מתח צעד או מתח מגע? הרהורים ממעמקי האדמה

עבדתי בשירות המדינה למעלה מ-20 שנה. פעמיים בשנה נערכו עבורנו, החשמלאים, הרצאות מקצועיות וימי עיון בנושאי בטיחות. המרצים תמיד היו בעלי ידע רב, והמפגשים האלה היו מרתקים.

אבל יחד עם זאת, שנה אחר שנה, כמעט כל התכנים, המצגות וההסברים חזרו על עצמם – אם לא בדיוק אותו הדבר, אז לפחות דומים מאוד. אחד הנושאים הקבועים, שכמעט תמיד עלה על הפרק, הוא ההבדל בין מתח צעד למתח מגע.

היום אני רוצה לקחת את הנושא המוכר הזה, ולהעמיק בו קצת מעבר למה שמציגים בדרך כלל במצגות השגרתיות.

פרסום

לפני שנצלול פנימה, בואו נעשה רענון קצר:

• מתח מגע הוא מתח החשמל שמופיע בין איברי גוף האדם (בדרך כלל בין היד הנוגעת במכשיר לבין הרגל העומדת על הקרקע) כאשר אדם נוגע בגוף מחושמל בזמן תקלה.

• מתח צעד הוא הפרש המתחים הנוצר בין שתי רגליו של אדם העומד על הקרקע במרחק של כצעד אחד (כ-1 מטר) זו מזו, כאשר זרם חשמלי חזק זורם אל תוך האדמה.

אולי זה יישמע קצת ילדותי, אבל אני תמיד מתנחם בעובדה שלילדים יש יכולת מדהימה לשאול שאלות עמוקות ופילוסופיות שלעתים קרובות מבלבלות מבוגרים. שאלתי את עצמי: האם מתח צעד מתרחש רק על פני הקרקע? מה קורה עמוק יותר בתוך כדור הארץ?

כאשר זרם חשמלי מתפשט באדמה, הוא לא נשאר רק בשכבה העליונה; הוא מתפשט בכל נפח האדמה – בשלושה ממדים. זה אומר שהפרש הפוטנציאלים קיים גם על פני השטח, וגם בעומק.

השאלה הזו אולי נשמעת פשוטה, אבל היא אמיתית לחלוטין ונוגעת לתרחישים יומיומיים בשטח: מה חווים עובדים שנמצאים במרתף, בתעלת חפירה או בבור, אם למשל כבל מתח גבוה נופל לקרקע בקרבת מקום? מה קורה שם למטה, בתוך התעלה?

אם אדם עומד בתחתית תעלה באזור שבו מתפשט זרם (למשל עקב קצר חשמלי או נפילת קו חשמל סמוך), הוא חשוף לסכנה חמורה מכמה כיוונים:

• מתח צעד בתחתית: עדיין קיים הפרש פוטנציאלים בין רגליו של אדם העומד בתחתית התעלה, מכיוון שלקרקע שמתחת לרגליו יש התנגדות מסוימת.

• הפרש פוטנציאלים לפי עומק (אנכי): הפוטנציאל החשמלי משתנה לאורך הציר האנכי. מתח יכול להתפתח בין כפות הרגליים בתחתית לבין נקודות גבוהות יותר בגובה גופו של האדם, אם קווי הפוטנציאל השווה (משטחים שווי פוטנציאל) נוטים או מעוקלים בשל הטופוגרפיה של התעלה.

• מתח מגע: עמידה בתוך תעלה מקרבת את האדם לתשתיות תת-קרקעיות או לקירות החפירה. נגיעה בכבל חשוף, צינור מתכת או אפילו קיר תעלה לח ורטוב עלולה לסגור מעגל מסוכן שדרכו יזרום זרם דרך הגוף.

בקרקע הומוגנית ושטוחה, קווי שווי-הפוטנציאל (אקוויו-פוטנציאליים) מתפשטים בצורה חצי-כדורית מנקודת הקצר החוצה. אולם תעלות, בורות וחפירות מעוותים באופן חד וקיצוני את השדה הזה עקב שינויים בגיאומטריית הקרקע ובחללי האוויר.

הנה כיצד משתנה צורתם של הקווים האלו בתוך חפירה:

• כיפוף סביב חללי אוויר: לאוויר יש התנגדות אינסופית, ולכן זרם אינו זורם דרכו. קווי שווי-הפוטנציאל "נלחצים" לשולי התעלה, מתעבים בקצוות שלה (בפינות העליונות) ומתכופפים סביב תחתית החפירה כדי להתאים את עצמם לפרופיל פני השטח החדש.

• ריכוז אנכי בפינות: ריכוז צפוף של קווים מתרחש בפינות החיצוניות והפנימיות של התעלה. הדבר יוצר אזורים עם גרדיאנט מאמץ (מפל מתח) גבוה מאוד ליחידת אורך, במיוחד באזור השיפועים והקצוות.

• עיוות עומק: עקב החפירה, הפוטנציאל בתחתית התעלה יכול להיות שונה לחלוטין מהפוטנציאל על פני השטח הסמוכים לה. קווי המתח השווה מעוותים אנכית, וכתוצאה מכך נוצר הפרש פוטנציאלים מסוכן מאוד בין תחתית התעלה לדפנות האנכיות שלה.

• השפעת אי-ההומוגניות של השכבות: בעת חפירת תעלה, שכבות קרקע שונות נחשפות לעיתים קרובות (למשל חרסית רטובה מתחת לחול יבש). הזרם שואף לזרום לשכבות בעלות התנגדות נמוכה יותר, מה שגורם לקווי הפוטנציאל להישבר בחדות בגבולות שבין השכבות הללו.

אז מה יקרה בפועל?

נניח שכבל נקרע ונופל לאדמה. אדם הנמצא בקרבת מקום, בתוך מרתף או תעלה, נוגע בקרקע באמצעות ידו בעודו עומד בתחתית הבור. האם מדובר פה במתח צעד או במתח מגע?

במצב כזה, האדם חשוף לשני סוגי המתח בו-זמנית, אך מתח המגע הוא הדומיננטי והמסוכן ביותר. הנה ההבחנה בין שני המושגים במקרה זה:

1. מתח מגע (הסכנה הראשונית והקריטית)

פרסום

כאמור, זהו הפרש הפוטנציאלים בין שתי נקודות במעגל שאדם נוגע בהן בו-זמנית.

• איך זה קורה: היד נוגעת בקרקע שבחלק העליון (שם הפוטנציאל גבוה, מכיוון שהכבל שנפל נמצא בקרבת מקום), בעוד שכפות הרגליים נמצאות בתחתית הבור (שם הפוטנציאל נמוך יותר).

• מסלול הזרם: הזרם בוחר במסלול המסוכן ביותר לגוף האדם: "יד–לב–רגליים".

• מדוע זה קריטי: הפרש הפוטנציאלים בין פני השטח לעומק הבור, לאורך גובהו של אדם, יכול להיות עצום ומסכן חיים באופן מיידי.

2. מתח צעד (הסכנה הנלווית)

הפרש הפוטנציאלים בין שתי נקודות על הקרקע, במרחק צעד אחד (כמטר) זו מזו, שעליהן האדם עומד בו-זמנית.

• איך זה קורה: בין רגליו של האדם העומד בתחתית הבור.

• מסלול הזרם: הזרם עוקב אחר המסלול "רגל לרגל". במסלול זה, רק חלק קטן מהזרם עלול להגיע לאזור הלב.

• מדוע זה משני במקרה זה: ברגע שהאדם נוגע בידו במשטח בעל פוטנציאל שונה, מעגל ה"יד-רגל" עוקף (מגשר) את מעגל ה"רגל-רגל". הפגיעה העיקרית והקטלנית תגרם ממתח המגע.

לסיכום

במצב שבו אדם נמצא בתוך חפירה או תעלה ונוגע בדפנות או בפני השטח, אף על פי שקיימות שתי הסכנות גם יחד, האירוע מסווג ומטופל בראש ובראשונה כאירוע של מתח מגע – בשל הסכנה החמורה בהרבה של מעבר הזרם דרך איברים חיוניים בגוף.

MASTAQ