التأريض ومانعات الصواعق Earthing & Lightning Protection

كود أدسنس 468*60

التأريض ومانعات الصواعق

Earthing & Lightning Protection

ملاحظة: لا يمكن وجود منظومة

للحماية من الصواعق جيدة وعاملة بدون وجود منظومة للأرضي جيدة وعامل

                       التأريض أو الأرضي   Earthing or Grounding

   يمكن تعريف الأرضي أو التأريض بأنه اتصال كهربائي عمل عن قصد بين جهاز كهربائي أو شبكة أجهزة من جهة وكتلة الأرض من جهة أخرى. لذا فأن التأريض مطلوب لتوفير السلامة للمنظومة الكهربائية وللعاملين في المنشأة وهذا معروف بشكل عام لدى الغالبية من الأشخاص ولكن غير واضح لدى النسبة العظمى من الناس كيفية تحقيق ذلك. ويمكن تشبيه الأرضي بطوق النجاة أو مظلة الهبوط حيث تقدر قيمتهما عند الحاجة لهما فأهمية وميزة

الأرضي الجيد يمكن تقديرها مما يلي :

أولا :      الأرضي يحمي الأفراد من خطر الصعق الكهربائي الناتج عن قصور العزل أو انهياره .

 

ثانيا :      يقي من خطر التفريغ الكهربائي .

ثالثا :      يحمي المعدات من أضرار التغيرات المفاجئة والكبيرة في جهد التغذية (Voltage Surges)

رابعا :     يؤمن تشغيلا مناسبا للمعدات والمنظومات الكهربائية .

على أي حال يحتمل أن يشعر الشخص العادي بأنه غالبا لا تأثير للأرضي على المنظومات الكهربائية أو الأجهزة خلال الاشتغال العادي، مما يعطي انطباعا خاطئا بأنه من الممكن فصل الأرضي بدون ملاحظة أي تأثيرات ونتيجة ذلك يبدو (ظاهريا فقط) بأن موضوع الاتصال الأرضي الجيد من الاتصال الأرضي الرديء ليس ذا أهمية ولا تعرف فعالية الأرضي ما لم تجرى عليه فحوصات دورية من حين لآخـر .

أبتداء يمكن اعتبار الكرة الأرضية بأنها كتلة هائلة جدا لاتحمل جهدا كهربائيا اي ان جهدها هو صفر. أما أجزاء  المنظومة الكهربائية فيمكن ان تكون ذات جهد معين مقارنة بجهد الارض.

إن الموصلات الحية (Live Conductors)

للأجزاء المنظومة الكهربائية تحمل عادة جهدا كهربائيا خلال أشتغالها الأعتيادي، أما الأجزاء المعدنية الاخرى كهياكل وحاويات للأجهزة الكهربائيةفهي لا تحمل جهدا خلال أشتغالها الأعتيادي لكنها يمكن ان تكون ذات جهد عند حدوث عطب كهربائي مما يعرض المنشآت والعاملين الى الخطر إن لم يتم أتخاذ إجراءات وقائية من بينها إيصال تلك الأجزاء إلى الشبكة الأرضية.

يمكننا الحصول على ارضي مناسب للدور السكنية مثلا باستخدام قضيب معدني واحد أو اكثر 

يدفن في التربة لغرض تحقيق التماس مع كتلة الأرض .

   تتوفر قضبان على شكل مقاطع يمكن ربطها ببعضها لغرض الحصول على قضيب بالطول المطلوب وتغرز في الأرض بواسطة الدق للوصول إلى طبقات الأرض ذات المقاومة النوعية الواطئة وبالتالي الحصول على مقاومة ارضي واطئة . وللحصول على مقاومة اقل يستخدم غالبا عدة قضبان تربط ببعضها على التوازي بواسطة موصلات أرضية لتكوين شبكة أرضية يمكن تشبيهها بشجرة كبيرة ، حيث تربط كافة المعدات الكهربائية والهياكل المعدنية بالشبكة وتمثل الأوراق بالنسبة للشجرة بينما تمثل توصيلات الأرضي بأغصان الشجرة وقابلو الأرضي الرئيسي بساق الشجرة في حين تمثل أقطاب الأرضي 

جذور الشجرة .

من شروط الأرضي الجيد أن تكون مقاومته اقل ما يمكن و تتراوح عادة بين 1 – 5 أوم ، ألا

أن الحصول على مثل هذه القيم في تربة ذات مقاومة نوعية عالية لا يمكن الوصول أليه ببساطة باستخدام عدد معقول من الأقطاب الأرضية وهذا يعني كلف عالية ، لذا فان من الضروري حساب أعلى قيمة مقاومة يسمح بها على أساس المقاومة الكلية لدائرة العطب الأرضي التي تسمح بمرور تيار عطب كافي لاشتغال جهاز الحماية (صهيرة ، قاطع دورة أو مناولة) لعزل الدائرة الكهربائية المعطوبة .

سؤال:

لكن لماذا يجب أن تكون مقاومة الأرضي واطئة

ببساطة نحتاج لقانون أوم فقط للتوصل لذلك.

Ohm’s Law: E = R x I
Where:
E is volts
R is the resistance in ohmس
I is the current in amperes
أفترض عندك تجهيز كهربائي بجهد 4000 فولت ( 2300 فولت للأرض ) مع مقاومة كهربائية 13 أوم.

أفترض أن سلك عاري في هذا النظام مس جسم المحرك المتصل بالأرض من خلال مقاومة مقدارها 10 أوم.

بتطبيق قانون أوم سيمر تيار مقداره 100 أمبير من جراء هذا العطب (من المحرك إلى الأرض)

I=E/R = 2300/(10+13)= 100 Amperes

 إذا حدث وأن لمس شخص جسم المحرك وهو على تماس مباشر مع الأرض فأنه سيتعرض إلى جهد كهربائي مقداره 1000 فولت (10 أوم X 100 أمبير).

هذا الجهد الكهربائي كافي لقتل هذا الشخص.

فإذا كانت قيمة مقاومة الأرض أقل من 1 أوم فأن الصعقة الكهربائية التي سيتعرض لها هذا الشخص ستكون:

100 فولت أو أقل (1 أوم X 100أمبير) و ستكون هناك فرصة أمام هذا الشخص للعيش ومن ثم قيامه بإصلاح هذا العطب.

هذا بالنسبة للشخص فأن المعدات الكهربائية يمكن أن تتلف عند تعرضها لمثل هذا الجهد الكهربائي.

 تعاريف:

1.  الشبكة الأرضية .. هي مجموعة الموصلات التي يتم بواسطتها إيجاد أتصال كهربائي جيد بين الاجزاء و الهياكل المعدنية المكشوفة وبين كتلة الارض.

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 الأتصال 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 و والاوعية 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 Earthing)

 ويستخدم لغرض تسريب التيارات 

    العالية جدا التي تنتج عند حدوث تفريغ كهربائي ناتج عن الصواعق وبذلك تتم حماية المنشأت من أخطار الحريق و الدمار الذي يمكن أن ينتج عند عدم وجود حماية من الصواعق.

المبادئ العامة لتصميم الشبكة الارضية:

1.    تقليل فرق الجهد بين الاجزاء 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 اللأرضي .. يكون ذلك بأستخدام موصلات للشبكة الأرضية ذات حجوم مناسبة تجعل مقاومتها قليلة إضاقة إلى أختيار 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 اليه حيث يؤدي ذلك إلى تحسس أجهزة الحماية الكهربائية وبالتالي الى قيامها بقطع التيارعن الجزء المعطوب أي عزله عن الاجزاء السليمة من الدائرة الكهربائية وخلال وقت قصير جدا فتوفرالحماية الكافية للتأسيسات من الاعطاب و الحرائق وحماية الاشخاص 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.

ان الأجزاء الرئيسية لممانعة دائرة العطب الارضي تتكون ممايلي:

2-1 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 الارض عند كل من جهة المصدر (مقاومة نقطة الحيادي للمحولة الى الارض ) وجهة المستهلك، ويفترض ان تكون مقاومتها قليلة (جزء من الأوم لغاية بضع أومات) ان كانت اقطاب الارضي بحالة جيدة، وأخيرا مقاومة منطقة العطب وتتبع مقاومتها طبيعة ونوع العطب.

في هذا النوع من المنظومات تشكل مقاومة الاقطاب الارضية الجزء الأكبر من المقاومة الكلية لدائرة العطب الارضي، لذا تلعب دورا رئيسيا في فعالية شبكة الارضي ككل ويتطلب الاهتمام بمراقبتها وصيانتها دوريا.

2-2 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 الأعتماد على مقاومة أقطاب الأرضي، لذا تكون اجهزة الحماية الكهربائية في الدوائر الكهربائية المرتبطة بهذه المنظومات ذات تحسس وفعالية أكبر في عزل دوائر العطب الأرضي من مماثلتها في منظومات من نوع TT .

تحليل لممانعة القطب الارضي:

تتكون ممانعة القضيب الأرضي من ثلاثة مركبات  :

1-                       مقاومة معدن القطب .

2-                       مقاومة التماس بين معدن القطب والتربة المحيطة به مباشرة .

3-                       مقاومة التربة نفسها إلى كتلة الأرض المرجعية (Reference Earth) وتعتبراكبر المركبات الثلاث

فحص منظومات الأرضي :

لغرض التأكد من سلامة الأرضي تجرى فحوصات دورية على شبكة الأرضي والتي يتطلب خلالها اتخاذ التحوطات و الاجراءات التالية و يتم أولا فحص شبكة الأرضي بواسطة النظر ثم تجرى عملية قياس مقاومة الاتصال الأرضي باستخدام أجهزة متخصصة:

1-             يجب ارتداء كفوف وتفضل الكفوف الجلدية وفي حالة استعمال كفوف قماش يستحسن ارتداء كفوف مطاطية رقيقة تحتها وذلك تحسبا من أي اتصال كهربائي عرضي .

2-             قطع وعزل الطاقة الكهربائية عن منطقة الفحص أن أمكن ذلك وحيث انه غالبا يتعذر تنفيذ هذا الأجراء فلذلك يجب التأكد من تواجد اتصال ارضي آخر بديل خلال إجراء عملية الفحص .

3-             يجب استعمال ارضي مؤقت لحماية الأفراد والمعدات خلال إجراء الفحوصات و القياسات على شبكة الأرضي الأصلي .

بعد التأكد من مراعاة النقاط الثلاث أعلاه يمكننا المباشرة بعملية القياس .

طرق الفحص :

  هناك طريقتان لقياس مقاومة الأرضي، الطريقة الأولى وتعرف بالطريقة المباشرة أو طريقة أنابيب الماء . والطريقة الثانية وتعرف بطريقة اختبار هبوط الجهد وفي كلا الطريقتين سيستعمل مصدر للطاقة الكهربائية من النوع المتناوب وذلك لأن الجهد والتيار المتناوب يزيل تأثير الاستقطاب وبذلك سوف لن تتأثر القياسات من جراء الجهود الشاردة ذات التيار المستمر.

  تتوفر بالأسواق أجهزة فحص تعمل بواسطة البطاريات كمصدر للطاقة الكهربائية ألا أن الجهد الناتج يكون متناوبا وذلك لاستعمال دوائر ألكترونية تحول الجهد المستمر للبطاريات إلى جهد متناوب .

الطريقة الأولى للقياس :

  تتم التوصيلات للجهاز حيث يوصل بين النقطتين ب1 و س1 في الجهاز وكذلك النقطتين ب2 و س2 ثم توصل النقطتين ب1 س1 إلى القطب الأرضي المراد فحصه وتوصيل النقطتين ب2 س2 إلى أنبوب معدني من شبكة الأسالة المعدنية أو توصل تلك النقطتين إلى أي ارضي أسنادي موجود .

  بواسطة الجهاز تقاس المقاومة وقراءة الجهاز تبين مقاومة الأرضي أو شبكة الأرضي تحت الفحص مضافا لها مقاومة شبكة أنابيب الماء ، وذلك لأن أنبوب الماء متصل على التوالي مع القضيب الأرضي وحيث أن مقاومة أنبوب الماء هي 3 أوم أو اقل فان الفرق بالقراءة تمثل مقاومة قضيب الأرضي تحت الفحص أو شبكة الأرضي تحت الفحص . وهناك تحفظات من هذه الطريقة وهي :

1-                  يجب أن تكون مقاومة الأرضي الاسنادي قليلة جدا 

2-                 في حالة استعمال شبكة أنابيب الاسالة المعدنية يجب التأكد من أن الشبكة خالية من الوصلات البلاستيكية وكذلك أن الشبكة غير معزولة بمواد عازلة مثل القير أو النايلون

3-                  يجب أن يكون القضيب الأرضي أو شبكة الأرضي تحت الفحص خارج كرة النفوذ لشبكة أنابيب الاسالة أو القضيب الاسنادي .

الطريقة الثانية للقياس :

   في هذه الطريقة يتم امرار تيار متناوب ذو قيمة ثابتة بين القطب الأرضي تحت الفحص (T) وقطب ارضي ثانوي (T1) يغرز في الأرض على مسافة من (T) بحيث لا تتداخل منطقتي المقاومة للقطبين ، ثم يغرز قطب ثانوي آخر (T2) بين (T) و (T1) ويقاس هبوط الفولتية بين (T) و (T2) حيث تكون مقاومة القطبين مساوية لحاصل قسمة الهبوط في الفولتية أعلاه على التيار المار بين (T) و (T1) ، بشرط أن لا يكون هناك تداخل في مناطق المقاومة للأقطاب .

ولغرض التأكد من صحة النتائج ، يتم اخذ قراءتين أخريتين بتحريك (T2) لمسافة 6م بعيدا عن ، واقرب إلى (T) على التعاقب ، وفي حالة توافق القراءات الثلاث يؤخذ معدلها كمقاومة للقطب الأرضي ، أما إذا كانت القراءات غير متوافقة فيتم إعادة الفحوصات بزيادة المسافات بين (T) و (T1) .

منطقة المقاومة لقطب ارضي:

   يمكن تعريفها بأنها المقاومة الكلية لكتلة التربة أو طبقات الأرض المحيطة بالقطب الأرضي لغاية كتلة الأرض الكلية التي يطلق عليها أيضا بالأرضي البعيد (Remote Earth) أو الأرضي المرجعي (Reference Earth) .

 عندما تكون الأقطاب قريبة من بعضها تتداخل هذه الطبقات ويقال عندئذ بأن منطقتي المقاومة للقطبين متداخلتان، وفي تلك الحالة لا تمثل المقاومة المقاسة بأجهزة الفحص القيمة الحقيقية لمقاومة القطب تحت الفحص ، مما يتطلب وضع الأقطاب بمسافات فاصلة بينها كافية لمنع تتداخل مناطق مقاوماتها .

       تخفيض مقاومة الأرضي :      

   قد يصادفنا ارضي ذو مقاومة عالية ويحتاج الأمر إلى خفض قيمة المقاومة :

1- يمكن معالجة التربة المحيطة بالأرضي كيماويا وبذلك تخفض المركبة الرئيسية لمقاومة الأرضي، وتتم المعالجة عادة بإضافة ملح الطعام للتربة .

2- دق عدد آخر من قضبان الأرضي وربطها معا وبالتالي تخفض مقاومة الأرضي الكلية حيث أن القضيب الثاني يخفض المقاومة بنسبة حوالي 60% والثالث بنسبة 40% والرابع بنسبة 33%  ويجب أن تكون المسافة بين قضيب وآخر مسافة حوالي 5ر1م أو (5 أقدام) على الأقل.

3- غرز القضبان على عمق اكثر يقلل مقاومة الأرضي .

4- استخدام شبكة من القابلوات غير المعزولة كتوصيلات بين القضبان يخفض المقاومة بدرجة اكبر.

  أما زيادة قطر قضيب الأرضي فله تأثير جزئي وقليل على إنقاص المقاومة.

 تأثير الرطوبة على مقاومية التربة

تأثير تغير درجات الحرارة (التجمد أو الجليد وبرودة الجو) على مقاومية التربة

يجب تسجيل قراءات المقاومة عند فحص شبكة الأرضي وتسجيل تاريخ الفحص والظروف الجوية عند الفحص ،

كما يجب أن تجرى الصيانة اللازمة على شبكة الأرضي في حالة الحصول على قراءات عالية.

قياس المقاومة النوعية للتربة :

  أن معرفة المقاومة النوعية للتربة مهم جدا عند اختيار أماكن دفن الأرضي ، ويتم تسقيط القيم المقاسة على مخطط الموقع المخصص للمشروع خلال أعمال المسوحات الحقلية الأولية المطلوبة لإنشاء المشروع . تعتبر مناطق المقاومة النوعية الواطئة للتربة عادة افضل المناطق لدفن الأقطاب الأرضية .

  يستخدم عادة جهاز (وينر) ذو الأقطاب الأربعة لقياس المقاومة النوعية وكما يلي : يتم غرز أربعة مسامير في الأرض بحيث تكون على خط مستقيم واحد وبأبعاد متساوية بينها وبحيث تكون تلك المسافات كبيرة بالمقارنة مع عمق المسامير المغروزة في الأرض . يتم امرار التيار بين المسمارين الخارجيين س1 و س2 ، وتقاس الفولتية بين المسمارين الداخليين ب1 و ب2 حيث تكون المقاومة بين القطبين ب1 و ب2 ناتجا لتقسيم الفولتية على التيار وتحتسب المقاومة النوعية للتربة من المعادلة التالية :

 حساب مقاومة قضيب ارضي :

  اتضح مما سبق أن التأريض هو عبارة عن توصيل هياكل الأجهزة و الأجزاء المعدنية الأخرى إلى كتلة الأرض بحيث يمكن التخلص من الجهد الكهربائي الخطر على تلك الهياكل و الاجزاء المعدنية ، و يجري التوصيل إلى كتلة الأرض خلال منظومة أرضية كما ذكر أنفا .

  دعنا نتأمل القضيب الأرضي  لنفترض أن عمق القضيب المدفون في الأرض هو 2م وان قطر الأنبوب هو (16) ملم وان المقاومة النوعية للتربة هي (30) أوم . متر فان مقاومة القضيب إلى الأرض يمكن احتسابها بالمعادلة التالية :

  لو كانت المعدة الكهربائية التي يتطلب تأريضها تشكل جزء من منظومة (TT) (التي سنأتي على ذكرها لاحقا) فان ذلك يعني أن نقطة المحايد لمحولة التغذية والمعدة مؤرضتين بشكل مستقل عن بعضهما (بدون التوصيل بين أرضيهما) ، لذا يتطلب توفر ما يلي :

1-        يجب أن لا تتجاوز ممانعة دائرة الأرضي قيمة محددة عليا تسمح بمرور تيار عطب ارضي ذو قيمة كافية لاشتغال جهاز الحماية (صهيرة أو قاطع دورة) وبالتالي لعزل الدائرة خلال وقت محدد (5 ثواني على سبيل المثال بالنسبة للدوائر المغذية للأجهزة الثابتة وبموجب أنظمة معهد المهندسين الكهربائيين IEE ) .

2-             يجب أن لا يتجاوز جهد التماس قيمة تعتمد على زمن فصل الدائرة من قبل جهاز الحماية ، مثلا 50 فولت لفترة 5 ثواني .

حالة دراسية وحساباتها :

  محرك كهربائي بقدرة 11 كيلوواط ، 380 فولت ، 3 اطوار ، بكفاءة 87ر0 ومعامل قدرة 82ر0 عند التحميل الكامل .

من الواضح بان استخدام هذا العدد من القضبان الأرضية لتوفير ارضي لجهاز واحد مثل هذا المحرك ليس عمليا أو اقتصاديا ، لذا فان المتبع عادة هو تنفيذ شبكة ارضي واحدة ومشتركة لجميع تأسيسات المنشأة الصناعية والتي تتكون من عدد من الأقطاب الأرضية موزعة على الموقع ومتصلة ببعضها بواسطة قابلوات أو شرائط نحاسية غير معزولة مما يساهم بفعالية تخفيض قيمة المقاومة الكلية إلى الأرض إلى الدرجة المطلوبة . يفضل في المنشآت الصناعية استخدام منظومة ارضي من نوع (TN) ، حيث يستخدم موصل حماية ارضي (PE) للربط بين ارضي التأسيسات ونقطة المحايد لمحولة التغذية ، ويوفر ذلك مسارا ذا مقاومة واطئة جدا لتيار العطب وبهذا يسمح لمرور تيار عالي يكفي للتشغيل السريع لجهاز الحماية وبهذا يوفر حماية افضل للأجهزة و التأسيسات والعاملين  .

 المقاومة النوعية للتربة :

  تبين الأرقام التالية مديات قيم المقاومة النوعية لانواع من التربة والمحاليل المحيطة :

-  تراب الحدائق 5 – 60 أوم . متر .

-  طين خزفي (Clay) 10 – 100 أوم . متر .

-  رمل (Sand) 250 – 500 أوم . متر .

-  صخور 1000 – 10000 أوم . متر .

-  ماء البحر 0.17 أوم . متر .

 ملخص أهداف تأريض المنظومات الكهربائية :

  يمكن تلخيص الأهداف الرئيسية لمنظومات التأريض الكهربائية بما يلي :

1.    منع الحاويات المعدنية المكشوفة للأجهزة الكهربائية من اكتساب جهدا كهربائيا خطرا نسبة إلى الاجزاء المعدنية المجاورة وبهذا تقلل خطر الصعقات الكهربائية التي يمكن أن تكون قاتلة أو يمكن أن تؤدي إلى حدوث شرارة تتسبب في اتقاد الغازات و الأبخرة القابلة للاشتعال وتؤدي إلى الانفجارات والحرائق .

2.    السماح عند حدوث عطب بمرور تيار عالي بدرجة كافية بحيث يضمن اشتغال أجهزة الحماية التي تحمي التأسيسات والأجهزة الكهربائية من الأضرار والحرائق .

ممانعة دائرة العطب الأرضي والتيار المار فيها :

  أن التيار المار خلال العطب يعتمد على فولتية المنظومة والممانعة الكلية لدائرة العطب الأرضي ابتداءا من نقطة العطب ، مرورا بممانعة الأرضي العائد للجهاز أو التأسيس ثم ممانعة ارضي نقطة المحايد للمحولة و أخيرا ممانعة أسلاك الطور المغذي للعطب وصولا إلى نقطة العطب .

  يمكن تقسيم الممانعة المكافئة لدائرة العطب الأرضي إلى الأجزاء الثلاثة التالية :

1.                            الممانعة المكافئة للعطب نفسه .

2.                            ممانعات الأرضي للجهاز أو التأسيس وممانعة الأرضي لنقطة محايد المحولة .

3.                            ممانعة موصل الطور المغذي للعطب .

 التيارات الكهربائية الخطرة :

  أن مدى الخطر الذي يتعرض له جسم الإنسان عند مرور تيار كهربائي فيه يتوقف على مسار التيار خلال الجسم وقيمة ذلك التيار التي تتناسب طرديآ مع جهد التماس وعكسيا مع ممانعة الجسم .

  أن تيارا يتراوح بين 01ر0 إلى 015ر0 أمبير يؤدي إلى ردود فعل عضلية كتقليص وانكماش اليد مثلا . أن أعلى تيار يمكن اعتباره غير قاتل يبلغ 002ر0 أمبير كما أن تيارا مقداره 1ر0 أمبير يكفي لقتل إنسان أن مر عن طريق القلب وان عشر هذا التيار أي 01ر0 أمبير قد يكون له نفس التأثير أن مر لفترة طويلة . أن مقدار التيار المار يعتمد على :

1.                                  جهد التماس .

2.                                  الممانعة لمسار التيار أي ممانعة الجسم والتي تتأثر بالرطوبة .

 تعاريف :

   من المفيد شرح بعض التعاريف ذات العلاقة بهذا الموضوع :

جهد التلامس أو (التماس) :

هو عبارة عن فرق الجهد بين موضعي دخول وخروج التيار في جسم الإنسان .جهد العطب الأرضي :

   هو الجهد الناشئ بين الاجزاء المعرضة للمس وبين الأرض عند حدوث وصلة مع جسم الجهاز . أن أعلى جهد تلامس كهربائي يسمح به بشكل مستمر يجب أن يقل عن 50 فولت (متناوب) ولكن يمكن السماح بجهد تلامس اكبر أن توفرت أجهزة حماية ذات زمن فصل مناسب ، فمثلا يمكن السماح بجهد تلامس 220 فولت أن كان زمن القطع لأجهزة الحماية المتوفرة لا يتجاوز 05ر0 ثانية .

 أنواع تأريض المنظومات الكهربائية :

   هناك عدة أنواع لأساليب تأريض المنظومات الكهربائية ويرمز لهذه الانواع بحرفين :

1.                              الحرف الأول يشير إلى ترتيب التأريض عند مصدر الطاقة أي :

        T = نقطة أو اكثر من المصدر تكون مؤرضة .

        I = جميع الاجزاء الحية بضمنها المحايد تكون معزولة عن الأرضي أو ترتبط به عن طريق ممانعة.

2.                             الحرف الثاني يشير إلى طريقة توصيل الاجزاء المعدنية المكشوفة للتأسيسات إلى الأرضي ، أي :

        T = توصيل مباشر إلى الأرضي وبشكل منفصل عن الأرضي التابع لمصدر الطاقة .

        N = توصيل مباشر إلى نقطة المحايد المؤرضة لمصدر الطاقة .

        ويقسم النظام نوع (TN) بدوره إلى أنواع فرعية بحسب العلاقة بين موصلي المحايد والحماية وكالآتي :

           الحرف S = الموصلان منفصلان

           الحرف C = الموصلان متحدان في موصل واحد

   وبموجب أسلوب الترميز أعلاه يمكن تمييز الأنواع التالية من انظمة التأريض :

·                           نظام نوع (TT) : يستخدم هذا النظام في معظم التأسيسات المغذاة بخطوط كهرباء هوائية ، حيث يكون الحيادي والأرضي في التأسيسات منفصلان ولا يتم توفير ارضي للتأسيسات من قبل الجهة المسؤولة عن التغذية وإنما من قبل المستهلك .

·                           نظام نوع (TN-S) : يستخدم في معظم التأسيسات المغذاة بواسطة القابلوات حيث يجري توصيل نقطة الأرضي التابعة للمستهلك إلى نقطة المحايد التابعة لمحولة التغذية بواسطة موصل حماية ارضي (PE) والذي يمكن أن يكون بهيئة موصل أضافي أو غلاف معدني لقابلو التغذية .

·                           نظام نوع (TN-C) : المبدأ مشابه لنظام (TN-S) ولكن بتوحيد وظيفتي المحايد والحماية بموصل واحد يسمى موصل حماية الأرضي والمحايد(PEN)

·        نظام نوع (TN-C-S) : هنا تكون وظيفتي حماية الأرضي والمحايد متحدتان في منظومة التغذية (TN-C) بينما تكونان منفصلتين في التأسيسات (TN-S) ، ويسمى هذا النظام أيضا بتأريض الحماية المتعدد (Protective Multiple Earthing) (PME) حيث يتم تأريض المصدر في عدة نقاط وقد يكون من الضروري توفير قطب ارضي عند أو بالقرب من تأسيسات المستهلك . يسمى موصل (PEN) أيضا بموصل الحماية والأرض المتحد (Combined Neutral & Earth (CNE) Conductor)

·                           نظام نوع (IT) : في هذا النظام يكون المصدر معزولا عن الأرض أو متصل بها من خلال ممانعة ارضي يتعمد إدخالها . لا يستخدم هذا النظام في منظومة التغذية العامة للمستهلكين.

Potential  Equalisation Example: 

    Grid-Type Earthing

مرتسم شبكة الأرضي لهيكل معدني في الصناعة النفطية

مرتسم لتأريض أوعية معدنية في الصناعة النفطية

مرتسم لطريقة تأريض خزان ذو سقف متحرك

مرتسم لطريقة تأريض محولة كهربائية

طريقة تأريض محرك كهربائي

طريقة تأريض الأسيجة والأبواب

طريقة تأريض شاحنات نقل المنتجات النفطية وأذرع التحميل

التطبيق العملي  لمنظومة الأرضي 

 How to Apply Earthing Equipment 

المخطط أعلاه يبين المكونات الأساسية لمنظومة متكاملة لشبكة الاتصال الأرضي.

يعتبر النظام الأرضي الفعال من أولويات متطلبات أي منشأ سكني كان أو صناعي وكذلك لأي نظام هيكلي وذلك لتأمين السلامة اللازمة للأفراد والمعدات والمنشئات.

Earthing systems typically fall into (but are not limited to) one of the following categories:

- Power generation, transmission and distribution

- Lightning protection

- Control of undesirable static electricity

- Telecommunications.

الموصلات وأقطاب الاتصال الأرضي   Conductors And Earth rods

أول ما يقابله المصمم هو اختيار الموصلات المناسبة فأن اختيار الموصل المناسب له أهمية القصوى كأن يكون موصل أو قطب مدفون بالأرض أو موصلات لمنظومة حواسيب أو موصلات لمنظومة نقل الإشارات والسيطرة الالكترونية.

الموصلات  Conductors

هناك ثلاث أنواع من الموصلات

Flat tape

Solid circular

Stranded cable.

هناك مجموعة من أنواع الموصلات وعدد من المعادن المستخدمة في تلك الموصلات فمنها ما هو للاستخدام فوق الأرض ويمكن إن يكون معدنه من النحاس أو الألمنيوم أو الحديد والذي يمكن أن يستخدم كذلك, أو تحت الأرض ويكون عادة من النحاس وذلك لمقاومته العالية للتآكل.

من المهم اختيار النوع والحجم (القطر أي المقطع ) المناسب للموصل حيث سيمر من خلاله تيار عالي لعدة ثواني في حالات العطب أو وجود دائرة قصر وقبل إن يتم اشتغال أجهزة أو منظومة الحماية لعزل المنظومة أو الدائرة الكهربائية.

المصنعين وشركة FURSE على سبيل المثال لا الحصر تسوق مجوعة واسعة من هذا المنتج للموصلات وهي المصنوعة من النحاس أو الألمنيوم وعلى شكل أشرطة أو ذات مقاطع دائرية صلدة أو تلك المشكلة من لباب متعدد ومجدول يغطي اغلب متطلبات المستهلكين وكما مبين أدناه للدلالة ليس أكثر.

Copper conductor ratings

For below ground earthing applications manufacturer produce a large range of bare copper, tape and stranded conductors thus offering the designer of the system the correctly rated conductor without the need to oversize.

The following conductor ratings are based upon the recommendations of BS 7430 with an initial conductor temperature of 30°C and a maximum temperature of 250°C.

Conductor size	CSA	kA for 1 sec	kA for 3 sec	Part no	Conductor size	CSA	kA for 1 sec	kA for 3 sec	Part no
12.5 x 1.5mm	18.75	3.3	1.9	TC005	31 x 6mm	186	32.7	18.9	TC050
12.5 x 3mm	37.5	6.6	3.8	TC010	38 x 3mm	114	20.1	11.6	TC055
20 x 1.5mm	30	5.3	3.0	TC015	38 x 5mm	190	33.4	19.3	TC060 -FU
20 x 3mm	60	10.6	6.1	TC020	38 x 6mm	228	40.1	23.2	TC065
25 x 1.5mm	37.5	6.6	3.8	TC025	40 x 3mm	120	21.1	12.2	TC067
25 x 3mm	75	13.2	7.6	TC030	40 x 4mm	160	28.2	16.3	TC066
25 x 4mm	100	17.6	10.2	TC035	40 x 5mm	200	35.2	20.3	TC071
25 x 6mm	150	26.4	15.2	TC040	40 x 6mm	240	42.2	24.4	TC068
30 x 2mm	60	10.6	6.1	TC039	40 x 6.3mm	252	44.4	25.6	TC069
30 x 3mm	90	15.8	9.1	TC042	50 x 3mm	150	26.4	15.2	TC070
30 x 4mm	120	21.1	12.2	TC044	50 x 4mm	200	35.2	20.3	TC075
30 x 5mm	150	26.4	15.2	TC043	50 x 5mm	250	44.0	25.4	TC078
31 x 3mm	93	16.4	9.5	TC045	50 x 6mm	300	52.8	30.5	TC080
31.5 x 4mm	126	22.2	12.8	TC048	50 x 6.3mm	315	55.4	32.0	TC082

 أقطاب الأتصال الأرضي

  Earth Rods and Plates                                          

يعتبر قطب الاتصال الأرضي أن كان على شكل قضيب أو صفيحة معدنية هو نقطة الاتصال مع الأرض والتي يمرر من خلالها تيار العطب إلى كتلة الأرض الواسعة, حيث تعطي قضبان الاتصال الأرضي مقاومة واطئة مع زيادة العمق المغروز به القطب.

قطب الاتصال الأرضي   Rods Electrodes

وهو احد الوسائل المستخدمة كقطب للاتصال الأرضي والأكثر شهرة واستخداما  في منظومات الاتصال الأرضي  حيث يمكن دفعه في تربة الأرض إلى عمق من واحد متر إلى عشرون متر ويعتمد ذلك على نوع وتركيب التربة وصنع عادة من الحديد المغلون أو النحاس أو من الحديد الملبس بأنبوب رقيق نحاسي .

قطب الاتصال الأرضي   Strip Electrodes                                      

ويكون على شكل شريط نحاسي بقياس  25 ملم * 3 ملم أو 50 ملم * 6 ملم أو قياس آخر ويمكن أن يدفن على شكل شعاعي أو بأي طريقة أخرى.

ويمكن إن يكون استخدام  هذه الأسلوب قليل التكاليف في التربة الجيدة.

أقطاب الأرضي الصفيحية      Plate Electrodes

وهي صفائح معدنية بقياس 600 ملم * 600 ملم من النحاس ويمكن أن توضع يشكل عمودي أو أفقي وتستخدم في التربة الضحلة وهذا النوع  ذو كلفة نسبية عالية.

من فوائد هذا النوع فأن الصفيحة الواحدة تعوض عن استخدام 4 – 6 قضبان وتستخدم هذه الطريقة عند وجود طبقة صخرية تحت التربة و في المحطات الثانوية عموما.

الموصلات ونقاط الوصل     Connectors and Terminations   

نظام التأريض الفعال يعتمد على الموصلات الجيدة ونقاط الربط والوصل المحكمة والجيدة من حيث القوة الميكانيكية والتوصيل الكهربائي, فأن نقاط  الربط أو الوصلات الرديئة والسيئة أو المطبقة أو منفذة بصورة غير نظامية أو محكمة قد تكون سبب أساسي في فشل عمل منظومة التأريض وقد تسبب إلى كوارث أو حالات وفات.

اللحم الحراري     Exothermic Welding

                                                
A simple, self-contained method of forming high quality electrical connections which requires no external power or heat source. Connections are made using the high temperature reaction of powdered copper oxide and aluminum.

الموصلات عن طريق الضغط   

تستخدم في الحالات التي يصعب أو لا يرغب باستخدام طريقة اللحم الحراري فيها وهي وصلة دائمة عند استخدام القطعة والعدة والضغط المناسب, وعندها تكون هذه الوصلة قوية جدا ويمكن دفنها بالخرسانة أو التربة بعد تغليفها بمادة عازلة لحمايتها من التآكل.

 الماسكات الميكانيكية         Mechanical Clamps                                        

هي الماسكات التقليدية والمتمثلة بالصورة أدناه وهي قد تكون غير مناسبة للوصلات الدائمية حيث يمكن أن تحل وتحتاج إلى فحص ومعاينة دورية للتأكد من سلامتها. 

 All mechanical clamps are manufactured from high copper content alloy. They have high mechanical strength, excellent corrosion resistance and conductivity.

حفر وأحواض التفتيش   Earth Inspection Pits       

                

Regular inspection and testing of the earthing system is essential. Inspection pits allow easy access to earth electrodes and conductors to facilitate this procedure.

قضبان (مساطر) توصيل وربط  نقاط الأرضي  Earth Bars

هي المساطر المعدنية من النحاس أو الألمنيوم وربما من الحديد المغلون والتي تتصل بها النقاط والتوصيلات الفرعية بين المعدات ونقاط الاتصال الأرضي ومنها يمكن إجراء عمليات عزل لإجراء فحوصات.

 

Soil Conditioning Agents  المعالج الكيماوي للتربة                       

Soil conditioning agents are to be used in areas where required resistivity levels are difficult to achieve. When used as a backfill for earth electrodes, soil conditioning agents effectively act to increase the electrodes surface area thus lowering its resistance to

earth

Soil Type	Probable value (Ohm.m)	Range (Ohm.m)
Alluvium and lighter clays	5	moisture dependant
Clays (Excluding alluvioum) الطين عدا الطمي	10	5-20
Marls (e.g. Keuper marl)	20	10-30
Porous limestone (e.g. chalk) الكلس مثل الطباشير	50	30-100
Porous sandstone الحجر الرملي المثقب	100	30-300
Quartzites, compact and crystalline limestone (e.g. carboniferous sediments, marble, etc.) الكوارتس و الرخام	300	100-1000
Clay slates and salty chales	1000	300-3000
Granite  الصوان	1000	750-1250
Fissile slates, schists, gneiss and igneous rock	2000	1000+

Earthing Design Considerations  الاعتبارات في تصميم الأرضي         

إن تصميم الجيد والتركيب الصحيح للمعدات وأجزاء المنظومة سيحمي حياة العاملين والأجهزة والمعدات الكهربائية من التلف والعطب.

A good earth connection should have:
·        Low electrical resistance to earth.
·        Good corrosion resistance.
·        Ability to carry the required current repeatedly.
·        A reliable life of at least 30 years.

أن العوامل الحاكمة في ذلك هي:
·        Soil resistivity.
·        Electrode dimensions.
·        Area available.
·        Earth electrode materials.

مقاومة التربة    Soil Resistivity

وهي تعتمد على تركيب ومكونات الرتبة وأن أي تغير في مكوناتها يؤثر بصورة مباشرة على قيمة مقاومة التربة.

Soil type Typical resistivity Ohm-m Marshy ground 2 - 2.7 Loam and clay 4 - 150 Chalk 60 - 400 Sand 90 - 8,000 Peat 200 up wards Sandy gravel 300 – 500 Rock 1,000 up wards                                 Effect of soil type on resistivity

الرطوبة  Moisture 

                                                               

لرطوبة  التربة تأثير مباشر على مقاومة التربة فكلما زادت رطوبة  التربة كلما انخفضت مقاومة التربة.

فالمطر والمناطق الممطرة تكون تربتها ذات مقاومة منخفضة عموما عكس المناطق الجافة والصحراوية لذا يجب غرز قضبان الأرضي إلى عمق كافي لوصولها لمستوى الماء الطبيعي في المنطقة.

    Effect of Moisture on Resistivity

Moisture content % by weight	Resistivity Ohm-m Top soil	Resistivity Ohm-m Sandy loam
0	1,000 x 10^4	1,000 x 10^4
2.5	2,500	1,500
5	1,650	430
10	530	185
15	310	105
20	120	63
30	64	42

Chemical Composition           التركيب الكيميائي للتربة                   

الملح وبعض التراكيب الكيماوية لها تأثير فعال في خفض مقاومة التربة وهذا يتغير مع كمية الأمطار الساقطة وسيح الماء السطحي ومستوى ارتفاع الماء الطبيعي بالتربة.

أحدى طرق خفض مقاومة التربة هو أضافه الملح لها ولكن كثرة ذلك تزيد من عامل التآكل بالتربة والترشيح  leaching  وبالتالي يضر بالمعادن المستخدمة في منظومة الاتصال الأرضي.

 Effect of Salt on Resistivity for
Sandy Loam, 15.2% Moisture

Added salt (% by weight of moisture)	Resistivity Ohm-m
0.0	107.0
0.1	18.0
1.0	4.6
5.0	1.9
10.0	1.3
20.0	1.0

الحرارة  Temperature     

                                                    

عندما تتجمد التربة ترتفع مقاومتها بصورة دراماتيكية وعليه قد تصبح التربة غير صالحة خلال فصل الشتاء القارص.

وعليه أذا تغيرت درجة حرارة التربة من +20 درجة مئوية إلى  - 5 درجة مئوية فأن مقاومة التربة تتضاعف أكثر من عشرة مرات.

Effect of Temperature on Resistivity for
Sandy Loam, 15.2% Moisture

Temperature (°C)	Temperature (°F)	Resistivity Ohm-m
20	68	72
10	50	99
0	32 (water)	138
0	32 (ice)	300
-5	23	790
-15	14	3,300

قياسات قطب الاتصال الأرضي                              

أهم الاعتبار يعطى لطول القطب الأرضي لتأثيره الفاعل على قيم مقاومة الاتصال الأرضي  فالطول الأكثر للقطب يعني الكثافة الأوطأ للتيار في التربة المباشرة المحيطة بالقطب.

لذلك فأن قطب الاتصال الأرضي من النوع القضيبي أو من النوع الشريطي ستكون مقاومتهما أقل من القطب الصفيحي ذو نفس المساحة السطحية.

عند وصول قطب الاتصال الأرضي الرطوبة الطبيعية للتربة والبعيدة عن حالة التجمد  سيعطي أوطئ مقاومة للاتصال الأرضي يمكن الحصول عليها.

غالبا ما يكون هذا  العمق  على بعد عدة أمتار من سطح الأرض وأفضل طريقة اقتصادية للحصول على ذلك هو بغرس الأقطاب لهذا البعد.

عندما تكون هناك طبقة صخرية على بعد قليل من سطح الأرض فيمكن استخدام عدد من القضبان بطول مناسب توصل مع بعضها على التوازي للحصول على المقاومة المطلوبة أو استخدام الأقطاب الصفيحية.

في أغلب الأحيان بل في كل الأحوال لا يجوز عمل قطب اتصال ارضي  باستخدام قضيب أو شريط أو صفيحة واحدة فقط للوصول للمقاومة المطلوبة وعليه يجب أن توصل الأقطاب مع بعضها على التوازي لخفض المقاومة الكلية شرط إن تكون تلك الأقطاب خارج منطقة نفوذ بعضها.

آخذين بنظر الاعتبار بالنسبة للقطب الأرضي من القضبان بأن تبعد عن بعضها بطول القضيب نفسه للخروج من دائرة النفوذ.

مادة قطب الاتصال الأرضي   Earth Electrode  

                      

أقطاب الاتصال الأرضي الممتازة تصنع من النحاس الصلب أو الحديد المقاوم للصدأ ( الستينلس ستشيل ) أو Copper Bonded steel.

أن الأقطاب المصنوعة Copper Bonded steel ربما تكون هي الأفضل لمزاياها من حيث المتانة ومقاومة التآكل ورخص ثمنها.

كذلك هناك قضبان مصنوعة من الحديد المغلون.

اعتبارات تصميم الحماية من الصواعق للأبنية والهياكل

Structural lightning protection design considerations

المواصفة القياسية البريطانية  BS 6651 (Protection of structures against lightning) يغطى هذا النوع من الحماية.

أن مكونات واعتبارات هذا النظام حسب المواصفة BS 6651 تعتمد على:

·        Air Termination Network.
·        Down Conductors.
·        Earth Termination Network.
·        Bonding (to prevent side flashing).
·        Corrosion.
·         Inspection, testing, records and maintenance

كيفية تطبيق الحماية من الصواعق

How To Apply Lightning Protection  

المكونات:

1.    Conductors.
2.    Conductor fixings .
3.    Air terminals.
4.    Air terminal bases.
5.    Conductor jointing clamps.
6.    Test clamps .
7.    Earth electrodes.
8.    Earth rod clamps.
9.    Earth inspection chambers.

    10. Bonds

الموصلات     Conductors                                                            

أول ما يقابله المصمم لنظام منع الصواعق هو نوع الموصل (السلك) الذي يتوجب  اختياره حيث هناك أكثر من اختيار لمادة السلك, موصل نحاسي أو من الألمنيوم  أو من الحديد المغلون.

كذلك عليه اختيار نوعية السلك هل هو ذو مقطع دائري صلد  Solid Circular  أو ذو لباب مجدولة  Stranded  أو شريطي Tape.

الموصل أو السلك النازل         Down Conductor Network

                      

الموصل أو السلك النازل هو السلك الذي سيمر به التيار الكهربائي الناتج عن الصاعقة لإيصاله إلى شبكة الاتصال الأرضي.

مثبتات السلك أو الموصل        Conductor Fixings

                                      

من المهم بمكان اختيار المثبت المناسب لنوعية السلك المستخدم والذي يضمن تثبيت جيد له حيث أن هناك العديد من الأنواع وكذلك من المهم تحديد واختيار المناسب منها فهناك ما يناسب البناء بالأجر أو الحجر أو الخرسانة أو الهياكل المعدنية ومنها ما هو مصنوع من البلاستك ومنها ما من المعدن ناهيك ما هو مناسب لشكل ومقطع السلك.

Air Termination Network   شبكة الاتصال الجوي                            

أن شبكة الاتصال الجوي هي نقطة الاتصال مع الصاعقة  وهي عبارة عن شبكة معدنية موصلة من النحاس أو الأستنلس ستيل, تغطي  هيكل البناء أو المنشئة.

Air Terminals  

Air Terminal Bases   قاعدة شبكة الاتصال الجوي                             

ويجب اختيار القاعدة المناسبة والتي تثبت شبكة الاتصال الجوي بصورة عمودية على سطح المبنى وتؤمن مقاومة منخفضة جدا مع سلك التوصيل لبقية شبكة الحماية من الصواعق.

Conductor Jointing Clamps      وصلة تركيب ماسك السلك             

ويجب أن تكون محكمة التوصيل  وتؤمن مقاومة منخفضة جدا مع سلك التوصيل لبقية شبكة الحماية من الصواعق.

 Test Clamps  تركيبة الفحص                                                 

تستخدم لإجراء الفحوصات الدورية ولإجراء الفصل بين أجزاء الشبكة وتوضع في مسار التوصيلات النازلة.

Earth Termination Network                   شبكة الاتصال الأرضي  

وهي كما سبق شرحها في منظومة الاتصال الأرضي

الملحقات المستخدمة

هناك العديد من الملحقات واللوازم الأساسية والتكميلية التي تستخدم في منظومات الأنصال الأرضي ومانعات الصواعق, في أدناه بعض منها:

 صورة لتفريغ كهربائية صاعقة في مانعة للصواعق في بناية مرتفعة

 تفريغ كهربائي لصاعقة في مجري لنهر

كود أدسنس 200*90

كود أدسنس 336*280