دليل شامل لنظم التحميل الأرضي

نظام التأريض، المعروف أيضًا بنظام التحميل بالأرض، يربط أجزاء معينة من نظام الطاقة الكهربائية بالأرض، عادةً سطح الأرض الموصل، لأغراض السلامة والوظيفية. يمكن أن يؤثر اختيار نظام التأريض على سلامة وتوافق الأجهزة الكهرومغناطيسية للتركيب. تختلف اللوائح الخاصة بأنظمة التأريض بين الدول، ومعظمها يتبع توصيات اللجنة الدولية للإلكتروتقنية (IEC). في هذا المقال، سنشرح أنواع أنظمة التأريض المختلفة ومزاياها وعيوبها وكيفية تصميم وتثبيتها.

ما هو نظام التأريض؟

يُعرف نظام التأريض بأنه مجموعة من الموصلات والأقطاب التي توفر مسارًا ذو مقاومة منخفضة لتدفق التيار الكهربائي إلى الأرض في حالة حدوث خلل أو أعطال. وهذا مهم لعدة أسباب:

• حماية المعدات: يساعد نظام التأريض على حماية المعدات الكهربائية من التلف بسبب زيادة الجهد أو حالات القصر. كما يمنع تراكم الشحنات الثابتة والاندفاعات الكهربائية الناجمة عن ضربات البرق القريبة أو عمليات التبديل.

• حماية الأشخاص: يساعد نظام التأريض على منع مخاطر الصدمات الكهربائية من خلال التأكد من أن الأجزاء المعدنية المكشوفة للمعدات الكهربائية تكون بنفس الجهد الأرضي. كما يسهل تشغيل الأجهزة الواقية مثل قواطع الدائرة أو أجهزة الكشف عن التيار المتبقي التي يمكن أن تفصل التغذية في حالة حدوث خلل.

• نقطة المرجع: يوفر نظام التأريض نقطة مرجعية للدوائر الكهربائية والمعدات بحيث يمكنها العمل بمستوى جهد آمن بالنسبة للأرض. وهذا يضمن أن أي طاقة كهربائية لا يتم استخدامها بواسطة الحمل يتم تبديدها بأمان إلى الأرض.

أنواع أنظمة التأريض

يقوم BS 7671 بإدراج خمسة أنواع من أنظمة التأريض: TN-S، TN-C-S، TT، TN-C، و IT. الحروف T و N تعني:

• T = الأرض (من الكلمة الفرنسية Terre)

• N = المحايد

الحروف S و C و I تعني:

• S = منفصل

• C = مجتمعة

• I = معزولة

يتحدد نوع نظام التأريض بطريقة توصيل مصدر الطاقة (مثل المحول أو المولد) بالأرض وكيفية توصيل محطة التأريض للمستهلك بالمصدر أو بالقطب الأرضي المحلي.

نظام TN-S

يظهر نظام TN-S في الشكل 1، حيث يتم توصيل المحايد المصدر للأرض عند نقطة واحدة فقط، عند المصدر أو قربه بقدر الإمكان. عادة ما يتم توصيل محطة التأريض للمستهلك بغمد أو درع الأسلاك الخدمية للموزع الداخل إلى المنشأة.

الشكل 1: نظام TN-S

مزايا نظام TN-S هي:

• يوفر مسارًا ذا مقاومة منخفضة للتيارات العطل، مما يضمن تشغيل الأجهزة الواقية بسرعة.

• يجنب أي فرق جهد بين المحايد والأرض داخل منشأة المستهلك.

• يخفّض خطر التداخل الكهرومغناطيسي بسبب التيارات المشتركة.

عيوب نظام TN-S هي:

• يتطلب موصل حماية منفصل (PE) بالإضافة إلى موصلات التغذية، مما يزيد من تكلفة وتعقيد الأسلاك.

• قد يتأثر بصدأ أو تلف غمد أو درع الأسلاك الخدمية، مما يمكن أن يضعف فعاليته.

نظام TN-C-S

يظهر نظام TN-C-S في الشكل 2، حيث يتم توصيل موصل المحايد الأساسي للتوزيع بالأرض عند المصدر وفي فترات على طول مساره. هذه العملية غالبًا ما تسمى التأريض المتعدد الواقي (PME). بهذه الطريقة، يتم استخدام موصل المحايد للموزع لإعادة تيارات العطل الناشئة في تركيب المستهلك بأمان إلى المصدر. لتحقيق هذا، سيوفر الموزع محطة تأريض للمستهلك والتي ترتبط بموصل المحايد الوارد.

الشكل 2: نظام TN-C-S

مزايا نظام TN-C-S هي:

• يقلل من عدد الموصلات اللازمة للتغذية، مما يقلل من تكلفة وتعقيد الأسلاك.

• يوفر مسارًا ذا مقاومة منخفضة للتيارات العطل، مما يضمن تشغيل الأجهزة الواقية بسرعة.

• يجنب أي فرق جهد بين المحايد والأرض داخل منشأة المستهلك.

عيوب نظام TN-C-S هي:

• قد يخلق خطر الصدمة الكهربائية إذا كان هناك انقطاع في موصل المحايد بين نقطتين أرضيتين، مما يمكن أن يسبب زيادة في الجهد اللمس على الأجزاء المعدنية المكشوفة.

• قد يسبب تدفق تيارات غير مرغوب فيها في الأنابيب أو الهياكل المعدنية المتصلة بالأرض في نقاط مختلفة، مما يمكن أن يؤدي إلى الصدأ أو التداخل.

نظام TT

يظهر نظام TT في الشكل 3، حيث يتم توصيل كل من المصدر وتركيب المستهلك بالأرض عبر أقطاب منفصلة. هذه الأقطاب ليس لها اتصال مباشر بينهما. هذا النوع من نظام التأريض مناسب لكل من التركيبات ثلاثية الأطوار والتركيبات أحادية الطور.

الشكل 3: نظام TT

مزايا نظام TT هي:

• يزيل أي خطر من الصدمة الكهربائية بسبب انقطاع موصل المحايد أو الاتصال بين الموصلات الحية والأجزاء المعدنية المكشوفة المتصلة بالأرض.

• يجنب أي تيارات غير مرغوب فيها في الأنابيب أو الهياكل المعدنية المتصلة بالأرض في نقاط مختلفة.

• يسمح بمرونة أكبر في اختيار موقع ونوع الأقطاب الأرضية.

عيوب نظام TT هي:

• يتطلب قطب أرضي محلي فعال لكل تركيب، وقد يكون ذلك صعبًا أو مكلفًا اعتمادًا على ظروف التربة وتوفر المساحة.

• يتطلب أجهزة حماية إضافية مثل أجهزة الكشف عن التيار المتبقي أو أجهزة الكشف عن الجهد لضمان قطع موثوق به في حالة حدوث خلل.

• قد يؤدي إلى زيادة في الجهد اللمس على الأجزاء المعدنية المكشوفة بسبب زيادة المقاومة الحلقة الأرضية.

نظام TN-C

يظهر نظام TN-C في الشكل 4، حيث يتم دمج الوظائف المحايدة والواقية في موصل واحد طوال النظام. يُطلق على هذا الموصل اسم PEN (المحايد الأرضي الواقية). يتم توصيل محطة التأريض للمستهلك مباشرة بهذا الموصل.

الشكل 4: نظام TN-C

مزايا نظام TN-C هي:

• يقلل من عدد الموصلات اللازمة للتغذية، مما يقلل من تكلفة وتعقيد الأسلاك.

• يوفر مسارًا ذا مقاومة منخفضة للتيارات العطل، مما يضمن تشغيل الأجهزة الواقية بسرعة.

عيوب نظام TN-C هي:

• يخلق خطر الصدمة الكهربائية إذا كان هناك انقطاع في موصل PEN أو إذا جاء في اتصال مع أجزاء حية بسبب فشل العزل.

• يسبب تدفق تيارات غير مرغوب فيها في الأنابيب أو الهياكل المعدنية المتصلة بـ PEN في نقاط مختلفة، مما يمكن أن يؤدي إلى الصدأ أو التداخل.

• يتطلب احتياطات خاصة لتوصيل الأجهزة ذات الأجزاء المعدنية المكشوفة التي قد تكون متاحة في نفس الوقت مع أجزاء معدنية أخرى متصلة بالأرض.

نظام IT

يظهر نظام IT في الشكل 5، حيث يكون مصدره معزولًا عن الأرض أو متصلًا بالأرض عبر مقاومة (مثل المقاوم أو المكثف). يتم توصيل تركيب المستهلك بالأرض عبر قطب أو عدة أقطاب محلية. هذه الأقطاب ليس لها اتصال مباشر مع المصدر.