الموصل الأرضي (المؤرض) في خطوط النقل الكهربائي: تصميمه، المقاسات، وحساب مقطعه
الموصل الأرضي أو المؤرض العلوي هو عنصر أساسي في شبكات خطوط النقل الكهربائي. يعلو الأبراج التي تحمل أسلاك النقل ويستخدم لأغراض الحماية. في هذه النظرة التفصيلية، سنغطي تصميمه، المقاسات المتاحة، طريقة حساب مقطعه، ووظائفه بالتفصيل.
1. تصميم الموصل الأرضي:
الموصل الأرضي هو سلك معدني قوي، يتوضع عادة فوق الأسلاك الناقلة للتيار الكهربائي على خطوط النقل. يتم تصنيعه من مواد تتمتع بمقاومة منخفضة وشد عالٍ، مثل:
- الفولاذ المغلفن (Galvanized Steel):
- يستخدم عادة نظرًا لصلابته ومقاومته العالية للظروف البيئية.
- الألمنيوم المغلفن بالفولاذ (ACSR – Aluminum Conductor Steel Reinforced):
- يتمتع بخصائص ممتازة حيث يجمع بين خفة الألمنيوم وقوة الفولاذ، مما يوفر موصلية جيدة ومتانة عالية.
- الفولاذ المقاوم للصدأ (Stainless Steel):
- يستخدم في بعض التطبيقات الخاصة التي تتطلب مقاومة إضافية للتآكل.
الهيكل والتصميم:
يتكون الموصل عادة من جديلة من الأسلاك، حيث يتم لف عدة أسلاك معًا لتشكيل السلك النهائي. يتم اختيار هيكل الموصل بناءً على القوة المطلوبة، مقاومة التآكل، والقدرة على التعامل مع التيارات العالية.
2. المقاسات المتوفرة للموصل الأرضي:
تختلف مقاسات الموصلات الأرضية حسب متطلبات النظام وقدرة الشبكة. يتم تحديد هذه المقاسات بناءً على العوامل التالية:
- الطول:
- يمكن أن يمتد الموصل الأرضي على طول أبراج خطوط النقل التي قد تمتد لمئات الكيلومترات.
- القطر:
- يتراوح عادة قطر الموصلات الأرضية من 5 مم إلى 20 مم. يختلف القطر بناءً على قوة التحمل المطلوبة والظروف المناخية المحلية.
- المقاومة الميكانيكية:
- الموصلات المستخدمة تكون قادرة على تحمل قوى الشد العالية، حيث يمكن أن تصل قوة التحمل إلى عدة أطنان، خاصة في المناطق التي تتعرض لرياح شديدة أو جليد.
أنواع الموصلات الأرضية الشائعة:
- ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced):
- مقطع عرضي يتراوح بين 35 ملم² و250 ملم².
- قوي وخفيف الوزن.
- GSW (Galvanized Steel Wire):
- قطر يصل إلى 10-15 ملم.
- يستخدم في البيئات القاسية.
- OPGW (Optical Ground Wire):
- يستخدم أيضًا لنقل البيانات (يحتوي على ألياف ضوئية) بجانب الحماية من الصواعق.
- مقاطع مختلفة تتراوح بين 70 إلى 150 ملم².
3. حساب مقطع الموصل الأرضي:
يتم حساب مقطع الموصل الأرضي بناءً على عدة عوامل، أهمها:
- مقاومة الصواعق: يجب أن يتحمل الموصل التيار الناتج عن ضربة صاعقة ويقوم بتوجيهه إلى الأرض دون أن يتعرض للتلف.
- الشد الميكانيكي: يجب أن يكون المقطع قادرًا على تحمل الأحمال الميكانيكية الناتجة عن الرياح والجليد.
العوامل التي تؤثر على حساب المقطع:
- التيار الناتج عن الصاعقة:
- الصواعق قد تولد تيارات تصل إلى عشرات أو مئات الآلاف من الأمبيرات، ويجب على الموصل الأرضي توجيه هذا التيار إلى الأرض دون أن يتعرض للتلف.
- المقاومة النوعية للمواد:
- يجب أخذ مقاومة المادة في الاعتبار. على سبيل المثال، الفولاذ المغلفن يتمتع بمقاومة أعلى من النحاس أو الألمنيوم.
حساب المقطع الأمثل للموصل الأرضي:
- الطريقة البسيطة: يتم حساب المقطع بناءً على قانون أوم البسيط:
J / I = A
] حيث: - ( A ) هو مقطع السلك (مم²)
- ( I ) هو التيار الأقصى المتوقع (أمبير)
- ( J ) هو الكثافة الحالية المسموح بها للسلك (أمبير/مم²).
- النماذج الهندسية المعقدة: في بعض الأنظمة المتقدمة، يتم استخدام محاكاة حاسوبية لتحديد المقطع الأمثل بناءً على العديد من المعايير البيئية والمواصفات التشغيلية.
4. وظائف الموصل الأرضي:
الحماية من الصواعق:
- تفريغ الصواعق:
- الوظيفة الأساسية للموصل الأرضي هي حماية الخطوط الكهربائية من الصواعق. عندما تضرب صاعقة برجًا أو سلكًا ناقلاً، يقوم الموصل الأرضي بتوجيه التيار الناتج عن الصاعقة إلى الأرض، مما يمنع تلف الموصلات الحاملة للطاقة.
- منع انقطاع الخدمة:
- بفضل الموصل الأرضي، يتم منع الصواعق من التسبب في انقطاع التيار الكهربائي أو تلف المعدات المرتبطة بخطوط النقل.
توفير مسار للأعطال الأرضية:
- في حالة حدوث قصر أرضي أو أعطال مماثلة، يوفر الموصل الأرضي مسارًا بديلًا لتصريف التيارات العالية إلى الأرض، مما يحمي النظام ويقلل من الأضرار المحتملة.
تحسين استقرار النظام:
- الموصل الأرضي يساعد في تأمين الشبكة من تأثيرات التيارات غير المتوقعة أو التفريغات الكهربائية المفاجئة، مما يحسن من استقرار النظام الكهربائي بشكل عام.
الحماية من الظواهر الجوية:
- إضافة إلى الصواعق، الموصل الأرضي يقلل من تأثيرات الظواهر الجوية الأخرى مثل رياح العواصف والجليد، حيث يساعد على توزيع الحمل الميكانيكي وحماية النظام من التلف.
الاتصالات (في حالة OPGW):
- بعض الموصلات الأرضية تحتوي على ألياف ضوئية تستخدم في نقل البيانات بالإضافة إلى الحماية، مثل في الأنظمة التي تستخدم OPGW (Optical Ground Wire).
خلاصة:
الموصل الأرضي (المؤرض) في خطوط النقل الكهربائية هو عنصر أساسي للحماية من الصواعق وتفريغ التيارات الناتجة عنها. تصميمه يعتمد على مواد مثل الفولاذ أو الألمنيوم المغلفن، وتختلف مقاساته بناءً على الظروف التشغيلية والبيئية. يتم حساب مقطعه وفقًا لمتطلبات التيار المار فيه والشد الميكانيكي المتوقع، ويعمل على تأمين استقرار النظام الكهربائي وحمايته من العوامل الخارجية.
