يعتَبر التأريض الكهربائي – Electrical Grounding أحد معاييرِ السَّلامةِ الهامَّة في جميع الأنظمة الكهربائيَّة وتطبيقاتها. سنناقش في هذا المقال واحداً من أكثرِ المصطلحات استخداماً والتي غالباً ما يُساء فَهمُها، “الأرضي”.

 

تسميات مختلفة للأرضي

هناك العديد من الأسماءِ المختلفة التي تعبّر عن الأرضي، فهناك الأرض – Earth، والقاعدة الأرضية – Earth Ground، والحياديِّ – Neutral، والأرضي المشترك – Common Ground، والأرضي التماثليِّ – Analog Ground، والأرضي الرقميِّ – Digital Ground، وأرضي الآلات الكهربائية – Instrument Ground، وهذا يشمل القليل من الأسماء، ثم نشاهد مصطلحات مثل حلقات التأريض – Ground loops وغيرها.

تسميات مختلفة للأرضي
تسميات مختلفة للأرضي (مصدر الصورة: موقع realpars)

ما هو الأرضي؟

هذا هو السؤال الجوهري الذي سنجيبُ عليه في مناقشتنا.

في أغلب الأوقات، يعني التأريض أشياءً مختلفةً لأشخاصٍ مختلفين. على سبيل المثال، يعني مصطلح الأرضي بالنِّسبة لفنيِّ الكهرباء شيئاً مختلفاً عمّا يعنيهِ ذاتُ المصطلح بالنسبة لمهندسيِّ الإلكترونيات.

ما هو الأرضي
ما هو الأرضي (مصدر الصورة: موقع realpars)

لماذا نقوم بعملية التأريض؟

هناك العديد من الأسباب للقيام بعملية التأريض.

يعتبر التأريض الكهربائي المناسب أحد معايير السلامة الهامَّة في جميع الأنظِّمة الكهربائيَّة وتطبيقاتها. إذْ نقوم بتأريض الجزء المكشوف من الجهاز الكهربائي لضمان عدم ارتفاع مستوى جهده الكهربائي إلى قيمٍ خطِرة عند حدوث أعطال في التَّوصيلات الدَّاخليَّة.

ما هي أسباب التأريض
ما هي أسباب التأريض (مصدر الصورة: موقع realpars)

كلُّ دارةٍ كهربائيةٍ ينبغي أن يتم إكمالُها لضمان عملية تدفّق التيار. في العديد من التطبيقات، يوفّر التأريض الكهربائي مساراً مرجعيّاً للتيار في الدارة. فمثلاً، يعتبر هيكل السيارة بمثابةِ أرضي مشترك للتيار العائد للبطارية.

مسار العودة للتيار
مسار العودة للتيار (مصدر الصورة: موقع realpars)

إذاً، لنلقِ نظرةً على بعض المفاهيم الخاصة بالأرضي.

القاعدة الأرضية

بالإمكان القول أنَّ الأرضي والقاعدة الأرضية هما الشّيء ذاته. حيث أنَّ الأرضي هو النقطة المرجعية في الدارة الكهربائيَّة والتي يتم التَّوصيل بها بشكلٍ مباشرٍ ومادّي، وهي – أي الأرض – ذاتُها الأرض التي تمشي عليها.

تبلغ قيمة الجهد الأرضي صفر فولت، ويعتبر المرجع الصفري الحقيقي لأيِّ أمرٍ يخص الكهرباء.
ليس عليك الخوض عميقاً في إثبات ذلك، قد تستطيع رؤية قضيب نحاسي في الأرض بسلك ثخين متصل به.

التأريض الكهربائي
التأريض الكهربائي (مصدر الصورة: موقع realpars)

يصل هذا السِّلك الأرضي إلى اللَّوحة الكهربائيَّة الخاصَّة بك ومنها إلى جميع النِّهايات الأرضية في كل مأخذٍ كهربائي في منزلك.

من المثير للاهتمام معرفة أنِّ الطَّرف الحياديِّ له سلك يتصل نهايةً بالقاعدة الأرضية.

الرمز التخطيطي

لاحظ أننا استخدمنا رمزاً كهربائياً للأرضي، وهو يعتبر من بين أكثر الرموز التي يساء استخدامها في المخططات الكهربائية.

عُثِرَ على الرموز المستخدمة للتعبير عن النهايات الأرضية في وثيقة اللجنة الكهروتقنية الدولية IEC 60417 للرموز الرسومية المستخدمة على المعدات.

يُعبر الرمز 5017 عن رمز التأريض.

رمز التأريض
رموز التأريض (مصدر الصورة: موقع realpars)

الأرضي المشترك

كما تحدثنا مسبقاً، يجب أن يتم إغلاق كل دارة كهربائية لضمان سريان التيار فيها.

في العديد من التطبيقات، يصبح الأرضي المشترك هو المسار المرجعي أو مسار العودة.

على سبيل المثال، يمثل الهيكل في سيارتك الأرضي المشترك للتيار العائد إلى الطرف السالب للبطاريَّة.

قد ترى أحياناً استخداماً خاطئاً لرمز التأريض في المخططات الإلكترونية، والغاية هنا ليست إلا ترميز الأرضي المشترك ولا يشترط بذلك أنَّه متصل بالأرض.

الأرضي المشترك
الأرضي المشترك (مصدر الصورة: موقع realpars)

أمثلة نموذجية للتأريض الكهربائي

المخططات الإلكترونية

إليك مثال نموذجي لجزء بسيط من دارة إلكترونية كبيرة موضوعة في هيكل معدني. حيث هناك أربعة رموز للأرضي قد تتصل وقد لا تكون متصلة بالأرض، لكن الغرض منها هو الإشارة لوجود نقطة تأريض مشتركة.
نحن نعلم تماماً أننا إذا قِسنا الجهد من النقطة A إلى أي من هذه النقاط الأرضية المشتركة فسنحصل على +15 فولت.

قياس الجهد بين النقطة A والأرضي
قياس الجهد بين النقطة A والأرضي (مصدر الصورة: realpars)

بشكل مثالي، الدارة الكهربائية ستوصل كما في الصورة التالية، مع وصل جميع مسارات العودة إلى منبع التغذية إلى نقطة واحدة. لكن لسوء الحظ هذه الطريقة في التوصيل ليست عملية عادةً.

مسارات العودة للأرضي
مسارات العودة للأرضي (مصدر الصورة: موقع realpars)

إذا كانت النقاط من 1 حتى 4 غير متصلة بأرضي القاعدة الأرضية، لكنّهم متصلين بالأرضي المشترك، فسيكون من الملائم أكثر استخدام ترميز IEC 60417 5020 حيث يظهر هذا الترميز أن النقاط متصلة بنهاية على شكلِ إطارٍ أو هيكلٍ.

رمز تأريض الهيكل أو الإطار
رمز تأريض الهيكل أو الإطار (مصدر الصورة: موفع realpars)

نستنتج مما سبق سؤالاً مثيراً للاهتمام…

هل توضع جميع المكونات المرتبطة بالأرضي المشترك في نقطة واحدة على الإطار أو الهيكل؟ أم أنها توصل إلى الهيكل في مواقع متعددة؟

لسوء الحظ، لا يجيب المخطط على هذا السؤال، ولا يقدم أي إجابة فيما يتعلق بالتوصيلات المادية. حيث تشير المخططات الصناعية إلى النقاط الأرضية وتُعطي المزيد من التفاصيل غالباً، لكن مسألة التوصيلات الفيزيائية ماتزال تشكل لغزاً.

الرسومات التخطيطية الصناعية

في هذا المثال، الموضّح لتوزيع الطاقة في لوحة تحكّم، يتواجد العديد من الرموز المعبرة عن الأرضي. وكهربائياً يعني هذا أن جميع هذه النقاط يفترض أن يكون جهدها 0 فولت.
لا نستطيع بواسطة هذه الرسومات أن نُحدّد أين تُوصل هذه النقاط فيزيائياً في لوحة التحكم.

هذا يُوصلِنا في نهاية المطاف إلى مصطلح يُدعى حلقات التأريض.

الرسومات التخطيطية الصناعية
الرسومات التخطيطية الصناعية (مصدر الصورة: موقع realpars)
الرسومات التخطيطية الصناعية
الرسومات التخطيطية الصناعية (مصدر الصورة: موقعrealpars)

حلقات التأريض

حلقات التأريض هي مسارات للتيار غير المرغوب به والذي يُمكن أن يُسبب ضرراً أو دماراً في المعدات أو في أنظمة التحكم والمعالجة عبر إقحام ضجيج كهربائي غير مرغوب به.

يتم إنشاء حلقات التأريض هذه عند وجود نقطتين متصلتين ولا تملكان الجهد الكهربائي نفسه.

حينها، يأخذ قانون أوم على عاتقه إنشاء تدفّق للتيار الكهربائي بين هاتين النقطتين.

في مثالنا هذا، يمكن تجنُّب حلقات التأريض في حال كانت الأجهزة مؤرّضة مع بعضها البعض في نقطة واحدة.

هذا النوع من التأريض يوحي بما يُسمى التأريض النجمي.

حلقات التأريض
حلقات التأريض (مصدر الصورة: موقع realpars)

لسوء الحظ، في المنشآت الصناعية الكبيرة، يعتبر التأريض متعدد النقاط أمراً لا مفر منه، حيث ترتفع إمكانية وجود حلقات التأريض.

بوجود العديد من التوصيلات الأرضية المرجعية داخل المُنشأة، فإن فرص الحاجة إلى أكثر من نقطة أرضية تصبح كبيرة.

ملخّص

– في أغلب الأحيان، يعني التأريض أشياءً مختلفة باختلاف الأشخاص.

يعتبر التأريض الكهربائي المناسب أحد معايير السلامة الهامّة في جميع الأنظمة الكهربائية وتطبيقاتها.

– في العديد من التطبيقات، يوفّر التأريض مساراً مرجعيّاً في الدارة.

تبلغ قيمة الجهد الأرضي صفر فولت، ويعتبر المرجع الصفري الحقيقي لأي أمر يخص الكهرباء.

– الأرضي هو النقطة المرجعية في الدارة الكهربائية والتي يتم التوصيل بها بشكل مباشر ومادّي.

– حلقات التأريض هي مسارات للتيار غير المرغوب به والذي يمكن أن يسبب ضرراً أو دماراً في المعدات أو في أنظمة التحكم والمعالجة عبر إقحام ضجيج كهربائي غير مرغوب به.

– يتم إنشاء حلقات التأريض عند وجود نقطتين متصلتين ولا تملكان الجهد الكهربائي نفسه.


المصدر: هنا

ترجمة: حنين الغالية، مراجعة: قاهر اليتيم، تصميم: علي العلي،  تدقيق لغوي: بولا ابراهيم، تحرير: حسين اسعد.