عند الاستشارة، يمكن للمهندسين ذكر المرحلات، وقواطع الدائرة، أو محولات التيار (CTs) لمناقشة كيفية تنفيذ الحماية ضد عطل الأرض. ومع ذلك، فإن القرار الفعلي بشأن قوة العطل وما إذا كان سيتم إيقاف تشغيل المنشأة بالكامل أو فقط أحد المغذيات يتم اتخاذه بواسطة مقاوم. يُعتبر مقاوم التأريض المحايد (NER) واحدًا من أكثر المكونات أهمية المتعلقة بأنظمة الجهد المتوسط (MV)، ومع ذلك، هناك معلومات قليلة عنه للأشخاص خارج مجال الهندسة الكهربائية. تغطي هذه المقالة ما هو NER، وكيف يعمل، وأجزاؤه، وكيفية اختيار NERs، وكم يكلف.
إجابة سريعة: NER/NGR أو مقاوم التأريض المحايد يعني مقاومًا يربط المحايد الخاص بالمولد أو المحول بالأرض. هذه الأداة تهدف إلى تقييد تيار عطل الأرض أحادي الطور ضمن حدود مقبولة وقابلة للإدارة، أي في نطاق عشرات أو مئات الأمبيرات بدلاً من الآلاف.
ما هو مقاوم التأريض المحايد؟
مقاوم التأريض المحايد هو بالضبط ما يبدو عليه: مقاوم متصل بين نقطة حيادية للمولد أو المحول والأرض في تلك الأنظمة التي تحتوي على موصلات محايدة (لفات متصلة على شكل نجمة). إنه عنصر يُدرج في الدائرة لتحديد تدفق تيار عطل الأرض في الحالات التي يتصل فيها أحد الأطوار بالأرض. كمية التيار المحدود كبيرة بما يكفي لتفاعل المرحل معها وصغيرة بما يكفي لعدم إتلاف كابلات الطاقة أو التأثير على الأشخاص.
يحتل مقاوم التأريض المحايد موقعًا وسيطًا مقارنةً باثنين من التطرفات، وهما الأنظمة المؤرضة بشكل صلب (حيث يمكن أن تصل تيارات العطل من عطل الأرض إلى آلاف الأمبيرات) والأنظمة غير المؤرضة (بدون محايد مؤرض عمدًا، وبالتالي، عطل الأرض غير مرئي). يجعل مقاوم التأريض المحايد من الممكن التحكم في تدفق تيار عطل الأرض، واكتشاف الأعطال، والجهود الزائدة العابرة.
الصورة الأوسع للتأريض - لماذا وكيف يتم تأريض المحايدين في المحولات - يتم تغطيته في أساسيات تأريض المحولات المقال؛ NER هو المكون الذي يجعل فلسفة التأريض المحددة تعمل.
كيف تعمل
اعتبر الحالة عندما يكون هناك عطل من الطور C إلى الأرض في محول متصل بتكوين Y. يتكون مسار تيار العطل من: نقطة العطل، الأرض، NER، المحايد الخاص بالمحول، ولفائف الطور C. هناك مقاوم في NER، ووفقًا لقانون أوم، فإن الحل واضح.
وفقًا للصيغة المناسبة (في الواقع IEEE Std 32): R = Vln / (√3 × If) ، حيث تمثل Vln جهد الخطوط في النظام بين الأطوار و If تشير إلى القيمة المطلوبة لتيار العطل الأرضي. بعبارة أخرى، إذا أخذنا في الاعتبار حالة نظام 6kV مع الموصل المقاوم الذي له مقاومة قدرها 10 أوم، فإن تيار الفشل ينخفض من 1000 A في نظام مؤرض بشكل فعال إلى حوالي 346 A، وهو ما يزال كافيًا لتشغيل المرحل ولكنه منخفض بما يكفي للسماح للكابلات، ومعدات التبديل، ومنطقة العطل بالتعافي على الرغم من الأضرار.
هناك ثلاثة أشياء تحدث في وقت واحد خلال حدث العطل. يتم تحديد التيار بواسطة المقاومة، ويتم تحديد الجهود بواسطة وحدة NER المناسبة مما يسمح للمرحل بالكشف عن العطل بشكل صحيح، ويتم تفريغ طاقة العطل في المقاومة على شكل حرارة، مما يثبت أن NER مصنفة فقط لفترة قصيرة ولكن ليس في التشغيل المستمر.
أنواع NER
يتم تصنيف NERs اعتمادًا على مقدار تيار العطل الذي تسمح به، واختيار نوع NER هو اختيار مدفوع بفلسفة الحماية بدلاً من التكلفة:
| النوع | تيار العطل | السلوك عند العطل | التطبيق النموذجي |
|---|---|---|---|
| NER منخفض المقاومة (LRG) | 100-1,000A (بعض التصاميم تصل إلى 2,500A) | المرحل ينفصل بسرعة؛ التغذية معزولة | شبكات المرافق الصناعية والمتوسطة، تأريض المولدات |
| NER عالي المقاومة (HRG) | ≤10أ | لا يوجد فصل؛ إنذار فقط؛ النظام يستمر في العمل | مصانع العمليات المستمرة، حيث يكون التوقف أسوأ من العطل |
| متصل بشكل دائم | — | دائمًا في الدائرة | المحطات الفرعية والشبكات الصناعية الحساسة |
| متصل مؤقتًا / محمول | — | يتم تشغيله أثناء الأعطال، أو يستخدم للاختبار | التشغيل، الصيانة، العمل الميداني |
عند اتخاذ قرار بين LRG و HRG، السؤال الذي يجب الإجابة عليه هو ما إذا كان التوقف أسوأ من العطل. إذا كانت التغذية الكهربائية للمرافق يمكن أن تتحمل انقطاعًا قصيرًا، فسوف تختار LRG التي تكون سريعة وانتقائية. إذا كانت مصنع كيميائي معنيًا بأنشطة حيث قد يؤدي التوقف غير المخطط له إلى تصلب المواد، فسيتم اختيار HRG للسماح بالاعتراف بالعطل بينما تستعد المنشأة لإيقاف منظم. بالنسبة لتنسيق الحماية حول هذه الخيارات، فإن أساسيات حماية أعطال الأرض المقالة توضح كيف يعمل قيمة المقاومة وإعدادات المرحل معًا.
المكونات والبناء
يتكون نظام NER الحديث من أكثر من مجرد عنصر مقاوم محشو في غلاف. إليك ما يتكون منه وحدة نموذجية:
- العناصر المقاومة: شبكات من الفولاذ المقاوم للصدأ (304/316/316L) في معظم الحالات، سبيكة النيكل والكروم (Cr20Ni80) للمناطق الصعبة أو الحديد والكروم والألمنيوم (FeCrAl) للتصاميم الاقتصادية. العناصر المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ قادرة على العمل تحت أوضاع قصيرة الأجل عند درجة حرارة لا تزيد عن 760ºC (IEEE 32) و ≤385ºC تحت التشغيل المستمر.
- نظام العزل: يجب أن يلبي النظام متطلبات الجهد وأن يكون فعالًا عند تحمل تردد الطاقة ومستوى النبض الأساسي (BIL) فيما يتعلق بخصائص الشبكة (على سبيل المثال، يجب أن يكون NER بجهد 10 kV قادرًا على تحمل 42 kV عند تردد الطاقة و75 kV نبضة).
- الحاوية: IP20/IP23 للاستخدام الداخلي و IP54/IP55 مع تهوية مشبكة للاستخدام الخارجي.
- أجهزة المراقبة: بما في ذلك محول تيار لقياس تيار العطل، وعازل أو قاطع فراغ لفصل NER وجهاز مراقبة NGR مع مقاومة دائرة مفتوحة، ودرجة حرارة PT100، ومسجلات الأحداث.
عند شراء NER، فإن محول التيار الداخلي هو جزء صغير ولكنه حاسم - فهو ما تقرأه المرحل، و مجموعة منتجات محول التيار تشرح عائلة CT وتصنيفاتها.
الرمز وموقع الدائرة
في المخططات الأحادية، يتم تمثيل مقاوم التأريض المحايد (NER) بواسطة تدوين المقاوم (إما مستطيل أو متعرج) الذي يربط طرفًا واحدًا مع النقطة المحايدة إما لمحول أو مولد والطرف الآخر مع رمز التأريض (شكل مثلث ذو ثلاثة خطوط). في هذه الحالات عندما لا تكون النقطة المحايدة موجودة (اتصال دلتا)، يتم استخدام محول تأريض لإنشاء النقطة المحايدة؛ بعد ذلك، يتم توصيل NER بتلك النقطة المحايدة. في كل حالة، يتم توصيل المقاوم دائمًا بين النقطة المحايدة والأرض وليس أبدًا على التوالي مع موصلات الطور.
إذا نظر المرء إلى رسومات مشاريع المحولات أو المولدات، يمكن العثور على NER في مخطط التأريض المحايد مع محول التيار المحايد (CT)، ومفتاح التأريض، وحماية القضيب المحايد، مما يثبت مفهوم التأريض في آن واحد.
كيفية تحديد حجم واختيار NER
اختيار الوحدة الصحيحة هو عملية من ست خطوات، حيث يمكن أن يؤدي إغفال أي منها إلى تعريض السلامة للخطر أو تكبد تكاليف باهظة:
- الجهد المقنن - الجهد المقاس من الأرض إلى الطور في النظام (Vln)، بالإضافة إلى جهد التحمل النبضي الذي يتوافق مع متطلبات التركيب.
- يجب أن يكون هدف تيار العطل (If) أعلى من تيار الشحن السعوي للنظام (لتجنب الشرر أو ارتفاع الجهد الرنيني) ولكنه أقل من حدود السعة الحرارية للكابل والمعدات، مع كونه أعلى بكثير من تفعيل المرحل (لا يقل عن 10A).
- قيمة المقاومة = R = Vln / (√3 × If).
- تصنيف الوقت = 10s-30s لـ LRG، مستمر عندما يتعلق الأمر بـ HRG مما يؤدي إلى تحديد التصميم الحراري وتصنيف طاقة I²t (على سبيل المثال، قادر على تحمل 400 kA²s عند 10kA/0.4s).
- مادة العناصر = الفولاذ المقاوم للصدأ للتطبيقات العامة، سبائك النيكل والكروم للاستخدام في المناطق الساحلية.
- الحماية والمراقبة = سواء كانت ستستخدم في الداخل أو في الخارج، وقيمة وحدات CT ووحدات المراقبة المدمجة (درجة حماية IP).
بالإضافة إلى ذلك، هناك توصية عملية من IEEE 32 بشأن استخدام تصنيف مستمر لنظام صحي = 5%-10% من تيار الحمل الكامل للتثبيتات المتصلة باستمرار. وعند اختيار الجهاز، يجب دائمًا الإشارة إلى المدة: “تصنيف 10 ثوانٍ، 400A” هو منتج مختلف تمامًا عن “مستمر، 10A” – مثال على خطأ في المواصفات. للحصول على المساعدة في تحويل دراسة النظام إلى مواصفات المكونات،, اتصل بفريق الهندسة لدينا مع جهدك، فلسفة التأريض، وإعدادات الحماية.
الفوائد والمقارنة مع أنظمة التأريض الأخرى
ما هي مزايا استخدام NER بدلاً من نظام تأريض صلب أو عدم وجود نظام تأريض؟
| طريقة التأريض | تيار العطل | كشف الأعطال | التحكم في زيادة الجهد | الاستمرارية |
|---|---|---|---|---|
| مؤرض بشكل صلب | عالي جدًا (1,000A) | ممتاز | جيد | ينقطع عند حدوث عطل |
| NER (LRG) | 100-1,000A | ممتاز | جيد (تخفيف القوس) | ينقطع عند حدوث عطل، بشكل انتقائي |
| NER (HRG) | ≤10أ | يعتمد على الإنذار | ممتاز | يستمر في العمل |
| غير مؤرض | لا شيء (العطل الأول) | ضعيفة | ضعيف — زيادة جهد القوس | يعمل، ولكن بشكل خطير |
الميزة الرئيسية لاستخدام NER هي السلامة (أقصى جهد لمسة أقل من 50V وفقًا لـ IEC 60479)، الحماية ضد تلف المعدات (لن تكون هناك زيادات جهد من ترتيب الكيلوفولت)، الحد من الأضرار عند حدوث العطل (سيتم تحديد تيار العطل)، الحماية الانتقائية (سيعمل المرحل دون تشغيل غير ضروري) واستقرار النظام (ستكون الفازات غير المعطلة لها جهد يساوي حتى 10% من الجهد الطبيعي مما يعني أن أكثر من 90% من النظام سيعمل). في الحالات التي لا يكون فيها أي توقف مقبول للأعمال، فإن استخدام NER هو الفرق بين الإيقاف غير المخطط وظهور إنذار مسيطر.
نطاقات الأسعار
تعتمد أسعار NER على درجة الجهد، تصنيف التيار، وتصنيف الوقت، بالإضافة إلى أي ملحقات مطلوبة.
| التكوين | السعر النموذجي |
|---|---|
| وحدة HRG منخفضة الجهد (صغيرة، داخلية) | $1,500-5,000 |
| NER متوسط الجهد، تصنيف 10 ثوانٍ، حاوية أساسية | $3,000-12,000 |
| NER متوسط الجهد مع وحدة CT + وحدة مراقبة | $8,000-20,000 |
| وحدة عالية المواصفات (فئة 35kV، عناصر NiCr، خارجية IP55، مراقبة كاملة) | $15,000-30,000+ |
أيضًا، ستكون هناك تكاليف تركيب مثل توظيف طاقم مرخص، إنهاءات الكابلات، واختبارات التشغيل، والتي ستضيف تقريبًا 10%-25% إلى إجمالي تكاليفك. بالإضافة إلى ذلك، فإن شراء المقاوم والمرحل من مصدر واحد سيضمن توافق الأجزاء في نظامك.
الأسئلة الشائعة
ما هو الفرق بين التأريض ومقاومة المحايد؟
يمثل التأريض الممارسة المعتادة لإجراء الاتصالات من أجل السلامة، من خلال ربط النقطة المحايدة، والهياكل، والأغلفة للنظام. من ناحية أخرى، فإن مقاومة المحايد هي الطريقة التي يتم فيها استخدام مقاومة بين المحايد والأرض للحد من تيار خطأ الأرض. يعتبر تأريض المقاومة أحد أنواع فلسفة التأريض بينما تشمل الأنواع الأخرى التأريض الصلب، وتأريض المقاومة، والأنظمة غير المؤرضة.
كيف يمكن حساب مقاومة التأريض المحايد؟
يجب إجراء الحساب باستخدام الصيغة التالية R=Vln/(√3 × If)، حيث Vln هو الجهد بين طورين من مصدر الطاقة وIf هو تيار خطأ الأرض المختار. يجب أن يكون تيار خطأ الأرض المختار أكبر من التيار السعوي للنظام وألا يتجاوز حدود الكابل والمعدات وأن يكون أكبر بكثير من التيار الذي تلتقطه المرحل. بعد ذلك، يجب أن يتوافق حد طاقة I²t للوحدة مع طول الخطأ.
لماذا أحصل على 230 فولت بين المحايد والأرض؟
يجب أن يكون جهد المحايد إلى الأرض في حالة العمل المناسبة مساوياً للصفر بسبب ربط المحايد بالأرض. تشير قيمة 230 فولت التي تُرى لفترة طويلة إلى فقدان أو مقاومة عالية في اتصال المحايد بالأرض أو عدم وجود محايد في دائرة متعددة الأسلاك أو فصل المحايد في نظام مؤرض بشكل صحيح. يجب فحص جميع هذه الحالات بواسطة كهربائي أو مهندس مؤهل.
ما هو الغرض من التأريض المحايد؟
يسمح التأريض المحايد بربط جهد النظام بنقطة مرجعية معينة بحيث يمكن التنبؤ بالجهود بين الأطوار والأرض واكتشاف الأخطاء.
المراجع
- OMO — دليل شامل لتقنية مقاومة التأريض المحايد
- DiGi Electronics — دليل مقاومات التأريض المحايد
- Orion Resistors — حساب مقاومات التأريض المحايد (6kV-35kV)
- Captech — ما هي مقاومة التأريض المحايد؟
- IEEE Std 32 — المتطلبات، المصطلحات، وإجراءات الاختبار لأجهزة التأريض المحايد
الخاتمة
مقاوم التأريض المحايد هو الجهاز غير الملحوظ الذي يحدد مصير عطل الأرض، حيث يحدد ما إذا كان هذا سيكون حدثًا يمكن التحكم فيه والتعرف عليه بدلاً من حدوث قوس أو انقطاع كامل في المصنع. يمكن وصف جوهر مقاوم التأريض المحايد بإيجاز من حيث قانون أوم — R = Vln / (√3 × If). أيضًا، يتم تحقيق مبدأ التأريض المحايد بطريقتين. الطريقة الأولى هي نظام التأريض ذو المقاومة المنخفضة الذي ينقطع عند 100-1,000 A، بينما الطريقة الثانية هي النظام ذو المقاومة العالية الذي يعمل تحت 10 A مما يسمح بتنبيه المستخدم ولكن لا يوقف العملية. بشكل عام، يجب أخذ ستة معايير في الاعتبار عند اختيار مقاوم تأريض محايد آمن وفعال: الجهد، تيار العطل، المقاومة، تصنيف الوقت، مادة المكون ومادة الغلاف؛ وبالتالي، إذا كان أي من المعايير خاطئًا، يصبح جهاز الأمان خطرًا من حيث الحريق. سعر مقاوم التأريض المحايد حوالي $1,500 لجهاز LV صغير وفوق $30,000 لنظام 35kV المراقب بالكامل، مما يجعله واحدًا من أقل أشكال التأمين تكلفة لنظام الطاقة الكهربائية، والذي يمكن أن ينقذ مولدًا ومحولات قيمة وكذلك يحل مشكلة حدوث حادث كان من الممكن أن يدمرها.