المدونة

الفيزياء الكامنة وراء زيادات التيار الكهربائي أثناء حدوث الصواعق

عندما يضرب البرق، فإنه يطلق حوالي مليار فولت من الكهرباء خلال جزء من مليون من الثانية، مما يخلق تلك القفزات المفاجئة في الجهد والتي تنتقل عبر المواد الموصلة مثل الكابلات المحورية. ما يحدث في الحقيقة بسيط إلى حدٍ ما. إن المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن ضربة البرق يتسبب في تدفق التيار داخل الأسلاك والمواد الموصلة الأخرى القريبة، وهذا غالبًا ما يؤدي إلى تجاوز قدرة العوازل الإلكترونية والمكونات الإلكترونية العادية. وبحسب بحث نشرته NEMA السنة الماضية، حتى في حالات عدم ضرب البرق بشكل مباشر، فإن القرب الكافي من مكان الصدمة يمكن أن يولّد جهودًا تتجاوز 10,000 فولت. معظم الإلكترونيات المنزلية مصممة فقط لتتحمل بين 1,000 و 3,000 فولت قبل أن تبدأ بالعطل. هذا هو السبب في أهمية استخدام حماية مناسبة ضد زيادة الجهد لأي جهاز متصل بخطوط الطاقة أو أنظمة الاتصالات.

دور التأريض في تحويل التقلبات عالية الجهد

تعمل أدوات الترس بالإنشاء مسار للطفرات الكهربائية التي تتبعها والتي لديها مقاومة ضئيلة للغاية ، عادة ما تكون أقل من 25 أوم وفقًا لمبادئ IEEE 1100. عندما نربط تلك الدرع الكابلات المحاورية إلى أسلاك التربة النحاسية على الأقل 10 AWG في الحجم، معظم الطاقة زيادة يتم تحويل آمنة إلى الأرض. الاختبارات التي أجريت بموجب معايير UL 1449 تظهر أن هذه الأنظمة يمكن أن تُعيد توجيه أكثر من 95% من الكهرباء الخطرة بعيداً عن معداتنا ما يعنيه هذا هو أن الأضرار باهظة الثمن في لوحات الدوائر حيث يمكن أن تتبخر الآثار أو يمكن أن تتحطم أشباه الموصلات في تقاطعاتها تصبح أقل احتمالاً بكثير.

كيف يثبت التأرجح إمكانات النظام أثناء التفوق

الحصول على تأريض صحيح يساعد في تقليل فروق الجهد الخطرة بين المعدات والأرض نفسها، مما يمنع تشكل القوس الكهربائي الضار عبر المكونات. رأينا هذا أثناء الاختبارات التي أجريناها في فلوريدا العام الماضي، حيث حافظت الأنظمة المؤرضة بشكل صحيح على مستويات الجهد تحت السيطرة عند حوالي 500 فولت حتى عندما ضرب البرق في أماكن قريبة. أما المعدات غير المؤرضة، فقد ارتفع الجهد فيها إلى 8,200 فولت! هذا النوع من الفرق مهم للغاية عندما نتحدث عن حماية الدوائر الإلكترونية الحساسة الموجودة في معدات الفيديو عالية الدقة وأجهزة الشبكات الحديثة. بدون ممارسات جيدة في التأريض، لن تتمكن هذه المعدات التقنية باهظة الثمن من الصمود أمام القوة الكهربائية الطبيعية.

كيف تنقل الكابلات المحورية زيادة الجهد الناتجة عن البرق إلى المعدات

الممرات التي تسلكها زيادة الجهد الناتجة عن البرق عبر الخطوط المحورية

يمكن أن تصبح الكابلات المحورية مسارات غير متوقعة لصواعق البرق بسبب دروعها المعدنية. يؤدي ضرب البرق بالقرب من التركيب إلى إنشاء مجالات كهرومغناطيسية قوية تُجبر جهوداً هائلة على المرور عبر هذه الكابلات، والتي قد تصل أحيانًا إلى أكثر من 100 كيلو فولت. ينتقل هذا الجهد مباشرة على طول الكابل نحو أي معدات متصلة في الطرف الآخر. تعمل الطبقة الخارجية من الكابل بشكل أساسي كطريق سريع لهذه الطاقة حتى يتم إيقافها بواسطة شيء ما. هنا تأتي أهمية التأريض المناسب. حيث يقوم نظام تأريض عالي الجودة باعتراض هذه الصواعق الخطرة وإرسالها بأمان إلى الأرض بدلًا من السماح لها بتدمير الإلكترونيات الحساسة.

دراسة حالة: تلف معدات التلفزيون والشبكات بسبب زيادة الجهد

في أواخر عام 2023، ضربت صاعقة منزلًا في تامبا بفلوريدا، مما تسبب في أضرار جسيمة للمعدات الإلكترونية المتصلة عبر كابلات محورية. انتقلت زيادة الجهد الكهربائي عبر اتصال الطبق القمر الصناعي بدلاً من التوقف عند مدخلات الـ HDMI للتلفزيون كما هو متوقع، ما أدى إلى إتلاف نظام المسرح المنزلي بالكامل وتدمير منفذ إيثرنت في جهاز توجيه الإنترنت اللاسلكي تمامًا. واجه أصحاب المنزل فاتورة إصلاحات تجاوزت قيمتها ألفين وثمانمائة دولار فقط لاستبدال ما دُمر جراء هذا الحدث العاصفي الواحد. وتُعد هذه الحادثة مثالًا واقعيًا يُذكّر بضرورة الالتزام بإجراءات التأريض المناسبة لجميع التركيبات الكهربائية، خاصة في حالات توقع حدوث أحوال جوية شديدة في المنطقة.

مستويات الجهد التي تُعَدُّ تهديدًا لمكونات الإلكترونيات

لا يمكن للجهاز الإلكتروني الاستهلاكي المتوسط تحمل الفولتية التي تتجاوز 1000 فولت، في حين أن الصواعق تُطلق بانتظام أكثر من 10,000 فولت. وهذا يخلق مشاكل جدية لأجهزتنا خلال العواصف. عادةً ما تستسلم مودم الكابل عند تعرضه لجهود تتراوح بين 900 إلى 1200 فولت، في حين أن مُحسّنات التلفزيون أكثر هشاشة عند حوالي 800 فولت. ما هي القطع الحقيقية الصلبة في هذا السيناريو؟ مفاتيح إيثرنت مع الدوائر المتكاملة الخاصة بها، والتي تظل صامدة حتى حوالي 1500 فولت قبل أن تتلف. تأتي أنظمة التأريض لإنقاذ الموقف عن طريق توجيه هذه الانفجارات الخطرة بعيدًا عبر مسارات خاصة تُخفض مستويات الجهد إلى أقل من 100 فولت. تُنقذ هذه الإجراءات الوقائية معدات باهظة الثمن فعليًا من الاحتراق خلال العواصف الكهربائية.

مكونات وتصميم مجموعة تأريض الكابل المحوري

تفكيك مكونات مجموعة التأريض: الكتلة، المشبك، والموصلات

تشمل أدوات تأريض الكابلات المحورية عادةً ثلاثة أجزاء رئيسية: كتلة تأريض، ونوعًا من المشابك، بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من الموصلات. تقوم كتلة التأريض بشكل أساسي بتكوين مسار توصيلي يربط الغلاف الخارجي لكابل المحوري بالنظام الأرضي الموجود. في الوقت نفسه، يقوم المشبك بمهمتين معًا، حيث يحافظ على الربط الميكانيكي لكل الأجزاء مع الحفاظ على الاتصال الكهربائي. أما بالنسبة للموصلات، فإن الجودة تلعب دورًا كبيرًا لأنها تحتاج إلى مطابقة المعاوقة بشكل صحيح. وهذا يساعد في تقليل فقد الإشارة وهو أمر بالغ الأهمية عند حدوث تيارات زائدة. بدون مطابقة جيدة للمعاوقة، يمكن أن تتعرض البيانات للتلف أو الضياع التام أثناء هذه الاضطرابات الكهربائية.

التوصيل بين الكابلات المحورية وأدوات التأريض - توضيح

يعني إتمام التركيب بشكل صحيح توصيل الجزء الخارجي لكابل المحوري إلى كتلة التأريض باستخدام ما يُعرف بموصل الانضغاط. هذه التوصيلة تخلق مسارًا يسمح للموجات الكهربائية بالانطلاق بعيدًا عن الإلكترونيات الثمينة بدلًا من إتلافها. عند التعامل مع أجهزة متعددة ضمن نظام واحد، سيقوم معظم الناس بتركيب كتل التأريض مع أجهزة حماية من زيادة الجهد الكهربائي مباشرةً في المكان الذي تدخل فيه الكابلات المنزل. تعمل هذه المجموعة بشكل ممتاز لحماية أشياء مثل أجهزة التلفزيون ومحولات الإنترنت والراوترات اللاسلكية كلها في وقت واحد خلال العواصف الرعدية غير المتوقعة التي نتعرض لها في بعض الأحيان.

أهمية اختيار مقاس مناسب لسلك التأريض (مثلاً: سلك نحاسي بقياس 10 AWG)

يجب أن تفي أسلاك التأريض النحاسية بمعايير NEC Article 810، مع 10 AWG وهو الحجم الأدنى الموصى به للتركيبات السكنية. ويُشترط استخدام أقطار أكبر (مثل 6 AWG) في الأنظمة التجارية التي تتعامل مع التيارات الزائدة الأعلى. إن استخدام أسلاك ذات مقاطع أصغر من اللازم يزيد من الممانعة، مما يقلل كفاءة التبديد الكهربائي الزائد بنسبة تصل إلى 60٪ وفقاً لبروتوكولات اختبار UL 467.

معايير المواد والمتانة في التركيبات الخارجية

تتميز مجموعات التأريض عالية الجودة عادةً بمواد مقاومة للتآكل، مثل الأسلاك النحاسية المطعونة والموصلات الفولاذية المقاومة للصدأ المصممة لتتحمل أشعة فوق البنفسجية والظروف الرطبة. عند التسوق، تحقق مما إذا كانت القطع تأتي مع شهادة UL 467 التي تغطي معايير السلامة في التأريض، أو ابحث عن الامتثال لمعايير ANSI/TIA-607 الخاصة بالتركيبات الهاتفية. تدوم المجموعات التي صنعت وفقًا لهذه المواصفات بشكل عام لأكثر من عقدين حتى في ظل الظروف القاسية. نحن نتحدث هنا عن كل شيء بدءًا من الهواء المالح بالقرب من السواحل وصولًا إلى الأماكن التي تتقلب فيها درجات الحرارة بشكل كبير بين درجات حرارة منخفضة جدًا تصل إلى -40 درجة فهرنهايت وحتى درجات حرارة مرتفعة جدًا تصل إلى 150 درجة فهرنهايت دون أن تفشل.

أفضل الممارسات الخاصة بتركيب مجموعة تأريض الكابل المحوري

دليل خطوة بخطوة لتركيب حامي زيادة التيار للكابلات المحورية

ابدأ بقطع الكابل المحوري في مكان ما على بعد 12 إلى 18 بوصة من النقطة التي يدخل فيها المبنى. استخدم أداة عالية الجودة لضغط الكابلات المحورية وثبت وصلات F المقاومة للعوامل الجوية على كلا الطرفين. ولا تنسَ تركيب كتلة التأريض أيضًا. ضعها بين الجدار الخارجي والمعدات الموجودة داخل المبنى، وتأكد من وجود اتصال جيد مع شيء مُوصَل بشكل صحيح مثل قضيب معدني مُدفون في الأرض أو أنبوب مياه باردة قديم يمر عبر جدران القبو. عند شد جميع تلك الاتصالات، اختر المشابك المقاومة لل corrosion بدلًا من المشابك العادية. ولإحكام إغلاق الوصلات الخارجية، استخدم مادة السيليكون المقاومة لأشعة UV التي تُباع في متاجر الأدوات المنزلية. ضع كمية كافية لإنشاء حاجز مناسب دون مبالغة تؤدي إلى فوضى لاحقًا.

طرق التأريض لأنابيب هوائيات الإرسال والتركيبات على الأسطح

يجب توصيل عمود الهوائي بشكل صحيح بأي نظام أرضي يخدم الكابل المحوري. عند التثبيت على الأسطح، من الأفضل دفع قضبان الأرضي النحاسية التي يبلغ طولها 8 أقدام داخل الأرض لمسافة لا تقل عن ستة أقدام تحت سطح الأرض بالقرب من موقع العمود. يمكن إنشاء توصيل جيد بين العمود والقضيب باستخدام مشبك برغي مزدوج مع سلك نحاسي بقياس 10 AWG. تصبح الأمور معقدة في حالة التضاريس الصخرية. في هذه الحالات، تعمل صفائح التأريض بشكل أفضل إذا تم تمديدها بشكل مسطح على عمق ثلاثين إنشًا تقريبًا تحت سطح الأرض. يساعد هذا في الحفاظ على مقاومة كهربائية منخفضة، يُفضل أن تكون أقل من 25 أوم وفقًا لمعايير المدونة الكهربائية الوطنية (القسم 250.52). الهدف هنا ليس فقط الامتثال، بل إنشاء مسار آمن لتيار البرق فعليًا.

حماية الكابل المحوري من زيادة الجهد وفتحات الاتصال على أجهزة حماية زيادة الجهد

يقوم مزودات الحماية من زيادة الجهد والمزودة بمنافذ محورية مخصصة (RG6/RG11) بإعادة توجيه التيارات الناتجة عن الصواعق إلى الأرض، بشرط أن تكون نظام التأريض مربوط بشكل صحيح. ابحث عن الأجهزة المصنفة لتحمل تيار زيادة يساوي أو يزيد عن 5 كيلو أمبير وتيار جهد انقطاع أقل من 500 فولت.

نوع المنفذ	جهد التثبيت	تصنيف التموج
RG6 (تلفزيون)	≥ 500 فولت	5kA
RG11 (شبكة)	≥ 400 فولت	10kA

وفقاً لتحليل صناعي حديث، فإن مزودات الحماية غير المؤرضة لا تستطيع تخفيف 92% من الفولتية العابرة التي تزيد عن 1 كيلو فولت. يجب دائماً التحقق من استمرارية الاتصال بين طرف التأريض في مزودة الحماية والقطب الأرضي الرئيسي باستخدام جهاز قياس متعدد.

القيود والمخاطر الناتجة عن التأريض غير الكافي أو الغائب

المخاطر الناتجة عن استخدام مزودات الحماية غير المؤرضة أثناء حدوث الصواعق

إذا لم تتم توصيل كابلات المحورية بالأرضي بشكل صحيح باستخدام تلك أدوات التوصيل بالأرضي الخاصة، فإنها تصبح مشكلة كبيرة عندما يضرب البرق. لا يدرك معظم الناس هذا، ولكن وفقًا لبيانات NEMA لعام 2023، فإن حوالي 60 بالمائة من طاقة البرق تتجاوز أجهزة حماية التيار الزائد تمامًا عندما تكون التوصيل بالأرضي مفقودة. ما الذي يحدث بعد ذلك؟ تتعرض الإلكترونيات المتصلة لارتفاعات هائلة في الجهد الكهربائي تصل أحيانًا إلى أكثر من 15000 فولت. كما لا تختفي الكهرباء المتبقية ببساطة. بل تذوب من خلال لوحات الراوتر ومكونات التلفزيون بسرعة مدهشة. وجدت الاختبارات الميدانية أنه في حوالي 8 من كل 10 حالات، تحدث هذه الأعطال من هذا النوع خلال ثلاث ملايين من الثانية فقط بعد حدوث التيار الزائد الأولي.

البيانات الصناعية حول فشل المعدات بسبب التوصيل بالأرضي غير الكافي

عند مراجعة أكثر من 12,000 حالة زيادة جهد كهربائي في دراسة نشرها معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) عام 2021، وجد الباحثون أن 7 من كل 10 حالات تلف للمعدات حدثت بسبب تقنيات تأريض غير صحيحة. اتضح أن المعدات التي استخدمت أسلاك تأريض بقياس 14 AWG صغيرة جداً كانت أكثر عرضة للفشل بنسبة تصل إلى 2.5 مرة بالمقارنة مع الأنظمة التي استخدمت أسلاك نحاسية بقياس 10 AWG الصحيح. كما تبين أن تكاليف إصلاح الأعطال في الأنظمة التي لا تحتوي على تأريض مناسب تصل إلى نحو 1,200 دولار في كل مرة، بينما لا تتجاوز تكاليف إصلاح الأنظمة المؤرضة بشكل صحيح 180 دولاراً في المتوسط. وهذا يُحدث فرقاً كبيراً عند مراجعة ميزانيات الصيانة على المدى الطويل.

هل يمكن لمضادات زيادة الجهد أن تعمل بدون تأريض؟ تفنيد المفهوم الخاطئ

مجموعة التأريض الجيدة ليست مجرد شيء إضافي، بل هي في الواقع واحدة من أهم مكونات أي نظام صحيح لحماية التيار المتردد من زيادة الجهد. توضح الاختبارات التي أجريت في المختبرات بشكل واضح ما يحدث عندما لا يتم استخدام التأريض. بدون تأريض، تصل حوالي 90 بالمئة من طاقة الصدمة الناتجة عن الصواعق إلى الأجهزة المتصلة، وهو أمر غير مرغوب فيه على الإطلاق. ولكن إذا تم الالتزام بمعايير NFPA 780 الخاصة بالتأريض، فإن هذه النسبة تنخفض إلى نحو 8 بالمئة. ودعنا نواجه الأمر، حتى تلك الأجهزة الفاخرة والمكلفة لحماية التيار المتردد تتحول عمليًا إلى مجرد شواحن عادية بمجرد فقدان الاتصال بأنظمة التأريض المناسبة. والأرقام تؤكد ذلك أيضًا، حيث تبدأ هذه النماذج المكلفة في التعطل بمعدلات تقارب تلك الخاصة بالمعدات غير المحمية تمامًا بعد تعرضها لجذبات كهربائية كبيرة فقط مرتين.

الأسئلة الشائعة

ما الذي يسبب الجذبات الكهربائية أثناء حدوث الصواعق؟

تحدث الانفجارات الكهربائية أثناء الأعاصير الرعدية بسبب الإفراج المفاجئ عن مليار فولت من الكهرباء، مما يخلق قفزات جهد تنتقل عبر المواد الموصلة مثل الكابلات المحورية.

كيف يساعد التأريض في الحماية من الانفجارات الناتجة عن الصواعق؟

يوفر التأريض مسارًا منخفض المقاومة للانفجارات الكهربائية، مما يعيد توجيه معظم الكهرباء الخطرة إلى الأرض ويقلل الضرر الذي يصيب المعدات الحساسة.

لماذا يكون التأريض السليم مهمًا بالنسبة لكابلات الإشارة المحورية؟

يمنع التأريض السليم انتقال الانفجارات الناتجة عن الصواعق عبر الكابلات المحورية إلى المعدات المتصلة، وبالتالي يجنب حدوث أضرار كبيرة.

ما هي المكونات الرئيسية لمجموعة تأريض الكابل المحوري؟

عادةً ما تتضمن مجموعة تأريض الكابل المحوري كتلة تأريض، وجهاز تثبيت، وموصلات لإنشاء مسار يسمح للانفجارات بالوصول إلى الأرض بأمان.

هل يمكن لمضادات الانفجارات الكهربائية أن تعمل دون تأريض؟

لا، فإن موزعات الحماية من زيادة الجهد تكون أقل فعالية بشكل ملحوظ عند عدم وجود تأريض، حيث أن التأريض ضروري لتحويل الجهد الزائد بشكل آمن بعيدًا عن الأجهزة المتصلة.