ما هو شيت حساب وتصميم شبكة التأريض (Substation Earthing Grid) وكيف يعمل؟
شيت حساب وتصميم شبكة التأريض لمحطات التحويل والمباني (Substation Earthing & Grounding Grid Design Sheet) هو أداة هندسية حسابية متقدمة للمهندسين الكهربائيين ومصممي البنية التحتية، تهدف إلى التصميم العلمي لشبكات التأريض المدفونة (Earthing Mesh) وقضبان التأريض الرأسية (Ground Rods)، من خلال حساب مقاومة شبكة التأريض الكلية ($R_g$) وتيار العطل المتسرب للأرض ($I_g$)، وتقدير أقصى ارتفاع لجهد الأرضي (Ground Potential Rise - GPR)، وإجراء التحقق الحسابي الصارم من عدم تجاوز جهد اللمس الفعلي (Mesh Voltage $E_m$) وجهد الخطوة (Step Voltage $E_s$) للحدود الآمنة المسموحة لحماية حياة الإنسان من الصعق الكهربائي القاتل، بما يتطابق كلياً مع معيار معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات الأمريكي (IEEE Std 80-2013)، وكود التركيبات والتوزيعات الكهربائية السعودي (SBC 401)، ومواصفات الشركة السعودية للكهرباء (SEC DPS-01)، والمعيار البريطاني (BS 7430).
يضمن الحساب الهندسي الدقيق لشبكة التأريض تشتيت تيارات الأعطال الأرضية الضخمة (الناتجة عن الصواعق أو قصر الدوائر) بسرعة وأمان تام داخل باطن الأرض، مع منع نشوء فروق جهد خطرة بين المعدات المؤرضة والأرضية المحيطة، وتوفير مسار ذي ممانعة متدنية للغاية لحماية المحولات والمولدات والأجهزة الإلكترونية الحساسة.
المنهجية الهندسية لتصميم شبكة التأريض وفق IEEE Std 80
تعتمد حسابات شبكة التأريض على الخطوات المعيارية المتسلسلة التالية:
تحديد المقاومة النوعية للتربة والطبقة السطحية (Soil & Surface Resistivity): تُقاس المقاومة النوعية للتربة حيرة الموقع بطريقة الأقطاب الأربعة لونر (Wenner 4-Pin Method). كما يُفترض وضع طبقة من كسر الجرانيت أو الحصى المغسول (Crushed Rock) بسماكة 10 إلى 15 سم فوق سطح المحطة لتوفير مقاومة سطحية عازلة عالية (أكبر من 2500 أوم.متر) تحد من سريان التيار عبر جسم الشخص الواقف بالمحطة.
تحديد تيار القصر وتيار الشبكة (Fault Current & Grid Current Ig): يُحسب أقصى تيار قصر أرضي متوقع بالمحطة ($I_f$) مع تطبيق معامل الاضمحلال ($D_f$) لتعويض المركبة المستمرة DC، ومعامل تقسيم التيار ($S_f$) الذي يعكس نسبة التيار العائدة عبر أسلاك التوهين والدرع الهوائي (Shield Wires) مقارنة بالتيار المتسرب فعلياً لشبكة المحطة: $$I_g = I_f \times D_f \times S_f$$
حساب المقطع الأدنى لموصل التأريض (Conductor Sizing - Onderdonk): يُحدد المقطع الأدنى المطلوب لسلك النحاس المجدول العاري المدفون لمنع انصهاره أو ارتفاع حرارته المفرط أثناء زمن استجابة القواطع ($t_c = 0.5\text{ s}$) عبر صيغة أونديردونك القياسية كودياً.
حساب مقاومة الشبكة الكلية (Rg) عبر صيغة سفراك (Sverak Equation): تأخذ صيغة سفراك في الاعتبار مساحة الشبكة ($A$)، وعمق الدفن ($h$)، والطول الكلي الفعال للموصلات الأفقية وقضبان التأريض الرأسية ($L_T = L_c + L_R$): $$R_g = \rho \left[ \frac{1}{L_T} + \frac{1}{\sqrt{20A}} \left( 1 + \frac{1}{1 + h \sqrt{20/A}} \right) \right]$$ ويُشترط كودياً ألا تتجاوز المقاومة الناتجة 1.0 أوم لمحطات التحويل الرئيسية، و5.0 أوم للمحطات الفرعية.
التحقق من جهود اللمس والخطوة (Mesh & Step Voltage Checks): يُحسب الجهد العيني الفعلي ($E_m$) وجهد الخطوة ($E_s$) ويُقارنان بالحدود المسموحة المحسوبة لوزن جسم 50 كجم وفق معادلات دالزيل (Dalziel)؛ حيث يُعد التصميم آمناً ومطابقاً كودياً فقط إذا تحقق الشرطان معاً: $$E_m \le E_{\text{touch, 50kg}} \quad \text{و} \quad E_s \le E_{\text{step, 50kg}}$$