التأريض (الكهرباء)

غالبًا ما تُوصل أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية بالأرض للحد من الجهد الكهربائي الذي قد يظهر في دوائر التوزيع. قد يتعرض نظام التوزيع المعزول عن الأرض لجهد عالٍ نتيجةً للجهود العابرة الناجمة عن الكهرباء الساكنة أو التلامس العرضي مع دوائر ذات جهد أعلى. يعمل توصيل النظام بالأرض على تبديد هذه الجهود والحد من ارتفاع الجهد في النظام المؤرض.

في تركيبات الأسلاك الكهربائية الرئيسية (التيار المتردد)، يشير مصطلح موصل التأريض عادةً إلى موصلين مختلفين أو نظامي موصلات كما هو موضح أدناه:

توفر موصلات ربط المعدات أو موصلات تأريض المعدات (EGC) مسارًا منخفض المقاومة بين الأجزاء المعدنية غير الحاملة للتيار في المعدات وأحد موصلات مصدر النظام الكهربائي. في حال تعرض أي جزء معدني مكشوف للتيار (عطل)، كما في حالة تلف أو اهتراء عازل، فإنه يُحدث دارة قصر، مما يؤدي إلى فتح جهاز الحماية من التيار الزائد (قاطع الدارة أو المصهر)، وبالتالي إزالة العطل. يحدث هذا الإجراء بغض النظر عن وجود اتصال بالأرض؛ فالأرض نفسها لا تُؤثر في عملية إزالة العطل هذه ^{[ 1 ]} لأن التيار يجب أن يعود إلى مصدره؛ ومع ذلك، غالبًا ما تكون المصادر متصلة بالأرض ^{[ 2 ]} (انظر قوانين كيرشوف للدوائر الكهربائية ). من خلال ربط جميع الأجسام المعدنية المكشوفة غير الحاملة للتيار معًا، وكذلك ربطها بأجسام معدنية أخرى مثل الأنابيب أو الفولاذ الإنشائي، فإنها تبقى قريبة من نفس جهد الجهد، مما يقلل من احتمالية حدوث صدمة كهربائية. يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية، لا سيما في الحمامات حيث قد يكون المرء على اتصال بأنظمة معدنية مختلفة، مثل أنابيب الإمداد والصرف الصحي وهياكل الأجهزة. عند توصيل نظام موصل كهربائيًا بالأرض، يتم وضع موصل ربط الجهاز وموصل قطب التأريض على نفس الجهد (انظر، على سبيل المثال، قسم "أنبوب الماء المعدني كقطب تأريض" أدناه).

أيُستخدم موصل قطب التأريض (GEC) لتوصيل موصل التأريض ("المحايد") في النظام، أو المعدات، بقطب تأريض، أو نقطة على نظام قطب التأريض. يُسمى هذا "تأريض النظام"، ويُشترط تأريض معظم الأنظمة الكهربائية. تُحدد كل من المواصفة الوطنية الأمريكية للكهرباء (NEC) والمواصفة البريطانيةBS 7671الأنظمة التي يُشترط تأريضها. ووفقًا للمواصفة الوطنية الأمريكية للكهرباء، فإن الغرض من توصيل النظام الكهربائي بالأرض هو الحد من الجهد الناتج عن الصواعق والتلامس مع خطوط الجهد العالي. في الماضي،إمداد المياهتُستخدم كأقطاب تأريض، ولكن نظرًا لتزايد استخدام الأنابيب البلاستيكية، وهي موصلات رديئة، غالبًا ما تُلزم الهيئات التنظيمية باستخدام قطب تأريض مُحدد. وينطبق النوع نفسه من التأريض على هوائيات الراديو وأنظمة الحماية من الصواعق.

تحتوي المعدات الكهربائية المثبتة بشكل دائم، ما لم يُنص على خلاف ذلك، على موصلات تأريض متصلة بشكل دائم. أما الأجهزة الكهربائية المحمولة ذات الهياكل المعدنية، فقد تكون موصلاتها متصلة بالأرض عبر دبوس في قابس التوصيل (انظر مقابس ومآخذ التيار المتردد ). وعادةً ما تُحدد لوائح التمديدات الكهربائية المحلية أو الوطنية حجم موصلات التأريض.

في أنظمة توزيع التيار المتردد ذات السلك الواحد العائد إلى الأرض (SWER)، يتم توفير التكاليف باستخدام موصل واحد عالي الجهد لشبكة الطاقة ، مع توجيه تيار العودة المتردد عبر الأرض. يُستخدم هذا النظام في الغالب في المناطق الريفية حيث لا تُسبب تيارات الأرض الكبيرة أي مخاطر.

تستخدم بعض أنظمة نقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد (HVDC) الأرض كموصل ثانٍ. ويشيع هذا الأمر بشكل خاص في المشاريع التي تستخدم الكابلات البحرية، لأن مياه البحر موصل جيد. وتُستخدم أقطاب تأريض مدفونة لتوصيل هذه الكابلات بالأرض. ويجب اختيار موقع هذه الأقطاب بعناية فائقة لمنع التآكل الكهروكيميائي للهياكل تحت الأرض.

يُعدّ ارتفاع جهد الأرض أحد أهمّ المخاوف في تصميم المحطات الفرعية الكهربائية . فعند حقن تيارات عطل عالية جدًا في الأرض، قد يرتفع الجهد في المنطقة المحيطة بنقطة الحقن إلى مستوى عالٍ مقارنةً بالنقاط البعيدة عنها. ويعود ذلك إلى الموصلية المحدودة لطبقات التربة في أرض المحطة الفرعية. وقد يكون تدرج الجهد (التغير في الجهد عبر المسافة إلى نقطة الحقن) مرتفعًا جدًا لدرجة أن نقطتين على الأرض قد تكونان عند جهدين مختلفين بشكل ملحوظ. ويُشكّل هذا التدرج خطرًا على أي شخص يقف على الأرض في منطقة من المحطة الفرعية غير معزولة بشكل كافٍ عن الأرض. وقد تتعرض الأنابيب أو القضبان أو أسلاك الاتصالات الداخلة إلى المحطة الفرعية لجهود أرضية مختلفة داخل المحطة وخارجها، مما يُولّد جهدًا كهربائيًا خطيرًا عند لمسها من قِبل الأشخاص غير المُدركين. ويتم التخفيف من هذه المشكلة بإنشاء سطح ربط متساوي الجهد ذي مقاومة منخفضة، مُثبّت وفقًا لمعيار IEEE 80، داخل المحطة الفرعية. تعمل هذه الطائرة على إزالة تدرجات الجهد وتضمن إزالة أي عطل في غضون ثلاث دورات جهد. ^{[ 5 ]}

صُممت أنظمة الحماية من الصواعق للتخفيف من آثارها من خلال ربطها بأنظمة تأريض واسعة النطاق توفر مساحة سطحية كبيرة للتوصيل بالأرض. هذه المساحة الكبيرة ضرورية لتبديد التيار العالي الناتج عن الصاعقة دون إتلاف موصلات النظام بفعل الحرارة الزائدة. ولأن الصواعق عبارة عن نبضات طاقة ذات ترددات عالية جدًا، فإن أنظمة التأريض المستخدمة في الحماية من الصواعق تعتمد عادةً على استخدام موصلات قصيرة ومستقيمة لتقليل الحث الذاتي وتأثير السطح .

في محطة فرعية كهربائية ، تكون حصيرة التأريض عبارة عن شبكة من المواد الموصلة يتم تركيبها في الأماكن التي يقف فيها الشخص لتشغيل مفتاح أو جهاز آخر؛ وهي ملتصقة بالهيكل المعدني الداعم المحلي وبمقبض لوحة المفاتيح ، بحيث لا يتعرض المشغل لجهد تفاضلي عالٍ بسبب عطل في المحطة الفرعية.

في محيط الأجهزة الحساسة للكهرباء الساكنة، تُستخدم حصيرة أرضية لتأريض الكهرباء الساكنة المتولدة عن الأشخاص والمعدات المتحركة. ^{[ 6 ]} يوجد نوعان يُستخدمان في التحكم بالكهرباء الساكنة: الحصائر المبددة للكهرباء الساكنة، والحصائر الموصلة.

تُصنع الحصائر المُبددة للشحنات الساكنة، التي توضع على سطح موصل (كما هو شائع في المنشآت العسكرية)، عادةً من ثلاث طبقات، حيث تُحيط طبقات الفينيل المُبددة للشحنات الساكنة بركيزة موصلة موصولة بالأرض. أما في الاستخدامات التجارية، فتُستخدم الحصائر المطاطية المُبددة للشحنات الساكنة، وهي تتكون من طبقتين، مع طبقة علوية متينة مقاومة للحام ومُبددة للشحنات الساكنة، مما يجعلها تدوم لفترة أطول من حصائر الفينيل، وقاعدة مطاطية موصلة . تُصنع الحصائر الموصلة من الكربون وتُستخدم فقط على الأرضيات لتفريغ الشحنات الساكنة إلى الأرض بأسرع وقت ممكن. عادةً ما تُصنع الحصائر الموصلة مع بطانة للوقوف، وتُعرف باسم حصائر "مضادة للإجهاد".

لضمان تأريض موثوق لسجادة تبديد الشحنات الساكنة، يجب توصيلها بمسار أرضي. عادةً، يتم توصيل كل من السجادة وحزام المعصم بالأرض باستخدام نظام تأريض بنقطة مشتركة (CPGS). ^{[ 7 ]}

في ورش إصلاح الحواسيب ومصانع الإلكترونيات، يجب تأريض العمال قبل العمل على الأجهزة الحساسة للفولتية التي قد يولدها البشر. ولهذا السبب، تُستخدم الحصائر المبددة للشحنات الساكنة في أرضيات خطوط الإنتاج كـ"سجادة أرضية" على طول خط التجميع لسحب الشحنات الساكنة الناتجة عن حركة الأشخاص.

يُعرَّف الجهد الكهربائي بأنه فرق الجهد بين نقطتين في مجال كهربائي. يُستخدم الفولتميتر لقياس فرق الجهد بين نقطة ما ونقطة مرجعية مناسبة، وإن كانت اختيارية. تُسمى هذه النقطة المرجعية المشتركة "الأرضي" ويُفترض أن جهدها يساوي صفرًا. تُعرَّف الإشارات بالنسبة إلى أرضي الإشارة ، والذي قد يكون متصلًا بأرضي الطاقة . يُشار غالبًا إلى النظام الذي لا يكون فيه أرضي النظام متصلًا بدائرة أخرى أو بالأرض (حيث قد يكون هناك اقتران تيار متردد بين تلك الدوائر) باسم " الأرضي العائم" ، وقد يتوافق مع أجهزة الفئة 0 أو الفئة 2 .

تتطلب بعض الأجهزة اتصالاً بالأرض لتعمل بشكل صحيح، وذلك ليس فقط لأغراض الحماية. يُعرف هذا الاتصال بالأرض الوظيفية ، فعلى سبيل المثال، تتطلب بعض هياكل الهوائيات ذات الطول الموجي الطويل اتصالاً بالأرض الوظيفية، والذي لا ينبغي توصيله عشوائياً بأرضية الحماية الخاصة بمصدر الطاقة، لأن إدخال ترددات الراديو المرسلة إلى شبكة توزيع الكهرباء أمر غير قانوني وخطير. وبسبب هذا الفصل، لا يُنصح عادةً بالاعتماد على الأرض الوظيفية فقط لأداء وظيفة الحماية. ولتجنب الحوادث، تُوصل هذه الأرضيات الوظيفية عادةً بكابلات بيضاء أو كريمية أو وردية، وليس خضراء أو خضراء/صفراء. 

في محطات التلفزيون واستوديوهات التسجيل وغيرها من المنشآت التي تُعد فيها جودة الإشارة بالغة الأهمية، يُركّب عادةً تأريض خاص يُعرف باسم "التأريض التقني" (أو "التأريض الفني" أو "التأريض الخاص" أو "تأريض الصوت")، وذلك لمنع حدوث حلقات تأريض . وهو يُشبه تأريض التيار المتردد، ولكن لا يُسمح بتوصيل أسلاك تأريض الأجهزة العامة به، لأنها قد تنقل تداخلًا كهربائيًا. على سبيل المثال، في استوديو التسجيل، تُوصّل أجهزة الصوت فقط بالتأريض التقني. ^{[ 9 ]} في معظم الحالات، تُوصّل جميع رفوف المعدات المعدنية في الاستوديو بكابلات نحاسية سميكة (أو أنابيب نحاسية مسطحة أو قضبان توصيل )، وتُجرى توصيلات مماثلة بالتأريض التقني. ويُحرص بشدة على عدم وضع أي أجهزة مؤرضة هيكليًا على الرفوف، لأن أي توصيل تأريض تيار متردد واحد بالتأريض التقني سيُفقده فعاليته. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا، قد يتكون التأريض التقني الرئيسي من أنبوب نحاسي سميك، يُركّب عند الضرورة عن طريق الحفر عبر عدة طوابق خرسانية، بحيث يمكن توصيل جميع التأريضات التقنية بأقصر مسار ممكن إلى قضيب تأريض في الطابق السفلي.

استخدمت أنظمة التلغراف الكهرومغناطيسي بعيدة المدى، ^بدءًا من عام 1820 ^{، سلكين} أو أكثر لنقل الإشارة وتيار العودة. اكتشف العالم الألماني سي. أ. فون شتاينهيل في الفترة ما بين 1836 و1837، إمكانية استخدام الأرض كمسار عودة لإكمال الدائرة، مما يجعل سلك العودة غير ضروري. ^{[ 11 ]} لم يكن شتاينهيل أول من فعل ذلك، لكنه لم يكن على دراية بالتجارب السابقة، وكان أول من طبق ذلك على جهاز تلغراف قيد التشغيل، مما جعل المبدأ معروفًا لمهندسي التلغراف عمومًا. مع ذلك، واجه هذا النظام مشاكل، كما يتضح من خط التلغراف العابر للقارات الذي أنشأته شركة ويسترن يونيون عام 1861 بين سانت جوزيف، ميسوري ، وساكرامنتو، كاليفورنيا . خلال الطقس الجاف، غالبًا ما كانت وصلة التأريض تُظهر مقاومة عالية، مما كان يتطلب سكب الماء على قضيب التأريض لتمكين التلغراف من العمل أو الهواتف من الرنين.

في أواخر القرن التاسع عشر، عندما بدأ الهاتف يحل محل التلغراف، تبين أن التيارات الموجودة في الأرض الناتجة عن أنظمة الطاقة والسكك الحديدية الكهربائية ودوائر الهاتف والتلغراف الأخرى والمصادر الطبيعية بما في ذلك البرق تسبب تداخلًا غير مقبول في الإشارات الصوتية، وتم إعادة إدخال نظام السلكين أو "الدائرة المعدنية" حوالي عام 1883. ^{[ 12 ]}

يتكون نظام التأريض القياسي المستخدم على نطاق واسع لهوائيات البث الشعاعية المثبتة على الصواري والتي تعمل في نطاقي التردد المتوسط ​​والمنخفض من 120 سلكًا أرضيًا شعاعيًا مدفونًا ومتباعدًا بالتساوي، ويمتد لمسافة ربع طول الموجة ( ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$أو بزاوية 90 ^{درجة كهربائية من}  قاعدة الهوائي. ^{[ 14 ] [ 13 ] [ 16 ] [ 17 ]} يُستخدم عادةً سلك نحاسي ناعم مسحوب من عيار AWG 8 إلى AWG 10، ويُدفن على عمق 100-250 مم . [ ^{16 ] بالنسبة} لهوائيات نطاق البث AM، يتطلب ذلك مساحة أرضية دائرية تمتد من الصاري لمسافة 47-136 مترًا . تُزرع هذه المساحة عادةً بالعشب، الذي يُقصّ قصيرًا، لأن العشب الطويل قد يزيد من فقد الطاقة في بعض الحالات. إذا كانت المساحة الأرضية المتاحة محدودة جدًا لمثل هذه الأسلاك الشعاعية الطويلة، فيمكن في كثير من الحالات استبدالها بعدد أكبر من الأسلاك الشعاعية الأقصر، أو بعدد أقل من الأسلاك الشعاعية الأطول. ^{[ 15 ] [ 13 ]}     

في هوائيات الإرسال، يُعدّ فقدان الطاقة الناتج عن العزل الكهربائي للمجال الكهربائي ( تيار الإزاحة ) للهوائي أثناء مروره عبر الأرض وصولًا إلى أسلاك التأريض سببًا ثانيًا لهدر الطاقة . ^{[ 17 ]} بالنسبة للهوائيات التي يبلغ ارتفاعها حوالي نصف طول الموجة (180 ^درجة  كهربائية ^{) ،} يكون للهوائي ذروة جهد ( عقدة بطنية ) بالقرب من قاعدته، مما ينتج عنه مجالات كهربائية قوية في الأرض فوق أسلاك التأريض بالقرب من الصاري حيث يدخل تيار الإزاحة إلى الأرض. وللحد من هذا الفقد، غالبًا ما تستخدم هذه الهوائيات شبكة تأريض نحاسية موصلة أسفل الهوائي متصلة بأسلاك التأريض المدفونة، إما موضوعة على الأرض أو مرفوعة بضعة أقدام، لحماية الأرض من المجال الكهربائي.

في بعض الحالات التي تكون فيها مقاومة التربة الصخرية أو الرملية عالية جدًا بالنسبة لنظام التأريض المدفون، يُستخدم نظام التوازن . ^{[ 13 ]} وهو عبارة عن شبكة شعاعية من الأسلاك تشبه تلك الموجودة في نظام التأريض المدفون، ولكنها موضوعة على السطح أو معلقة على ارتفاع بضعة أقدام فوق سطح الأرض. ويعمل هذا النظام كلوحة مكثف ، حيث يربط خط التغذية بالطبقات الموصلة في التربة عن طريق التوصيل السعوي.

عند الترددات المنخفضة، تُصبح مقاومة نظام التأريض عاملاً أكثر أهمية نظرًا لانخفاض مقاومة الإشعاع للهوائي. في نطاقي التردد المنخفض والتردد المنخفض جدًا ، تتطلب قيود ارتفاع البناء استخدام هوائيات قصيرة كهربائيًا ، أقصر من طول الرنين الأساسي الذي يبلغ ربع طول الموجة .${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$تبلغ مقاومة الإشعاع لهوائي أحادي القطب ربع الموجة حوالي 25 إلى 36 أوم ، ولكنها أقل من ذلك . ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$تتناقص المقاومة مع مربع نسبة الارتفاع إلى الطول الموجي. تُقسّم الطاقة المُغذّاة للهوائي بين مقاومة الإشعاع، التي تُمثّل الطاقة المُنبعثة على شكل موجات راديوية، وهي الوظيفة المطلوبة للهوائي، والمقاومة الأومية لنظام التأريض، التي تُؤدي إلى تبديد الطاقة على شكل حرارة. مع ازدياد الطول الموجي بالنسبة لارتفاع الهوائي، تتناقص مقاومة الإشعاع، وبالتالي تُشكّل مقاومة التأريض نسبة أكبر من مقاومة دخل الهوائي، وتستهلك جزءًا أكبر من طاقة المُرسِل. غالبًا ما تكون مقاومة الهوائيات في نطاق التردد المنخفض جدًا (VLF) أقل من 1 أوم ، وحتى مع أنظمة تأريض ذات مقاومة منخفضة للغاية، قد تُهدر نسبة تتراوح بين 50% و90% من طاقة المُرسِل في نظام التأريض. ^{[ 14 ]}