توضيح تأريض نقطة المحايدة للمحول: المقارنة بين التأريض الصلب، والتأريض بالمقاومة، والتأريض على شكل حرف زِغْ زَغْ

حدَّدت جدولية أجهزة التوزيع تأريضًا عالي المقاومة بتيار قدره ٥ أمبير مع مقاومة مُصمَّمة للعمل لمدة ١٠ ثوانٍ. ونفَّذ المقاول هذا الترتيب بدقة. لكن لم يُقاس أبدًا تيار الشحن النظامي، والذي بلغ في كابل الجهد ٥ كيلوفولت المُدرَّع، ومُثبَّتات حماية الاندفاع، ومرشحات مدخل المحرك في تلك المنشأة نحو ٦,٨ أمبير. وعند أول عطل بين طورٍ والأرض، حمَل المقاوم التيار السعوي بالكامل، فلم يُسجِّل رеле الكشف أي ارتفاع، وبقي التشغيل مستمرًّا في المنشأة لمدة يومين مع وجود طور مؤرض. أما العطل الثاني، الذي وقع على طور مختلف، فقد حوَّل العطل البسيط إلى انفجار قوسي بين طورين. وقد بُنِيَ كل شيء وفق الرسومات الفنية. ومع ذلك، ظل نظام التأريض خاطئًا.

تأريض نقطة المحايدة للمحول هي قرار التصميم الذي يُحدِّد مقدار التيار المار عند فشل العزل، وما إذا كانت وظيفة الحماية ستؤدي إلى قطع التيار أم تكتفي بإصدار إنذار فقط، وكذلك مقدار ذلك التيار الذي يجب أن تتحمله المحولة والكابلات ومعدات التبديل. ويُتَّخذ هذا القرار مرة واحدة فقط في مرحلة التصميم، وغالبًا ما يشغل سطرًا واحدًا في المواصفات الفنية.

تغطي أربع طرائق ما يقرب من جميع الأنظمة الصناعية وشبكات المرافق ومراكز البيانات: التأريض الصلب، والتأريض ذي المقاومة المنخفضة، والتأريض ذي المقاومة العالية، والتأريض عبر محولة تأريض من نوع الزِّيق-زاغ أو واي-دلتا. وكل طريقةٍ منها تجيب عن سؤال مختلف، والجواب الصحيح يعتمد على الغرض المطلوب من النظام عند حدوث أول عطل تأريض.

 

ما الذي يقرره تأريض نقطة الحياد في المحولات

يُكَوِّن عَطَل التأريض دارةً مغلقةً بين موصل الطور والأرض. ويتحدد التيار المار وفق مقاومة مسار العودة، ويتكوَّن هذا المسار عبر الاتصال بين نقطة التحييد في النظام ونظام الأقطاب الأرضية. وبتغيير هذا الاتصال، تتغير قيمة تيار العطل، وسرعة اكتشافه، ومقدار الضرر الناجم عنه أثناء عملية إزالته.

يستحق ذكر مرجعين في المواصفة. IEEE Std 3003.1-2019 يغطي تأريض الأنظمة لشبكات الطاقة الصناعية والتجارية، وهو الخلف الحديث لسلسلة الكتب الخضراء (Green Book). IEEE Std C62.92.1-2016 يغطي تأريض نقطة التحييد لأنظمة المرافق العامة ذات الجهد الأعلى من ١٠٠٠ فولت. ويبني كلا المعيارين على نفس المفاضلة: يجب أن يكون تيار عطل التأريض مرتفعًا بما يكفي لاكتشافه بموثوقية، ومنخفضًا بما يكفي لعدم تدمير المعدات.

يوجز الجدول أدناه أربع طرق.

الطريقة	تيار العطل النموذجي	فلسفة الاكتشاف	المكان الذي يُركَّب فيه
تأريض صلب	حتى قيمة التوصيل المباشر ثلاثي الطور	تيار زائد لحظي، يؤدي إلى فصل الدائرة	480 فولت وما دونها، توزيع الجهد المنخفض
أرضية مقاومة منخفضة (LRG)	من 100 أمبير إلى 1000 أمبير، وغالبًا ما تكون من 200 أمبير إلى 400 أمبير	مرحلات التيار الزائد، تنسيق انتقائي	توزيع الجهد المتوسط في المنشآت الصناعية التي تتطلب فصلًا انتقائيًّا
أرضية مقاومة عالية (HRG)	من 5 أمبير إلى 25 أمبير	مرحل حسّاس، يُفعِّل إنذارًا أولًا	المنشآت ذات الأحمال الكبيرة من المحركات، العمليات المستمرة، مراكز البيانات
محوّل تأريض متعرج	يُحدَّد بواسطة تصميم المقاومة أو المحول	مرحل حسّاس	الأنظمة الدلتا، بدون نقطة وصل متوافرة للطور المحايد

 

التأريض الصلب: أدنى تكلفة وأعلى تيار عطل

في النظام ذي التأريض الصلب، يُوصَل الطور المحايد مباشرةً بنظام التأريض. ولا يوجد أي عنصر يحد من التيار، لذا قد يقترب تيار العطل بين طور وأرض من قيمة العطل الثلاثي المُثبَّت عند تلك النقطة — وقد تصل إلى عشرات الكيلوأمبير في وحدة سعة ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير عند جهد ٤٨٠ فولت. وهذا ليس عيباً في التصميم؛ بل هو الغرض المقصود. فالعطل كبير، وتكتشفه جميع أجهزة الحماية، ويتم إزالته خلال دورات قصيرة.

تصل الفاتورة إلى مكان آخر. ويتغير حجم دعم الحافلة، وتصنيفات مقاطعة القاطع، وحساب طاقة الحادث في دراسة وميض القوس الكهربائي تبعًا لهذه التيار. ولا يزال التأريض الصلب الخيار العملي لمعظم أنظمة الجهد ٤٨٠ فولت، لأن جهد الطور إلى الأرض يبقى عند ٢٧٧ فولت وتظل أعباء العزل وواقيات الصواعق معتدلة. أما المكان الذي يتوقف فيه هذا النهج عن كونه منطقيًّا فهو نطاق الجهد المتوسط، حيث يؤدي نفس المنطق إلى تيارات عطلٍ لا ترغب المحولات والكابلات ومعدات التوزيع في التعرُّض لها.

ويُفاجَأ الناس بنتيجة واحدة من هذه النتائج: ففي الأنظمة المؤرضة تأريضًا صلبًا، تبدأ معظم أعطال الشبكة كحدث واحد بين طور وأرض، ويتم إزالتها قبل أن تتفاقم. أما في الأنظمة غير المؤرضة أو المؤرضة عبر مقاومة عالية، فإن العطل الأول غالبًا لا يُزال إطلاقًا.

 

التأريض بالمقاومة: التأريض بالمقاومة المنخفضة مقابل التأريض بالمقاومة العالية

إدخال مقاومة بين المحايد والأرض يحوّل فلسفة التصميم إلى رقم. وعادةً ما تحدّ طريقة التأريض ذات المقاومة المنخفضة التيار إلى بضع مئات من الأمبيرات — ويبلغ المدى الشائع عند الجهد المتوسط من ٢٠٠ أمبير إلى ٤٠٠ أمبير — وهي كمية كافية لكي تكتشفها ريليهات الحماية من التيار الزائد القياسية وتتمكّن من التنسيق معها. ولذلك تُستخدم طريقة التأريض ذات المقاومة المنخفضة (LRG) في المنشآت التي ترغب في أن ينفصل التغذية المعطوبة بشكل انتقائي، بدلًا من انفصال القاطع الرئيسي.

أما طريقة التأريض ذات المقاومة العالية فهي تذهب أبعد من ذلك بكثير، وتقيّد تيار الخطأ الأرضي بـ ٥ أمبير أو ١٠ أمبير أو ٢٥ أمبير. وعلى هذه المستويات، يُعتبر الخطأ عادةً إشارة إنذار بدلًا من سبب للانفصال، وتستمر المنشأة في التشغيل بينما يقوم الصيانة بتحديد موقع الخطأ. وتتّبع الأنظمة الصناعية الغنية بالمحرّكات الكهربائية، والمنشآت التي تعمل بعمليات مستمرة ولا يمكنها تحمل الانقطاع، وتوزيع الجهد المتوسط في مراكز البيانات هذه الطريقة. وبذلك لا يعود من الضروري أن يتحمّل المحول والكابلات حدوث حادث يبلغ تياره عدة آلاف من الأمبيرات، كما تنخفض مخاطر ومدى التعرّض لانفجارات القوس الكهربائي الناتجة عن الخطأ الأرضي تبعًا لانخفاض التيار.

هذه هي الجزء الذي يغفله معظم المشترين. فنظام التأريض عالي المقاومة يعمل فقط إذا كانت التيار المسموح به عبر المقاوم أعلى من تيار الشحن الخاص بالنظام. وتيار الشحن الناتج عن الكابلات المدرعة ومُثبِّتات الصواعق ومرشحات مدخل المحرك هو تيار حقيقي، ويتدفق، في حالة حدوث عطل تأريضي، عبر المقاوم والعطل معًا. فإذا كان تيار المقاوم أصغر من ذلك، فإن المرحل لا يمكنه التمييز بين العطل والتيار السعوي الطبيعي — وهذا بالضبط ما حدث في المثال الذي افتتح هذه المقالة. والترتيب الصحيح هو قياس التيار السعوي للتركيب الفعلي، ثم اختيار تيار المقاوم ليكون أعلى من ذلك مع هامش أمان، وبعد ذلك فقط تحديد زمن التقييم.

 

 

محولات التأريض ذات التوصيل الزِّيغ-زَاغ: إنشاء نقطة محايدة حيث لا توجد واحدة

كل ما سبق يفترض وجود نقطة محايدة يمكن توصيل مقاومة إليها. أما مصدر متصل على شكل دلتا، أو محول لا يتم فيه إخراج المحايد من الطرف الثانوي، فلا يوفّر مثل هذه النقطة. وحدة الزِغْزَاغ تحل هذه المشكلة. فلفاتها تُظهر مقاومة منخفضة للتيار ذي التسلسل الصفري، وبالتالي تخلق مسارًا عائدًا مقصودًا لتيار العطل إلى الأرض، وفي الوقت نفسه تُظهر مقاومة عالية للتيار ذي التسلسل الموجب والسالب، مما يعني أن الوحدة لا تحمل تقريبًا أي تيار حملٍ أثناء التشغيل الطبيعي. وتؤدي وحدة النجمة-الدلتا نفس المهمة باستخدام ترتيب مختلف لللفات.

هذا السلوك هو السبب في أن محول التأريض يتم تحديده من ورقة بيانات مختلفة تمامًا عن تلك الخاصة بمحول الحمل. والأرقام التي يجب أن تتطابق هي التيار المحايد للوقت القصير ومدته — وغالبًا ما تكون المدة ١٠ ثوانٍ أو دقيقة واحدة — بالإضافة إلى القدرة على تحمل التيار المحايد المستمر الناتج عن عدم التوازن الذي تُحدثه العملية العادية، والذي يبلغ عادةً بضعة في المئة من قيمة التيار للوقت القصير في وحدة الزِّيغ-زَاغ. فإذا حددتَه استنادًا إلى رقم الوقت القصير فقط، فإن عدم التوازن المستمر سيؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته. أما إذا حددتَه كما تُحدد محول الحمل، فستشتري نحاسًا لن تستخدمه أبدًا.

في الأنظمة التي تعتمد بشكل كبير على المحركات، تُزاوج وحدة الزِّيغ-زَاغ عادةً مع مقاومة. وتُحدِّد المقاومة التيار المسموح بمروره، بينما يوفِّر المحول النقطة المحايدة التي تحتاجها المقاومة.

 

تحديد حجم المقاومة: أربعة أرقام تقرِّر ما إذا كانت تعمل أم لا

المقاومة الأرضية المحايدة جهاز قصير المدى، ولها عدد صغير من التصنيفات الحرجة. وهذه الأربعة هي التي تقرِّر ما إذا كان النظام سيعمل في الخدمة أم لا:

• التيار السعوي المقاس. قِسْهُ عَلَى التَّثْبِيتِ الفِعْلِيِّ، وَعِنْدَ الجَهْدِ الفِعْلِيِّ. وَقِيمُ الجَدْوَلِ مَا هِيَ إِلَّا نُقْطَةُ انْطِلَاقٍ، وَلَيْسَتْ جَوَابًا.
• التِّيَارُ المُمَرَّرُ. ٥ أَمْبير، أَوْ ١٠ أَمْبير، أَوْ ٢٥ أَمْبير لِلتَّأَرُّضِ عَالِي المُقَاوَمَةِ؛ وَ٢٠٠ أَمْبير إِلَى ٤٠٠ أَمْبير لِلتَّأَرُّضِ وَاطِئ المُقَاوَمَةِ. وَفِي كِلْتَا الحَالَتَيْنِ، يَجِبُ أَنْ تَكُونَ القِيمَةُ أَعْلَى مِنْ التِّيَارِ السَّعَوِيِّ المَقْيَاسِ، وَبِهَامِشٍ آمِنٍ.
• التَّصْنِيفُ الزَّمَنِيُّ. عَشْرَةُ ثَوَانٍ وَدَقِيقَةٌ وَاحِدَةٌ هُمَا الأَشْهَرُ. فَمَثَلًا، يُفَتِّتُ مُقَاوِمٌ بِقِيمَةِ ٤٠٠ أَمْبير وَتَصْنِيفٍ زَمَنِيٍّ قَدْرُهُ ١٠ ثَوَانٍ عَلَى نِظَامٍ بِجَهْدٍ ١٣,٨ كِيلُوفُولْتٍ طَاقَةً تَقْرِيبِيًّا قَدْرُهَا ٣,٢ مِيجَاوَاتٍ خِلَالَ حَمْلِهِ لِلتِّيَارِ القَاصِرِ — أَيْ مَا يُعَادِلُ حَوَالِي ٣٢ مِيجَا جُولٍ فِي عَشْرَةِ ثَوَانٍ. وَإِذَا تَرَكْنَا العَطَلَ عَلَى النِّظَامِ، فَإِنَّهُ سَيُدَمِّرُهُ تَمَامًا.
• تَصْنِيفُ الجَهْدِ وَالعَزْلِ. خِلَالَ عَطَلِ التَّأَرُّضِ، يَحْمِلُ المُقَاوِمُ جَهْدَ الخَطِّ إِلَى المُحَايِدِ الكَامِلَ لِلنِّظَامِ بِشَكْلٍ مُسْتَمِرٍ طِوَالَ مُدَّةِ الحَدَثِ.

يَجِبُ أَنْ تُنَاقَشَ فِي السِّيَاقِ نَفْسِهِ عَنْصَرَانِ آخَرَانِ، وَلَكِنْ لَيْسَ عَلَى وَرَقَةِ خَصَائِصِ المُقَاوِمِ: أَوَّلُهُمَا نِظَامُ الكَشْفِ — أَيْ مَاذَا يَفْعَلُ المُرَاقِبُ بِالتِّيَارِ الَّذِي يَرَاهُ، وَهَلْ يُنْبِهُ فَقَطْ أَمْ يُفَعِّلُ القَطْعَ — وَثَانِيهِمَا، فِي حَالَةِ التَّأَرُّضِ وَاطِئ المُقَاوَمَةِ، مَا إِذَا كَانَ دِرَاسَةُ التَّوْفِيقِ مَا زَالَتْ سَارِيَةً بَعْدَ تَحْدِيدِ التِّيَارِ.

 

كيف تدعم شركة رايان إلكتريك تصميم التأريض في الطلبات المخصصة

يبدأ تصميم التأريض من المحول، لأن ترتيب لفات الطرف الثانوي يحدد ما إذا كان هناك طرف متعادل أصلاً أم لا. وفي حالة محوّل ثلاثي الطور مخصّص المحول ذي الطرف الثانوي على شكل نجمة (واي)، نُخرج الطرف المتعادل عبر عازل مصنّف لتحمل تيار الخطأ إلى الأرض وفق المواصفات التي تحددها الدراسة، كما نزوّد العملاء ببيانات ترتيب اللّفات ومجموعة المتجهات اللازمة لدراسات التأريض والتناسق. أما عند اعتماد العميل لطريقة تأريض بالمقاومة أو تأريض على شكل زِغْزَاغ، فإننا نؤكد ترتيب الطرف المتعادل أثناء مرحلة تقديم العرض وليس أثناء اختبار القبول بالمصنع. وهذه مسألة تتطلب محادثة مدتها خمسة عشر دقيقة في البداية، بينما قد تؤدي إهمالها إلى طلب تعديلات لاحقاً.

نَبني في منشأة تبلغ مساحتها ١٢٠٠٠٠ متر مربع، ومزودة بأكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار و٣٧ براءة اختراع، ونمتلك شهادات الاعتماد من جهات مثل UL وCSA وIEEE وDEKRA وCNAS وCE. ومنذ عام ٢٠٢٣، تعمل شركة ريان إلكتريك كشريك رسمي في مشروع مشترك مع شركة إيتن. ويرفق بتقرير الاختبار الروتيني المُرسل مع كل وحدة بيانات مقاومة اللفات ونسبة التحويل التي يحتاجها فريق التشغيل للتحقق من اتصالات المحايد والأرضي في الموقع.

 

أرسل خطة التأريض مع طلب عرض الأسعار الخاص بالمحوّل

أرسل إلينا الرسم البياني أحادي الخط، وأسلوب التأريض، والتيار المحايد والمدة المصمَّمة له، بالإضافة إلى تصنيف المحوّل. وسيقدّم فريق هندستنا ترتيباً لتأريض المحايد يتوافق مع الدراسة — بما في ذلك عازل المحايد — بحيث يؤكد مهندس التشغيل التصميم بدلاً من اكتشافه. وإعداد الأساس الصحيح عند مرحلة عرض الأسعار لا يكلّف أي شيء. أما اكتشافه بعد أول عطل أرضي فيؤدي إلى انقطاع التيار.

 

عن المؤلف: كتبت هذه المقالة فرقة الهندسة في شركة ريان إلكترك (ريان ترانسفورمرز جيانغسو)، وهي شركة مصنعة لمحولات الراتنج المصبوب والمحولات الغاطسة في الزيت والمحولات المركبة على القواعد، وتخدم العملاء في قطاع المرافق العامة ومراكز البيانات وتوليد الطاقة المتجددة والصناعات منذ عام ٢٠٠٧. ويعمل الفريق يوميًّا وفق متطلبات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE C57) واللجنة الدولية للتقييس (IEC 60076)، ويدعم المطورين ومتعهدي التصميم والبناء (EPC) خلال مراحل تحديد المواصفات واختبارات المصنع وتشغيل المنشآت في الموقع.