يُعد التأريض جانبًا أساسيًا في تصميم أنظمة الطاقة، وهو crucial للسلامة، وحماية المعدات، وموثوقية النظام. فهو يوفر مسارًا لتيارات الأعطال لتتفرى بأمان في الأرض ويمكن أجهزة الحماية مثل قواطع الدائرة من اكتشاف الأعطال وعزلها.
تستكشف هذه المقالة الاختلافات الجوهرية بين الأنظمة غير المؤرضة والمؤرضة، ومزايا التأريض، والطرق المختلفة المستخدمة، وتطبيقاتها العملية في شبكات الطاقة الحديثة.
التحول الجذري من الأنظمة غير المؤرضة إلى المؤرضة
تاريخيًا، عملت بعض أنظمة الطاقة بشكل غير مؤرض. ومع ذلك، لهذا النهج عيوب كبيرة، primarily بسبب ظاهرة القوس الأرضي (Arcing Ground).
ما هو القوس الأرضي؟
عطل مؤقت، مثل ملامسة شجرة لخط علوي أو موجة صاعقة، يمكن أن يخلق قوسًا بين موصل الطور والأرض. في النظام غير المؤرض، يمكن لهذا القوس أن ينطفئ ويعاود الاشتعال repeatedly. تسبب هذه الدورة تذبذبات حادة في الجهد، والتي يمكن أن ترتفع إلى 3-4 أضعاف الجهد الطبيعي. ما يبدأ كعطل مؤقت يمكن أن يتصاعد بسرعة إلى عطل دائم، مسببًا أضرارًا واسعة النطاق.
عيوب أخرى للأنظمة غير المؤرضة:
- جهود زائدة: يزداد الجهد على الأطوار السليمة بمقدار √3 أثناء العطل، مما يضع عزلها تحت الإجهاد ويؤدي إلى فشل premature.
- صعوبة اكتشاف الأعطال: غالبًا ما يكون تيار العطل ضئيلاً، مما يصعب على أنظمة الحماية اكتشافه وتحديد موقعه.
- موجات الصواعق: دون مسار إلى الأرض، لا يمكن تبديد موجات التيار الناتجة عن الصواعق بأمان.
- تكلفة أعلى: يجب عزل الأنظمة لمستوى جهد أعلى (مثلاً، معدات 6.6 كيلو فولت معزولة لـ 11 كيلو فولت)، مما يزيد التكاليف significantly.
مزايا النظام المؤرض (Earthed)
صُممت أنظمة الحماية الحديثة حول البساطة والحساسية التي توفرها الشبكات المؤرضة. الفوائد الرئيسية تشمل:
- القضاء على ظاهرة القوس الأرضي: من خلال توفير مسار محدد إلى الأرض، يتم منع إعادة اشتعال الأقواس repeatedly.
- استقرار الجهد: تظل الفولتية بين الطور والأرض مستقرة أثناء العطل، protecting العزل وإطالة عمر المعدات.
- تصميم حماية مبسط: تصبح تيارات العطل أكبر وأسهل للكشف عنها ومنعها بواسطة relays وقواطع الدائرة.
- تيار عطل قابل للتحكم: يمكن التحكم في حجم تيار العطل الأرضي باستخدام مقاومات أو مفاعلات.
- الحماية من الصواعق: تجد الموجات الناتجة عن الصواعق مسارًا بسهولة إلى الأرض، protecting المعدات.
- تحسين الاقتصادية: عمر أطول للمعدات وصيانة مخفضة يؤدي إلى توفير في التكاليف overall.
طرق التأريض في أنظمة الطاقة
يعتمد اختيار طريقة التأريض على مستوى جهد النظام وملف تيار الشحن السعوي. الطرق الأربع الأساسية هي:
1. النظام المؤرض بشكل صلب (Solidly Grounded)
- التطبيق: يُستخدم في أنظمة الجهد المنخفض (أقل من 3.3 كيلو فولت، مثل 400/415 فولت) وأنظمة الجهد الفائق العالي (33 كيلو فولت فما فوق، مثل 400 كيلو فولت أو 765 كيلو فولت).
- المنطق: في أنظمة الجهد المنخفض، تكون المقاومة الطبيعية لمسار العطل (مثل قوس) كافية للحد من التيار. في أنظمة الجهد الفائق العالي، يكون تيار الأرض السعوي inherent كافياً لتحييد تيار العطل التفاعلي.
2. التأريض بالمقاومة (Resistance Grounding)
- التطبيق: يُستخدم primarily لأنظمة الجهد المتوسط بين 3.3 كيلو فولت و 33 كيلو فولت ذات الدوائر ذات السعة الأقل.
- المنطق: يكون تيار العطل الأرضي مرتفعًا جدًا للتأريض الصلب ولكن التيار السعوي ليس كبيرًا بما يكفي لتطلب تأريضًا بمفاعلة. يتم استخدام resistor في الدائرة المحايدة للحد من تيار العطل إلى مستوى يمكن التحكم فيه وآمن.
3. التأريض بالمفاعلة (Reactance Grounding)
- التطبيق: يُستخدم في الدوائر ذات تيارات الشحن العالية، مثل خطوط النقل الطويلة أو الكابلات تحت الأرض.
- المنطق: تقدم هذه الطريقة مفاعل (reactor) في النقطة المحايدة لتوفير مفاعلة حثية إضافية. تساعد هذه المفاعلة على تحييد تيارات العطل السعوية.
4. التأريض الرناني (Resonant Grounding) / (ملف Petersen / قمع القوس)
- التطبيق: امتداد للتأريض بالمفاعلة يُستخدم في الأنظمة حيث قمع القوس critical.
- المنطق: يتم استخدام مفاعل قابل للتعديل (ملف Petersen) للتعويض perfectly عن تيار العطل الأرضي السعوي. This “يضبط” النظام للقضاء على تيار العطل، مما يتسبب في انطفاء القوس ذاتيًا.
التطبيقات العملية للتأريض
ممارسات تأريض المولدات:
يعتمد النهج على كيفية توصيل المولدات بالشبكة.
- التوصيل المتوازي الكلاسيكي: عندما تعمل عدة مولدات بشكل متواز على bus، عادةً يُؤرض محايد مولد واحد فقط لمنع الاضطرابات الناتجة عن تيارات التسلسل الصفر circulating.
- وحدة المولد-المحول (Generator-Transformer Unit): في تكوين شائع، يتم توصيل كل مولد بمحول رفع خاص به. ملف المولد منخفض الجهد يكون نجميًا ومؤرضًا، وملف المحول منخفض الجهد يكون delta-connected، مما يعزل المولدات. في هذه الحالة، يُؤرض محايد كل مولد على حدة.
محول التأريض (Zig-Zag):
في بعض الأحيان، يكون للنظام ملف متصل على شكل دلتا (Delta) دون نقطة محايدة فيزيائية متاحة للتأريض. في مثل هذه الحالات، يتم استخدام محول تأريض zig-zag لإنشاء نقطة محايدة artificially.
- كيف يعمل: كل ذراع في هذا المحول له ملفان ينتجان تدفقات مغناطيسية متعاكسة during التشغيل العادي، drawing تيار مغنطة negligible.
- ميزة رئيسية: يتم تصميمه للعمل لفترات قصيرة (مثلاً 10 ثوانٍ) أثناء العطل، مما يجعله أصغر حجمًا وأكثر economy من محول طاقة مكافئ.
الخلاصة
يمثل التطور من أنظمة الطاقة غير المؤرضة إلى المؤرضة تقدمًا كبيرًا في safety وموثوقية الكهربائية. من خلال فهم عيوب الأنظمة غير المؤرضة ومزايا التأريض السليم، يمكن للمهندسين اختيار الطريقة المناسبة—صلب، مقاوم، مفاعلي، أو رناني—لكل مستوى جهد وتطبيق. يضمن هذا الإدارة الفعالة للأعطال، وحماية المعدات باهظة الثمن، والمحافظة على استقرار شبكة الطاقة بأكملها.
