لماذا يكون حجم سلك الأرض أصغر من سلك الطاقة الحار؟

اعتبارات تحديد حجم سلك الأرض

لا يتعين بالضرورة أن يكون حجم سلك الأرض مطابقًا لحجم السلك الكهربائي (الطور أو الساخن). ومع ذلك، يجب أن يلتزم أبعاده بدقة باللوائح المنصوص عليها في الأكواد الكهربائية، مثل الكود الكهربائي الوطني (NEC) في الولايات المتحدة. هناك عدة عوامل رئيسية تؤثر على تحديد الحجم المناسب لأسلاك الأرض:

وعلى الرغم من أن هذا ليس أمرًا شائعًا، إلا أنه في حالات وجود أسلاك طويلة أو دوائر تتطلب تقليل المقاومة الكهربائية بشكل كبير، قد يحتاج سلك الأرض إلى زيادة حجمه. ويرجع ذلك إلى أن سلك الأرض الطويل يمكن أن يتعرض لانخفاض كبير في الجهد، مما يؤدي بدوره إلى زيادة مقاومة مسار التأريض. للتخفيف من هذه المشكلة وضمان السلامة والموثوقية لنظام الكهرباء، قد يتم تحديد حجم سلك الأرض ليكون مطابقًا للسلك الطور.

في بعض التثبيتات الكهربائية الخاصة، قد يختار المهندسون جعل سلك الأرض بنفس حجم سلك الطور كإجراء احتياطي إضافي للسلامة. ويكون هذا الأمر شائعًا بشكل خاص في الأنظمة الحرجة حيث يمكن أن تكون عواقب الفشل الكهربائي خطيرة للغاية، أو في المناطق التي تفرض فيها الأكواد الكهربائية المحلية متطلبات أكثر صرامة. من خلال استخدام سلك أرض أكبر حجمًا، يمكن للنظام التعامل بشكل أفضل مع تيارات العطل، مما يقلل من خطر الصدمة الكهربائية وتلف المعدات.

فهم تحديد حجم سلك الأرض في الدوائر الكهربائية

عندما يكون سلك الأرض أصغر من سلك الطاقة

في العديد من الدوائر الكهربائية، يكون سلك الأرض (أو التأريض) عادةً أصغر حجمًا مقارنة بأسلاك الطور (الساخن) والمحايد، وهذا الخيار التصميمي يستند إلى عدة عوامل رئيسية:

وظيفة كل نوع من الأسلاك

• سلك الطور: هذا السلك مسؤول عن حمل التيار الكامل أثناء التشغيل الطبيعي للدائرة. وهو يوفر الطاقة الكهربائية للأجهزة والآلات المتصلة.

• سلك المحايد: يعمل كمسار العودة للتيار، حاملاً نفس كمية التيار الذي يحمله سلك الطورembali ke sumber daya.

سلك الأرض: دوره الرئيسي هو توفير مسار آمن لتوجه تيارات العطل، مثل تلك التي تنتج أثناء قصر الدائرة أو تسرب الكهرباء. من خلال توجيه هذه التيارات غير الطبيعية، يحمي المعدات ويحمي الأفراد من الصدمات الكهربائية. وبشكل أساسي، لا يشارك سلك الأرض في عملية حمل التيار العادية للدائرة.

متطلبات حمل التيار

نظرًا لأن سلك الأرض يوصل التيار فقط أثناء ظروف العطل، فإنه لا يحتاج إلى التعامل مع تيارات الحمل المستمرة مثل سلك الطور. عادة ما يتدفق تيار العطل لفترة قصيرة جدًا، حتى يفصل جهاز حماية التيار الزائد، مثل القاطع الكهربائي أو المصهر، الدائرة. نتيجة لذلك، يمكن تحديد حجم سلك الأرض بحيث يتحمل هذه الزيادات القصيرة دون ارتفاع درجة الحرارة. يتم تصميمه بحيث يمكنه حمل تيارات العطل لفترة كافية لفصل الدائرة بواسطة الأجهزة الواقية، وقصر فترة العطل يقلل من خطر حدوث حرارة كبيرة. هذا يسمح باستخدام سلك أصغر حجمًا، مما يقلل من التكلفة واستخدام المواد بينما لا يزال يلبي المعايير الأساسية للسلامة والأداء. تضخم سلك الأرض بدون فائدة كبيرة للسلامة سيكون مكلفًا بشكل غير ضروري.

اعتبارات انخفاض الجهد

إن انخفاض الجهد ليس مصدر قلق رئيسي في تصميم أسلاك الأرض لأنها لا تنقل التيار باستمرار. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم تركيب أسلاك الأرض بأطوال نسبية قصيرة. تسمح هذه الأطوال القصيرة بتوصيل تيارات العطل بسرعة إلى الأرض، مما يثير القاطع الكهربائي لفصل الدائرة دون أن يسبب ارتفاع درجة الحرارة في السلك. وبالتالي، يمكن استخدام سلك أرض أصغر حجمًا دون المساس بأداء الدائرة.

معايير تحديد الحجم بناءً على الأكواد

الكود الكهربائي الوطني (NEC): يقدم NEC توجيهات مفصلة في الجدول 250.122 تحدد الحد الأدنى لحجم الموصل الأرضي للمعدات (EGC). تعتمد هذه المتطلبات على تصنيف جهاز الحماية من التيار الزائد، مثل القاطع الكهربائي أو المصهر، الذي يحمي الدائرة.

اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC): مشابهة لـ NEC، تحدد معايير IEC الحد الأدنى لحجم الموصلات الأرضية. ومع ذلك، عادة ما تعتبر معايير IEC عوامل مثل حجم أسلاك الطور والتيار العطل المتوقع الأقصى. تضمن هذه الأكواد أن تكون أسلاك الأرض محددة الحجم بشكل مناسب - لا تكون صغيرة جدًا بحيث يمكن أن تفشل أثناء العطل، ولا تكون كبيرة جدًا بحيث تكون مسرفة.

أمثلة عملية

• لدائرة محمية بمفتاح 15 أمبير، يكون سلك الطور عادةً #12 AWG، ويجب أن يكون سلك الأرض على الأقل #14 AWG نحاس.

• مع مفتاح 20 أمبير، يكون سلك الطور 10 AWG، ويجب أن يكون سلك الأرض على الأقل #12 AWG نحاس.

• في حالة مفتاح 50 أمبير، يكون سلك الطور #6 AWG، ويجب أن يكون الحد الأدنى لحجم سلك الأرض 10 AWG نحاس.

• لمفتاح 100 أمبير ولوحة التوزيع، حيث يكون كابل الخدمة #4 AWG، يجب أن يكون سلك الأرض على الأقل #8 AWG نحاس.

• لخدمة 200 أمبير، يكون أسلاك الطور على الأقل #3/0 AWG، ويجب أن يكون سلك الأرض #4 AWG.

• الدوائر ذات المفاتيح الكبيرة جدًا، مثل تلك المعتمدة بـ 600 أمبير، تتطلب أسلاك أرض محددة حجمًا تناسبياً لتحمل تيارات العطل المحتملة.

بينما يكون سلك الأرض أصغر من سلك الطور في معظم الحالات، هناك استثناءات.

عندما يكون حجم سلك الأرض مطابقًا لحجم سلك الطاقة

هناك سيناريوهات معينة حيث يجب أن يكون سلك الأرض بنفس حجم سلك الطاقة:

موصلات الترابط

عند استخدام أسلاك الأرض لأغراض الترابط، مثل توصيل الأجزاء المعدنية للمعدات الكهربائية بنظام التأريض، قد تحتاج إلى أن تكون بنفس حجم سلك الطاقة. هذا يضمن أنها يمكنها حمل تيارات العطل بشكل فعال وحفظ سلامة الاتصال بالترابط، مما يوفر حماية موثوقة ضد المخاطر الكهربائية.

الموصلات ذات الأقطار الكبيرة

للدوائر التي تستخدم موصلات ذات أقطار كبيرة (مثل 3/0 AWG أو أكبر)، يُشترط في NEC موصلات أرض أكبر حجمًا بشكل متناسب. هذا لضمان أن نظام التأريض يمكنه التعامل مع التيارات العالية المرتبطة بالدوائر ذات السعة الكبيرة وحفظ سلامة التركيب الكهربائي.

تطبيقات المعدات الخاصة

بعض أنواع المعدات الحساسة أو ذات السعة الكبيرة، مثل التثبيتات الضوئية (PV)، قد تتطلب أسلاك أرض محددة حجمًا لتكون مطابقة لأسلاك الطور. يعتبر هذا التحديد ضروريًا لضمان تدفق التيار العطل بكفاءة وتقليل المقاومة الكهربائية، مما يعزز السلامة والأداء العام للمعدات والنظام الكهربائي.

آثار تحديد حجم سلك الأرض بشكل غير صحيح

سلك الأرض في النظام الكهربائي ليس دائمًا بنفس حجم الأسلاك الساخنة أو المحايدة؛ فقد يكون أكبر أو أصغر قليلاً. عندما يتعلق الأمر باستخدام سلك أرض أكبر، رغم أنه لا يشكل أي خطر على النظام الكهربائي، إلا أنه يأتي بتكلفة أعلى بسبب الحاجة إلى المزيد من المواد. في الحالات التي تتطلب طولًا إضافيًا، يمكن استخدام صندوق الوصل لتمديد السلك دون المساس بسلامة نظام التأريض.

في الواقع، يوفر سلك الأرض الأكبر حجمًا العديد من المزايا ويمكن أن يكون مفيدًا بشكل خاص في بعض السيناريوهات. مع مقاومته الأقل، يقلل السلك الأكبر حجمًا من انخفاض الجهد، مما يضمن اتصالًا كهربائيًا أكثر استقرارًا. وهذا يصبح خاصة مهمًا في الأنظمة التي تتطلب سعات حمل تيار أعلى. من خلال تقليل فقدان الجهد، يساعد سلك الأرض الأكبر حجمًا على الحفاظ على الأداء الكهربائي الثابت، مما يعزز موثوقية وسلامة النظام الكلي.

بالنسبة المقابلة، استخدام سلك أرض أصغر حجمًا يمكن أن يؤدي إلى مشاكل خطيرة. الأسلاك الأصغر حجمًا لها مقاومة كهربائية أعلى، مما يمكن أن يعرقل عمل آلية القطع المغناطيسية لمفتاح الدائرة. هذا يعني أن المفتاح قد لا يقفل بسرعة كافية في حالة حدوث عطل، مما يسمح بتدفق تيارات خطيرة عبر النظام. بالإضافة إلى ذلك، قد لا تستطيع الأسلاك الأرض الأصغر حجمًا التعامل مع تيارات العطل الزائدة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. في الحالات القصوى، يمكن أن يؤدي هذا الارتفاع في درجة الحرارة إلى ذوبان السلك، مما يشكل خطرًا كبيرًا من الحريق ويضع الأملاك والأرواح في خطر.

لضمان سلامة وأداء مثالي لنظام كهربائي، من الضروري استخدام سلك أرض مناسب الحجم. على سبيل المثال، في خدمة 100 أمبير قياسية مع مسافة 150 قدمًا، يُوصى عادةً باستخدام سلك أرض 8 AWG (American Wire Gauge). الالتزام بهذه معايير التحديد يساعد على حماية النظام من المخاطر الكهربائية وضمان أن نظام التأريض يعمل بشكل فعال، مما يوفر حماية موثوقة في حالة حدوث عطل.