التأريض هو حجر الأساس لسلامة الأرواح وسلامة المعدات في المنشآت الكهربائية على حد سواء. لكي يتم نقل تيارات التسرب وتيارات الأعطال وصدمات الصواعق إلى الأرض بأمان، يجب إبقاء مقاومة نظام التأريض ضمن حدود معينة. فما هي القيمة التي يجب أن تكون عليها مقاومة التأريض بالأوم؟ لا توجد إجابة واحدة لهذا السؤال؛ فالقيمة الصحيحة تختلف حسب نوع المنشأة، ونظام التأريض المطبق، والمعايير ذات الصلة. في هذه المقالة نتناول القيم الحدية لمقاومة التأريض وطرق القياس وتقنيات خفض المقاومة من منظور فني.
- معيار السلامة: يجب ألا يتجاوز جهد اللمس 50 فولت للتيار المتردد.
- أهداف التطبيق: المحولات ≤ 2 أوم، الجهد العالي ≤ 1 أوم، مراكز البيانات ≤ 1 أوم، المساكن ≤ 10 أوم (الهدف ≤ 5 أوم).
- طرق القياس: طريقة انخفاض الجهد (3 نقاط/62٪)، طريقة الملقط (Clamp-on)، طريقة وينر بأربعة أقطاب؛ يُنصح بالقياس في الموسم الجاف.
- المقاومة النوعية للتربة هي العامل المحدد؛ طرق خفض المقاومة: إطالة القضيب، القضبان المتوازية، الشريط/الشبكة، البنتونيت، القضيب الإلكتروليتي، تأريض الأساسات.
- الفحوصات الدورية إلزامية وفق لائحة التأريض في المنشآت الكهربائية: الإنتاج/النقل كل سنتين، الصناعة/التجارة سنويًا، المعدات المتنقلة كل 6 أشهر.
ما هي مقاومة التأريض؟
مقاومة التأريض هي المقاومة الكهربائية الإجمالية بين قطب التأريض (قضيب أو شريط أو صفيحة أو شبكة) والأرض البعيدة (الأرض المرجعية). تتكون هذه المقاومة من ثلاثة عناصر:
- مقاومة موصل التأريض وتوصيلاته
- مقاومة التلامس بين القطب والتربة
- مقاومة انتشار التربة المحيطة بالقطب
العنصر الثالث هو الحاسم في التطبيق العملي. فكلما ارتفعت المقاومة النوعية للتربة (ρ، وحدتها Ω·m)، ارتفعت مقاومة التأريض المحصّلة بنفس هندسة القطب. بالنسبة لقطب عمودي، تُحسب قيمة المقاومة التقريبية بالصيغة التالية:
R ≈ (ρ / 2πL) × ln(4L / d)
حيث L طول القضيب (م)، وd قطر القضيب (م)، وρ المقاومة النوعية للتربة. توضح الصيغة أن المقاومة تتناسب طرديًا مع المقاومة النوعية، وعكسيًا مع طول القضيب.
القيم الحدية لمقاومة التأريض وفق المعايير
في تركيا، تُقيَّم منشآت التأريض ضمن إطار لائحة التأريض في المنشآت الكهربائية (2001) ومعياري TS EN 62305 (الحماية من الصواعق) وIEC 60364 (منشآت الجهد المنخفض). النهج الأساسي للائحة هو اشتراط ألا يتجاوز جهد اللمس المسموح به (50 فولت للتيار المتردد)، بدلًا من فرض قيمة أوم ثابتة. ومع ذلك، تُعتمد القيم التالية كمرجع في التطبيق والتصميم:
| مجال التطبيق | مقاومة التأريض الموصى بها |
|---|---|
| تأريض الحماية للجهد المنخفض (نظام TT) | يجب تحقيق الشرط R<sub>A</sub> × I<sub>a</sub> ≤ 50 فولت؛ عمليًا ≤ 5–10 أوم |
| تأريض محطة المحولات / التشغيل (المحايد) | ≤ 2 أوم |
| منشآت الجهد العالي، ساحات المفاتيح الكهربائية | ≤ 1 أوم |
| تأريض الحماية من الصواعق (مانعة الصواعق) | ≤ 10 أوم (TS EN 62305-3) |
| مراكز البيانات، الاتصالات، الإلكترونيات الحساسة | ≤ 1 أوم |
| المستشفيات ومجموعات غرف العمليات | ≤ 1 أوم |
| المساكن والمنشآت التجارية الصغيرة | ≤ 10 أوم (الهدف ≤ 5 أوم) |
في التطبيقات الدولية، يوصي معيار IEEE 142 بقيمة 5 أوم كهدف معقول للمنشآت التجارية والصناعية، بينما يشترط معيار NEC 250.53 إضافة قطب ثانٍ إذا تجاوزت مقاومة قطب واحد 25 أوم. وكما يتضح، يمكن اعتبار 25 أوم “حدًا أعلى”، و1 أوم “هدفًا مثاليًا”؛ إلا أن هدف التصميم في المنشآت الصناعية يبقى عادة ضمن نطاق 1–5 أوم.
قد يهمك أيضًا: كيف تتولد الكهرباء الساكنة؟ مخاطرها وطرق الحماية الفعالة منها
لماذا تختلف القيم؟
سبب اختلاف القيم هو الفرق في ملف المخاطر. ففي المسكن، يمكن قطع تيار العطل خلال أجزاء من الثانية بواسطة قاطع التسرب الأرضي (RCD)، بينما في صدمة الصواعق يجب نقل تيار بمقدار عشرات الكيلوأمبيرات إلى الأرض خلال زمن قصير جدًا. فصدمة بمقدار 20 كيلوأمبير على تأريض مقاومته 10 أوم ترفع جهد القطب نظريًا إلى 200 كيلوفولت؛ لذلك يُعد التساوي الجهدي بنفس أهمية انخفاض المقاومة في أنظمة الحماية من الصواعق.
كيف تُقاس مقاومة التأريض؟
تُقاس مقاومة التأريض بأجهزة قياس التأريض المتخصصة (earth tester). وأكثر الطرق شيوعًا هي:
1. طريقة انخفاض الجهد (3 نقاط / 62٪): يُصف القطب المراد قياسه (E) وقطب التيار (C) وقطب الجهد (P) على خط واحد. يُغرس قطب التيار على بعد لا يقل عن 5–10 أضعاف حجم القطب؛ ويوضع قطب الجهد عند نحو 62٪ من المسافة بين E وC. القيمة المقروءة عند هذه النقطة تمثل مقاومة التأريض الفعلية. وإذا كانت القيم المقروءة عند تحريك قطب الجهد إلى موضعي 52٪ و72٪ متقاربة، فإن القياس صحيح.
2. طريقة الملقط (Clamp-on): تتيح القياس في الأنظمة المؤرَّضة من نقاط متعددة دون فصل القطب عن النظام. سريعة، لكنها لا تُستخدم في الأنظمة المعزولة ذات القطب الواحد.
3. قياس المقاومة النوعية للتربة (طريقة وينر بأربعة أقطاب): تُستخدم لتحديد المقاومة النوعية للتربة قبل إنشاء المنشأة. تُغرس أربعة أقطاب على مسافات متساوية (a) وتُحسب المقاومة النوعية بالصيغة ρ = 2πaR. تُعد القيمة الناتجة مدخلًا أساسيًا في تصميم نوع القطب وعدده.
يجب إجراء القياسات في الفترة الأكثر جفافًا من العام (عادة نهاية الصيف)؛ لأن مقاومة التأريض تتغير موسميًا تبعًا للرطوبة ودرجة الحرارة. فقيمة منخفضة تُقاس في الشتاء قد تتضاعف في أشهر الصيف.
تأثير المقاومة النوعية للتربة
يحدد نوع التربة مباشرة المقاومة التي يمكن تحقيقها. وفيما يلي القيم التقريبية للمقاومة النوعية:
- المستنقعات، التربة الدبالية الرطبة: 10–50 Ω·m
- الطين، الطمي: 20–100 Ω·m
- خليط الرمل والطين: 100–300 Ω·m
- الرمل الجاف، الحصى: 300–1.000 Ω·m
- الصخر، الغرانيت: 1.000–10.000 Ω·m
قضيب واحد بقطر 20 مم وطول 1.5 م مغروس في تربة مقاومتها النوعية 500 Ω·m ينتج مقاومة تبلغ نحو 300 أوم. أما نفس القضيب في تربة طينية مقاومتها النوعية 50 Ω·m فينتج 30 أوم. يوضح هذا الفارق سبب استحالة الوصول إلى القيمة المستهدفة بقضيب واحد في الأراضي الصخرية والرملية.
كيف تُخفَّض مقاومة التأريض؟
إذا كانت القيمة المقاسة أعلى من الهدف، تُطبَّق الطرق التالية:
- زيادة طول القضيب: الطبقات العميقة عادة أكثر رطوبة وتوصيلًا. مضاعفة طول القضيب تخفض المقاومة بنحو 40٪.
- إضافة قضبان متوازية: القضبان المتوازية المغروسة على بعد لا يقل عن طول القضيب (ويُفضل ضعف الطول) عن بعضها تخفض المقاومة. إلا أنه بسبب التداخل، لا تنخفض مقاومة قضبين إلى النصف بل إلى نحو 55–60٪.
- تأريض الشريط والشبكة (grid): أنظمة الحلقات والشبكات المصنوعة من شرائط مجلفنة أو نحاسية هي الطريقة الأكثر فعالية للوصول إلى أقل من 1 أوم في ساحات المفاتيح الكهربائية الواسعة.
- مواد تحسين التربة: البنتونيت والخرسانة الموصلة ومواد الحشو الكيميائية تخفض المقاومة النوعية حول القطب بشكل دائم. لا يُنصح بالحلول المؤقتة مثل الملح لأنها تسبب التآكل.
- الأقطاب الكيميائية (الإلكتروليتية): تُستخدم قضبان نحاسية مجوفة مملوءة بالإلكتروليت في التربة الصخرية وعالية المقاومة النوعية.
- تأريض الأساسات: استخدام حديد التسليح في أساسات المباني الجديدة كقطب تأريض يوفر مقاومة منخفضة وعمرًا طويلًا معًا.
إلزامية الفحص الدوري
مقاومة التأريض ليست قيمة تُقاس مرة واحدة ثم تُنسى. فالتآكل وارتخاء التوصيلات وتغيرات التربة ترفع المقاومة مع مرور الوقت. وفقًا للائحة التأريض في المنشآت الكهربائية، فترات الفحص هي:
- منشآت إنتاج ونقل وتوزيع الكهرباء: سنتان
- المنشآت الصناعية والمراكز التجارية: سنة واحدة
- منشآت الحماية من الصواعق: سنة واحدة
- عناصر التشغيل الثابتة: سنة واحدة
- عناصر التشغيل المتنقلة: 6 أشهر
يجب أن يُجري القياسات مهندسون كهربائيون مختصون وأن تُوثَّق بتقارير. كما تشترط تشريعات الصحة والسلامة المهنية تقارير قياس التأريض كمستند إلزامي في عمليات التفتيش.
قد يهمك أيضًا: ما هو مانع الصواعق وما وظيفته؟
القيمة التي يجب أن تكون عليها مقاومة التأريض بالأوم تختلف حسب نوع المنشأة: في المساكن والمنشآت الصغيرة تُقبل قيمة أقل من 10 أوم، بينما يُستهدف 2 أوم في محطات المحولات، و1 أوم في منشآت الجهد العالي والبنى التحتية الإلكترونية الحساسة. أما في أنظمة الحماية من الصواعق، فتُعتمد 10 أوم كحد أعلى استنادًا إلى معيار TS EN 62305. ويبقى معيار السلامة الأساسي هو ألا يتجاوز جهد اللمس 50 فولت. فالتصميم الصحيح للقطب، والقياس الموثوق في الموسم الجاف من السنة، والفحص الدوري المنتظم، هي ما يضمن عمل نظام التأريض بأمان طوال عمره الافتراضي.
