيها. فعلى سبيل المثال، في مؤتمر "جودي إس. لين" السنوي للكشف عن الجهد الشارد وتخفيفه والوقاية منه، الذي عُقد في مقر شركة "كون إديسون" بمدينة نيويورك في أبريل 2009، استمر رؤساء معظم شركات الكهرباء الكبرى في الولايات المتحدة وكندا في استخدام مصطلح "الجهد الشارد" للإشارة إلى جميع حالات تسرب الكهرباء غير المرغوب فيها. أما مصطلح " جهد التلامس " فقد استُخدم مرة واحدة فقط، ربما لأن "جهد التلامس" يُعزى عادةً إلى شركة التزويد أو الشبكة أو التركيب. وقليل من الشركات مستعدة لمناقشة أخطائها علنًا، فضلًا عن تلك التي تُعتبر مُهددة للحياة. ويبدو أن مصطلح " الجهد الشارد " أصبح الآن المصطلح الشائع لجميع حالات تسرب الجهد غير المرغوب فيه، لأنه يُصنف العطل كجزء من التشغيل الطبيعي، وبالتالي يُحد من المسؤولية القانونية.

في مدينة نيويورك، تعرضت امرأة تدعى جودي إس. لين للصعق بالكهرباء في يناير 2004 بسبب لوحة معدنية لخزانة مرافق الطرق يبلغ طولها خمسة أقدام وعرضها ثمانية أقدام، والتي تم تزويدها بالطاقة بواسطة "سلك معزول بشكل غير صحيح". ^{[ 3 ]} في تغطية وفاتها والقلق المتزايد بشأن دور المرافق العامة في السلامة الكهربائية في البيئة الحضرية، استخدمت كل من وسائل الإعلام وهيئة تنظيم ولاية نيويورك مصطلح الجهد الشارد للإشارة إلى جهد المحايد إلى الأرض (NEV)، لكنهما أقرتا بأن شهرة حادثة لين جعلت مصطلح الجهد الشارد معروفًا جيدًا لدى الجمهور.

ثم استخدمت الهيئة التنظيمية مصطلح " الجهد الشارد" للإشارة إلى أي "حالات جهد كهربائي في المنشآت الكهربائية لا ينبغي أن توجد عادةً. قد تعود هذه الحالات إلى عامل واحد أو أكثر، بما في ذلك، على سبيل المثال لا الحصر، الكابلات التالفة، أو العزل المتدهور أو المهترئ أو المفقود، أو الصيانة غير السليمة، أو التركيب غير السليم." ^{[ 4 ]} وفي الوثيقة نفسها، أقرت الهيئة بأن الجهد الكهربائي الطبيعي (NEV) حالة تحدث بشكل طبيعي.

منذ ذلك الحين، أصبح للمصطلح تعريفان مختلفان تمامًا على الأقل، مما أدى إلى إرباك شركات الكهرباء والهيئات التنظيمية والجمهور. ^{[ 5 ]} يُستخدم مصطلح "الجهد الشارد" بشكل شائع للإشارة إلى جميع أنواع التسربات الكهربائية غير المرغوب فيها، سواء من قبل عامة الناس أو العديد من المتخصصين في مجال الكهرباء. كما يُشار إلى ظواهر أخرى أقل شيوعًا، والتي تؤدي أيضًا إلى ارتفاع الجهد على الأسطح غير الموصلة للتيار الكهربائي، باسم "الجهد الشارد". ومن الأمثلة على ذلك الجهد الناتج عن الاقتران السعوي ، والتيار الناتج عن خطوط نقل الطاقة، والمجال الكهرومغناطيسي ، والبرق ، وارتفاع جهد الأرض ، والمشاكل الناجمة عن انقطاع (فصل) الأسلاك المحايدة.

قد تُظهر الأجسام المعدنية غير المؤرضة القريبة من مصادر المجال الكهربائي ، مثل لافتات النيون أو الموصلات التي تحمل تيارات متناوبة، مستويات جهد قابلة للقياس نتيجةً للاقتران السعوي . ونظرًا لأن الجهود التي ترصدها أجهزة القياس ذات المقاومة العالية تختفي أو تنخفض بشكل كبير عند استبدالها بأجهزة ذات مقاومة منخفضة، يُطلق على هذه الظاهرة أحيانًا اسم الجهد الوهمي (أو الجهد الزائف ). ^{[ 6 ]} يستخدم هذا المصطلح غالبًا من قبل فنيي الكهرباء، وقد يُلاحظ، على سبيل المثال، عند قياس الجهد عند تركيبات الإضاءة بعد إزالة المصباح. من الشائع قياس جهود وهمية تتراوح بين 50 و90  فولتًا عند اختبار أسلاك  الدوائر الكهربائية العادية ذات جهد 120 فولت باستخدام جهاز قياس ذي مقاومة عالية. قد يُقرأ الجهد الناتج قريبًا من جهد التغذية الكامل، ولكن السعة أو الحث المتبادل بين أسلاك أنظمة الأسلاك في المباني عادةً ما تكون منخفضة جدًا وغير قادرة على توفير كميات كبيرة من التيار . ^{[ 7 ]}

مع ذلك، في أعمال نقل الطاقة الهوائية على خطوط الجهد العالي أو بالقرب منها، تتطلب قواعد السلامة توصيل الموصل بالأرض أثناء الصيانة. وذلك لأن الفولتية والتيارات المستحثة على الموصل قد تسبب الصعق الكهربائي أو إصابات خطيرة.

يختلف التيار المتردد عن التيار المستمر في قدرته على المرور عبر ما يبدو عادةً حاجزًا ماديًا. في الدائرة الكهربائية المتصلة على التوالي ، يمنع المكثف مرور التيار المستمر بينما يسمح بمرور التيار المتردد.

في أنظمة نقل الطاقة، يتم تأريض أحد جانبي الدائرة، والمعروف باسم المحايد ، لتبديد الكهرباء الساكنة وتقليل الفولتية الخطرة الناتجة عن فشل العزل والأعطال الكهربائية الأخرى.

حتى الشخص الذي يقف على سطح معزول قد يتعرض لصدمة كهربائية بمجرد لمس السلك الساخن بسبب اقتران جسم الشخص بالأرض التي يقف عليها عن طريق التوصيل السعوي.

يمكن أن يحدث الحث الكهرومغناطيسي التقليدي عندما تُشكّل موصلات طويلة حلقة مفتوحة مؤرضة أسفل خطوط النقل أو التوزيع وموازية لها. في هذه الحالات، يتولد تيار كهربائي في الحلقة عند ملامسة شخص لها وللأرض. ونظرًا لأن هذا ينطوي على تدفق تيار حقيقي، فإنه يُشكّل خطرًا محتملاً. يحدث هذا النوع من التيار المُستحث غالبًا على الأسوار الطويلة وخطوط التوزيع المبنية أسفل خطوط نقل الطاقة عالية القدرة . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

قد يتسرب الجهد الكهربائي عبر العزل التالف أو المتدهور. يُعدّ تلف العزل عطلاً ذا مقاومة عالية ، مما يسمح بتدفق التيار عبر أي مسار متاح إلى الأرض، وهي حالة قد تُسبب صدمات كهربائية أو حرائق إذا لم تُعالج. يحدث هذا التسرب عند تلف العزل في خطوط الطاقة نتيجةً للإجهادات الفيزيائية أو الحرارية أو الكيميائية، وخاصةً الكابلات الأرضية أو المغمورة بالمياه. من أمثلة هذا التلف: انتفاخ العزل أو تشققه بسبب ارتفاع درجة الحرارة، والخدوش الناتجة عن الحفر أو تجمد الأرض، والتآكل الناتج عن التعرض للملح أو الزيت. كما قد يحدث التسرب الكهربائي نتيجةً لتراكم الرطوبة والملح والغبار والأوساخ على العوازل المكشوفة في خطوط توزيع الطاقة العلوية. إذا كان التسرب في هذه الحالات شديدًا، فقد يؤدي إلى نشوب حريق في عمود الكهرباء .

يُستخدم مصطلح "الجهد الشارد" لوصف تدرج الجهد الكهربائي (معدل تغيره بالنسبة للمسافة) في سطح التربة، والمرتبط بأنظمة توزيع الكهرباء أحادية السلك ذات العودة الأرضية المستخدمة في بعض المناطق الريفية. يكون هذا التدرج منخفضًا في النقاط البعيدة عن وصلات العودة الأرضية، ولكنه يزداد بالقرب من قضبان التأريض حيث تدخل الدائرة المعدنية إلى الأرض.

في أنظمة الطاقة الكهربائية ثلاثية الأطوار ذات الأسلاك الأربعة (نظام النجمة)، عندما لا يكون الحمل على الأطوار متساوياً تماماً، يمر تيار في الموصل المحايد. ولأن كلاً من الملف الابتدائي والثانوي لمحول التوزيع مؤرض، ولأن تأريض الملف الابتدائي مؤرض في أكثر من نقطة، فإن الأرض تشكل مسار عودة موازياً للتيار المحايد ، مما يسمح لجزء من هذا التيار بالتدفق باستمرار عبرها. هذا الترتيب مسؤول جزئياً عن الجهد الشارد. ^{[ 10 ]}

يُعدّ الجهد الطفيلي نتيجةً لتصميم نظام توزيع كهربائي رباعي الأسلاك، وقد وُجد منذ بدء استخدام هذه الأنظمة. أصبح الجهد الطفيلي مشكلةً في صناعة الألبان بعد فترة من إدخال آلات الحلب الكهربائية، حيث كان عدد كبير من الحيوانات على اتصالٍ مباشر بأجسام معدنية موصولة بنظام التوزيع الكهربائي والأرض. توثّق العديد من الدراسات أسباب الجهد الطفيلي في بيئة المزرعة ^{[ 11 ]} ، وآثاره الفسيولوجية ^{[ 12 ]} ، وسبل الوقاية منه ^{[ 13 ] [ 14 ]} . اليوم، تُنظّم الحكومات المحلية الجهد الطفيلي في المزارع، ويتم التحكم به من خلال تصميم مستويات تساوي الجهد في المناطق التي تتناول فيها الماشية الطعام أو الشراب أو تُدرّ الحليب. كما تمنع عوازل الأسلاك المحايدة المتوفرة تجاريًا ارتفاع الجهد على السلك المحايد في نظام الكهرباء من رفع جهد الأسلاك المحايدة أو الأرضية في المزرعة.

عادةً ما تحتوي أنظمة النقل بالسكك الحديدية على سكة واحدة على الأقل كموصل عائد لتيار الجر. هذا الترتيب شائع، لأسباب اقتصادية، إذ لا يتطلب تركيب موصل عائد إضافي. تتصل هذه السكة بالأرض في نقاط عديدة على امتدادها. وبما أن التيار يسلك كل مسار موازٍ بين المصدر والحمل، فإن جزءًا من تيار الجر يتسرب عبر الأرض. يُشار إلى هذا عادةً بتيار التسرب أو التيار الشارد. تعتمد كمية تيار التسرب على موصلية مسارات العودة مقارنةً بالتربة، وعلى جودة العزل بين المسارات والتربة. عندما تستخدم السكك الحديدية التيار المستمر ، يمكن أن يتسبب هذا التيار الشارد في تلف الأجسام المعدنية المدفونة الأخرى بفعل التحليل الكهربائي ، كما يُسرّع تآكل الأجسام المعدنية الملامسة للتربة. ^{[ 15 ]}

يمكن للمعادن المدفونة المختلفة، كالنحاس والفولاذ، أن تعمل كأقطاب في خلية جلفانية ، باستخدام التربة الرطبة كمحلول إلكتروليتي. وقد تُعاكس التيارات المستمرة المتسربة في التربة تأثير نظام الحماية الكاثودية المضاد للتآكل . لذا، يجب مراعاة تصميم أنظمة نقل التيار المستمر عالي الجهد بعناية لضمان عدم تسبب التيار المتدفق في الأرض في تآكل غير مرغوب فيه للأجسام المدفونة، كخطوط الأنابيب.

تُسبب التيارات الكهربائية المتسربة من خطوط السكك الحديدية تآكلًا كهربائيًا للهياكل المعدنية القريبة من نظام النقل، أو تُسرّع من حدوثه. وقد يكون عمر الأنابيب المعدنية والكابلات وشبكات التأريض المدفونة في الأرض بالقرب من المسارات أقصر بكثير، مما يؤثر سلبًا على سلامتها وكفاءتها التشغيلية.

قد لا تُلاحظ الفولتيات الضالة الصغيرة أبدًا، ولا يُمكن اكتشافها إلا بواسطة مقياس الفولت . أما الفولتيات الضالة الأكبر، فقد يكون لها تأثيرات متنوعة، من بالكاد محسوسة إلى صدمات كهربائية خطيرة ، أو تسخين كهربائي غير مقصود يؤدي إلى حرائق. عادةً ما تكون أغلفة المعدات الكهربائية المعدنية موصولة بالأرض لمنع خطر الصدمة الكهربائية في حال ملامسة الموصلات النشطة للغلاف عن طريق الخطأ. في حال عدم وجود هذا التوصيل أو تعطلّه، ينشأ خطر شديد للصدمة الكهربائية أو الموت صعقًا بالكهرباء عند ملامسة موصلات الدائرة للغلاف.

في أي حالة يكون فيها جهاز كهربائي موصول بالتيار على اتصال مباشر مع شخص أو حيوان (مثل حمامات السباحة، وغرف العمليات، وآلات الحلب الكهربائية، ومغاسل السيارات، والمغاسل، وغيرها الكثير)، يجب إيلاء اهتمام خاص للتخلص من الفولتية المتسربة. يتميز الجلد الجاف السليم بمقاومة أعلى من الجلد الرطب أو الجرح، لذا فإن الفولتية التي قد لا تُلاحظ في الظروف العادية تصبح ذات أهمية في حالة البلل أو العمليات الجراحية. تُعد فروق الجهد بين مياه حمام السباحة والدرابزين، أو بين مرافق الاستحمام وأنابيب الصرف المؤرضة، شائعة نتيجةً لفرق الجهد بين السلك المحايد والأرضي. قد تُسبب فروق الجهد إزعاجًا كبيرًا، ولكنها عادةً لا تُهدد الحياة. مع ذلك، قد يؤدي وجود موصل يحمل تيارًا كهربائيًا بعزل تالف إلى ظهور جهد تلامس في أماكن غير متوقعة. يمكن أن تكون الأجزاء المعدنية الموصولة بالتيار الكهربائي خطيرة للغاية، وقد تؤدي إلى صدمة كهربائية. قد تنشأ حالة جهد التلامس تلقائيًا نتيجةً للإجهاد الميكانيكي أو الحراري أو الكيميائي على مواد العزل، أو نتيجةً لتلف غير مقصود بسبب أعمال الحفر، أو التجمد، أو تآكل وانهيار المواسير، أو حتى مشاكل في التنفيذ.

يؤدي جهد التلامس إلى تنشيط أجسام آمنة عادةً، مثل الأسوار المعدنية، وأكشاك الهاتف المعدنية، ولوحات الشوارع المعدنية، وما إلى ذلك. في أي مكان توجد فيه أسلاك كهربائية مدفونة، قد يحدث عطل في هذه الأسلاك، مما يخلق ظروفًا تسمح بتدفق الكهرباء إلى المناطق المحيطة مباشرةً. تحتوي بعض أنظمة الدوائر الكهربائية على أجهزة حماية، مثل قواطع الدائرة أو قواطع دائرة الأعطال الأرضية (GFCI)، المصممة لعزل مثل هذا العطل. مع ذلك، في غياب أجهزة الحماية، سيبقى العطل غير مكتشف حتى يتسبب في عطل أو حادثة تفريغ كهربائي.

قد يكون للجهد الكهربائي المتسرب آثار ضارة على صحة الحيوانات وإنتاجيتها. ^{[ 16 ]} وقد ادعى بعض مربي الألبان حدوث أضرار في المحاصيل أو الماشية بسببه. ^{[ 17 ]}

أبلغ الدكتور دوغلاس ج. راينمان، أستاذ هندسة النظم البيولوجية في جامعة ويسكونسن-ماديسون ، عن الفولتية الطفيلية في مزارع الألبان في عام 2003. ^{[ 18 ]} يجب أن يأخذ التحقيق في ادعاءات الفولتية الطفيلية في الاعتبار أيضًا المخاوف الأخرى المتعلقة بصحة الحيوان.