مقدمة
قواطع تسرب الأرض (Earth Leakage Circuit Breakers – ELCB) وأجهزة التيار المتبقي (Residual Current Devices – RCD) هي أجهزة حماية كهربائية مصممة للكشف عن الأعطال التي تتسبب في تسرب التيار من الدائرة الكهربائية إلى الأرض، ومن ثم فصل التيار بسرعة لمنع الصدمات الكهربائية وحرائق الأسلاك.
المبدأ الأساسي للعمل
1. قانون كيرشوف للتيارات
تعمل هذه الأجهزة على أساس قانون كيرشوف الذي ينص على أن مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة يجب أن يساوي مجموع التيارات الخارجة منها. في الدائرة الكهربائية المثالية (بدون تسرب)، يكون التيار في السلك الحامل (الطور) مساوياً للتيار في السلك المحايد.
2. الكشف عن التيار المتبقي
عند حدوث تسرب كهربائي (مثل لمس شخص لسلك معرّى)، يتدفق جزء من التيار إلى الأرض عبر مسار غير مقصود. هذا يخلق فرقاً بين التيار في السلك الحامل والتيار في السلك المحايد، وهو ما يسمى التيار المتبقي.
المكونات الرئيسية
1. محول تيار متوازن (Core Balance Transformer)
- يتكون من حلقة مغناطيسية تمر من خلالها كل أسلاك الدائرة (الطور والمحايد)
- في الحالة الطبيعية، المجالان المغناطيسيان المتولدان من التيارين متعاكسان ويتلاشيان
- عند وجود تسرب، يظهر مجال مغناطيسي صافي يولد تياراً في ملف الكشف
2. ملف الكشف (Sensing Coil)
- يلتقط التغير في المجال المغناطيسي الناتج عن عدم التوازن
- يحول الطاقة المغناطيسية إلى تيار كهربائي صغير
3. دائرة إلكترونية (لأنواع RCD الإلكترونية)
- تضخم إشارة التيار المتبقي الصغيرة
- تقارنها بقيمة عتبة محددة مسبقاً (عادة 30mA للحماية من الصعق)
4. مفتاح فصل (Trip Mechanism)
- عند تجاوز التيار المتبقي للقيمة المسموح بها، يتم تنشيط الملف الكهربائي لفصل المفتاح
- يعمل بنظام الزنبرك لضمان الفصل السريع (عادة أقل من 30 مللي ثانية)
أنواع الأجهزة
1. قواطع تسرب الأرض ذات الجهد (Voltage-ELCB)
- تعمل على كشف جهد التسرب في موصل الأرض
- أقل شيوعاً حالياً بسبب بعض القيود في الأداء
2. أجهزة التيار المتبقي (RCD)
- النوع الأكثر انتشاراً حالياً
- تعتمد على كشف الفرق في التيار بين الطور والمحايد
- أنواعها:
- RCCB: للاستخدام الأساسي
- RCBO: يجمع بين حماية من التيار الزائد والتيار المتبقي
- SRCD: للمقابس المدمجة
معايير التشغيل
1. حساسية التيار (IΔn)
- القيم الشائعة: 10mA، 30mA، 100mA، 300mA
- 30mA هي القياسية للحماية من الصعق الكهربائي
2. زمن الفصل
- النوع العام: ≤300ms عند 1xIΔn، ≤150ms عند 2xIΔn، ≤40ms عند 5xIΔn
- النوع S (المؤجل): لديه تأخير مقصود لمنع الفصل الخاطئ
تطبيقات عملية
الحماية من الصعق الكهربائي: خاصة في الدوائر التي قد يتعرض فيها الأشخاص للمس المباشر (الحمامات، المطابخ)
- الحماية من الصعق الكهربائي: خاصة في الدوائر التي قد يتعرض فيها الأشخاص للمس المباشر (الحمامات، المطابخ)
- منع الحرائق الكهربائية تسرب التيار عبر عزل تالف قد يسبب سخونة واشتعال
- حماية المعدات الحساسة بعض الأنواع المتطورة تحمي من الأعطال الدقيقة التي قد تضر بالأجهزة الإلكترونية
القيود والاعتبارات
- لا تحمي من التيارات الزائدة بين الطور والمحايد
- تتطلب نظام تأريض سليم للعمل الفعال (خاصة ELCB)
- قد تعطي فصل خاطئ في حالات التيارات التسريبية العالية
- تحتاج إلى اختبار دوري (عادة زر اختبار Test شهرياً)
التطورات الحديثة
- أجهزة RCBO التي تجمع بين وظائف RCD وقاطع الدورة المصغرة (MCB)
- أنظمة AFCI (حماية من أعطال القوس الكهربائي)
- أجهزة ذكية متصلة يمكن مراقبتها عن بعد
هذه الأجهزة تمثل عنصراً حيوياً في أنظمة السلامة الكهربائية الحديثة، حيث تقدر منظمة الصحة العالمية أنها تقلل وفيات الصعق الكهربائي بأكثر من 50% عند استخدامها بشكل صحيح.
