تأريض المحول للأنظمة المشتقة بشكل منفصل: تطبيق البند ٢٥٠٫٣٠ من قانون الكهرباء الوطني

يوقف مفتش التفتيش إتمام عملية القبول النهائي لوحدة جديدة سعتها ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير لأن السلك المحايد موصول بقضيب التأريض الخاص بالغلاف، والمسمار الأخضر للوصل لا يزال في وضعه المصنع الأصلي، كما أن موصل نحاسي عاري يمتد من النقطة X0 إلى هيكل المبنى الفولاذي. وكل تفصيل منها يبدو معقولاً عند النظر إليه منفرداً. أما مجتمعةً فهي تُخلّ بالمتطلبات تأريض المحول للنظام المشتق بشكل منفصل، وتُحدث مساراً موازياً للسلك المحايد يحمل تياراً عبر نظام التأريض طوال عمر المبنى.

نُنشئ هذه الوحدات، ونشارك في عددٍ كافٍ من جولات التشغيل الأولي لمعرفة أنَّ التأريض هو الموضع الذي يهدر فيه المُركِّبون الجيِّدون أكبر قدرٍ من الوقت. ويصل المحول بالشكل الصحيح. لكن يتم إجراء الربط في الموضع الخطأ، أو يُجرى مرتين، فجأةً تظهر تيارات دوَّارة في غرفة المعدات الميكانيكية، وتنشط قواطع التيار المتسرب الأرضي (GFCI) دون سبب وجيه، وتُعلَّق علامة حمراء. وتتناول هذه المقالة ما يطلبه البند ٢٥٠٫٣٠ من قانون الكهرباء الوطني (NEC) فعليًّا، وأماكن نشوء الخلافات، وما يجب التحقق منه قبل أن تُزوِّد شركة التوزيع التيار الكهربائي.

ما الذي يجعل المحول نظامًا مشتقًّا بشكل منفصل؟

ا نظام مشتق بشكل منفصل هو نظام توصيل كهربائي داخل المنشأة، تأتي طاقته من مصدرٍ لا يتصل موصلاته بالموصلات الإمدادية اتصالًا كهربائيًّا مباشرًا، باستثناء الاتصال عبر التماسك المغناطيسي. ويعتبر محول دلتا-واي الذي يغذِّي لوحة توزيع مع وجود موصل محايد الحالة النموذجية لهذا النظام. فالجهد الأساسي ٤٨٠ فولت بتكوين دلتا متصل بالشبكة العامة؛ أما الجهد الثانوي ٢٠٨Y/١٢٠ فولت فهو مصدر جديد. أما الموصل المحايد الظاهر عند النقطة X0 فلا وجود له في الجزء السابق من الدائرة — بل أنشأه المحول.

خُذ وحدةً بقدرة ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير، جهد أولي ٤٨٠ فولت على توصيلة دلتا، وجهد ثانوي ٢٠٨Y‏/١٢٠ فولت على توصيلة واي، مع مقاومة داخلية نسبية قدرها ٥,٧٥٪. التيار الأولي يساوي ١٢٠٣ أمبير، والترير الثانوي يساوي ٢٧٧٦ أمبير، أما الموصل المحايد فهو موصلٌ يحمل تيارًا فعليًّا في أي دائرة تتضمَّن أحمالًا بين الخط والمحايد. ولذلك تختلف قواعد التأريض الخاصة بهذه المحولة عن تلك الخاصة بمحولة دلتا–دلتا دون محايد: إذ إن هناك موصلًا يجب ربطه بالأرض عند نقطة واحدة بالضبط.

المادة ١٠٠ من NFPA 70، قانون الكهرباء الوطني تحدد هذا المصطلح، بينما تشترط الفقرة ٢٥٠,٢٠(د) أن تُؤرض الدائرة حيثما كان ذلك ممكنًا. ثم تحدد الفقرة ٢٥٠,٢٦ الموصل الذي يُؤرض فعليًّا. وفي حالة التوصيلة الواي الثانوية، يكون هذا الموصل هو المحايد. أما في حالة التوصيلة الدلتا الثانوية ذات الطور المؤرض، فيكون طورًا موصلًا، وتتغيَّر جميع قرارات الربط اللاحقة تبعًا لذلك.

 

المكان المخصص لمُوصِّل الربط للنظام

تنص المادة ٢٥٠,٣٠(أ)(١) من لوائح الكهرباء الوطنية (NEC) على موقعين قانونيين لـ مُوصِّل الربط للنظام عند المحول، أو عند أول وسيلة لفصل النظام. موقع واحد فقط، وليس كليهما. إذا تم إجراء الاتصال التوصيلي داخل المحول، فيجب عزل طرف المحايد عن الغلاف، ويكون موصل الاتصال التوصيلي هو الاتصال الوحيد بين النقطة X0 والإطار. أما إذا تم إجراء الاتصال التوصيلي عند أول نقطة فصل، فيجب أن يبقى المحايد معزولاً طوال الطريق حتى تلك النقطة، ويُركَّب موصل الاتصال التوصيلي داخل ذلك الغلاف.

طريقة الفشل تكون في الغالب دائمًا إعدادًا مبدئيًّا من المصنع لم يقم أحد بإزالته. فوحدات النوع الجاف تُشحن مع وجود وسيلة اتصال توصيلي مُدمجة في كتلة المحايد، وكثير من الفِرَق تُوصِل المحايد وتترك الرابط مثبتًا، بينما يقوم الكهربائي عند لوحة التوزيع أيضًا بربط المحايد بالأرض. وهكذا يصبح نظام التأريض مسارًا موازيًا للمحايد. وتتوزَّع التيار بين المحايد وكل قناة توزيع، وكل مسار توصيل معدني، وكل هيكل فولاذي للمبنى الذي يمكنه العثور عليه، وهذا بالضبط ما يمنعه البند ٢٥٠٫٦ باعتباره تيارًا غير مقبول.

يهم حجم الموصل، لكن الموقع يهم أكثر. ويُحسب حجم الموصل القافز استنادًا إلى الموصلات الطورية المشتقة، وفي وحدة سعة ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير مع تيار ثانوي مقداره ٢٧٧٦ أمبير، يكون هذا الموصل قطعة جادة من النحاس. وما نقوله للمقاولين بسيط: حدد نقطة الربط في الرسم الهندسي، وعلّق علامة عليها على المحول، واكتبها في جدول لوحة التوزيع. والربط الموجود في مكانين أسوأ من ربط موثَّق في مكان واحد.

 

 

 

حساب حجم موصل تأريض القطب

تنقلك المادة ٢٥٠٫٣٠(أ)(٢) من قانون الكهرباء الوطني (NEC) إلى الجدول ٢٥٠٫٦٦ لتحديد موصل تأريض القطب في نظام مشتق بشكل منفصل. ويُحسب حجم هذا الموصل استنادًا إلى مساحة أكبر موصل غير مؤرض مشتق، وليس استنادًا إلى سعة المحول بالكيلوفولت أمبير، ولا استنادًا إلى جهاز الحماية من الزائد. كما يحدد الجدول ٢٥٠٫٦٦ حدًّا أقصى لهذا المتطلب: ففوق ١١٠٠ كيلو سيركل ميل من الموصل المشتق، لا يلزم أن يتجاوز موصل تأريض القطب مقاس ٣/٠ AWG بالنحاس أو ٤/٠ AWG بالألومنيوم.

في المثال الذي يبلغ قدرته ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير، يحتاج التوصيل الثانوي إلى عدة مسارات متوازية، لذا فإن أكبر موصل مشتق وحيد يتجاوز بكثير عتبة ١١٠٠ كيلو سيركل ميل — والحل الوارد في الشيفرة هو نحاس مقاس ٣/٠ أوغ. ونلاحظ يوم واحد أثناء جولة التشغيل الابتدائي حدوث خطأين متناقضين: فريق يركّب كابل مقاس ٤/٠ لأن المحول كبير الحجم، وفريق آخر يركّب كابل مقاس ٢ أوغ لأن الجهد الثانوي للمحول لا يتجاوز ٢٠٨ فولت. ولا يستند أي من هذين التفسيرين إلى الجدول.

أما النصف الآخر من البند ٢٥٠٫٣٠(أ)(٢) فيتعلّق بنقطة انتهاء الموصل. فهو يجب أن يصل إلى نظام أقطاب التأريض الموصوف في البند ٢٥٠٫٥٠ — مثل أنابيب المياه المعدنية المدفونة تحت الأرض، أو الهيكل الفولاذي للمبنى، أو القطب المُغطّى بالخرسانة، أو الحلقة التأريضية، أو القضبان التأريضية. ولا يمكن اعتبار قضيب تأريض واحد مدفوع في قاعدة المحول بديلاً عن ربط الهيكل الفولاذي للمبنى. ولقد شاهدنا تصاميم تضيف قضيب تأريض إضافياً تحسباً لأي طارئ، ومع ذلك تفشل، لأن هذا القضيب كان العنصر التأريضي الوحيد، بينما لم يُجرَ أبداً ربط الهيكل الفولاذي.

 

الهدف الحقيقي هو توفير مسار عائد للتيار المتسرب إلى الأرض

توصيل المحول بالأرض لا يركّز أساسًا على مقاومة التأريض. بل يركّز على توفير مسار معدني منخفض الممانعة بين الخط والأرض عند حدوث عطل، ليصل التيار الناتج عن العطل إلى المصدر، فيُفعِّل جهاز الحماية من التيار الزائد ويفتح الدائرة. وتشير الفقرة ٢٥٠٫٤(أ)(٥) من قانون الكهرباء الوطني (NEC) إلى هذا المسار باسم «المسار الفعّال لتيار العطل الأرضي».

الأرقام توضّح الأمر بجلاء. فوحدة القدرة ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير ذات الممانعة ٥٫٧٥٪ يمكنها توصيل تيار يبلغ نحو ٤٨ كيلوأمبير إلى عطل ثلاثي الطور ماسٍ عند طرفيها الثانويين، وتقوم أي قاطعة دوائر مُصمَّمة بشكل مناسب بإطفاء هذا العطل فورًا. أما عطل التأريض القوسي عند الجهد ١٢٠ فولت فهو حالة مختلفة تمامًا: فالتيار فيه مقيدٌ بممانعة القوس وبالمقاومة الكلية للمسار العائد، وقد يبقى ضمن نطاق لا تكتشفه قاطعة الدوائر ذات الإطار ٢٠٠٠ أمبير أبدًا باعتباره عطلًا. وإذا انقطع هذا المسار العائد أو تكرّر وجوده، يستمر العطل بالاشتعال حتى يحدث عطل آخر في عنصر آخر.

ولهذا السبب نطلب رسمة الدائرة الأحادية وتفاصيل التأريض قبل تسليم وحدة مخصصة. فقد تتطلّب مشروعان لهما لوحتا بيانات متطابقتان ترتيبات مختلفة للطور المحايد، ويظهر هذا الاختلاف في الرسومات الهندسية لا في المحول نفسه.

 

أخطاء في تأريض المحولات نراها في الموقع

تم تركيب وحدة محول بقدرة ١٥٠٠ كيلوفولت أمبير، وفولتية إدخال ٤٨٠ فولت وإخراج ٢٠٨ واي/١٢٠ فولت في غرفة ميكانيكية في ولاية تكساس العام الماضي. وقام الفريق بتوصيل الطرف X0 بالغلاف الداخلي للمحول، ثم أعاد توصيل الموصل المحايد بالأرض مرة أخرى عند أول لوحة توزيع تبعد ٤٠ قدمًا، وركّب موصل التأريض الكهرودي من هيكل المحول إلى قضيب تأريض منفرد بجانب القاعدة. أما هيكل المبنى المعدني فكان يبعد ١٥ قدمًا ولم يتم لمسه إطلاقًا. وعند التشغيل الأولي، أظهر مقياس التيار الحلقي قراءة تبلغ ٤,١ أمبير على موصل التأريض الكهرودي بينما كان حمل المبنى حوالي ٣٠٪.

لم يُعطّل أي جزء في ذلك اليوم، وهذه هي المشكلة. فقد كان هذا التيار يسري عبر نظام التأريض ووصلات الأنابيب المعدنية وهيكل المبنى المعدني لمدة أسابيع. واستغرق الإصلاح صباحًا واحدًا فقط: إزالة التوصيل الأرضي الثانوي، وفصل شريطَي الموصل المحايد والأرض في لوحة التوزيع، وتركيب موصل تأريض كهرودي ذي مقاس مناسب متصلًا بهيكل المبنى المعدني، وإعادة توصيل اتصال الهيكل على المعدن العاري لأن سطح القاعدة كان قد طُلي بعد التجميع.

المُخالِف الآخر الذي يكرر ارتكاب الأخطاء في تأريض المحولات هو المعدات. فعند تشديد قطعة التوصيل (اللاغ) يدويًّا على سطح مطلي، قد تظهر القراءة طبيعيةً عند اختبار الاستمرارية، لكنها تفشل في الفحص الحراري عند التحميل الكامل. وتوجد علامات تشير إلى عزم التشديد المطلوب على قطع التوصيل المعتمدة لسبب وجيه، كما أن غسالات النجمة لا تحل محل السطح المعدني العاري.

 

 

 

ما يجب أن يحتويه محول ثلاثي الطور مخصص عند التسليم

لا يمكن للمحول أن يفرض تطبيقَ الشيفرة، لكنه يستطيع جعل التركيب الصحيح واضحًا. وفي حالة محوِّل ثلاثي الطور مخصّص محولٍ ثانويٍّ بنظام واي (واي)، نوفِّر لوحة X0 مُوسومة بوضوح، ولوحة تأريض منفصلة للغلاف مع إزالة الطلاء عنها في المصنع، ولوحة بيانات وفق معيار IEEE C57.12.00، ومخطط توصيل يوضح ما إذا كان الطرف المحايد مربوطًا في المصنع أم لا. وإذا رغب محدِّد المواصفات في تركيب الرابطة عند أول قاطع، فإن الوحدة تُرسَل مع عزل الطرف المحايد، وتبقى وسيلة التوصيل غير مُركَّبة.

الوثائق جزءٌ من المنتج. ويغادر كل وحدة مع بيانات الاختبار الروتيني — مثل النسبة، ومقاومة اللف، ومقاومة العزل، والجهد المُطبَّق والمُحث — بالإضافة إلى علامة اعتماد UL أو cULus، وعلامة اعتماد CSA عند الحاجة إليها في المشروع. وكـ مورد محولات معتمد من UL ونحن نعمل وفق أنظمة اختبار IEEE وIEC، طلب المفتشون رسم التوصيلات عند القاعدة أكثر من طلبهم تقرير الاختبار. وقد أنتجت شركة ريان إلكترك في مصنع مساحته ١٢٠٠٠٠ مترًا مربعًا وتحت براءات اختراع عددها ٣٧ منذ عام ٢٠٠٧، ومنذ عام ٢٠٢٣ تعمل بموجب شراكة مشروع مشترك مع شركة إيتن، ولذلك يُراجع حزمة الرسومات الخاصة بمشروع في أمريكا الشمالية الآن وفق قائمتي تحقق: إحداهما خاصة بنا، والأخرى تُجرى من قِبل الشريك.

 

قائمة فحص تأريض المحول قبل التشغيل

اطبع هذه القائمة وخذها معك أثناء الجولة التفقدية. وكل بند فيها هو ما قد يتحقق منه المفتش فعلًا، وكل بند منها تسبب — حسب معرفتنا — في إعادة التفتيش.

عنصر	ما يجب التحقق منه	مرجع
نقطة التوصيل	مثبت مُوصِل النظام عند المحول أو عند أول قاطع انقطاع، وليس في كليهما معًا أبدًا	NEC 250.30(A)(1)
عزل الطور المحايد	كتلة مُحَايِدة معزولة عن الغلاف حيث يكون الاتصال الكهربائي في الجهة السفلى؛ وقد أُزيل التوصيل المصنعي	NEC 250.30(A)(1)
تحديد حجم موصل التأريض العام	يُحدَّد حجم الموصل وفقًا لأكبر موصل غير مؤرض مشتق؛ والحد الأقصى لحجم النحاس هو 3/0 عند تجاوز ١١٠٠ كيلو سيركولر ميل	البند ٢٥٠٫٦٦ من قانون الكهرباء الوطني
نظام القطب المؤرض	يتوصّل موصل التأريض العام بنظام الأقطاب المؤرضة، وليس بقطب مؤرض منفرد عندما يكون هناك فولاذ موجود	البند ٢٥٠٫٥٠ من قانون الكهرباء الوطني
توصيل لوحة التوزيع	تُفصَل شريط المحايد وشريط التأريض في أول لوحة توزيع تقع بعد نقطة الاتصال الكهربائي	الغرض من البند ٢٥٠٫٢٤(أ)(٥) من قانون الكهرباء الوطني
الأجهزة	إزالة الطلاء من نقاط التأريض على الأرض، وتشديد البراغي المذكورة في الملصق إلى العزم المحدَّد، دون وجود مسار تأريض عبر الأغطية القابلة للنزع	قائمة الشركة المصنِّعة
استمرارية	استمرارية كهربائية من حافلة X0 حتى أبعد نقطة تأريض للمعدات، مع قياس فعلي وليس افتراضي	اختبار التشغيل الأولي

اتخاذ قرارات التأريض رخيصٌ في مرحلة الرسومات، وباهظٌ في مرحلة الجولة الميدانية. والسؤال الذي يجب حله مبكِّرًا ليس أي معيار ينطبق — إذ إن البند ٢٥٠٫٣٠ واضحٌ تمامًا — بل أين تقع نقطة الربط الواحدة في هذا المشروع بالتحديد، ومن يتحمَّل مسؤوليتها: شركة تصنيع المحول، أم مُصنِّع لوحة التوزيع، أم المقاول الكهربائي؟ ويجب تدوين الإجابة على المخطط أحادي الخط، وعندها تصبح الأعمال الميدانية إجرائية بحتة.

إذا كنت تحدد وحدة ذات ثانوية على شكل حرف Y وترغب في ترتيب المحايد، واللوحة الأرضية والمستندات المُطابِقة لتفاصيل التأريض الخاصة بك، فرجاءً أرسل الرسم الأحادي والعلامات المطلوبة للقائمة مع استفسارك. وسنُرجع إليك رسمًا لمراجعته قبل جدولة عملية اللف، وهي فرصة أفضل بكثير لمناقشة قضية الموصل الواصل مقارنةً بالنقاش في الغرفة الميكانيكية بينما تنتظر الجهة المرجعية.

 

حول المؤلف

أعد هذه المقالة فريق هندسة التطبيقات في شركة ريان إلكتريك، وهي شركة مصنعة للمحولات في الصين توفر محولات غاطسة في الزيت ومحولات جافة ومحولات مركبة على قواعد لمنطقة أمريكا الشمالية والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا وأفريقيا منذ عام ٢٠٠٧. ويتعامل الفريق مع مراجعات ترتيبات التأريض والمحايد، والمخططات التوصيلية، والمستندات الخاصة بالاختبارات الروتينية واختبارات النوع، وحزم الشهادات وفق معايير UL وcULus وCSA وIEEE وIEC للمشاريع المرتبطة بالمرافق العامة ومراكز البيانات والصناعات. ويمكن إرسال استفسارات المراجعة الرسومية ومسائل التأريض عبر نموذج الاتصال الموجود على الموقع الإلكتروني www.ryantransformers.com. آخر مراجعة: أكتوبر ٢٠٢٦.

إفصاح: شركة رايان إلكتريك تُصنِّع وتبيع المحولات المذكورة في هذه المقالة. أما الإشارات إلى الأكواد (مثل ٢٥٠.٣٠، ٢٥٠.٥٠، ٢٥٠.٦٦، ٢٥٠.٦، ٢٥٠.٤ من قانون الكهرباء الوطني NEC) فهي ملخَّصة فقط لأغراض المناقشة الهندسية، ويجب التحقق منها مقابل الطبعة السارية من معيار NFPA 70 المعتمدة في نطاق سلطتك القضائية قبل التركيب.