مقدمة
تعد الكابلات الأرضية بمثابة شرايين الحياة لنقل وتوزيع الطاقة الكهربائية في المناطق الحضرية والمرافق الحيوية. ومع الارتفاع الكبير في الجهود (EHV/HV)، تظهر تحديات فريدة تتطلب حلولاً هندسية دقيقة. أحد أهم هذه التحديات هو كيفية تأريض الغلاف المعدني (Sheath) للكابل. ليس هذا التأريض مجرد إجراء وقائي روتيني، بل هو عنصر حاسم في تحديد أداء الكابل، وطول عمره الافتراضي، وموثوقية الشبكة الكهربائية ككل.
تهدف هذه المقالة إلى شرح الفلسفة والأنظمة المختلفة لتأريض غلاف الكابلات، مستعرضة مزايا وعيوب كل منها، وذلك بناءً على المبادئ الهندسية المتعارف عليها.
الجزء الأول: لماذا نقوم بتأريض غلاف الكابل؟ (المشاكل الأساسية)
قبل الخوض في طرق التأريض، من الضروري فهم المشاكل التي ينشأ عنها الحاجة إليه:
- جهود الحث (Induced Voltages):
عندما يمر تيار كهربائي في الموصل النحاسي أو الألمنيوم الأساسي (Core)، يتولد مجال كهرومغناطيسي. يقطع هذا المجال الغلاف المعدني (الذي يمثل بشكل ما “الملف الثانوي” للمحول)، مما يتسبب في حث جهد كهربائي عليه. كلما زاد التيار المار (الحمل) وطول الكابل، زادت قيمة هذا الجهد المحث. يمكن أن تصل هذه الجهود إلى مستويات خطيرة (مئات الفولتات) تشكل خطراً على حياة الفنيين وعملية الصيانة. - فقدان الطاقة (Sheath Losses):
إذا سُمح للجهد المحث بتوليد تيار في الغلاف (يسمى تيار الدوامة أو Eddy Currents وتيارات التدوير أو Circulating Currents)، فإن هذا التيار سيؤدي إلى تسخين الغلاف. هذا التسخين يمثل طاقة ضائعة (فقدان) تُحمّل على النظام، مما يقلل من كفاءة نقل الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يرفع هذا التسخين من درجة حرارة الكابل بأكمله، مما يحد من قدرته على حمل التيار (Ampacity) ويُسرع من عملية شيخوخة العزل. - جهود التلامس (Touch Voltages):
في حالة حدوث عطل أرضي (Earth Fault) في النظام، يرتفع جهد الغلاف إلى مستويات عالية جداً لفترة قصيرة. بدون نظام تأريض مناسب، يمكن أن يظل هذا الجهد الخطير موجوداً على الغلاف، مهدداً أي شخص يلمس تركيبات الكابل. - الحماية من الصواعق وزيادات الجهد (Lightning and Surge Protection):
يوفر التأريض مساراً منخفض المقاومة لتفريغ تيارات الصواعق أو زيادات الجهد العابرة، مما يحمي العزل الداخلي للكابل من التلف.
الهدف الرئيسي، إذن، هو إيجاد طريقة لتأريض الغلاف تسمح لنا بـ:
- التحكم في الجهد المحث وجعله ضمن حدود آمنة.
- تقليل الفقد في الطاقة الناتج عن التيارات في الغلاف.
- توفير مسار آمن لتيارات العطل.
الجزء الثاني: نظم تأريض الغلاف الرئيسية
هناك ثلاث طرق رئيسية لتأريض غلاف الكابلات، يتم اختيارها بناءً على طول الكابل، ومستوى الجهد، والتكلفة، ومتطلبات الأداء.
1. التأريض المترابط (أو التأريض الصلب) في طرف واحد (Single-Point Bonding أو Solid Bonding)
- المبدأ: يتم تأريض الغلاف المعدني عند نقطة واحدة فقط (عادة عند أحد طرفي مسار الكابل)، بينما يتم عزل الغلاف عن الأرض في الطرف الآخر وفي النقاط الوسيطة.
- كيفية العمل:
- يمنع هذا النظام تماماً تكون تيار التدوير (Circulating Current)، لأن الدارة الكهربائية للغلاف غير مكتملة.
- ومع ذلك، يظل الجهد المحث موجوداً على الغلاف، وتزداد قيمته كلما ابتعدنا عن نقطة التأريض. لذلك، يجب تركيب “محولات عازلة للجهد” (Sheath Voltage Limiters – SVLs) عند الأطراف المعزولة. تقوم الـ SVL بتوصيل الغلاف إلى الأرض فقط في حالة تجاوز الجهد لحد آمن (مثلاً 2 كيلوفولت)، مما يحميه أثناء الظروف العابرة أو حالات العطل.
- المزايا:
- فقدان شبه معدوم في الغلاف، مما يعني كفاءة عالية.
- لا تحد من قدرة حمل الكابل للحرارة الناتجة عن الفقد في الغلاف.
- العيوب:
- يقتصر استخدامها على كابلات قصيرة (عادة حتى 1-3 كيلومتر) بسبب تراكم الجهد المحث على طول الكابل.
- تتطلب مراقبة مستمرة للعزل عند النقاط غير المؤرضة.
- تعقيد النظام بسبب الحاجة إلى تركيب وصيانة وحدات SVL.
- التطبيقات: مثالية للدوائر القصيرة حيث تكون الكفاءة وتقليل الفقد هي الأولوية القصوى.
2. التأريض المترابط في الطرفين (أو التأريض المتعدد) (Both-Ends Bonding أو Solid Bonding)
- المبدأ: يتم توصيل الغلاف المعدني وتأريضه مباشرة عند كلا طرفي مسار الكابل، وأيضاً في أي نقاط وصل وسيطة (مثل صناديق الوصلات).
- كيفية العمل:
- يخلق هذا النظام دارة كهربائية مغلقة (الموصل الأساسي والغلاف يشكلان ملفاً أولياً وثانوياً). يؤدي الجهد المحث إلى سريان تيار تدوير كبير (Circulating Current) في الغلاف.
- يعتمد مقدار هذا التيار على قيمة الجهد المحث ومقاومة الغلاف.
- المزايا:
- بسيط التركيب ولا يتطلب معدات إضافية مثل SVL.
- يحافظ على جهد الغلاف عند مستوى منخفض وآمن (قريب من جهد الأرض) في جميع النقاط أثناء التشغيل العادي.
- العيوب:
- فقدان طاقة كبير بسبب تيار التدوير (قد تصل إلى 80% من فقدان الموصل الأساسي في بعض الحالات).
- هذا الفقدان يولد حرارة كبيرة، مما يقلل من قدرة الكابل على حمل التيار (Ampacity) بنسبة قد تصل إلى 30-50%.
- التطبيقات: يستخدم في الدوائر القصيرة إلى المتوسطة حيث تكون تكلفة الفقدان مقبولة، أو عندما تكون البساطة والمتانة هي العامل الحاسم.
3. التأريض المترابط عبر العبور (Cross-Bonding)
- المبدأ: يعتبر هذا النظام الحل الأمثل للكابلات الطويلة جداً. يتم تقسيم المسار الطويل إلى ثلاثة أقسام متساوية (أو مضاعفاتها). يتم تبديل (تدوير) اتصالات الأغلفة المعدنية بين هذه الأقسام الثلاثة قبل تأريضها.
- كيفية العمل:
- في النظام المثالي ثلاثي الأطوار، تكون جهود الحث في الأغلفة الثلاثة متساوية في المقدار ومتزاحة بزاوية 120 درجة. يؤدي عملية العبور (التدوير) إلى إلغاء محصلة جهود الحث، مما يقلل بشكل كبير من جهد التدوير الكلي.
- نتيجة لهذا الإلغاء، يتم تقليل تيار التدوير والفقد المصاحب له إلى أدنى حد (شبيه بالنظام أحادي النقطة).
- في نفس الوقت، يبقى جهد الغلاف بالنسبة للأرض منخفضاً في جميع النقاط (شبيه بالنظام ثنائي الطرف).
- المزايا:
- يجمع بين مزايا النظامين السابقين: فقدان منخفض مثل التأريض في طرف واحد، وجهد غلاف منخفض مثل التأريض في الطرفين.
- يسمح بمد كابلات طويلة جداً دون قيود.
- العيوب:
- معقد للغاية في التصميم والتركيب.
- يتطلب صناديق عبور (Cross-Bonding Link Boxes) خاصة، ووصلات معقدة.
- يتطلب أن تكون الأقسام الثلاثة متساوية في الططول تقريباً لتحقيق التوازن.
- يحتاج إلى صيانة دورية للوصلات والعوازل.
- التطبيقات: الحل الإلزامي تقريباً للدوائر الطويلة ذات الجهود الفائقة (EHV) حيث يكون تقليل الفقد والحفاظ على قدرة الحمل العالية أمراً بالغ الأهمية.
الخلاصة
اختيار نظام تأريض الغلاف المناسب هو عملية موازنة هندسية دقيقة بين:
- الكفاءة (تقليل الفقد).
- السلامة (التحكم في جهود التلامس).
- القدرة على حمل التيار (Ampacity).
- التكلفة الإجمالية (رأس المالي والتشغيل).
- التعقيد والموثوقية.
باختصار:
- التأريض في طرف واحد للدوائر القصيرة (الكفاءة أولاً).
- التأريض في الطرفين للدوائر القصيرة إلى المتوسطة (البساطة أولاً).
- التأريض بالعبور للدوائر الطويلة والفائقة (الأداء الأمثل أولاً).
يضمن الفهم العميق لهذه الأنظمة وتطبيقها الصحيح بناء شبكات كابلات آمنة، وموثوقة، واقتصادية، وقادرة على تلبية الطلب المتزايد على الطاقة الكهربائية.
