شرح التأريض ونظام الأرضى وأنواعه ومكوناته وطرق قياس مقاومة الأرضي وتقليل قيمتها

شرح نظام الحماية من الصواعق للمبانى (مانعة الصواعق)

Lightning Protection System

أنواع أنظمة الحماية من الصواعق 

الأنظمة التقليدية :
منظومة فرانكلين Franklin system
منظومة قفص فاراداى Faraday Cage System
الأنظمة الحديثة :
منظومة النشاط الإشعاعي Radio Active system
منظومة الانبعاث المبكر Early Emission system

منظومة فرانكلين Franklin system

تعتبر من أقدم المنظومات وهى تتكون مما يأتى :-

- الطرف الهوائى Air Terminal وهو عبارة عن قضيب نحاسي مدبب يعتمد طوله على المساحة المراد حمايته

- الموصل النازل Down Conductor وهو موصل نحاسي يصل ما بين القضيب الهوائى ومنظومة التأريض بالأرض .

- منظومة التأريض Earthing System وهى عبارة عن عدة قضبان نحاسية مغروسة بالأرض 

- الوصلات والرباطات Joints and Bonds

- وصلات الفحص Testing Joints
فى منظومة فرانكلين تكون المساحة المطلوب حمايتها كالتالى :

• (أ) إذا كان إرتفاع الطرف الهوائى لا يزيد عن 15 متر: تكون المنطقة المحمية Protected Zone مساوية لدائرة نصف قطرها بقدر إرتفاع الطرف الهوائي Air Terminal حيث تشكل مع الطرف الهوائي مخروطا زاويته العليا 45 درجة . 
• (ب) إذا كان إرتفاع الطرف الهوائى لا يزيد عن 15 متر: تكون المنطقة المحمية Protected Zone عبارة عن المساحة التى يقطعها القوس النازل من أعلى نقطة للطرف الهوائي مع نقطة تماسه مع سطح الأرض ويكون نصف قطر هذا القوس عادة مساويا ل 30 متر

مساوئ منظومة فرانكلين

كلما زادت المساحة المراد حمايتها كلما إزداد إرتفاع الطرف الهوائي وفى بعض الحالات يكون إرتفاعه عالى جدا بحيث يصعب تثبيته على أسطح المبانى ويكون مكلف جدا لذا يفضل إستخدام هذه المنظومة فى حالة المبانى ذات المساحات المنخفضة .

منظومة قفص فاراداى Faraday Cage System

تتكون هذه المنظومة من 

1) شبكة من الموصلات المعدنية 

وهي عبارة عن (أشرطة نحاسية Copper Strips) يتم تأسيسها على سطح المبنى المراد حمايته من الصواعق وتكون المسافة بين هذه الموصلات الأفقية والعمودية للشبكة كالتالى :

• إما أن تصمم هذه المسافات طبقا للمسافات ومستويات الحماية او الخطر كما بالجدول التالى

ويمكن تعريف مستوى الحماية كما بالجدول التالى :

• أو تكون الأبعاد ( 10m × 20 m) وفق الكود البريطانى العملى BS 6651: 2008 لأكثر أنواع الأبنية الإعتيادية .
  

• أما أبنية مخازن الأعتدة أو الأماكن القابلة للإنفجار فتكون بأبعاد أقل (5m × 10 m) والمسافة بين قضيب هوائى وآخر لا تزيد عن 6 متر 

2) طرف هوائى Air Terminal
 وهو عبارة عن قضيب نحاسي مدبب ويتم تثبيته رأسيا مع موصل شبكة الموصلات بواسطة قاعدة Base كما بالصورة

إرتفاع الطرف الهوائى :

* إذا كانت المسافة بين طرف هوائى وآخر لا تزيد عن 6 متر فيجب ألا يقل إرتفاع الطرف الهوائي عن مستوى سطح البناية عن 24 سم
* إذا كانت المسافة بين طرف هوائى أكبر عن 6 متر فيجب ألا يقل إرتفاع الطرف الهوائي عن مستوى سطح البناية عن 60 سم
* ويزيد هذا الطول كلما زادت المسافة بين الأطراف الهوائية
ويتم ربط شبكة الموصلات بالأرض بواسطة موصلات نحاسية او أشرطة من عدة أماكن بجوانب المبنى تسمى بالموصلات النازلة

3) الموصلات النازلة (النوازل) Down Conductors

وهى موصلات نحاسية أو أشرطة نحاسية تصل ما بين (الطرف الهوائى وشبكة الموصلات) ومنظومة التأريض بالأرض ويتم تنفيذها كالتالى :
* إما عبارة عن موصلات نحاسية مخفية داخل مواسير PVC يتم تنفيذها مسبقا داخل الأعمدة الخرسانية للمنشأ
* أوعبارة عن أشرطة نحاسية (Copper Strips) يتم تنفيذها ظاهرة على السطح الخارجى للمبنى أو المنشأ

ويتحدد عدد الموصلات النازلة للأرض أو نقطة الأرضي حسبمساحة المبنى وفق القاعدة التالية :
* موصل واحد إذا كانت المسافة لا تزيد عن 100 متر مربع .
إذا كانت المسافة تزيد عن 100 متر مربع فإن عدد الموصلات النازلة يكون مساوياّ إلى أقل عدد يمكن أن نحصل عليه من إستخدام القاعدتين الآتيتين :
* (1) موصل واحد لأول 100 متر مربع بالإضافة غلى موصل لكل 300 متر مربع زيادة عن ال 100 متر الأولى .
* (2) موصل واحد لكل 30 متر من محيط البناء .

ويوضح الجدول التالى أعداد الموصلات النازلة (حسب الكود البريطانى BS والكود الدولى IEC) :

• يتم تثبيت الموصل النازل بحيث لا تزيد المسافة بين كل موصل وآخر عن 30 متر وكل موصل نازل يجب أن ينتهى بنقط تأريض (توصيله مع قضيب تأريض).
  
• يجب أن يزود كل موصل نازل إلى الأرض بنقطة فحص Testing Point تثبت على إرتفاع 1.5 متر فوق سطح الأرض ويجب ألا يحتوى على أى نقطة ربط تحت نقطة الفحص عدا عدا نقطة ربطه بقضيب التأريض الذى يكون مدفونا تحت الأرض 
  
• يجب أن يتم توصيل الموصل النازل إلى حديد التسليح للبناية .

4) منظومة التأريض او قضبان التأريض 

يتم ربط الموصلات النازلة مع منظومة التأريض أو قضبان التأريض بواسطة قفائص Clamps ويكون قضيب التأريض مصنوعا من النحاس كما يجب ألا يقل قطره عن (12.7 مم) وطوله عن 240 سم ويتم ربط جميع قضبان التأريض أسفل المبنى مع بعضها البعض بواسطة موصلات تأريض
- وتكون منظومة التأريض على شكل رجل غراب Crow-foot earthing system حيث تتألف من ثلاث أشرطة نحاسية مرتبطة من جهة واحدة وتشكل زاوية 45 فيما بينها عند تباعدها أى تشكل ما يشبه رجل غراب وتكون هذه الأشرطة مدفونة تحت الأرض بعمق 1 متر تقريبا ويربط كل شريط فى نهايته بقضيب التأريض للحصول على مقاومة 5 أوم على الأقل

منظومة النشاط الإشعاعي Radio Active system

وهى أكثر كفاءة من المنظومتين السابقتين كما أنها أقل تعقيدا فى تركيبها مقارنة بالنوع (قفص فاراداى) الذى يتكون من شبكة موصلات كبيرة 

فكرة عمل المنظومة

يتم تركيب رأس مشع فى الطرف المدبب لمانعة الصواعق والذى يعمل على تأيين الهواء المحيط بالسارية أو مانعة الصواعق وبالتالى فإن المساحة المراد حمايتها تكون أكبر بهذه الطريقة حيث أن الصاعقة تنجذب إلى المنطقة المحيطة بمانعة الصواعق المتأينة "أى بسبب وجود الشحنات الموجبة قرب الرأس المدبب) وبالتالى فإن شحنات الغيوم السالبة تنجذب إليها بصورة أكثر فعالية من بقية المنظومات

مكونات المنظومة 

تتكون هذه المنظومة من التالى :

1) الرأس المشع

2) السارية (عمود الإسناد)

3) الموصلات النازلة

4) قضبان التأريض

1) الرأس المشع 

يتكون الرأس المشع من الرأس المدبب بالإضافة إلى مصدر مشع من عنصر اليورانيوم -152 ذى نشاط إشعاعى 400 مللى كورى أو أى عنصر مشع آخر وهذا الرأس يبعث الأيونات ويدعى بالمانع Preventer ويصنع المانع أو الرأس من مادة النحاس المطلى بالمينا ويكون بإرتفاع (12 سم) وعرض (22 سم) ووزن   (2 كجم) ومجهز بفتحات تساعد فى توجيه الهواء عبر المصدر المؤين الموجود فيه لتحقيق هذا الغرض وتكون هذه الفتحات مجهزة بصفائح رقيقة مشعة خاصة special radio active foil تساعد فى تحقيق كفاءة إشعاع أفضل .

2) السارية (عمود الإسناد) 

وهى التى يثبت عليها الرأس المشع وتصنع من الحديد الصلب المجلفن بإرتفاع (5 متر) ومن النوع الذي يمكن تثبيته على السطوح أو الحائط أو حتى عمل قاعدة خرسانية له فى الأرض كسارية العلم وتثبت السارية عادة فى أعلى نقطة فى المبنى المراد حمايته من الصواعق .

ويوضح الجدول التالى نصف قطر ومساحة المنطقة المراد حمايتها وإرتفاع السارية المطلوب بالنسبة لرؤوس مشعة من الأنواع P1 ,P2,P3,P4

3) الموصلات النازلة

 وهى عبارة عن موصلات نحاسية أو أشرطة نحاسية وتكون أبعادها عادة (25 مم عرض * 3 مم سمك) وتحتوى على نقطة فحص Testing Joint على ارتفاع 1.5 متر من سطح الأرض يتم من خلالها قياس مقاومة التأريض أو فصلها للصيانها

4) منظومة التأريض 

 وتكون من نوع رجل غراب Crow-foot earthing system  كما تم شرحه فى المنظومة السابقة

ملحوظة : لا يفضل استخدام مانعات الصواعق من نوع النشاط الاشعاعى فى المناطق الصناعية المزدحمة كمحطات الوقود أو مصانع الأسمنت بسبب ترسب مخلفات هذه المعامل من أبخرة ودخان او أسمنت متطاير على رأس مانعة الصواعق المشع حيث بعد مرور فترة قصيرة يصبح عديم الفائدة فى حماية المبنى لذا يفضل استخدام منظومة فرانكلين فى هذه الأماكن 

منظومة الانبعاث المبكر Early Emission system

يعتمد مبدأ عمل هذه المنظومات الحديثة على الانبعاث المبكر للشحنات الكهربائية من رؤوس خاصة صغيره تشبه رؤوس منظومة النشاط الاشعاعي وتكون على نوعين :
النوع الأول : يسمى بالمحرض الكهربائي الإجهادى من صنع شركة سانت - إيلمو الفرنسية Saint-Elmo ويمتاز هذا النوع بعدم وجود مواد مشعه فيه ويعطى نصف قطر حماية كبير مقارنة بالمنظومات التقليدية
ويكون تصميم هذه المنظومة مشابه لمنظومة النشاط الاشعاعي عدا الاختلاف بالرأس (Preventer) وتكون فكرة عمل رأس التوصيل هو عبارة عن انتاج شحنات حرة (جسيمات متأينة وإليكترونات) فى الهواء المحيط بالرأس المحيط ويولد أيضا ضمن الفراغ بين الرأس والغيمة مجالا كهربيا بشكل قناة أيوينة تكون جيدة التوصيل للصاعقة نفسها وتتولد الشحنات الحرة بفعل الهالة Corona وذلك بتسليط فولتية من على نقاط التأين من على رأس التوصيل وهذه الفولتية تجهز بواسطة خلايا سيراميك تدعى خلية تحريض كهربائي إجهادى Piezo-Electric لها القدرة على انتاج فولتية عالية جدا بواسطة التغير بالضغط الميكانيكي المسلط عليها .
- الرأس يحمل بواسطة عمود إرتفاعه h بحيث أن نهايته العليا تمثل رأس مخروط يغطى كل أجزاء البناية بإعتبارها المنطقة المحمية Protected Zone

النوع الثانى : وهو من صنع شريكة إنديلاك الفرنسية Indelec وهذه المنظومة تشبه منظومة Saint-Elmo عدا أنها تختلف بالرأس حيث استخدمت شركة إنديلاك رأسا إليكترونيا يحتوى على مكثفات عالية القدرة Power Capacitors ودائرة إليكترونية بسيطة تستمد طاقتها الكهربائية من المجال الكهربي الحادث عند إقتراب الغيمة المشحونة وعندها يبدأ الرأس فى توليد وإرسال شحنات مشابهة أو مخالفة لشحنات الغيمة ويعمل على تفريغها وإبعادها عن المبنى المراد حمايته .

والشكل التالى يوضح مكونات النظام :

ملحوظة :

• يجب أن تمر الموصلات النازلة من أقصر مسار بين الطرف الهوائي ونظام الأرضى بالأرض وإذا تطلب الأمر مروره خلال بروز للمبنى أو كمرات خارجية يمكن إحتواءه فى فراخ هوائي داخل البروز أو الكمربحيث يكون مساره مستقيما
  
• فى الأبنية ذات المساحات الكبيرة والتى يتم فيها استخدام مانعات الصواعق من النوع النشاط الإشعاعي يتم إستخدام طريقة فرانكلين أيضا فى الأبراج أو المداخن أو الأجزاء المرتفعة فى أسطح هذه البناية أى تستخدم المنظومتين معاَ 
• ضرورة ربط جميع الأجزاء المعدنية والمواد الأخرى الموصلة للكهرباء والقريبة من الموصلات الرئيسية والثانوية والموصلات النازلة إلى منظومة مانعة الصواعق لتجنب الشرارة التى قد تحدث نتيجة وجود فرق فى الجهد .

كلمات مفتاحية الحماية من الصواعق مانعة الصواعق فى المبانى نظاما لحماية من الصواعق للمبانى منظومة فرانكلين للصواعق مانعة الصواعق النشاط المشع منظومة الانبعاث المبكر franklin system منظومة قفص فاراداى Faraday Cage System Early Emission system Radio Active system الموصلات النازلة النوازل الصواعق منظومة التأريض للحماية من الصواعق