طريقة حساب مقاومة التأريض
المقدمة
يصنف المهندسون التأريض عادة إلى صنفين أساسيين يندرج تحت كل منهما أقسام أو أنواع فرعية من التأريض , تأريض المنظومة و التأريض الوقائي . يقصد بتأريض المنظومة أيجاد اتصال بين الموصلات الحاملة للتيار و الأرض في نقطة أو أكثر من منظومة القوى الكهربائية . و يقصد بالتأريض الوقائي أيجاد اتصال بالأرض مع الأجزاء المعدنية غير الحاملة للتيار عادة , و يطلق على هذا النوع من التاريض ( تأريض الأجهزة ) .
يطلق الأوربيون لفظ ( earthing ) على عملية التاريض و ذلك على أساس أنها عملية توصيل بالأرض . و على العكس من ذلك . فان الخبرة و المواصفات الأمريكية تفرق تفريقاً واضحاً بين لفظ ground و لفظ earth. يعتبر الأمريكيون أن اللفظ الأدق في الاستعمال هو لفظ grounding , حيث انه يشير إلى وجود جسم له جهد مرجع reference voltage تقاس بالنسبة له جميع الجهود الأخرى . و هذا الجسم ليس بالضرورة هو الأرض. فعملية التاريض داخل السيارة مثلاً هي في الواقع عملية توصيل بجسم السيارة , و عملية التاريض في طائرة أو حتى في قمر صناعي هي توصيل بجسم الطائرة او بجسم القمر الصناعي و على ذلك فان لفظ ground في جميع المواصفات و المراجع الأمريكية تعني الجسم الذي يمر فيه التيارات عن طريق التوصيل الكهربائي معه و الذي يعتبر جهده صفراً بالنسبة لباقي المنظومة . أما لفظ earth فيستعمل للدلالة على الأرض ذاتها
تاريض المنظومة system grounding
يطلق اسم المنظومة غير المؤرضة ungrounding system على المنظومة التي لاتحتوي على اتصال متعمد بالأرض عن طريق توصيل نقطة التعادل مثلاً بالأرض أو عن طريق استخدام طرق معينة للحصول على مسار ارضي . لاتوجد منظومة كهربائية معزولة عزلاً كاملاً عن الأرض . إن هذا يرجع إلى ان أي موصل له سعة capacitance بالنسبة للأرض . و على ذلك فعندما يرتفع جهد هذا الموصل عن جهد الأرض تمر تيارات سعوية بين الموصل و الأرض . يمكن تبعاً لما سبق اعتبار أن المنظومة غير مؤرضة هي في الواقع منظومة مؤرضة بواسطة مكثفات capacitive-ground system .
كانت معظم منظومات القوى الكهربائية غير مؤرضة في الماضي , حيث كانت نقطة التعادل neutral تترك معزولة . و مع زيادة التطور الذي حدث في تلك المنظومات . سواء من حيث كمية الأحمال أو عدد الأجهزة الموجودة في المنظومة أصبح تشغيل المنظومة بنقطة التعادل المعزولة امرأ غير مقبول سواء من ناحية امن الإفراد و سلامة الأجهزة أو من ناحية متطلبات التشغيل . و مع زيادة متطلبات الطاقة و أهمية استمرارية التشغيل أصبحت عملية تشغيل المنظومة المؤرضة هي الخبرة السائدة في جميع أنحاء العالم . ألا انه يجب القول بأنه من الخبرة المعمول بها وجود أجزاء في المنظومة غير مؤرضة للوصول إلى أداء معين و يمكن تلخيص العوامل التي تحدد اختيار التاريض من عدمه فيما يلي :
أولا: استمرارية الخدمة
أثبتت التجربة الطويلة أن المنظومات المؤرضة أكثر استمرارية من تلك الغير مؤرضة , حيث تزود المنظومة المؤرضة بأجهزة حماية أكثر حساسية و دقة يمكنها تحديد أي خطأ يحدث في المنظومة و فصله عنها بانتقاء كامل selectivity
ثانياً: مخاطر ارتفاع الجهد
ينشأ عن حدوث قصر أرضي بين أحد الأوجه و الأرض ارتفاع في الجهد الوجهين السليمين يصل إلى 173% أذا كانت المنظومة غير مؤرضة , بينما لا تحدث تلك الظاهرة في حالة تأريض نقطة التعادل . أن هذا الارتفاع في جهد الوجه يتسبب في انهيار العوازل الكهربائية المستعملة . كما يتسبب في أتلاف كثير من الأجهزة و الآلات
ثالثا: أمكانية منظومات الحماية
المنظومات غير المؤرضة لا تحتوي على مركبات التتابع الصفري للتيار او الجهد , و على العكس من ذلك فان تاريض نقطة التعادل يسمح بوجود مسار لتيار الصفري . أن هذا يجعل تصميم و ضبط و أداء أجهزة الحماية أكثر دقة و أسهل في التشغيل, كما يعطي أمكانية اكبر في تحقيق خطة تنسيق الحماية بأكبر قدر ممكن من الانتقاء.
رابعاً: القوس الكهربائي
تحدث ظاهرة القوس الأرضي عند حدوث قصر بين الوجه و الأرض , حيث يتولد قوس كهربائي بينهما عند نقطة اتصالهما مما يسبب خطراً على الافراد و المنشات و لا تحدث هذه الظاهرة في المنظومات المؤرضة .
خامساً : أمكانية التاريض الوقائي
تسهل عملية تاريض المنظومة عمليات التاريض الوقائي و تاريض الأجهزة , حيث يتكون مسار سهل بين الكترودي منظومة التاريض الوقائي و منظومة القوى أثناء حدوث قصر ارضي يساعد في خفض قيمة جهد اللمس .
تعاريف و ملاحظات مهمة في عملية التاريض
1. الشبكة الأرضية:هي مجموعة الموصلات التي يتم بواسطتها إيجاد اتصال كهربائي جيد بين الأجزاء و الهياكل المعدنية المكشوفة وبين كتلة الأرض.
2. الأرضي (Earth Pit):هو مجموعة من الموصلات أو الأقطاب (Electrodes) التي تدفن أو تغرز في الأرض بحيث توفر تماسا جيدا و بأقل مقاومة ممكنة مع التربة المحيطة بها و بذلك تشكل واسطة الاتصال بين أجزاء الشبكة الأرضية الأخرى وكتلة الأرض.
3. موصل الأرضي الرئيسي (Main Earting Lead):الموصل الرئيسي الذي يربط مجموعة المعدات و الأجهزة الكهربائية إلى الأرضي.
4. موصل الربط (Bonding Lead):الموصل الذي يربط بين هيكل أو حاوية الجهاز أو المعدة الكهربائية إلى موصل الأرضي الرئيسي.
5. التأريض الوظيفي (Functional Earthing):وهو تأريض نقطة الحيادي (Neutral Point) لمحولات القدرة و تأريض النقاط المشتركة (Common Points) لمحولات التيار وذلك لأسباب تشغيلية.
6. التأريض الستاتيكي (Static Earthing):ويستخدم لغرض ضمان تسرب الشحنات المستقرة التي تتولد في الحاويات و الأوعية و الخزانات نتيجة تصادم السوائل الهيدروكاربونية بجدران تلك الحاويات والأوعية والخزانات أثناء التحميل أو التفريغ حيث إن توفر تأريض جيد يؤدي إلى تسرب الشحنات المتولدة إلى الأرض وعدم تكون جهد خطر على تلك الأوعية و الخزانات و الحاويات.
7. التأريض لغرض الحماية من الصواعق (Lightening Protection Earting):ويستخدم لغرض تسريب التيارات العالية جدا التي تنتج عند حدوث تفريغ كهربائي ناتج عن الصواعق وبذلك تتم حماية المنشآت من أخطار الحريق و الدمار الذي يمكن أن ينتج عند عدم وجود حماية من الصواعق.
المبادئ العامة لتصميم الشبكة الأرضية:
1. تقليل فرق الجهد بين الأجزاء المعدنية المكشوفة المتجاورة وكذلك بينها والأرض من ناحية أخرى ويكون ذلك بالربط متساوي الجهد (Equi Potential Bonding) بين الأجزاء المعدنية المتجاورة من ناحية وكذلك ربطها بشبكة أرضية بشبكة أرضية ذات مقاومة كهربية واطئة قدر الإمكان من ناحية أخرى حيث يؤدي ذلك إلى تقليل جهد التماس وكذلك جهد الخطوة (Touch & Step Voltage) و بالتالي إلى حماية الأشخاص من الصعقات المميتة.
2. تقليل ممانعة القطب الأرضي يكون ذلك باستخدام موصلات للشبكة الأرضية ذات حجوم مناسبة تجعل مقاومتها قليلة إضافة إلى اختيار نوع أقطاب الأرضي المدفونة في التربة وأعدادها وأعماق دفنها ومناطق دفنها بحيث توفر أقل مقاومة ممكنة إلى كتلة الأرض.
أن تقليل ممانعة دائرة العطب الأرضي تؤدي بالنتيجة إلى سريان تيارات عالية خلالها عند حدوث تماس للدائرة الكهربائية مع الأرض وهو هدف نسعى إليه حيث يؤدي ذلك إلى تحسس أجهزة الحماية الكهربائية وبالتالي إلى قيامها بقطع التيار عن الجزء المعطوب أي عزله عن الأجزاء السليمة من الدائرة الكهربائية وخلال وقت قصير جدا فتوفر الحماية الكافية للتأسيسات من الإعطاب و الحرائق وحماية الأشخاص من خطر الصعقة الكهربائية. إن زمن القطع يتراوح عادة بين جزء من الثانية الواحدة وبضع ثواني ويتناسب عكسيا مع مقدار تيار العطب الأرضي وجهد التماس.
أن الأجزاء الرئيسية لممانعة دائرة العطب الأرضي تتكون مما يلي:
1- في منظومة كهربائية من نوع TT:تكون ممانعة دائرة العطب الأرضي فيها من مقاومة موصلات الدائرة و موصلات الشبكة الأرضية هي مقاومة واطئة جدا عادة، ثم مقاومة أقطاب الأرض عند كل من جهة المصدر (مقاومة نقطة الحيادي للمحولة إلى الأرض ) وجهة المستهلك، ويفترض أن تكون مقاومتها قليلة (جزء من الأوم لغاية بضع أومات) أن كانت أقطاب الأرضي بحالة جيدة، وأخيرا مقاومة منطقة العطب وتتبع مقاومتها طبيعة ونوع العطب. في هذا النوع من المنظومات تشكل مقاومة الأقطاب الأرضية الجزء الأكبر من المقاومة الكلية لدائرة العطب الأرضي، لذا تلعب دورا رئيسيا في فعالية شبكة الأرضي ككل ويتطلب الاهتمام بمراقبتها وصيانتها دوريا.
2- في منظومة تغذية كهربائية من نوع TN: تتكون دائرة ممانعة العطب الأرضي هنا كليا من موصلات الدائرة و موصلات الشبكة الأرضية إضافة إلى منطقة العطب دون الاعتماد على مقاومة أقطاب الأرضي، لذا تكون أجهزة الحماية الكهربائية في الدوائر الكهربائية المرتبطة بهذه المنظومات ذات تحسس وفعالية أكبر في عزل دوائر العطب الأرضي من مماثلتها في منظومات من نوع TT .
طرق التاريض
يتضح مما سبق أن تاريض المنظومة أصبح أمرا ضروريا في عمليات تصميم و أداء و حماية منظومات القوى الكهربائية . يمكن عمل التاريض بين نقطة التعادل و الأرض بإحدى الطرق الآتية :-
أولا : تاريض المباشر ( solid grounding )
و يتم فيه التوصيل بين نقطة التعادل و الأرض بموصل دون وجود أي معاوقة بينهما . و يكون في هذه الطريقة مقاومة ارضي اقل ما يمكن ولكنه سئ عند حصول عطل ارضي بسبب تدفق تيار عالي في حال العطل قد يسبب عطل المحولة وكذلك هناك مشكلة وهي صعود فولتيات باقي الأطوار الصالحة عند حصول عطل في احد الأطوار
ثانيا : تاريض بمقاومة ( resistance grounding )
و يكون فيه التوصيل بين نقطة التعادل و الأرض من خلال معاوقة معظمها عبارة عن مقاومة ( R>>X ) . و يكون فيها مقاومة ارضي عالي لغرض تحديد تيار العطل مع وجود مشكلة الحرارة في المقاومة وحجمها و يتم حساب هذه المقاومة حسب القانون التالي
R=1/Cr+Cs+Ct
حيث تمثل ( C ) هي متسعات الأطوار الثلاثة إلى الأرض
ثالثا : تاريض بمفاعلة ( reactance grounding )
و يكون فيه التوصيل بين نقطة التعادل و الأرض من خلال معاوقة معظمها عبارة عن مفاعلة ( X>>R ) . و يكون في هذه الطريقة ممانعة ارضي متوسطة بين الأرضي المفتوح والأرضي الصلب مع ملاحظة السعر أعلى من المقاومة وخصائص أفضل منها
رابعا : تاريض عن طريق كابح للقوس ( arc-suppression coil )
و هو عبارة عن مفاعل reactor يوضع بين نقطة التعادل و الأرض و يمكن تنغيمه على رنين مع سعة المنظومة عند حدوث القصر الأرضي. يمكن بذلك كبح القوس الكهربائي الناتج من القصر .
خامسا : التاريض باستخدام محولات التاريض
يستخدم محول زجزاج للحصول على نقطة تعادل للمنظومة في حالة عدم وجود مثل هذه النقطة كما في حالة توصيلة الدلتا مثلا . و يسمى هذا المحول بمحول التاريض حيث يتم بعد ذلك توصيل نقطة تعادله بالأرض . و يمكن كذلك استخدام محول نجمة / دلتا في عملية الحصول على نقطة التعادل .
أولا : تاريض المباشر ( solid grounding )
و يتم فيه التوصيل بين نقطة التعادل و الأرض بموصل دون وجود أي معاوقة بينهما . و يكون في هذه الطريقة مقاومة ارضي اقل ما يمكن ولكنه سئ عند حصول عطل ارضي بسبب تدفق تيار عالي في حال العطل قد يسبب عطل المحولة وكذلك هناك مشكلة وهي صعود فولتيات باقي الأطوار الصالحة عند حصول عطل في احد الأطوار
ثانيا : تاريض بمقاومة ( resistance grounding )
و يكون فيه التوصيل بين نقطة التعادل و الأرض من خلال معاوقة معظمها عبارة عن مقاومة ( R>>X ) . و يكون فيها مقاومة ارضي عالي لغرض تحديد تيار العطل مع وجود مشكلة الحرارة في المقاومة وحجمها و يتم حساب هذه المقاومة حسب القانون التالي
R=1/Cr+Cs+Ct
حيث تمثل ( C ) هي متسعات الأطوار الثلاثة إلى الأرض
ثالثا : تاريض بمفاعلة ( reactance grounding )
و يكون فيه التوصيل بين نقطة التعادل و الأرض من خلال معاوقة معظمها عبارة عن مفاعلة ( X>>R ) . و يكون في هذه الطريقة ممانعة ارضي متوسطة بين الأرضي المفتوح والأرضي الصلب مع ملاحظة السعر أعلى من المقاومة وخصائص أفضل منها
رابعا : تاريض عن طريق كابح للقوس ( arc-suppression coil )
و هو عبارة عن مفاعل reactor يوضع بين نقطة التعادل و الأرض و يمكن تنغيمه على رنين مع سعة المنظومة عند حدوث القصر الأرضي. يمكن بذلك كبح القوس الكهربائي الناتج من القصر .
خامسا : التاريض باستخدام محولات التاريض
يستخدم محول زجزاج للحصول على نقطة تعادل للمنظومة في حالة عدم وجود مثل هذه النقطة كما في حالة توصيلة الدلتا مثلا . و يسمى هذا المحول بمحول التاريض حيث يتم بعد ذلك توصيل نقطة تعادله بالأرض . و يمكن كذلك استخدام محول نجمة / دلتا في عملية الحصول على نقطة التعادل .
من ملتقى المهندسين المهندس/ماجد محمد فرج
» مطلوب نظام اطفاء حريق بغاز fm200 داخل اللوحات الكهربيه ولوحات ال mcc
» SCADA(تعريف عام بنظام الاسكادا)
» (هندسه القوى والألات الكهربيه)....المحول الكهربى
» جزاكم الله كل خير
» الصدمة(المطرقه) المائية..اسبابها , مشاكلها , الحلول...
» شكر للسيد الأستاذ الدكتور....صلاح مصطفي حماده
» الموضوع/نظام التحكم الآلي (الأسكادا) لمعدات محطة مياه الشرب والمأخذ
» أفكارنا هي السبب الرئيسي لأمراضنا