أنواع نظم التأريض في نظم القدرة الكهربائية: التأريض هو إحدى الوسائل الفعال المستخدمة من أجل تحقيق سلامة الأشخاص، وحماية عناصر الشبكة والأجهزة الكهربائية، ويقصد به التوصيل الكهربائي بين الأجزاء المعدنية غير الحاملة في الحالة العادية للتيار الكهربائي مع الأرض، حيث تشكل الأرض مع من يلامسها كتلة ضخمة بكمون صفري. وتكون الأجزاء المعدنية متعادلة كهربائياً في حالة التشغيل العادية، وتصبح مشحونة وذات كمون معين نتيجة حدوث أعطال فيها كاهتراء العازل مثلاً، مما يجعلها خطيرة على الإنسان، بسبب ظهور فرق في الكمون على جسم الإنسان. لذلك توصيل هذه الأجزاء المعدنية بالأرض من أجل تشكيل حماية فعالة في النظم الكهربائية، ويسمى هذا الأسلوب بالتأريض.
يتكون النظام الكهربائي بشكل عام من مصدر تغذية كهربائية ومستهلك طاقة مع نواقل الاتصال بينهما، لذلك يجب الانتباه إلى التأريض لدى مصدر التغذية ومستهلك الطاقة. ويستخدم لنظم التأريض ترميز مكون من حروف فرنسية للدلالة على ترتيبات التأريض في كلا طرفي الجملة، كما يلي:
أ- نظام التأريض TN-S: يستخدم هذا النوع خمسة نواقل، هي ثلاثة أطوار وخط حيادي وناقل حماية أرضي. والشكل (3-1) يبين طريقة التوصيل وفق هذا النوع من التأريض.
يمتاز هذا النظام بأن الأرضي مستقل عن الحيادي مما يعطي وثوقية أكبر للنظام، كما أن تيار العطل الأرضي يمثل عطلاً من نوع طور– حيادي، ولهذا نقسم التوتر في نقطة العطل (توتر الطور) على مقاومة الحلقة التي يمر فيها التيار الأرضي (مقاومة الخط + مقاومة الخط الأرضي ) عند حساب تيار العطل.
وهذا يعني أننا نتوقع في هذا النوع من أنظمة التأريض تيارات عطل كبيرة مقارنة مع نظام TT، لذلك نعتمد في فصل العطل على قواطع الحماية الحرارية-المعناطيسية ولا حاجة لقاطع الخطأ (القاطع التفاضلي). ويلاحظ أن توتر التماس الذي يظهر في هذا النوع من الأنظمة كبير نسبياً.
يستبعد استخدام هذا النظام في مناطق تكثر فيها أخطار الحريق، كما يجب التأكد من قيمة تيار العطل بحيث يكون كافياً لتشغيل أجهزة الحماية، مما يتطلب إجراء حسابات لتيارات القصر أثناء التصميم. وبالنسبة للمغذيات الطويلة لابد من وضع قيمة للحد الأقصى لطول الناقل المراد استخدامه بتطبيق العلاقة:
الطول الأعظمي المسموح به للمغذي
Uph التوتر الاسمي للطور الواحد
Sph مقطع ناقل الطور
ρ المقاومة النوعية
نسبة مقطع الطور إلى مقطع ناقل الحماية
تيار الفصل المغناطيسي للقاطع الآلي.
تعد هذه العلاقة مهمة عملياً، إذ من خلالها يمكن تحديد الطول الأعظمي للمغذي في نظام TN-S بحيث تبقى أجهزة الحماية للمغذي فعالة، وتؤدي مهمتها بشكل سليم. وفي حال عدم تحقيق العلاقة السابقة يمكن اتخاذ الإجراءات التالية:
ب- نظام التأريض TN-C:
في هذا النوع من التوصيل يوجد لدينا فقط أربعة نواقل، حيث يكون ناقــل
الحماية الأرضي والحيادي مشتركاً، وفي هذا النوع يسمى ناقل الحماية الأرضي PEN. والشكل (3-2) يبين طريقة التوصيل وفق هذا النظام.
الشكل (3-2) مخطط التوصيل وفق نظام التأريض TN-C
من ميزات هذا النظام التوفير لدى استخدام ناقل مشترك، ولكن من مساوئه أن أي قطع للناقل الحيادي يسبب عند حدوث تماس أرضي في ظهور توتر تماس مساوٍ لتوتر الطور، وهذا يعد أمراً خطيراً. كما أن تيار العطل في هذه الحالة كبير أيضاً، حيث أن العطل الأرضي هنا يكون عطل طور- حيادي. وهنا أيضاً يجب التحقق من العلاقة الرياضية السابقة.
ج- نظام التأريض TN-C-S:
هناك أيضاً حالات يجمع فيها بين النظامين السابقين TN-C-S، بشرط أن يسبق نظام TN-C نظام الـ TN-S من جانب المحول كما في الشكل (3-3).
الشكل (3-3) مخطط التوصيل المشترك TN-C-S
ولكن يجب الانتباه إلى أنه عندما يصبح مقطع نواقل الشبكة أقل من 16 mm2 فيجب استخدام نظام التأريض المنفصل عن الحيادي TN-S.
في هذا النظام يكون حيادي المحول معزولاً تماماً عن الأرض أو يؤرض بوساطة مقاومة كبيرة جداً، ويكون لكل جهاز في هذا النظام تأريضه الخاص به، ويمكن أن يكون تأريض خاصاً بالمنشأة مع بقاء أرضي مركز التحويل معزولاً. والشكل (3-4) يوضح مخطط التوصيل وفق هذا النظام. يتم وصل الأجزاء المعدنية بناقل حماية PE إلى نقطة تأريض واحدة أو إلى نقاط تأريض مختلفة، وميزة هذا النظام أن تيارات العطل الأرضية معدومة تقريباً. في هذا الحالة لا يحدث انقطاع بالتغذية نتيجة العطل الأرضي، كما أن أخطار الحريق معدومة، ولابد من وضع أجهزة خاصة للتحري عن الأعطال الأرضية حيث توصل هذه الأجهزة بالحيادي مع جهاز تنبيه ضوئي أو صوتي أو كليهما، لكي ينذر المستثمر بحدوث عطل أرضي، ليقوم بمعالجته.
إن توتر التلامس في هذا النوع من نظم التأريض صغير، لأن ممانعات السعات التفرعية التي يعود خلالها التيار تكون كبيرة جداً. وهذا النوع من الأنظمة يستخدم في المناطق التي يحتمل ظهور أخطار حريق فيها، وتكون الأحمال على درجة كبيرة من الأهمية كما في المشافي خاصة غرف العمليات والعناية المشددة. ويمكن بوساطة محولات عزل بنسبة 1/1 الانتقال من أي نظام من النظم السابقة إلى نظام الـ IT.
الشكل (3-4) مخطط التوصيل وفق نظام التأريض IT
إن قيمة تيار العطل الأرضي في هذه الحالة تحددها مقاومة القطب الأرضي لحيادي المحول ومقاومة القطب الأرضي للمنشأة، وهاتين المقاومتين تظهران على التسلسل على مسار تيار العطل. وعادة ما يكون تيار العطل الأرضي في هذا النظام صغيراً نسبياً وغير كاف لتشغيل قاطع الحماية الذي يعمل على زيادة التيار، مما يحتم في كثير من الأحيان قواطع الخطأ (الحماية التفاضلية) إضافة إلى القواطع العادية الحرارية المغناطيسية.
الشكل (3-5) مخطط التوصيل وفق نظام التأريض TT
ويمكن مقارنة نظم التأريض المذكورة مع بعضها البعض من خلال الجدول (3-1).
الجدول (3-1) مقارنة نظم التأريض مع بعضها البعض
المقاومة النوعية للتربة:
تتحدد الصفات الكهربائية للتربة بمقاومتها النوعية، وهي مقاومة مكعب من التربة طول ضلعه يساوي متراً واحداً وتساوي:
R المقاومة بالأوم لحجم معين من التربة مساحته A [mm2] وطول ضلعه
وتعتمد الناقلية الكهربائية النوعية للتربة على العوامل التالية:
أ- نسبة الرطوبة في التربة
ب- التركيب الفيزيائي للتربة
ت- التركيب الكيميائي للتربة
ث- الحرارة والتغيرات الفصلية
ويجب أن تتمتع التربة بالمميزات التالية حتى تشكّل نظاماً أرضياً جيداً:
أ- مقاومة كهربائية منخفضة
ب- مقاومة جيدة للصدأ
ت- قابلية تحمل تيارات كهربائية كبيرة بشكل متكرر
ث- قابلية الاحتفاظ بالخصائص السابقة لمدة ثلاثين عام على الأقل.
حساب المقاومة النوعية لأوتاد التأريض:
أوتاد التأريض هي قضبان معدنية يتم دفنها في الأرض، وتستخدم في التمديدات الكهربائية من أجل توصيل الأجزاء المعدنية للتجهيزات الكهربائية غير الحاملة للتيار في الظروف العادية مع الأرض. وتصنع هذه القضبان إما من النحاس أو الفولاذ المغلفن، وتختلف في طولها وقطرها وشكلها.
ولكي يكون نظام التأريض فعالاً في حماية الأشخاص، وحتى يقوم جهاز الحماية بالفصل حين حصول التكهرب، يجب أن يمر به تيار القطع الكافي لفصــل
التغذية. ولكي يمر تيار القطع الكافي فإن مقاومة الأرضي يجب أن تحقق المعادلة التالي:
حيث:
65 أدنى توتر متناوب [V] يشكل خطراً على حياة الإنسان.
In التيار الاسمي لجهاز الحماية [A]
k عامل يتعلق بنوع الحماية، وهو يحدد نسبة التيار اللازم لفصل عنصر الحماية بعد زمن لا يزيد عن 5 s ابتداء من لحظة التكهرب أو التسريب، وهو يساوي 1.7, 2.5, 3.5 وذلك حسب نوع القاطع B, C, D.
وقد لوحظ أن زيادة قطر القضيب دائري المقطع لا تؤدي إلى تقليل مقاومته بشكل كبير، فمثلاً زيادة قطر قضيب طوله 3m من 20 مم إلى 30 مم في تربة مقاومتها النوعية 100 أوم.متر، تؤدي إلى تقليل المقاومة بنسبة 15% فقط، لذلك لا تستخدم عملية زيادة قطر القضيب لتقليل مقاومته. أما زيادة طول القضيب فتؤثر بشكل كبير على مقاومته؛ فمثلاً إن زيادة طول قضيب تأريض بسماكة 50 مم من متر إلى ثلاثة أمتار تؤدي إلى نقصان المقاومة مثلين ونصف.
أما أهم المواد التي تستخدم في صناعة قضبان التأريض فهي:
المصدر: نقابة المهندسين فرع حلب
يتكون النظام الكهربائي بشكل عام من مصدر تغذية كهربائية ومستهلك طاقة مع نواقل الاتصال بينهما، لذلك يجب الانتباه إلى التأريض لدى مصدر التغذية ومستهلك الطاقة. ويستخدم لنظم التأريض ترميز مكون من حروف فرنسية للدلالة على ترتيبات التأريض في كلا طرفي الجملة، كما يلي:
- يعطى نوع الاتصال مع الأرض من خلال حرفين على الأقل
- الحرف الأول يصف وضع اتصال المغذي (المولد أو المحول) مع نظام التأريض
- الحرف الثاني يصف وضع اتصال الجسم الناقل من التجهيزات الكهربائية مع نظام التأريض
- الحروف اللاحقة تصف ترتيب الناقل الحيادي N وناقل الحماية PE في الشبكة ذات النظام TN
- T المغذي مؤرض مباشرة
- I عزل جميع الأجزاء الفعالة عن الأرض أو وصلها عبر ممانعة الحد من العطل
- T الجسم مؤرض مباشرة
- N الجسم موصول مباشرة مع أرضي التشغيل للمغذي
- S الناقل الحيادي N وناقل الحماية PE ممدانبشكل مستقل عن بعضهما
- C الناقل الحيادي N وناقل الحماية PE مشتركان مع بعضهما في ناقل واحد PEN.
- نظام TN ويظهر هذا النظام إما على شكل TN-C أو TN-S أو TN-C-S
- نظام TT
- نظام IT
- نظام التأريض TN:
أ- نظام التأريض TN-S: يستخدم هذا النوع خمسة نواقل، هي ثلاثة أطوار وخط حيادي وناقل حماية أرضي. والشكل (3-1) يبين طريقة التوصيل وفق هذا النوع من التأريض.
يمتاز هذا النظام بأن الأرضي مستقل عن الحيادي مما يعطي وثوقية أكبر للنظام، كما أن تيار العطل الأرضي يمثل عطلاً من نوع طور– حيادي، ولهذا نقسم التوتر في نقطة العطل (توتر الطور) على مقاومة الحلقة التي يمر فيها التيار الأرضي (مقاومة الخط + مقاومة الخط الأرضي ) عند حساب تيار العطل.
وهذا يعني أننا نتوقع في هذا النوع من أنظمة التأريض تيارات عطل كبيرة مقارنة مع نظام TT، لذلك نعتمد في فصل العطل على قواطع الحماية الحرارية-المعناطيسية ولا حاجة لقاطع الخطأ (القاطع التفاضلي). ويلاحظ أن توتر التماس الذي يظهر في هذا النوع من الأنظمة كبير نسبياً.
يستبعد استخدام هذا النظام في مناطق تكثر فيها أخطار الحريق، كما يجب التأكد من قيمة تيار العطل بحيث يكون كافياً لتشغيل أجهزة الحماية، مما يتطلب إجراء حسابات لتيارات القصر أثناء التصميم. وبالنسبة للمغذيات الطويلة لابد من وضع قيمة للحد الأقصى لطول الناقل المراد استخدامه بتطبيق العلاقة:
Uph التوتر الاسمي للطور الواحد
Sph مقطع ناقل الطور
ρ المقاومة النوعية
نسبة مقطع الطور إلى مقطع ناقل الحماية
تيار الفصل المغناطيسي للقاطع الآلي.
تعد هذه العلاقة مهمة عملياً، إذ من خلالها يمكن تحديد الطول الأعظمي للمغذي في نظام TN-S بحيث تبقى أجهزة الحماية للمغذي فعالة، وتؤدي مهمتها بشكل سليم. وفي حال عدم تحقيق العلاقة السابقة يمكن اتخاذ الإجراءات التالية:
- تقليل العيار المغناطيسي للقاطع.
- رفع مقطع الناقل الأرضي وجعله مساوياً لمقطع الطور (غير اقتصادي).
- استخدام قواطع الخطأ (التفاضلية) التي تتحسس للأعطال الأرضية بشكل دقيق.
ب- نظام التأريض TN-C:
في هذا النوع من التوصيل يوجد لدينا فقط أربعة نواقل، حيث يكون ناقــل
الحماية الأرضي والحيادي مشتركاً، وفي هذا النوع يسمى ناقل الحماية الأرضي PEN. والشكل (3-2) يبين طريقة التوصيل وفق هذا النظام.
من ميزات هذا النظام التوفير لدى استخدام ناقل مشترك، ولكن من مساوئه أن أي قطع للناقل الحيادي يسبب عند حدوث تماس أرضي في ظهور توتر تماس مساوٍ لتوتر الطور، وهذا يعد أمراً خطيراً. كما أن تيار العطل في هذه الحالة كبير أيضاً، حيث أن العطل الأرضي هنا يكون عطل طور- حيادي. وهنا أيضاً يجب التحقق من العلاقة الرياضية السابقة.
ج- نظام التأريض TN-C-S:
هناك أيضاً حالات يجمع فيها بين النظامين السابقين TN-C-S، بشرط أن يسبق نظام TN-C نظام الـ TN-S من جانب المحول كما في الشكل (3-3).
الشكل (3-3) مخطط التوصيل المشترك TN-C-S
ولكن يجب الانتباه إلى أنه عندما يصبح مقطع نواقل الشبكة أقل من 16 mm2 فيجب استخدام نظام التأريض المنفصل عن الحيادي TN-S.
- نظام التأريض IT:
في هذا النظام يكون حيادي المحول معزولاً تماماً عن الأرض أو يؤرض بوساطة مقاومة كبيرة جداً، ويكون لكل جهاز في هذا النظام تأريضه الخاص به، ويمكن أن يكون تأريض خاصاً بالمنشأة مع بقاء أرضي مركز التحويل معزولاً. والشكل (3-4) يوضح مخطط التوصيل وفق هذا النظام. يتم وصل الأجزاء المعدنية بناقل حماية PE إلى نقطة تأريض واحدة أو إلى نقاط تأريض مختلفة، وميزة هذا النظام أن تيارات العطل الأرضية معدومة تقريباً. في هذا الحالة لا يحدث انقطاع بالتغذية نتيجة العطل الأرضي، كما أن أخطار الحريق معدومة، ولابد من وضع أجهزة خاصة للتحري عن الأعطال الأرضية حيث توصل هذه الأجهزة بالحيادي مع جهاز تنبيه ضوئي أو صوتي أو كليهما، لكي ينذر المستثمر بحدوث عطل أرضي، ليقوم بمعالجته.
إن توتر التلامس في هذا النوع من نظم التأريض صغير، لأن ممانعات السعات التفرعية التي يعود خلالها التيار تكون كبيرة جداً. وهذا النوع من الأنظمة يستخدم في المناطق التي يحتمل ظهور أخطار حريق فيها، وتكون الأحمال على درجة كبيرة من الأهمية كما في المشافي خاصة غرف العمليات والعناية المشددة. ويمكن بوساطة محولات عزل بنسبة 1/1 الانتقال من أي نظام من النظم السابقة إلى نظام الـ IT.
- نظام التأريض TT:
إن قيمة تيار العطل الأرضي في هذه الحالة تحددها مقاومة القطب الأرضي لحيادي المحول ومقاومة القطب الأرضي للمنشأة، وهاتين المقاومتين تظهران على التسلسل على مسار تيار العطل. وعادة ما يكون تيار العطل الأرضي في هذا النظام صغيراً نسبياً وغير كاف لتشغيل قاطع الحماية الذي يعمل على زيادة التيار، مما يحتم في كثير من الأحيان قواطع الخطأ (الحماية التفاضلية) إضافة إلى القواطع العادية الحرارية المغناطيسية.
ويمكن مقارنة نظم التأريض المذكورة مع بعضها البعض من خلال الجدول (3-1).
العناصر الأساسية لنظام التأريض:
على الرغم من تنوع نظم التأريض فإن هناك مجموعة من العناصر تتواجد في جميع نظم التأريض، وهذه العناصر تسمى عناصر التأريض وهي التالية:- وتد أرضي أو مجموعة أوتاد مدفونة في الأرض
- ناقل التأريض وهو الموصل الذي يربط الوتد بنظام التأريض
- موصلات الوقاية وهي التي توصل نظام التأريض مع الأجزاء المعدنية المكشوفة
- موصلات ربط تساوي الكمون الرئيسة
- موصلات ربط تساوي الكمون الثانوية
المقاومة النوعية للتربة:
تتحدد الصفات الكهربائية للتربة بمقاومتها النوعية، وهي مقاومة مكعب من التربة طول ضلعه يساوي متراً واحداً وتساوي:
أ- نسبة الرطوبة في التربة
ب- التركيب الفيزيائي للتربة
ت- التركيب الكيميائي للتربة
ث- الحرارة والتغيرات الفصلية
ويجب أن تتمتع التربة بالمميزات التالية حتى تشكّل نظاماً أرضياً جيداً:
أ- مقاومة كهربائية منخفضة
ب- مقاومة جيدة للصدأ
ت- قابلية تحمل تيارات كهربائية كبيرة بشكل متكرر
ث- قابلية الاحتفاظ بالخصائص السابقة لمدة ثلاثين عام على الأقل.
حساب المقاومة النوعية لأوتاد التأريض:
أوتاد التأريض هي قضبان معدنية يتم دفنها في الأرض، وتستخدم في التمديدات الكهربائية من أجل توصيل الأجزاء المعدنية للتجهيزات الكهربائية غير الحاملة للتيار في الظروف العادية مع الأرض. وتصنع هذه القضبان إما من النحاس أو الفولاذ المغلفن، وتختلف في طولها وقطرها وشكلها.
ولكي يكون نظام التأريض فعالاً في حماية الأشخاص، وحتى يقوم جهاز الحماية بالفصل حين حصول التكهرب، يجب أن يمر به تيار القطع الكافي لفصــل
التغذية. ولكي يمر تيار القطع الكافي فإن مقاومة الأرضي يجب أن تحقق المعادلة التالي:
65 أدنى توتر متناوب [V] يشكل خطراً على حياة الإنسان.
In التيار الاسمي لجهاز الحماية [A]
k عامل يتعلق بنوع الحماية، وهو يحدد نسبة التيار اللازم لفصل عنصر الحماية بعد زمن لا يزيد عن 5 s ابتداء من لحظة التكهرب أو التسريب، وهو يساوي 1.7, 2.5, 3.5 وذلك حسب نوع القاطع B, C, D.
وقد لوحظ أن زيادة قطر القضيب دائري المقطع لا تؤدي إلى تقليل مقاومته بشكل كبير، فمثلاً زيادة قطر قضيب طوله 3m من 20 مم إلى 30 مم في تربة مقاومتها النوعية 100 أوم.متر، تؤدي إلى تقليل المقاومة بنسبة 15% فقط، لذلك لا تستخدم عملية زيادة قطر القضيب لتقليل مقاومته. أما زيادة طول القضيب فتؤثر بشكل كبير على مقاومته؛ فمثلاً إن زيادة طول قضيب تأريض بسماكة 50 مم من متر إلى ثلاثة أمتار تؤدي إلى نقصان المقاومة مثلين ونصف.
أما أهم المواد التي تستخدم في صناعة قضبان التأريض فهي:
- الفولاذ المغلف بالنحاس
- النحاس المصمت
- الفولاذ المغلفن بالقصدير أو الفولاذ الذي لا يصدأ.
المصدر: نقابة المهندسين فرع حلب
Tags:
كهرباء