يشير تأريض الجهد العالي إلى مجموعة من الإجراءات التي تربط النظام الكهربائي ومعداته والأجزاء المعدنية المرتبطة به بشبكة التأريض. ويهدف هذا النظام إلى حماية الأشخاص والمعدات، والتحكم في جهود الأعطال، ومساعدة أجهزة الحماية على فصل الأعطال بسرعة.
وتزداد أهمية التأريض في شبكات الجهد المتوسط والعالي بسبب ارتفاع مستويات الطاقة وتيارات الأعطال المحتملة. لذلك، يحتاج تصميم شبكة التأريض إلى دراسة خصائص النظام والتربة وتيار العطل وطريقة الحماية المستخدمة.
ولفهم أساسيات التأريض بشكل أوسع، يمكنك الاطلاع على مقال نظام التأريض الكهربائي، الذي يشرح مفهوم التأريض ووظيفته في حماية المعدات.
لماذا يعد تأريض الجهد العالي مهمًا؟
عند حدوث عطل كهربائي، مثل انهيار العزل أو حدوث قصر بين موصل والأرض، يمكن أن يمر تيار عطل كبير عبر مسارات التأريض.
إذا لم يوفر نظام التأريض مسارًا مناسبًا لتيار العطل، فقد تظهر جهود خطرة بين أجزاء مختلفة من الموقع. لذلك، يساعد التأريض المصمم بشكل صحيح على:
- حماية الأشخاص من الصعق الكهربائي.
- تقليل مخاطر ارتفاع جهد الأجزاء المعدنية.
- توفير مسار مناسب لتيارات الأعطال.
- مساعدة مرحلات الحماية والقواطع على اكتشاف الأعطال وفصلها.
- تقليل احتمالية تعرض المعدات للتلف بسبب الأعطال والجهود غير الطبيعية.
- التحكم في الجهود بين المعدات وسطح الأرض.
ولهذا السبب، يمثل التأريض جزءًا أساسيًا من تصميم المحطات وشبكات التوزيع ومعدات الجهد المتوسط والعالي.
وتظهر أهمية ذلك بشكل أكبر عند حدوث القصر الكهربائي، إذ قد يرتفع التيار إلى مستويات كبيرة خلال فترة قصيرة. ويمكنك معرفة المزيد عن طبيعة هذا العطل في مقال ما هو القصر الكهربائي؟ أسبابه وكيف يحدث وطرق الوقاية منه.
ما أهداف تأريض الجهد العالي؟
لا يقتصر التأريض على توصيل المعدات بالأرض فقط، بل يحقق عدة أهداف هندسية مهمة.
حماية الأشخاص
يساعد التأريض والربط التأريضي على تقليل فروق الجهد الخطرة بين الهياكل المعدنية والأرض.
وتظهر أهمية ذلك بشكل خاص أثناء الأعطال، عندما يمكن أن ترتفع جهود بعض أجزاء الموقع بالنسبة إلى الأرض البعيدة.
حماية المعدات
يساعد نظام التأريض على توفير مسار مناسب لتيارات الأعطال، مما يقلل من استمرار العطل داخل النظام.
كما يساهم في الحد من بعض التأثيرات الناتجة عن الأعطال والجهود العابرة، وفق تصميم النظام ووسائل الحماية المستخدمة.
دعم منظومة الحماية
تحتاج أجهزة الحماية إلى ظروف كهربائية مناسبة لاكتشاف الأعطال.
لذلك، يوفر نظام التأريض مسارًا لتيار العطل وفق طريقة تأريض النظام، مما يساعد المرحلات والقواطع على تحديد العطل وفصل الجزء المتأثر.
ما أنواع تأريض أنظمة الجهد العالي؟
تختلف طريقة التأريض حسب تصميم النظام ومتطلبات الحماية وطبيعة الشبكة.
ومن أشهر طرق تأريض نقطة التعادل:
التأريض الصلب
في هذه الطريقة، تُوصل نقطة التعادل بالأرض مباشرة تقريبًا دون إضافة مقاومة كبيرة في مسار التأريض.
وتسمح هذه الطريقة بمرور تيار عطل أرضي مرتفع نسبيًا، لذلك يجب تصميم الحماية والمعدات لتحمل ظروف العطل وفصلها بالشكل المطلوب.
التأريض بالمقاومة
تُستخدم مقاومة بين نقطة التعادل والأرض بهدف الحد من تيار العطل الأرضي إلى قيمة محددة.
وتساعد هذه الطريقة على تقليل شدة تيار العطل مقارنة بالتأريض الصلب، مع المحافظة على ظروف مناسبة لتشغيل منظومة الحماية.
التأريض بالمفاعلة
في بعض الأنظمة، يمكن استخدام مفاعل للحد من تيار العطل الأرضي.
ويعتمد اختيار هذه الطريقة على خصائص الشبكة ومستويات تيار القصر ومتطلبات الحماية.
ما هو التأريض عالي المقاومة؟
التأريض عالي المقاومة (HRG) هو إحدى طرق تأريض النظام التي تستخدم مقاومة في نقطة التعادل للحد من تيار العطل الأرضي.
ويظهر استخدام هذه الطريقة في بعض الأنظمة الصناعية، خصوصًا عندما يكون استمرار التشغيل أثناء أول عطل أرضي من أهداف التصميم.
ولا توجد قيمة واحدة للمقاومة تناسب جميع الأنظمة، لأن اختيارها يعتمد على جهد النظام وتيار العطل ومتطلبات الحماية وطبيعة الأحمال.
لذلك، لا ينبغي اعتبار التأريض عالي المقاومة طريقة ثابتة لجميع أنظمة الجهد العالي، بل هو خيار تصميمي يعتمد على ظروف كل نظام.
ما الفرق بين تأريض النظام وتأريض المعدات؟
من المهم التمييز بين نوعين أساسيين من التأريض.
تأريض النظام
يرتبط هذا النوع بالنظام الكهربائي نفسه، مثل توصيل نقطة التعادل في المحول أو المولد بالأرض مباشرة أو من خلال مقاومة أو مفاعل.
ويهدف إلى تحديد سلوك النظام أثناء الأعطال الأرضية والتحكم في تياراتها.
تأريض المعدات والربط التأريضي
يتم فيه توصيل الأجزاء المعدنية غير الحاملة للتيار بشبكة التأريض.
وتشمل هذه الأجزاء:
- هياكل المعدات.
- أغلفة اللوحات والمحولات.
- الهياكل المعدنية.
- الأسوار المعدنية.
- بعض الأنابيب والمنشآت المعدنية المرتبطة بالموقع.
ويهدف الربط التأريضي إلى تقليل فروق الجهد بين الأجزاء المعدنية المختلفة، خصوصًا أثناء حالات الأعطال.
ما هي شبكة تأريض المحطات؟
تستخدم المحطات الكهربائية شبكة تأريض تتكون من مجموعة من الموصلات والأقطاب المدفونة في التربة.
وقد تشمل المنظومة:
- شبكة موصلات مدفونة.
- قضبان تأريض.
- موصلات ربط بين المعدات والشبكة.
- وصلات تأريض للهياكل المعدنية.
- نقاط ربط للمعدات والمحولات والهياكل.
ويعتمد تصميم هذه الشبكة على خصائص الموقع ومستوى تيار العطل ومدة استمراره ومقاومة التربة ومتطلبات السلامة.
وفي شبكات التوزيع السعودية، تظهر تطبيقات التأريض في مستويات جهد مثل 13.8 و33 كيلوفولت، لذلك يعد تصميم منظومة التأريض مهمًا في المحولات وشبكات التوزيع والمحطات ومعدات الجهد المتوسط.
ما هو جهد شبكة التأريض؟
عند حدوث عطل أرضي، قد يرتفع جهد شبكة التأريض بالنسبة إلى الأرض البعيدة.
ويُعرف هذا الارتفاع باسم ارتفاع جهد شبكة التأريض (GPR).
ولا يعني ذلك أن شبكة التأريض تعمل عند جهد مرتفع أثناء التشغيل الطبيعي، بل إن هذا الارتفاع يرتبط بمرور تيار العطل عبر شبكة التأريض ومقاومة التربة ومسار التيار.
لذلك، يدرس المهندسون قيمة هذا الارتفاع عند تصميم شبكات التأريض.
ما هو جهد الخطوة؟
جهد الخطوة (Step Voltage) هو فرق الجهد بين نقطتين على سطح الأرض يفصل بينهما مسافة قريبة من طول خطوة الشخص.
وقد يظهر هذا الفرق أثناء مرور تيار عطل إلى الأرض.
لذلك، يجب تصميم شبكة التأريض بحيث تبقى جهود الخطوة ضمن الحدود الآمنة المعتمدة في التصميم.
ما هو جهد اللمس؟
جهد اللمس (Touch Voltage) هو فرق الجهد الذي قد يظهر بين جسم معدني يمكن للشخص لمسه ونقطة على سطح الأرض يقف عليها.
وتزداد أهمية هذا العامل في المحطات الكهربائية والمواقع التي تحتوي على هياكل معدنية ومعدات مكشوفة.
لذلك، لا يكفي قياس مقاومة التأريض وحدها للحكم على سلامة شبكة التأريض، بل يجب أيضًا دراسة جهود الخطوة واللمس أثناء حالات الأعطال.
ما العوامل التي تؤثر في تصميم تأريض الجهد العالي؟
يعتمد تصميم نظام التأريض على مجموعة من العوامل، وأهمها:
مقاومة التربة النوعية
تؤثر مقاومة التربة النوعية بشكل مباشر في قدرة تيار العطل على الانتشار داخل الأرض.
ولهذا السبب، يجب إجراء قياسات مناسبة للتربة قبل تصميم شبكة التأريض في المشاريع المهمة.
تيار العطل
يجب معرفة أقصى تيار عطل يمكن أن يمر عبر نظام التأريض.
وتساعد هذه القيمة في تحديد مقاطع موصلات التأريض وقدرتها على تحمل التأثيرات الحرارية والميكانيكية للعطل.
وللتوسع في هذه النقطة، يمكنك قراءة مقال طرق حساب تيار القصر الكهربائي في السعودية.
مدة العطل
لا يعتمد تصميم موصلات التأريض على قيمة تيار العطل فقط.
فمدة استمرار التيار تؤثر أيضًا في مقدار الطاقة الحرارية التي يتعرض لها الموصل أثناء العطل.
مساحة شبكة التأريض
تؤثر أبعاد شبكة التأريض وتوزيع الموصلات في توزيع الجهد داخل منطقة المحطة.
لذلك، يحتاج التصميم إلى توزيع مناسب للموصلات والأقطاب وفق خصائص الموقع.
نوع الموصل ومواد التأريض
يُختار موصل التأريض وفق تيار العطل ومدة العطل والظروف البيئية ومتطلبات المشروع.
وقد تستخدم المشاريع مواد مختلفة، مثل النحاس أو الموصلات الفولاذية المطلية بالنحاس، حسب المواصفات المعتمدة.
التآكل والظروف البيئية
يمكن أن تؤثر الرطوبة والأملاح والمواد الكيميائية في عمر مكونات نظام التأريض.
وتحتاج المواقع ذات الظروف البيئية القاسية إلى اختيار مواد وطرق تركيب مناسبة لتقليل مخاطر التآكل.
ما علاقة الكابلات بتصميم نظام التأريض؟
لا يقتصر تصميم الشبكات الكهربائية على اختيار مساحة مقطع الكابل وفق تيار الحمل فقط، بل يجب مراعاة عدة عوامل عند التصميم.
ومن بينها تيار القصر وهبوط الجهد وطريقة التمديد ودرجة الحرارة. ويمكنك التعرف على هذه العوامل بالتفصيل في مقال العوامل المؤثرة على اختيار الكابل.
كما يمكنك الرجوع إلى مقال قانون حساب انخفاض الجهد في الكابلات الكهربائية عند الحاجة إلى دراسة هبوط الجهد في الكابلات.
ماذا يحدث عند سوء تأريض الجهد العالي؟
يمكن أن يؤدي التصميم غير المناسب إلى ظهور فروق جهد خطرة أثناء الأعطال.
وقد تشمل المخاطر:
- ارتفاع جهد شبكة التأريض.
- ارتفاع جهد اللمس.
- ارتفاع جهد الخطوة.
- تعرض الأشخاص لخطر الصعق.
- تلف بعض المعدات.
- عدم عمل الحماية بالشكل المطلوب.
- زيادة مخاطر القوس الكهربائي أثناء بعض الأعطال.
لذلك، يجب ألا يعتمد تقييم نظام التأريض على قيمة مقاومة التأريض وحدها، بل يجب دراسة أداء المنظومة أثناء ظروف العطل.
ما المعايير التي تساعد في تصميم التأريض؟
تختلف المتطلبات حسب نوع المنشأة والجهة المالكة ومستوى الجهد.
وفي السعودية، ينبغي الرجوع إلى الكود السعودي الكهربائي (SBC 401) والمتطلبات والمواصفات المعتمدة للمشروع، إضافة إلى متطلبات الجهات المالكة وشركات الكهرباء عند تطبيقها.
كما تستخدم المعايير الهندسية الدولية، مثل معايير IEEE، في تصميم وتحليل شبكات التأريض، ومن بينها IEEE Std 80 المتعلق بتأريض محطات التيار المتردد.
أما NEC وNESC فهما مرجعان أمريكيان، لذلك لا ينبغي تقديمهما باعتبارهما المرجع الأساسي للمشروعات السعودية.
الخلاصة
يعد تأريض الجهد العالي جزءًا أساسيًا من منظومة السلامة والحماية في المحطات وشبكات التوزيع ومعدات الجهد المتوسط والعالي.
ولا يقتصر دوره على توفير اتصال بالأرض، بل يساعد على التحكم في جهود الأعطال وتوفير مسارات مناسبة لتيارات الأعطال وتقليل مخاطر جهد اللمس وجهد الخطوة.
ويعتمد التصميم الصحيح على مقاومة التربة النوعية، وتيار العطل، ومدة العطل، وخصائص شبكة التأريض، ونوع الموصلات، ومتطلبات الحماية والمعايير المعتمدة.
لذلك، يجب تصميم شبكة التأريض وفق دراسة هندسية للموقع والنظام، وليس اعتماد قيمة ثابتة لمقاومة التأريض لجميع المشاريع.
الأسئلة الشائعة
نعم، يعد التأريض عنصرًا أساسيًا للسلامة والحماية في أنظمة الجهد المتوسط والعالي، ويساعد على التحكم في جهود الأعطال وتوفير مسارات مناسبة لتياراتها.
يرتبط تأريض النظام بنقطة التعادل أو بنية النظام الكهربائي، بينما يربط تأريض المعدات الأجزاء المعدنية غير الحاملة للتيار بشبكة التأريض.
ينتج جهد الخطوة عن فرق الجهد بين نقطتين على سطح الأرض، بينما يظهر جهد اللمس بين جسم معدني يمكن لمسه ونقطة على الأرض يقف عليها الشخص.
لا. يجب أيضًا دراسة جهد الخطوة وجهد اللمس وارتفاع جهد شبكة التأريض، إضافة إلى قدرة الموصلات على تحمل تيار العطل.
نعم. يعتمد اختيار طريقة التأريض على جهد النظام، وتيار العطل، وطبيعة الأحمال، ومتطلبات الحماية، وظروف الموقع والمعايير المعتمدة.
المصادر:
- الشركة السعودية للكهرباء (SEC)
- كود الشبكة السعودية (Saudi Arabian Grid Code) – هيئة تنظيم الكهرباء (SERA)
