يعد تأريض أنظمة الجهد العالي من أهم عناصر السلامة والموثوقية في منظومات الطاقة الكهربائية. ويظهر دوره بوضوح في المحطات الفرعية، ومنشآت التوليد، والمرافق الصناعية، ومشاريع الطاقة المتجددة وغيرها من المنشآت التي تعمل عند جهود عالية.
لا يقتصر دور التأريض على توصيل أجزاء من المنظومة بالأرض، بل يرتبط بطريقة تشغيل النظام أثناء الأعطال، وتوزيع تيارات العطل، والتحكم في الجهود التي قد تظهر على الأجزاء المعدنية وسطح الأرض.
وتزداد أهمية تصميم نظام التأريض في المشاريع الكهربائية داخل المملكة العربية السعودية مع اختلاف ظروف المواقع وخصائص التربة ومتطلبات المنشآت. لذلك، لا ينبغي الاعتماد على قيمة واحدة لمقاومة التأريض باعتبارها معيارا كافيا للسلامة، بل يجب تقييم النظام ككل وفقا لظروف الموقع ومستويات تيار العطل وزمن الفصل ومتطلبات الحماية والمعايير المعتمدة للمشروع.
في هذا المقال، سنتعرف على مفهوم تأريض أنظمة الجهد العالي، وأنواعه، والفرق بين تأريض النظام وتأريض المعدات، ودور شبكات التأريض في المحطات الفرعية، إضافة إلى أهم العوامل التي يجب مراعاتها عند التصميم والاختبار.
ما هو تأريض أنظمة الجهد العالي؟
تأريض نظام الجهد العالي هو ربط نقطة أو أكثر من النظام الكهربائي بالأرض بطريقة مقصودة، أو ربط الأجزاء المعدنية المكشوفة والمعدات بمنظومة التأريض، وفقا لوظيفة التأريض في النظام.
وهناك نوعان أساسيان ينبغي التمييز بينهما:
تأريض النظام
يرتبط بتوصيل نقطة من النظام الكهربائي، مثل نقطة التعادل في بعض الأنظمة، بالأرض بطريقة محددة.
يؤثر هذا النوع في:
- مقدار تيار العطل الأرضي.
- الجهود التي تظهر على الأطوار السليمة أثناء العطل.
- طريقة عمل الحماية والمرحلات.
- مستويات الإجهاد على العزل الكهربائي.
وتختلف طريقة التأريض حسب تصميم الشبكة ومستوى الجهد وطبيعة الأحمال ومتطلبات الحماية.
لمزيد من التفاصيل حول ذلك: ما هو تأريض الجهد العالي؟ أهميته وأنواعه
تأريض المعدات
يهدف إلى ربط الأجزاء المعدنية المكشوفة للمعدات، مثل هياكل المحولات والمفاتيح الكهربائية والهياكل المعدنية، بمنظومة التأريض.
يساعد ذلك على توفير مسار مناسب لتيار العطل وتقليل فرق الجهد بين الأجزاء المعدنية القابلة للمس ونقاط الوقوف القريبة منها، مع دعم عمل أجهزة الحماية عند حدوث عطل.
ما الفرق بين Grounding وEarthing وBonding؟
تستخدم كلمتا Grounding وEarthing في المراجع والبلدان المختلفة للدلالة على التأريض، وقد يختلف الاستخدام الاصطلاحي بين المعايير والمناطق.
أما Bonding فيعني الربط الكهربائي بين الأجزاء الموصلة بهدف تقليل فروق الجهد بينها.
لذلك، من المهم عدم التعامل مع Grounding وEarthing وBonding باعتبارها ثلاثة أنظمة منفصلة بالضرورة.
بشكل مبسط:
- Grounding / Earthing: التأريض أو الربط بالأرض وفقا لوظيفة النظام.
- Equipment Grounding: تأريض الأجزاء المعدنية للمعدات.
- Bonding: ربط الأجزاء المعدنية الموصلة ببعضها لتقليل فروق الجهد.
لماذا يعد تأريض الجهد العالي مهما؟
يؤدي نظام التأريض عدة وظائف مهمة في المنشآت الكهربائية، ولا تقتصر أهميته على تقليل مقاومة التأريض.
1. حماية الأشخاص
عند حدوث عطل أرضي، قد تظهر فروق جهد خطرة بين الأجزاء المعدنية وسطح الأرض.
يساعد تصميم شبكة التأريض بصورة صحيحة على التحكم في هذه الفروق، وخاصة جهد اللمس وجهد الخطوة.
2. تقليل جهد اللمس
جهد اللمس (Touch Voltage) هو فرق الجهد الذي قد يتعرض له الشخص بين جسم موصل يمكن لمسه وسطح الأرض عند نقطة وقوفه أثناء ظروف العطل.
ويعد التحكم في جهد اللمس من أهم اعتبارات تصميم تأريض المحطات الفرعية. ويعتمد تقييمه على عوامل مثل تيار العطل، وزمن الفصل، وخصائص التربة، وتوزيع شبكة التأريض.
3. تقليل جهد الخطوة
جهد الخطوة (Step Voltage) هو فرق الجهد بين نقطتين على سطح الأرض تفصل بينهما مسافة خطوة تقريبا.
وقد يصبح هذا الفرق مهما أثناء مرور تيار عطل في الأرض، لذلك تؤخذ قيم جهد الخطوة في الاعتبار عند تصميم شبكات التأريض في المنشآت ذات تيارات الأعطال المرتفعة.
4. حماية المعدات
يساعد التأريض والربط الصحيح للمعدات على الحد من فروق الجهد الخطرة وتوفير مسارات مناسبة لتيارات الأعطال.
كما يعمل نظام التأريض بالتكامل مع منظومة الحماية والعزل والحماية من زيادة الجهد، وليس كوسيلة منفردة لحماية المعدات.
5. دعم منظومة الحماية
تؤثر طريقة تأريض النظام في مقدار تيار العطل الأرضي وفي قدرة أجهزة الحماية على اكتشاف العطل وفصله.
لذلك يجب اختيار نظام التأريض بالتنسيق مع إعدادات الحماية ومستويات تيار القصر ومتطلبات تشغيل الشبكة.
ما أنواع تأريض أنظمة الجهد العالي؟
توجد عدة طرق لتأريض الأنظمة الكهربائية، ويختلف اختيار الطريقة حسب تصميم الشبكة ومتطلبات الحماية ومستوى الجهد وطبيعة المنشأة.
التأريض الصلب
في التأريض الصلب يتم توصيل نقطة النظام بالأرض دون إضافة مقاومة أو مفاعلة مخصصة للحد من تيار العطل.
ومن أهم خصائصه:
- يسمح بمرور تيار عطل أرضي مرتفع نسبيا.
- يساعد على سرعة اكتشاف الأعطال وفصلها.
- يحد من ارتفاع جهد الأطوار السليمة إلى مستويات أعلى مقارنة ببعض الأنظمة غير المؤرضة.
- يتطلب مراعاة مستويات تيار القصر وقدرة المعدات على تحمل آثار العطل.
ولا يوجد حد ثابت، مثل 230 كيلوفولت، يمكن اعتباره قاعدة عامة لتحديد استخدام التأريض الصلب؛ إذ يعتمد الاختيار على تصميم الشبكة ومتطلبات الحماية ومستويات الأعطال وتصنيف المعدات.
التأريض بالمقاومة
في هذا الأسلوب يتم استخدام مقاومة بين نقطة النظام والأرض للتحكم في تيار العطل الأرضي.
وينقسم عادة إلى:
تأريض منخفض المقاومة: يسمح بتيار عطل أعلى مع الحد منه مقارنة بالتأريض الصلب.
تأريض عالي المقاومة: يستخدم مقاومة أكبر لتقليل تيار العطل إلى مستويات منخفضة، مع مراعاة متطلبات كشف العطل والحماية.
ويستخدم هذا الأسلوب في بعض أنظمة التوزيع والمنشآت الصناعية وفقا لفلسفة التصميم ومتطلبات التشغيل.
التأريض بالمفاعلة
يعتمد على إضافة مفاعلة بين نقطة النظام والأرض للحد من تيار العطل الأرضي.
ويختلف سلوك النظام عن التأريض بالمقاومة بسبب الطبيعة الحثية للممانعة المضافة، لذلك يجب تقييمه ضمن دراسة شاملة للنظام والحماية.
التأريض الرنيني باستخدام ملف بيترسن
يستخدم ملف بيترسن (Petersen Coil) في بعض شبكات الجهد المتوسط للتعويض عن التيار السعوي الناتج عن أعطال الأرض.
وقد يسمح هذا الأسلوب باستمرار تشغيل الشبكة أثناء عطل أرضي أحادي في ظروف وتصميمات معينة، لكن ذلك يعتمد على فلسفة الحماية وطريقة تشغيل الشبكة ومتطلبات كشف العطل.
لذلك لا ينبغي اعتباره ضمانا لاستمرار التشغيل في جميع الحالات.
الأنظمة غير المؤرضة
في النظام غير المؤرض لا توجد نقطة ربط مقصودة بين النظام والأرض بالطريقة المستخدمة في الأنظمة المؤرضة.
وتوجد مثل هذه الأنظمة في بعض تطبيقات الجهد المتوسط والمنشآت الصناعية أو التطبيقات الخاصة.
ومن أهم الاعتبارات المرتبطة بها:
- صعوبة اكتشاف بعض الأعطال الأرضية.
- ارتفاع جهد الأطوار السليمة بالنسبة إلى الأرض أثناء العطل.
- احتمال حدوث ظروف أكثر خطورة عند وقوع عطل أرضي ثان في طور آخر.
لذلك يجب تقييم هذا الخيار بعناية وفقا لطبيعة الشبكة ومتطلبات الحماية والتشغيل.
مقال ذو صلة: مكونات نظام التأريض
ما هي شبكة تأريض المحطات الفرعية؟
شبكة التأريض هي منظومة من الموصلات والأقطاب والعناصر المرتبطة بالأرض، وتستخدم في المحطات الفرعية لتوزيع تيارات العطل والتحكم في فروق الجهد على سطح الموقع وحول المعدات.
وتتكون الشبكة، بحسب تصميم المنشأة، من عناصر مثل:
- موصلات التأريض المدفونة.
- قضبان أو أقطاب التأريض.
- نقاط ربط المعدات.
- موصلات الربط بين الهياكل والمعدات.
- وصلات التأريض إلى العناصر المعدنية المناسبة.
ولا يقتصر هدف الشبكة على تحقيق مقاومة منخفضة للأرض، بل يجب أن تحقق أداء مناسبا من حيث توزيع تيار العطل وجهد اللمس وجهد الخطوة والتحمل الحراري للموصلات.
وتوفر IEEE Std 80 منهجيات وإرشادات لتصميم تأريض المحطات الفرعية AC وتقييم حدود الجهود التي قد يتعرض لها الأشخاص أثناء الأعطال.
ما أهم العوامل المؤثرة في تصميم نظام التأريض؟
يعتمد تصميم تأريض الجهد العالي على مجموعة من العوامل التي يجب دراستها معا.
مقاومية التربة
تعد مقاومية التربة من أهم المدخلات في تصميم نظام التأريض.
وتختلف مقاومية التربة من موقع إلى آخر، وقد تتغير مع العمق والرطوبة ودرجة الحرارة والتركيب الجيولوجي.
لذلك يفضل إجراء قياسات ميدانية مناسبة للحصول على نموذج واقعي لمقاومية التربة بدلا من الاعتماد على قيمة افتراضية واحدة.
ومن الطرق المستخدمة لقياس مقاومية التربة طريقة وينر ذات الأقطاب الأربعة (Wenner Four-Point Method).
تيار العطل وزمن الفصل
يجب معرفة تيار العطل المتوقع الذي يمكن أن يمر عبر منظومة التأريض، بالإضافة إلى الزمن الذي تستغرقه منظومة الحماية في فصل العطل.
كلما تغير تيار العطل أو زمن استمراره، تغيرت الظروف التي يجب أن تتحملها شبكة التأريض والجهود التي قد تظهر على سطح الأرض.
جهد اللمس وجهد الخطوة
لا يكفي النظر إلى مقاومة التأريض وحدها.
يجب التحقق من أن جهود اللمس والخطوة الناتجة عن ظروف العطل تقع ضمن الحدود المقبولة وفقا لمعيار التصميم وظروف الموقع.
مساحة شبكة التأريض وتوزيع الموصلات
يؤثر حجم الشبكة وتوزيع الموصلات والأقطاب في طريقة انتشار تيار العطل وفي توزيع الجهد على سطح الأرض.
وقد تكون زيادة مساحة الشبكة أو تحسين توزيع الموصلات أكثر فاعلية من مجرد إضافة أقطاب دون دراسة هندسية شاملة.
مقطع موصلات التأريض
يجب اختيار موصلات التأريض بحيث تتحمل تيار العطل المتوقع والمدة الزمنية المرتبطة به، مع مراعاة المادة المستخدمة وظروف التركيب والتآكل ومتطلبات المشروع.
مقاومة التآكل والعمر التشغيلي
لا يكفي أن يحقق نظام التأريض الأداء المطلوب عند تركيبه فقط.
يجب مراعاة:
- التآكل.
- الرطوبة.
- خصائص التربة.
- جودة الوصلات.
- ظروف الموقع.
- إمكانية الفحص والصيانة.
والهدف هو المحافظة على أداء النظام طوال فترة التشغيل المتوقعة.
هل انخفاض مقاومة التأريض يعني أن النظام آمن؟
ليس بالضرورة.
تعد مقاومة التأريض عاملا مهما، لكنها ليست المؤشر الوحيد على سلامة النظام.
فقد يحقق نظام ما قيمة منخفضة للمقاومة، ومع ذلك يحتاج إلى مراجعة جهد اللمس وجهد الخطوة وتوزيع تيار العطل وقدرة الموصلات على التحمل.
لذلك يجب تقييم أداء منظومة التأريض بالكامل وفقا لظروف العطل ومتطلبات التصميم.
كيف يتم اختبار وقياس نظام التأريض؟
تختلف طريقة الاختبار المناسبة حسب شكل منظومة التأريض وطبيعة الموقع.
ومن طرق القياس المعروفة:
طريقة هبوط الجهد
تعتمد طريقة Fall-of-Potential على استخدام أقطاب مساعدة لتمرير تيار اختبار وقياس فرق الجهد الناتج، ومن ثم تحديد خصائص مقاومة قطب أو منظومة التأريض.
وتعد هذه الطريقة من الطرق المعروفة لقياس مقاومة التأريض، لكن يجب تطبيقها بطريقة صحيحة مع مراعاة أبعاد الموقع وتداخل مناطق تأثير الأقطاب.
القياس بالملقط
يمكن استخدام أجهزة القياس بالملقط في بعض أنظمة التأريض التي تحتوي على مسارات متوازية أو حلقات عودة مناسبة.
لكن هذه الطريقة ليست مناسبة لكل نظام تأريض، ولا يمكن افتراض إمكانية قياس قطب منفرد معزول عنها باستخدام الملقط فقط.
لذلك يجب اختيار طريقة الاختبار وفقا لطوبولوجيا منظومة التأريض وتعليمات جهاز القياس ومتطلبات الاختبار.
ما المعايير المستخدمة في تصميم تأريض الجهد العالي؟
توجد عدة معايير ومراجع يمكن الرجوع إليها بحسب نوع المنشأة ونطاق المشروع.
IEC 61936-1:2021
يختص معيار IEC 61936-1:2021 بتصميم وإنشاء منشآت القدرة الكهربائية التي تتجاوز جهودها الاسمية 1 كيلوفولت AC، مع تردد اسمي يصل إلى 60 هرتز، ويشمل متطلبات تتعلق بالسلامة والتشغيل المقصود للمنشأة.
ويعد من المراجع المهمة عند التعامل مع منشآت القدرة ذات الجهد العالي.
IEEE Std 80
يقدم IEEE Std 80-2013 إرشادات لتصميم تأريض المحطات الفرعية AC، مع التركيز على السلامة وتقييم جهود اللمس والخطوة وظروف الأعطال. وتوضح صفحة IEEE الحالية أن إصدار 2013 أصبح في حالة Inactive-Reserved، مع وجود مشروع P80 لتطوير إصدار لاحق. لذلك يجب التحقق من الإصدار ومتطلبات المشروع عند استخدامه كمرجع تصميمي.
IEEE Std 142-2007
يتناول IEEE Std 142-2007 ممارسات تأريض أنظمة القدرة في المنشآت الصناعية والتجارية، بما في ذلك تأريض النظام وتأريض المعدات والربط الكهربائي. وتوضح IEEE أن إصدار 142-1991 تم استبداله بإصدار 142-2007.
IEC 60479
يرتبط معيار IEC 60479 بتأثير التيار الكهربائي في جسم الإنسان والحيوانات، ولذلك يمكن الاستفادة منه في فهم آثار التيار على الجسم، لكنه ليس بديلا عن معايير تصميم شبكات تأريض المحطات الفرعية.
متطلبات المشروع والجهات المحلية
بالإضافة إلى المعايير الدولية، يجب الرجوع إلى الكودات واللوائح ومتطلبات شركة الكهرباء أو الجهة المالكة للمشروع والمواصفات المعتمدة في المملكة العربية السعودية، بحسب نوع المنشأة ونطاقها.
فالمعيار الدولي وحده لا يعني بالضرورة أنه يمثل جميع متطلبات مشروع محدد داخل المملكة.
أين تستخدم أنظمة تأريض الجهد العالي؟
تستخدم أنظمة التأريض في العديد من المنشآت الكهربائية، ومنها:
- محطات توليد الطاقة.
- المحطات الفرعية لنقل وتوزيع الكهرباء.
- المنشآت الصناعية الكبيرة.
- محطات ومشاريع الطاقة الشمسية.
- مشاريع الطاقة المتجددة.
- مرافق معالجة المياه والبنية التحتية.
- بعض أنظمة النقل المكهربة وفقا لطبيعة النظام ومتطلباته.
ويختلف تصميم التأريض من مشروع إلى آخر وفقا لمستوى الجهد، وتيار العطل، وخصائص التربة، وطريقة تشغيل الشبكة ومتطلبات الحماية.
ما الفرق بين جهد اللمس وجهد الخطوة؟
جهد اللمس: فرق الجهد الذي قد يتعرض له الشخص بين جسم معدني يمكن لمسه وسطح الأرض عند موضع وقوفه.
جهد الخطوة: فرق الجهد بين نقطتين على سطح الأرض تفصل بينهما مسافة خطوة تقريبا.
ويعد كلاهما من الاعتبارات الأساسية عند تقييم سلامة شبكات تأريض المحطات الفرعية أثناء الأعطال.
هل يمكن تصميم شبكة التأريض بناء على مقاومة التأريض فقط؟
لا. يجب النظر إلى عدة عوامل في وقت واحد، ومنها:
- مقاومية التربة.
- تيار العطل.
- زمن استمرار العطل.
- جهد اللمس.
- جهد الخطوة.
- توزيع تيار العطل.
- مقطع موصلات التأريض.
- خصائص شبكة التأريض.
- متطلبات الحماية.
- ظروف الموقع والعمر التشغيلي.
لذلك فإن انخفاض مقاومة التأريض لا يعني وحده أن التصميم آمن أو مناسب.
الخلاصة
يعتمد نجاح تأريض أنظمة الجهد العالي على تصميم متكامل يحقق السلامة ويدعم التشغيل الصحيح لمنظومة الحماية أثناء الأعطال.
ولا ينبغي تقييم نظام التأريض اعتمادا على قيمة مقاومة التأريض فقط، بل يجب دراسة مقاومية التربة، وتيار العطل، وزمن الفصل، وتوزيع شبكة التأريض، وجهد اللمس، وجهد الخطوة، وقدرة الموصلات على تحمل ظروف العطل.
وفي المشاريع الكهربائية داخل المملكة العربية السعودية، ينبغي الجمع بين المعايير الدولية المناسبة ومتطلبات المشروع والجهة المالكة واللوائح المحلية المعمول بها.
الأسئلة الشائعة حول تأريض الجهد العالي
يهدف إلى توفير مسارات مناسبة لتيارات الأعطال، والتحكم في الجهود بالنسبة إلى الأرض، وتقليل مخاطر جهد اللمس وجهد الخطوة، ودعم عمل منظومة الحماية.
تأريض النظام يتعلق بطريقة ربط نقطة من النظام الكهربائي بالأرض، بينما يركز تأريض المعدات على ربط الأجزاء المعدنية المكشوفة للمعدات بمنظومة التأريض.
لا. يجب تقييم مقاومة أو ممانعة التأريض إلى جانب جهد اللمس وجهد الخطوة وتيار العطل وزمن الفصل وتوزيع شبكة التأريض.
تؤثر مقاومية التربة في قدرة تيار العطل على الانتشار في الأرض، ولذلك تعد من المدخلات الأساسية عند تحديد شكل شبكة التأريض وأبعادها ومكوناتها.
لا. يعتمد ذلك على تكوين النظام ووجود مسارات متوازية أو حلقة عودة مناسبة. وفي بعض الحالات تكون طرق أخرى مثل طريقة هبوط الجهد أكثر ملاءمة.
يعتمد ذلك على نطاق المشروع والجهة المالكة والمعايير المعتمدة. ومن المراجع المعروفة IEEE Std 80 لتأريض المحطات الفرعية AC، إلى جانب IEC 61936-1:2021 لمنشآت القدرة التي تتجاوز 1 كيلوفولت AC، مع مراعاة المتطلبات المحلية والخاصة بالمشروع.
نعم، توجد في بعض شبكات الجهد المتوسط والمنشآت الصناعية أو التطبيقات الخاصة، لكن استخدامها يتطلب دراسة متطلبات كشف الأعطال والحماية والجهود على الأطوار السليمة وظروف التشغيل.
المصادر:
- IEC 61936-1:2021 — منشآت القدرة الكهربائية التي تتجاوز 1 كيلو فولت تيار متردد – الجزء الأول: التيار المتردد.
- IEEE Std 80-2013 — IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
- IEEE P80 — Guide for Safety in AC Substation Grounding.
