أهمية عملية التأريض على خطوط الجهد المتردد والمباشر

ضرورة إجراء عملية التأريض على خطوط الجهد المتردد:

تم إنشاء خطوط نقل “القدرة الكهربائية” الأولى في النصف الثاني من القرن التاسع عشر باستخدام التيار المباشر، وذلك مع زيادة قوة الخطوط، كما زادت أيضاً تكلفتها وأبعادها ووزنها، حيث كانت هذه العيوب حاسمة لتطوير اقتصاد الشبكة على المستوى التكنولوجي الحالي.

وفي نهاية هذا القرن، تم حل المشكلات من خلال إدخال عدد من الاختراعات في مجالات توليد وتحويل واستخدام الطاقة الكهربائية، ونتيجة لذلك؛ فقد انتصر التيار المتردد في “الحرب الحالية”، والتي حددت سبل تطوير صناعة الطاقة الكهربائية على مدى المائة عام القادمة.

كما ان الميزة الرئيسية لـ (HVDC) هي القدرة على توصيل المزيد من الطاقة لمسافات طويلة بتكلفة رأسمالية أقل وخسارة أقل من خطوط نقل الكهرباء متناوبة الجهد، وذلك اعتماداً على مستوى الجهد والميزات الهيكلية، حيث تبلغ الخسائر حوالي 3٪ لكل 1 “كيلومتر”، كما تسمح (HVDCs) باستخدام أكثر كفاءة لمصادر الطاقة البعيدة عن مراكز التحميل.

أيضاً، مؤخراً تُستخدم أنظمة (HVDC) لربط شبكات التيار المتناوب بمصادر الطاقة المتجددة وربط شبكتين للتيار المتناوب بترددين مختلفين، بالإضافة إلى ذلك كخيار اقتصادي لربط شبكتين مختلفتين عن طريق البحر، حيث تحتاج جميع أنظمة (HVDC) إلى التأريض.

وذلك من خلال استخدام “قطب تأريض” يناسب الحالة التي تم تصميم نظام (HVDC) عليها، سواء كان نظاماً أحادي القطب مع عودة أرضية أو معدنية أو إذا كان نظام (HVDC) ثنائي القطب، ونظراً لأن القطب الأرضي هو نقطة مرجعية لنظام (HVDC)، كما ويوفر “القطب الأرضي” نقطة تحامل محايدة.

وعندما يضرب البرق سلكاً أرضياً في منتصف المسافة، كما يتم إنتاج موجات تنتقل في اتجاهين متعاكسين على طول الخط، حيث تصل الأمواج إلى البرج المجاور الذي يمررها إلى الأرض بأمان، ولا يكون السلك الأرضي فعالاً إلا عندما تكون المقاومة بين قدم البرج والأرض منخفضة بدرجة كافية.

بحيث لم يتم تصميم أنظمة الحماية الخاصة بالتأريض في أنظمة (HVDC) كما هو الحال في أنظمة (HVAC)، وذلك لأغراض الحماية والأعطال فقط، ولكن بالإضافة إلى ظروف التشغيل العادية لنظام الطاقة الكهربائية، حيث تكمن أهمية التأريض في أنظمة (HVIXC) التي يجب أن تعمل أقطاب التأريض في ظل ظروف تشغيل مختلفة لنظام الطاقة الكهربائية المرتبط بها.

وذلك في حالة التشغيل العادي أو في حالات الصيانة أو الوظائف السيئة، بالإضافة إلى حالات التحميل الزائد لفترة طويلة من الزمن، لذلك؛ فإنه يجب أن يوفر النظام الأرضي التشغيل الآمن والموثوق لنظام (HVDC) وأيضاً تأثير تيار التأريض على البيئة المحيطة.

طرق تصميم التأريض على خطوط الجهد المباشر:

يختلف دور أنظمة التأريض في (HVDC) عن تلك التصاميم الخاصة في (HVAC) المصممة فقط للفشل، بينما تم “تصميم التأريض في أنظمة (HVDC)” للتشغيل في المواقف العادية والطارئة، بحيث يكون مطلوب القطب الأرضي لتوفير دائرة عودة الأرض لأن نظام (HVDC)، كما يمكن أن يعمل في واحد من ثلاثة أوضاع تشغيل، وهي أحادي القطب وثنائي القطب ومضلع قطب.

مما يسمح للتيار بالتدفق إلى الأرض في أوضاع أحادية الجانب أو أخرى تتضمن تصريف النصب في التربة، وذلك عند تصميم عمود الأرض يجب مراعاة الخواص الكهربية والحرارية لعمود الأرض نتيجة للتيار الكهربي الذي سيمر من خلاله (كيلو أمبير)، بالإضافة إلى الحفاظ على سلامة القطبين والحيوانات في المناطق المحيطة بالقطب، وكذلك الآثار السلبية على المنشآت ذات الهياكل المعدنية المحيطة بالعمود.

كما تختلف متطلبات التأريض من نظام (HVDC) إلى آخر، وهذا يعتمد على الجغرافيا، كذلك اعتماداً على الخصائص الجيوفيزيائية والتقنية لموضع القطب، كما أن عملية اختيار نوع القطب الكهربائي الأرضي ليست عملية سهلة، ولكن أكثر من ذلك؛ فإنه يمكن التعبير عنها إلى حد ما معقد، وهذا يرجع إلى إمكانية استخدام عدة أنواع من الأقطاب الكهربائية الأرضية في نفس الحالة.

لذلك، يجب إجراء مقارنات فنية واقتصادية مختلفة لتحديد نوع القطب الأمثل الذي يجب استخدامه، والذي يجب أن يوفر التشغيل الآمن والموثوق لنظام (HVDC)، وكذلك تحقيق “الجدوى الاقتصادية”، وعند اختيار نموذج قطب كهربائي؛ يجب مراعاة العوامل التالية:

• المسافة بين موقع القطب المرتقب ومحطة المحول.

• مقاومة التربة حول محطة العاكس (المعدل).

• مهام “التشغيل الكهربائي” الخاص بالنظام.

• قيود على وقت التشغيل المسموح به.

• نظرية الخدمة والصيانة.

• التكلفة المقدرة.

• الظروف المتوقعة على استخدام الأراضي.

ولضمان السلامة في مكان القطب، تصنف أقطاب التأريض إلى ثلاث مجموعات:

الأقطاب الكهربائية الأرضية: يعتبر هذا النوع الأكثر شيوعاً، حيث يصنف إلى عدة أنواع ويستخدم أنسبها اعتماداً على مقاومة التربة المحددة بالإضافة إلى نوع التربة أو الرملية أو ألصخرية.

القطب الأفقي الخطي: يستخدم هذا النوع من الأعمدة عندما تكون مقاومة التربة المحددة في الكتل العلوية أقل من الكتل السفلية (التربة الصخرية).

قطب كهربائي حلقي: يستخدم هذا النوع من الأعمدة عندما تكون مقاومة التربة المحددة في الكتل العلوية أقل من الكتل السفلية (التربة الصخرية) ونحتاج إلى قيمة “مقاومة تأريض منخفضة” نسبياً مقارنة بالأعمدة الأفقية.

القطب الخطي العمودي: يستخدم هذا النوع من القطب عندما تكون مقاومة التربة المحددة في الطبقات السفلية أقل من الطبقات العليا (سيتم استخدام هذا في هذا المشروع)، كما يعتمد تحديد طول عمود الأرض على مقاومة التربة ورطوبتها.

وذلك حيث تم استخدام “أقطاب الأرض” على أعماق تصل إلى 200 متر في بعض الحالات من أجل الحصول على مقاومة أرضية منخفضة وأيضًا لتقليل المخاطر من التداخل في موقع القطب، وعادة ما يتم ملء آبار أقطاب الأرض بفحم الكوك إذا كانت مقاومة التربة ضمن الحدود الطبيعية.

أما بالنسبة للحالة التي تكون فيها التربة جافة؛ فعادة ما تمتلئ الآبار بفحم الكوك والبيتومين من أجل ضمان اتصال جيد بين القطب الأرضي والتربة.

أقطاب البحر: يتطلب استخدام أقطاب البحر الكثير من الدقة والمعرفة بتأثيرات هذا القطب على البيئة المحيطة (الإنسان والحيوانات البحرية)، لذلك يجب أن تكون المجالات الكهربائية المحيطة بأقطاب الأرض منخفضة، كما يمكن أن يحاط القطب الأرضي بحواجز تمنع الحيوانات البحرية من الاقتراب منه، وبالتالي تجنب تأثير المجالات الكهربائية عليها إذا كانت الحقول عالية.

وفي الحالة التي تكون فيها البيئة المائية ضحلة وتحتها مادة صلبة (صخور على سبيل المثال) ذات مقاومة عالية يمكن أن تحدث الحقول الصخرية والبلورية عالية جداً، وفي هذه الحالة ستعمل مياه البحر تقريباً كقطب كهربائي واحد وستحدث مرتفعاً التدرجات الكهربائية المتعامدة على الشاطئ وعلى مسافات بعيدة جدًا عن القطب، وبالتالي تشكل تهديداً لحياة الإنسان.

أقطاب الشاطئ: هي أقطاب كهربائية توضع بالقرب من الشاطئ في تربة تحتوي على تسرب مياه البحر، وفي حالة الشواطئ، يجب على الأعمدة التركيز والاهتمام الشديد بالخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة خلال فصول السنة، كما يجب مراقبة تأثير المد والجزر لقيمة مقاومة التربة، لذلك يجب أيضاً مراعاة موقع القطب الكهربي من أجل تحقيق شروط السلامة العامة.