طرق التأريض المؤثرة والفعالة (الجزء الثالث)

 

تناولنا فى الجزء الأول والثانى من المقال المقاومة النوعية للتربة لقطب التأريض والمقاومة لأقطاب التأريض شائعة الاستخدام وتأثير شكل القطب على مقاومة التربة والعناصر المختلفة المستخدمة كأقطاب تأريض والمنشآت المزودة بنظام حماية كاثودية وسنتناول فى الجزء الثالث والأخير كيفية اختيار موصل التأريض وطريقة الربط بقطب الأرضى وكثافة التيار على سطح قطب الأرضى وتدرج الجهد حول أقطاب الأرضى.

د. جلال أنور الجناينى

 

ثالثا : اختيار موصل التأريض وطريقة الربط بقطب الأرضى

عند اختيار مادة موصل التأريض المدفون فى الأرضى يجب مراعاة المواءمة بين مادة قطب الأرضى والتآكل الذى تسببه الأرض كما يجب مراعاة جميع الاحتياطات التى تتبع عند اختيار مادة قطب الأرضى كما يوصى بعدم استخدام موصلات الألومنيوم أو النحاس المكسو بالألومنيوم فى الوصلات الأرضية أو فى الأماكن الرطبة أو لعمل الوصلات النهائية لقطب الأرضى .

ويجب مراعاة قدرة الموصل على تحمل كل من تيارات الخطأ الأرضى العالية وتيارات التسرب من الناحية الحرارية والميكانيكية عند اختبا مقطع موصل التأريض وعلى أن يتحمل هذه التأثيرات بدون انهيار ميكانيكى أو حرارى. ويوضح جدول رقم (10) أعلى درجة حرارة مسموح بها فى حالة الوصلات المكشوفة للموصل عند وجود تيارات خطأ أرضى عالية طبقا للظروف الجوية وطرق التوصيل أما فى حالة الوصلات المغطاة بغرض منع التآكل أو فى حالة الحماية الميكانيكية أو الموصلات المعزولة فإن درجة الحرارة العظمى تقل طبقا لطبقة الغطاء أو العزل.

كما يوضح جدول (10) كثافة التيار (أمبير / مم2) لمدة زمنية مقدارها ثانية واحدة لكل من موصلات النحاس والألومنيوم والصلب بفرض أن درجة حرارة الموصل الابتدائية 30م .

ويمكن حساب مقطع الموصل من العلاقة التالية :

(………….)S =

حيث :

S : مساحة مقطع الموصل (مم2)

I : متوسط القيمة الفعالة لتيار الخطأ الأرضى (أمبير)

T: فترة مرور تيار الخطأ الأرضى (ثانية)

K : ثابت يعتمد على نوع معدن الموصل المستخدم ودرجة حرارته الابتدائية والنهائية وقيمته معطاة فى جدول رقم (10) بفرض أن درجة حرارة الموصل الابتدائية هى 30م .

ويمكن حساب قيمة هذا الثابت عند قيم درجات حرارة أخرى لمدة 1 ثانية من العلاقة التالية :

K =

حيث تكون :

T1 : درجة الحرارة الابتدائية م .

T2 : درجة الحرارة النهائية م .

ß و K1 : ثابتان معطيان فى جدول رقم (13). ويوضح الجدولان رقم (11) ورقم (12) كيفية اختيار مساحة مقطع شرائح النحاس والالومنيوم لفترات مرور تيار الخطأ الأرضى مقدارها 1 و 3 ثونى على الترتيب

كما يمكن حساب مساحة المقطع المناسب عند فترات أخرى لمرور تيار الخطأ الأرضى غير الواردة بهذين الجدولين من العلاقة :

I = (….)

I = (…….)

حيث :

I : هى القيمة المتوسطة للقيمة الفعالة لتيار الخطأ الأرضى بالأمبير لمدة ثانية واحدة (جدول رقم (11) للشرائح النحاسية وجدول رقم (12) للشرائح من الالومنيوم) .

S : مساحة مقطع الموصل (مم2)

37

نوع الوصلة (1)				أقصى درجة حرارة م	الظروف الجوية طبقا للمواصفات الكهروتقنية الدولية IEC364 المناسبة للمواصلات المكشوفق عند درجات حرارة وحتى القيمة المذكورة	القيمة الفعالة لكثافة التيار عند 30 م
ملحومة (باللحام)	مطلية بالنحاس	مربوطة بالمسامير	ملحومة باللحام الطرى			نحاس (امبير / متر2)	الومنيوم (امبير / متر2)	صلب (امبير / متر2)
ü				700		254		91
ü				600		252		87
ü				500	(3)	228		82
ü	ü			450		220		79
ü	ü			400		211		76
ü	ü			350		201		73
ü	ü			300		190	125 (4)	69
ü	ü	ü		250		176	116	64
ü	ü	ü		200	(5)	159	105	58
ü	ü	ü	ü	150	(6)	138	91	50
ü	ü	ü	ü	100		–	–	–

 

(1) تعنى أن الوصلة تستخدم عند درجات حرارة حتى ومتضمنة الدرجة المذكورة

(2) يجب ملاحظة أن المواد الموجودة فى نفس المكان لا تتلف بسبب مخاطر حريق عند درجات الحرارة المختارة .

(3) يجب عند درجات حرارة تزيد عن 200 م أن يكون الموصل ظاهرا بكاملة وأن يحمل على قواعد من السيراميك أو المعدن ولا يوجد بجوار مادة عضوية لخطورتها بسبب الحريق ولا يوصى بدرجات أعلى من 500 م

(4) تقل الشدة الميكانيكية لموصل الألومنيوم عند درجات الحرارة العالية .

(5) فى الحالات العادية وعندما لا يكون مدفونا على طول مسارة .

(6) تسبب بعض المواد الداخلة فى المبانى والمجاورة أو الملاصقة للموصل مخاطر الحريق إذا زادت درجات الحرارة عن 150 م .

جدول رقم (10) كثافة تيار الخطأ الأرضى لمدة 1 ثانية فى مواصلات التأريض عن درجة حرارة ابتدائية 30 م

K : ثابت قيمته معطاة بجدول رقم (10) وحيث إن الثابت K يعتمد على درجة حرارة الموصل الابتدائية والنهائية فإنه يمكن حساب قيمة هذا الثابت لقيم أخرى من درجات الحرارة لمدة ثانية واحدة من العلاقة التالية :

K =

T2 : درجة الحرارة النهائية

T1 : درجة الحرارة الابتدائية

ß – K : ثوابت معطاة بجدول رقم (13)

ويجب التأكد فى حالة استمرار مرور تيار التسرب للأرض من مقدرة الموصل على تحمل هذا التيار وبحيث ألا تزيد درجة حرارته عن درجة الحرارة العظمى المسموح بها سواء للموصل أو للمادة المعزول بها.

تكون قدرة الموصل على تحمل مثل هذا التيار كافية بحيث لا تزيد درجة حرارته عن درجة الحرارة العظمى المسموح بها للعزل أو للمواد المستخدمة عزل للموصلات .

كما يجب ألا تزيد درجة حرارة الموصل فى حالة الموصلات المكشوفة والمعرضة للمس عن 70 م علما بأن تيار التسرب لمدة طويلة قبل مرور تيار الخطأ الأرضى يؤدى إلى رفع درجة حرارة الوصلات الابتدائية التى يجب مراعاتها عند اختبار مساحة المقطع المناسب لموصل التأريض .

أما من ناحية الحماية الميكانيكية فيجب ألا تقل مساحة مقطع الموصل النحاسى عن 5,2 مم2 ومن ناحية الحماية من التآكل فيجب ألا تقل هذه المساحة عن 4 مم2 .

وعند استخدام موصل التأريض مدفونا تحت سطح الأرض فيجب حمايته من التآكل بطلائه ويوصى بألا تقل مساحة مقطع الموصل من النحاس أو الصلب المغطى بالنحاس عن 16 مم2 .

وفى حالة عدم حماية الموصلات من التآكل يجب أن لا تقل مساحة مقطع الموصل عن 25 مم2 للنحاس وعن 50 مم2 للصلب وألا يقل سمك الشرائح عن 3 مم .

وتستخدم مواد مصنعة من سبيكة نحاس لا تتعدى نسبة الزنك بها عن 15% لعمل الوصلات بين موصل التأريض وقطب الأرضى بحيث يكون التآكل الجلفانى أقل ما يمكن وأن تكون الشدة الميكانيكية لهذه الوصلات قوية ومربوطة بشدة ومقاومة للتآكل كما يمكن استخدام وصلات مثبته بالبرشام بحيث لا يقل عزمها الميكانيكى عن 20 نيوتن . متر .

ويجب التأكد فى المنشآت الكبيرة (محطات القوى الكهربائية) من سلامة التوصيل بين أقطاب الأرضى المكونة والموصلات المتصلة بها وكذلك مجموعة أقطاب الأرضى المكونة من عدد من الأقطاب المدفونة رأسيا والمتصلة بشبكة التأريض باستخدام وصلة مثبتة بالأقطاب باستخدام البرشام أو ملحومة بها وتكون مغمورة فى صندوق خرسانى ويمكن استخدام طرق أخرى بسيطة ولكن بشرط ضمان سلامة التوصيل والأداء .

رابعا : كثافة التيار على سطح قطب الأرضى

يجب التأكد من أن القيمة العظمى لسعة حملته التيار بقطب الأرضى ملائمة للنظام المتصل به ومما يعنى قدرة الموصل على تبديد الطاقة الكهربائية فى الأرض والمحورة على هيئة طاقى حرارية فى قطب الأرضى وذلك دون ارتفاع درجة حرارة القطب نفسه عن القيمة المسموح بها والتى قد تؤدى إلى انصهاره وتتوقف أقصى درجة حرارة يصل إليها القطب على قيمة وفترة مرور تيار الخطأ الأرضى وكذلك الخواص الحرارية للتربة المحيطة بالقطب وكذلك نوع مادة القطب .

وحيث إن معامل تغير المقاومة الكهرباية للتربة يكون سالبا فلهذا فإن التيار يسبب انخفاضا فى مقاومة القطب أولا وبالتالى زيادة فى تيار الخطأ الأرضى ومع ارتفاع درجة الحرارة إلى 100 م يتم تبخر الماء الموجد بالتربة وتتحول إلى مادة عازلة ذات مقاومة عالية وترتفع درجة انصهاره وانهياره .

ويجب أن تراعى ثلاثة عوامل عند اختيار مادة ومساحة مقطع التأريض وهى :

1- صمود النظام لمدة طويلة : وهو ما يتوقف عليه سلامة النظام الذى يتصل به قطب الأرضى وعمله بصورة طبيعية .

2- سعته تحمل تيار الخطأ لفترة صغيرة : وهو زمن مرور تيار الخطأ الأرضى إلى الأرض .

3- سعة تحمل تيار الخطأ لفترة طويلة : وهو زمن مرور تيار الخطأ الأرضى إلى الأرض فى حالة النظم المستخدم فيها ملفات تقليل القوس الكهربائى .

ولقد أجريت مجموعة من التجارب العملية على نموذج لقطب أرضى كروى مدفون فى طين أو طفلة ذات مقاومة نوعية صغيرة ووجد أن :

أ- تعتبر كثافة التيار 40 (أمبير / م2) قيمة مأمونة وتتحقق عندما يكون هناك خلل فى قيم تيارات الأطوال المختلفة وهى تتوقف كذلك على المقاومة النوعية للتربة (الحرارة والكهربائية) .

ب- فترة انهيار قطب الأرضى نتيجة لمرور تيار خطأ أرضى لفترة زمنية قصيرة تتناسب عكسيا مع التحميل النسبى (J . P) وأن أقصى كثافة تيار مسموح بها طبقا للمواصفات القياسية البريطانية BS 7430 – 1991 هى :

J = 1 O3 (………)

حيث

J : هى كثافة التيار على سطح قطب الأرضى (أمبير / متر2) .

P : المقاومة النوعية للتربة المحيطة بالقطب (أوم . متر) .

T : زمن بقاء مرور تيار الخطأ الأرضى (ثانية) .

ولقد أثبتت الخبرة العملية صلاحية هذه العلاقة أيضا للأقطاب اللوحية .

خامسا : تدرج الجهد حول أقطاب الأرضى

عند انهيار العزل بين موصل الطور والأرض فإنه يمر تيار فى قطب الأرضى ويرتفع جهده عن جهد الأرض (صفر) ويعتمد هذا الارتفاع على قيمة تيار الخطأ الأرضى ومقاومة القطب وهذا يؤدى إلى ظواهر غير طبيغية فى شبكة التليفونات وكابلات نقل المعلومات ذات أقطاب التأريض الموضوعة على جهد الأرض وتحدث هذه الظواهر أساسا فى نظم التأريض ذات الأقطاب الكبيرة فى محطات توليد وتحويل الكهرباء .

ونظرا لارتفاع قيمة تيار الخطأ الأرضى مما يؤدى لارتفاع جهد الأرض فى المنطقة المحيطة بقطب الأرضى فغالبا ما يسبب هذا ضررا للعاملين وللدواب المتواجدة بهذه المنطقة خاصة عند تلامسهم مع نقطتين متباعدتين على جهدين مختلفين وذلك عن زيادة الجهد عن قيمة معينة وتكون الماشية أكثر تعرضا لذلك ويوضح شكل (6) كيفية تغير الجهد بالمنطقة المحيطة بقطب أرضى طولة 3 م . ويلاحظ من الشكل

أن تدرج الجهد يكون عاليا بالقرب من قطب الأرضى ويكون ذلك فى دائرة نصف قطرها فى حدود من 1 إلى 2 متر من القطب. ولتقليل قيمة تدرج الجهد فى هذه المنطقة يجب أن تكون أعلى نقطة من قطب الأرضى على مسافة عميقة من سطح الأرض ويوضح هذا الشكل أيضا تدرج الجهد على خط عمودى على ثلاثة أقطاب واقعة على استقامة واحدة ويلاحظ ن تدرج الجهد على مسافة 2 متر يكون أقل من سابقة وفى حالة استخدام مجموعة من الأقطاب على التوازى فإن مقاومة التأريض والجهد وتدرجه يقل عن حالة استخدام قطب أرضى واحد .

يتضح من شكل رقم (7) أن توزيع الجهد على سطح الأرض فى المنطقة المحيطة يقطب أفقى يكون أقل من مثيله الرأسى ويكون أعلى تدرج للجهد عند نقطة مساوية لعمق القطب عن سطح الأرض وتكون عندئذ قيمة تدرج الجهد بين قطبى الأرضى صغيرة وكذلك فإن عمق القطب عن سطح الأرض ذو تأثير قليل على قيمة الجهد عند سطح الأرض .

ويوضح شكل رقم (8) جهد سطح الأرض فى المنطقة الواقعة بين أربعة أقطاب قطر كل منها 15 مم وبطول 3 أمتار والمسافة الفاصلة بينهما 5 أمتار . ويوصى بقياس الجهد فى المنطقة المحيطة بالأقطاب ويجب أن تكون داخل الحدود المسموح بها وتستخدم شرائح أفقية تحت سطح التربى بمقدار 60 سم لتقليل الجهد على سطح الأرض وكذلك تدرج الجهد فى هذه المنطقة حيث إن قيمة جهد سطح الأرض حول قطب الأرضى وعلى بعد مسافة صغيرة تبلغ عدة سنتيمرات توضح مدى تأثير مقاومة التربة النوعية على قيمة الجهد . أما فى المناطق ذات المقاومة النوعية العالية حيث لا ينصح باستخدام أقطاب إضافية وإنما يوصى بمعالجة التربة لتغيير مقاومتها النوعية أو باستبدالها بخرسانة موصلة مع مراعاة أن جودة توصيل التربة تتأثر بشكل واضح بكثافة التربة (عدا بالتربة المبلولة) وأن عملية دك التربة والتصاقها بقطب الأرضى من الأمور الهامة لتقليل قيمة مقاومة التأريض .

ولا يتم وضع أقطاب الأرضى بالقرب من الأسوار المعدنية إلا إذا كانت مستخدمة لتأريض هذه الأسوار نظرا لارتفاع جهدها فى حالة حدوث انهيار عزل موصل الطور واتصاله بالأرض أو بجسم معدنى متصل بها .

أما فى المناطق الريفية حيث يتم نقل الطاقة الكهربائية وتوزيعها باستخدام خطوط هوئية وأبراج فيجب أن يكون تأريض الأبراج عن طريق وصلات أرضية معزولة لربط الأبراج بأقطاب الأرضى لحماية الماشية فى المنطقة المحيطة بالأبراج .

حساب جهد سطح الأرض أقطاب رأسية

يمكن حساب الجزء (E) الناتج عن ارتفاع الجهد على القطب الرأسى الذى يظهر عند نقطة P على سطح الأرضية مطلوب حساب قيمة الجهد عندها من العلاقة التالية الواردة بالمواصفات القياسية البريطانية Bs 7430 – 1991

E = (……..)

حيث : V1 = L r1

N : عدد الأقطاب

L : طول الجزء المدفون من القطب

R1 : المسافة بين أى نقطة P على سطح الأرض والقطب رقم i th (بالمتر) وتكون أكبر من نصف قطر أى قطب .

(…) : قيمة معامل التجميع معطاة فى جدول (2 و 3)

ß = L (…..)

d : قطر القضيب (متر)

S : المسافة بين الأقطاب (متر)

أ) زمن مرور تيار الخطأ (مدة 1 ثانية)

قطاع الموصل		أقصى درجة حرارة للموصل (درجة مئوية)
	150	200	250	450	500
مم x مم	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.
3 x 20	8.3	9.5	10.6	13.2	13.7
3 x 25	10.4	11.9	13.2	16.5	17.1
4 x 25	13.8	15.9	17.6	22.00	22.8
6 x 25	20.7	23.9	26.4	33.00	34.2
3 x 31	12.8	14.8	16.4	20.5	21.2
6 x 31	25.7	29.6	32.7	40.9	42.4
3 x 38	15.7	18.1	20.1	25.1	26.00
5 x 38	26.2	30.2	33.4	41.8	43.3
6 x 38	31.5	36.3	40.1	50.2	52.00
3 x 50	20.7	23.9	26.4	33.00	34.2
4 x 50	27.6	31.8	35.2	44.00	45.6
6 x 50	41.4	47.7	52.8	66.00	68.4

جدول رقم (11) : تيارات الخطأ الأرضى لموصلات تأريض من شرائح نحاسية

ب) زمن مرور تيار الخطأ (مدة 3 ثانية)

قطاع الموصل		أقصى درجة حرارة للموصل (درجة مئوية)
	150	200	250	450	500
مم x مم	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.
3 x 20	4.8	5.5	6.1	7.6	7.9
3 x 25	6.00	6.9	7.6	9.5	9.9
4 x 25	8.00	9.2	10.2	12.7	13.2
6 x 25	12.00	13.8	15.2	19.1	19.7
3 x 31	7.4	8.5	9.5	11.8	12.2
6 x 31	14.8	17.1	18.9	23.6	24.5
3 x 38	9.1	10.5	11.6	14.5	15.0
5 x 38	15.1	17.4	19.3	24.1	25.0
6 x 38	18.2	20.9	23.2	29.0	30.0
3 x 50	12.0	13.8	15.2	19.1	19.7
4 x 50	15.9	18.4	20.3	25.4	26.3
6 x 50	23.9	27.5	30.5	38.1	39.5

تابع جدول رقم (11) : تيارات الخطأ الأرضى لموصلات تأريض من شرائح نحاسي

تم حساب القيمة السابقة بفرض أن المسافة بين الأقطاب S لا تقل عن طول القطب المستخدم وأنها متساوية بين هذه الأقطاب وكذلك بأن قيمة التيار متساوية بينها .

أقطاب أفقية

يمكن استنتاج علاقة لحساب الجزء (E) الناتج عن ارتفاع الجهد على سطح الأرض عند نقطة P على سطح الأرضية مطلوب حساب قيمة الجهد عندها وتقع على خط عمودى على خط أقطاب أفقية بفرض أن القطب موجود تحت مستوى سطح الأرض بمسافة صغيرة مقارنة بطول القطب وأن التيارات موزعة بين الأقطاب بالتساوى من العلاقة التالية الواردة بالمواصفات القياسية البريطانية BS 7430 – 1991 :

E = (……….)

حيث

V1 = L (……)

N : عدد الأقطاب

L : طول كل قطب بالمتر

R1 : المسافة على سطح الأرض الممتدة بين النقطة P على سطح الأرض ونقطة رأسية فوق القطب رقم i th (بالمتر) .

H : عمق الأقطاب من سطح الأرضية بالمتر

D : قطر القطب بالمتر وبالنسبة للأقطاب الشريطية d = 2w / …. فإن حيث تكون W هى عرض الشريط بالمتر .

F : معامل التجميع ومعطاة فى جدول رقم (5) فى الجزء الأول من المقال .

أبعاد الشريحة	مدة مرور تيار الخطأ 1 ثانية أقصى درجة حرارة الموصل (م)				مدة مرور تيار الخطأ 3 ثوانى أقصى درجة حرارة للموصل 5 م
	150	200	250	300	150	200	250	300
مم x مم	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.	ك. أ.
3 x 20	5.5	6.3	7	7.5	3.2	3.6	4	4.3
3 x 25	6.8	7.9	8.7	9.4	3.9	4.5	5.0	5.4
6 x 25	13.7	15.8	17	18.8	7.9	9.1	10.0	10.8
6 x 50	27.3	31.5	34.8	37.5	15.8	18.2	24.1	26.0
6 x 60	32.8	37.8	41.8	45.0	18.9	21.8	24.1	26.6
6 x 80	43.7	50.4	55.7	60.0	25.2	29.1	32.1	34.6

جدول رقم (12) : تيار الخطأ الأرضى لشريحة ألمومنيوم مستخدمة كموصل تأريض

المعدن	الثابت K1	الثابت ß
	أمبير / مم2 (قيمة فعالة)	درجة مئوية
نحاس	226	234.5
ألومنيوم	148	228
صلب	78	202

جدول رقم (13) : قيم الثوابت ßK1 , B