هل يمكن استخدام شريط الفولاذ المسطح في أنظمة التأريض الكهربائية للمباني؟

الامتثال للكود الوطني الكهربائي (NEC) وقبول شريط الفولاذ المسطح في الكود الخاص بالتأريض

المادتان 250.52 و250.64 من الكود الوطني الكهربائي (NEC): الحالات التي يُعتبر فيها شريط الفولاذ المسطح قطبًا أرضيًّا أو موصلًا أرضيًّا

يحدد قانون الكهرباء الوطني (NEC) معايير محددة تتعلق بالأبعاد والمواد وطرق التركيب لأنظمة التأريض التي تشمل القضبان الفولاذية المسطحة. فعلى سبيل المثال، يُعرِّف البند ٢٥٠٫٥٢(أ)(٧) القضبان الفولاذية المسطحة كأقطاب تأريض إذا وُضعت قضبان الفولاذ منخفض الكربون أفقيًّا فوق خط التجمد أو تحته. وللاستفادة من هذه القضبان كموصلات تأريض، يحدد البند ٢٥٠٫٦٤ متطلبات الحماية الميكانيكية والأبعاد والحالة العامة للمكونات. وقد يؤدي عدم الامتثال لهذه المتطلبات إلى ارتفاع في مقاومة نظام التأريض بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٧٠٪. وهذا الارتفاع قد يتسبب في عدد من المشكلات، مثل فشل اكتشاف عطل التأريض وتعطُّل المعدات. ولهذا السبب بالذات قدَّم دليل قانون الكهرباء الوطني لعام ٢٠٢٣ تفاصيل شاملة للمهندسين الكهربائيين.

الحد الأدنى لمتطلبات الأبعاد وفق الجدول ٢٥٠٫٦٦ من قانون الكهرباء الوطني: الأبعاد، والسُمك، وعمق الدفن للقضبان الفولاذية المسطحة

يجب أن تكون قضبان الفولاذ المطلية بأبعاد محددة بعد عملية الجلفنة. ولا ينبغي أن يؤدي فقدان الطبقة الطلائية إلى انخفاض سمك الفولاذ الأساسي عن الحدود القياسية المقررة لضمان السلامة. وفي التربة التي يكون مستوى حموضتها (pH) أقل من 5.0، تتفاقم سرعة تآكل القضبان المعدنية الرقيقة لتصل إلى ما يقارب ثلاثة أضعاف سرعة تآكل القضبان القياسية وفقًا للمعيار IEEE Std. 80-2023. ويُشكِّل هذا التآكل المتسارع خطرًا جسيمًا على إدارة تيار الخطأ في النظام. وفي المناطق التي تكون فيها التربة صخرية جدًّا بحيث يتعذَّر دفن القضبان فيها بالكامل، يجب على الطواقم الميدانية توثيق جميع التدابير الإضافية المتخذة، مثل تركيب طبقات أكثر مقاومة للتآكل، أو إضافات في أنظمة التأريض، وغيرها. وفي هذه الحالات، لا بد من موافقة الجهة المختصة ذي الصلاحية على هذه التدابير الإضافية.

مقاومة التآكل وعمر القضبان الفولاذية المسطحة في تطبيقات التأريض

قضيب فولاذي مسطح مغلفن بالغمس الساخن: المواصفة ASTM A123 ومقاومة التآكل من 30 إلى 50 سنة في التربة النموذجية

حققت أنظمة التأريض المُكوَّنة من قضبان فولاذية مسطحة مغلفنة بالغمر الساخن أداءً ناجحًا في مختلف الاختبارات الميدانية. ويعمل طبقة الزنك كحاجز ضد تآكل التربة، وتتعرَّض للتآكل أولًا لحماية الفولاذ الكامن تحتها. وتُظهر الاختبارات المستقلة أن سماكة هذه الطبقات تبلغ 85 ميكرومترًا على الأقل، وهي السماكة المطلوبة لتوفير حماية تدوم من 30 إلى 50 عامًا في التربة ذات الرقم الهيدروجيني بين ٥٫٥ و٨٫٠ وممانعة كهربائية تزيد عن ١٠٠٠ أوم·سم. وتشير نتائج اختبارات «ماتريكس» التي أُجريت في ظروف قاسية إلى أن المادة تظل سليمة بعد ما يعادل ١٥٠٠ ساعة من رش المحلول الملحي، أي ما يعادل نحو ٢٠ عامًا من التعرُّض للبيئة الساحلية. ويضمن تركيب هذه القضبان الفولاذية المغلفنة بالغمر الساخن بشكل فعّال أن تحافظ أنظمة التأريض على مقاومة أقل من ٢٥ أوم طوال عمرها الافتراضي الكامل، وأن تلبّي متطلبات معيار IEEE 80 الخاص بالسلامة.

التدهور الذي يصيب القضبان الفولاذية المسطحة العارية والمغلفنة في البيئات الساحلية والقاحلة

تتعرض البنية التحتية الدائمة للأرضيّة لعوامل إجهاد بيئية، تبدأ بحدوث التآكل في أنظمة التأريض. وتؤدي عوامل الإجهاد مثل الرطوبة وتقلبات درجات الحرارة والتآكل إلى ازدياد أهمية عملية الجلفنة.

البيئات الساحلية والقاحلة

يُظهر الفولاذ غير المحمي في المناطق الساحلية ميلًا للصدأ بمعدل يبلغ حوالي ١,٥ مم سنويًّا نتيجة وجود الكلوريدات والرطوبة وتقلبات درجات الحرارة. أما في المناطق القاحلة، فيُتوقع أن تدوم هذه المواد أكثر من ٣٠ عامًا مع فقدان أقل من ١٥٪ من الطلاء (الزنك)، بينما تُقدَّر مدة بقاء قضبان الفولاذ المجلفن (المغلفة) في المناطق القاحلة بنحو ٣٠ عامًا.

ستصبح أسطح الفولاذ العادي في نهاية المطاف مُحفرة. ويحدث التحفر في الفولاذ غير المغلف بشكل أسرع بكثير مما يحدث في الفولاذ المغلف. ويحافظ الفولاذ المجلفن (المغلف بالزنك) على نحو ٩٨٪ من توصيله الكهربائي بعد حوالي ١٠ سنوات.

تُظهر اختبارات مختلف الظروف النباتية والتربة عبر عدة مناطق جغرافية أن افتراض المهندسين بأن الطبقات المجلفنة تضاعف عمر المكونات المعدنية في الظروف القاسية إلى ما بين ضعفين وثلاثة أضعاف هو افتراضٌ سليم.

وهذا أمرٌ بالغ الأهمية لضمان اتصالات كهربائية موثوقة وأنظمة كهربائية تتوافق مع متطلبات السلامة دون تعقيدات صيانة.

استخدام قضبان الفولاذ المسطحة في أنظمة التأريض للمباني

التطبيقات السكنية والتجارية: الموصلات الرئيسية للربط، وألواح الحافلات الأرضية، ووصلات الأقطاب الأرضية

تُستخدم قضبان الفولاذ المسطحة في جميع أنواع المنشآت تقريبًا، نظرًا لتفوقها الميكانيكي، وسهولة توصيلها، وانخفاض تكلفتها مقارنةً بمعظم البدائل الأخرى. وفي المباني السكنية، تُستخدم عادةً كموصل رئيسي للربط (Bonding Jumper) الذي يربط معدات التغذية بأقطاب التأريض. ويكتسب هذا الأمر أهميةً بالغةً خاصةً عند الحاجة إلى استخدام عدة قضبان تأريض لتحقيق مقاومة تبلغ ٢٥ أوم، وهي القيمة المطلوبة وفق معايير معهد المهندسين الكهربائيين والإلكترونيين (IEEE 142). أما في المنشآت التجارية، فإن الشكل المسطّح لهذه القضبان يُستفاد منه في استخدامها كقضبان تأريض رئيسية (Ground Busbars) داخل أجهزة التحكم الكهربائية (Switchgear) ولوحات التوزيع (Panel Boards). كما أن الشكل المسطّح يسمح للفنيين الكهربائيين بتثبيت هذه القضبان في المساحات الضيقة، مع توفير مساحات كافية من قضبان التأريض حيث يلزم إجراء عدد كبير من وصلات التأريض. وتعتبر قضبان الفولاذ المسطحة مناسبةً جدًّا أيضًا عند استخدامها لتوصيل أنواع مختلفة من أقطاب التأريض ببعضها البعض، ومن ذلك قضبان التأريض، وأقطاب التأريض المدمجة في الخرسانة (Ufer grounds)، بل وحتى الأنابيب المعدنية للمياه التي يُشار إليها أحيانًا بـ"التأريض القديم". وتُعرف عملية توصيل هذه الأقطاب ببعضها باسم "نظام ذي مقاومة تشويش منخفضة" (Low Impedance System)، وهو ما يفوق بكثير معاملة كل قطب منها على أنه عنصر منفصل ضمن النظام.

التنسيق مع الجهة المختصة، وضمان اتصالات ذات مقاومة منخفضة، وتجنب التلف الميكانيكي

هناك بعض الأمور الأساسية التي يجب البدء بها: يتم تركيب القضبان الفولاذية المسطحة المكشوفة على عمق أقل من ٧٥٠ مم (أو ٣٠ بوصة)، مستخدمين معيار NEC كمرجع. ويُقلل هذا من آثار الحفر العرضي، ويمنع تأثر القضبان بالمشكلات المرتبطة بالتغيرات الحرارية. أما بالنسبة للوصلات مع الأقطاب الكهربائية أو القضبان الناقلة أو غيرها من المعدات، فيجب استخدام موصلات معتمدة وفقًا للمعايير فقط، مثل الموصلات المدرجة ضمن قائمة UL أو اللحام التصاعدي الحراري (Exothermic Welds)، لأنها تعزز الاستمرارية الكهربائية والحرارية وتقلل المقاومة. وفي حال كانت ظروف التربة خارج النطاق الطبيعي، يصبح الغمر الساخن بالزنك ضرورةً لا غنى عنها. وعلى وجه الخصوص، إذا كانت درجة حموضة التربة أقل من ٥٫٠ أو أكبر من ١٠٫٠، أو كانت مقاومتها الكهربائية أقل من ١٠٠٠ أوم·سم، فإن عملية الغمر بالزنك إلزامية للاستيفاء لمتطلبات المواصفة القياسية ASTM A123. ومن الجيد أيضًا التواصل مع الجهة المختصة ذات الصلاحية (AHJ) لتحديد ما إذا كانت هناك متطلبات خاصة تنطبق على موقع المشروع، مثل وجود رطوبة عالية أو قرب من المناطق الساحلية أو وجود تربة كيميائية مسببة للتآكل. وقد تتطلب هذه الظروف إجراء اختبارات إضافية أو تطبيق طبقات واقية إضافية و/أو اتخاذ تدابير إضافية لمراقبة الجودة.

الأسئلة الشائعة

١. ما وظيفة القضبان الفولاذية المسطحة في أنظمة التأريض؟

توفر القضبان الفولاذية المسطحة أقطاب تأريض تساعد على تبديد تيار العطل إلى الأرض بشكل آمن وفعال.

٢. القضبان الفولاذية المسطحة مغلفنة. فلماذا يتم ذلك؟

توفّر عملية التغليف بالزنك طبقة واقية من الزنك على القضبان الفولاذية، مما يزيد من مقاومتها للصدأ والتآكل. وهذا أمرٌ بالغ الأهمية في البيئات الساحلية أو الجافة جدًّا.

٣. كيف تتوافق القضبان الفولاذية المسطحة مع متطلبات كود الكهرباء الوطني (NEC)؟

يجب تركيب القضبان الفولاذية المسطحة على عمق لا يقل عن ٧٥٠ مم أو ٣٠ بوصة تحت سطح الأرض. كما يجب أن تكون هذه القضبان محمية بغطاء معدني صلب لتجنب التآكل. ويجب إجراء وصلات ميكانيكية كاشطة مع موصلات معتمدة من شركة UL أو لحام حراري تفاعلي (Exothermic welds) لتوصيل هذه القضبان.