الدرس السابق :شرح نظام ال Ring System أو Mesh-System
تأريض محطات التحويل الكهربائية
يهدف تأريض المعدات الكهربية إلى وقاية العاملين من الصدمات الكهربية الناتجة من ارتفاع الجهد على جسم المعدات المعدني المكشوف والمعرض للمس (جهد اللمس). وكذلك يهدف إلى الوقاية من الصدمات التي تنشأ من الجهد الذى يظهر على سطح الأرض بين قدمي شخص بالمحطة (جهد الخطوة) ، كما يعمل على زيادة فعالية أداء أجهزة القطع والحماية في حالة وجود تيار عطل أرضي في هذه المعدات ، فتشعر بالعطل وتفصله بصورة أسرع .
و تنقسم نظم التأريض إلى:
- تأريض نقطة التعادل
- earthed Neutral تأريض وقائي للجهد المنخفض .
- تأريض وقائي للجهد العالي حيث يتم تأريض جميع الأجزاء المعدنية Frames الخاصة بالسويتشجير و المحولات و حتى أغلفة الكابلات sheath Cable كما يظهر ذلك فى الصورة أسفله ، و أيضا مواسير الكابلات الموجودة بالمحطة. حيث يوجد دائما أرضى عام تتصل به جميع معدات المحطة.
فكرة الأرضى
والفكرة الأساسية أن تيار العطل إن لم يجد مسار معدنيا لكي يعود من خالله إلى مصدره فإنه يعود من خالل الأرض ك Path Return ، وبالتالي يكمل دائرته بالوصول لنقطة تعادل المصدر المنشئ له.
و القيمة المسموح بها لأرضى المحطات الفرعية (الجهد العالي) تتراوح بين 5.0 إلى 1 أوم. بينما تصل القيمة إلى 5 أوم فى محطات التوزيع (الجهد المتوسط). والجدول 15-1 يعطى قيما لمقاومة التأريض فى الأماكن المختلفة.
الحظ أنه لو كانت مقاومة الارضى مرتفعة لظهر جهد على سطح الأرض مرتفع جدا Ground Rise Potential يقدر بقيمة تساوى قيمة تيار العطل مضروبا فى مقاومة الأرض ، ولذا نحتاج لتقليل هذا الجهد من خالل شبكة الارضى ذات المقاومة المنخفضة جدا كما سنرى.
أشكال التأريض
هناك طرق متعددة لعمل نظام التأريض حسب مستوى الجهد وخطورة تيار القصر كما ذكرنا. ففى الجهد المنخفض قد يكون كافيا استخدام إلكترود تأريض واحد فى حديقة المبنى مثال لتحقيق مستوى الأمان وذلك بتوصيله للوحة العمومية ومنها إلى بارات التأريض باللوحات الفرعية ومنها إلى النقاط المراد تأريضها. وفى هذه الحالة ، إذا كان إلكترود التأريض على شكل ماسورة اسطوانية مثال قطرها d وطولها L فإن مقاومة األرضى حينئذ تحسب من المعادلة التالية:
وفى الجهود المتوسطة تستخدم أحيانا شريحة أفقية لها سمك a وطوله L وعرضها b ، ومدفونة أفقيا على عمق h كما فى الشكل ، وفى هذه الحالة تكون مقاومة الأرضى تساوى:
ويمكن إهمال سمك الشريحة وحساب مقاومة الأرضي R لقطب عبارة عن لوح معدني مساحته A من العالقة التقريبية التالية ) المواصفات القياسية 1986-80-IEEE)
التأريض فى محطات الجهد العالي
ما فى محطات الجهد العالي فالأمر أعقد وأصعب من ذلك ، و السبب الرئيسي فى ذلك له عالقة بمسار تيار العطل ، فإذا كان مسار رجوع تيار العطل يمر من خلال الأرض وليس من خالل sheath Cable مثال فستكون لدينا مشكلة تتعلق بتوزيع الجهد على سطح الأرض الناتج من هذا عطل والذى يسمى Potential Ground .Rise
فعندما نقول أن مقاومة نظام الارضي فى محطة ما تساوى 1Ω مثال فهذا يعنى أن المقاومة الكهربية من نقطة تلامس أي سطح معدني بالمحطة وحتى نصل إلى نقطة الـ earth Remote - والتي تمثلها الكتلة المنصهرة بمركز الأرض - تساوى واحد أوم. هذه المقاومة الكلية تحسب من المعادلات كما فى الجزء السابق ، وبالتالي فعند مرور تيار العطل IF يساوي مثال kA 10 خالل إلكترود مقاومته 8 أوم فإنه سيتسبب فى ظهور جهد تراكمي
متزايد على سطح الأرض GPR, Rise Potential Ground ، يبدأ بقيمة جهد تساوى kV 80 عند الجسم المؤرض ويساوى ( RE x IF ) كما فى الشكل أعلاه .
ملحوظة : جهد اللمس وهو المشكلة الأولى ال يساوي هذه القيمة كلها بل يساوى الفرق بينها وبين جهد نقطة خروج التيار من الجسم ، و ينتهى إلى جهد يساوي صفر عند مركز الأرض كما فى الشكل أعلاه .
المشكلة الثانية هنا أن فرق الجهد على سطح الأرض بين 4-6 قدم مثال من الجهاز المؤرض لايزال مرتفعا ، وقد يصل إلى 1300 فولت كما فى الشكل السابق ، ومن هنا تظهر خطورة جهد الخطوة فى هذه المحطات. وسيتم شرح المزيد عن جهد اللمس وجهد الخطوة الحق.
ومن هذه المقدمة يمكن الإجابة على السؤال التالي:
لماذا تكون الأعطال فى محطات النقل أخطر من الأعطال فى محطات التوليد؟
فى محطات التوليد يعود تيار العطل من خالل شبكة األرضى فى المحطة وهى قيمة منخفضة فال يحدث ارتفاع فى الجهد ، بينما فى محطات النقل يعود تيار العطل من خالل مقاومة الأرض الممتدة من نقطة العطل خارج المحطة وحتى المحطة نفسها فيرتفع الجهد بقدر ارتفاع قيمة مقاومة مسار الرجوع.
جهد اللمس
تعريف جهد اللمس: هو فرق الجهد بين جهد النقطة المعدنية التي يلمسها الإنسان ، وبين جهد شبكة الأرضي التي يقف عليها كما فى الشكل أسفله . ففرق الجهد الذى سيظهر على هذا الشخص سوف يساوى جهد نقطة اللمس مطروحا منه جهد النقطة التي يقف عليها بقدمه كما فى الشكل ، ويسمى هذا الفرق بجهد اللمس Touch Voltage ،مع ملاحظة أن قيمة الجهد عند قدم هذا الشخص سيتوقف على منحنى توزيع الجهد Potential Distribution الذى ظهر فى الشكل.
لماذا نحتاج أن تكون مقاومة الارضي منخفضة جدا؟
لاحظ فى الشكل السابق أن قيمة تيار العطل سيمر خلال مسارين :
- المسار الأول هو المار فى الشخص IB ، وهذا سيتوقف على عدة عوامل منها قيمة مقاومة جسم هذا الإنسان RB ، وعلى قيمة المقاومة بين قدمه والأرض (RF Resistance Foot )
- والمسار الثاني سيتوقف على مقاومة الارضي RE ، ومن ثم كلما كبرت مقاومات المسار الأول كلما كان الشخص فى أمان. فأما مقاومة الجسم فهي فى أقصى قيمة لها ستساوى 10 ك أوم إذا كان الجسم جافا ، وال توجد جروح فى الجلد . وأما المقاومة بين القدم والأرض فتزيد بالطبع إذا كان الشخص مترديا حذاء أمان Shoes Safety ، وهذا هو السبب فى إلزام العاملين بالمحطات ارتداء هذه الأحذية . على الجانب الآخر ستظهر أهمية أن تكون مقاومة إلكترود التأريض أقل ما يمكن حتى يمر معظم تيار العطل فى المسار ذي المقاومة المنخفضة وبالتالي يكون حاصل ضرب التيار فى المقاومة الأرضية أصغر ما يمكن ، ومن ثم يكون هذا الشخص فى أمان من جهد اللمس .
جهد الخطوة
ما إذا كان الشخص واقفا بجوار هذا المحول - ودون أن يلمسه – فهناك احتمال كبير لظهور فرق جهد بين قدميه لاسيما كلما اقترب العامل من نقطة العطل كما فى الشكل أسفله . حيث يكون معدل ميل منحنى توزيع الجهد كبيرا كلما اقترب من نقطة العطل.
فإذا كانت المسافة بين قدميه قدرها (x2 – x1) كما فى الشكل فإنه سيكون أيضا معرضا فى حالة تسرب تيار قدره IF من المحول إلى الأرض لنوع آخر من الجهود يسمى جهد الخطوة Voltage Step ويحسب من المعادلة التالية (بفرض أن إلكترود التأريض من النوع النصف كروي) :
ومن واضح أنه كلما زادت المسافة بين قدميه (X1 >> X2 ، ) كلما صار جهد الخطوة أخطر. ملحوظة هامة: هناك فرق بين جهد شبكة الأرضى والذى يسمى GPR, Rise Potential ground ، وبين جهد سطح الأرض ، فجهد سطح الأرض يتغير حسب نوع وسمك طبقة الحصى التي توضع على سطح الأرض ، ويختلف بالطبع حسب وجود شبكة أرضى تحت الأرض من عدمه ، وجهد سطح الأرض دائما يكون أقل من ال GPR.
كيف تحل مشكلة جهد اللمس وجهد الخطوة؟
من المقدمة السابقة يمكن أن نصل إلى أن هذه المشكلة سببها الرئيسي هو الميل الكبير فى منحنى توزيع الجهد ، فلو استطعنا أن نجعل منحنى توزيع الجهد شبه أفقي فهذا يعنى أن الفرق بين أي نقطتين عليه لن يكون كبي ار وبالتالي لن تظهر مشكلة جهد اللمس وجهد الخطوة. والشكل أسفله يمثل مقارنة بين الجهد الذى يظهر على جسم شخص واقف على الأرض نتيجة لمسه لمحول مؤرض فى حالتين :
1 -بواسطة إلكترود مدفون أرسيا فى الجزء الأيسر من الشكل.
2 -شبكة تأريض Grid فى الجزء الأيمن من الشكل
1 -بواسطة إلكترود مدفون أرسيا فى الجزء الأيسر من الشكل.
2 -شبكة تأريض Grid فى الجزء الأيمن من الشكل
إذن فمن ميزات شبكة التأريض أن توزيع الجهد على سطح الأرض Distribution Potential Surface الناشئ نتيجة مرور تيار العطل يكون أفضل من توزيعه فى حالة الإلكترود الواحد المدفون رأسيا .