بحث حول الصواعق

سلام الله عليكم

اليوم جبتلكم بحث حول الصواعق لكل تلاميذ المتوسط

الصواعق الكهربائية وطرق الحماية منها

تنشأ الصواعق نتيجة لتكوّن الشحنات الكهربائية الساكنة واستقطابها في الغيوم الرعدية. وتتكون الغيوم الرعدية إما نتيجة ازدياد درجة حرارة الهواء الملامس لسطح الأرض وتحركه للأعلى ومن ثم تحرك هواء بارد رطب من طبقات الجو العليا إلى الأسفل، وإما بسبب تصادم كتلة هوائية باردة محملة بالرطوبة مع كتلة هوائية ساخنة. وإذا كانت آلية تكون الغيوم معروفة اليوم جيداً فإن كيفية تكون الشحنات في الغيوم الرعدية واستقطابها ما زالت غير مؤكدة نهائياً، ومع ذلك فإن أكثر النظريات تؤكد أن الطبقات العليا من الغيوم الحاوية بلورات مائية متجمدة تكتسب الشحنات الموجبة في حين تكتسب الطبقات السفلى الحاوية قطرات مائية سائلة الشحنات السالبة. وهنا يكتسب سطح الأرض الأقرب للطبقات السفلى من الغيوم شحنات موجبة، مما يكوّن فرق كمون كبير بين الغيوم وسطح الأرض لأن الغيوم الرعدية منخفضة وقريبة من سطح الأرض. ومع استمرار ونمو الغيوم الرعدية يزداد فرق الكمون بينها وبين الأرض إلى أن يصل هذا الفرق إلى قيمة يحدث عندها انفراغ الشحنات إلى الأرض، أي حدوث الصاعقة الرعدية. ويمكن أن تكون الغيوم المتجاورة أيضاً مشحونة بشحنات كهربائية مختلفة مما يسبب حدوث انفراغات للشحنات فيما بينها، أي حدوث الصواعق ضمن الغيوم وعدم وصولها إلى الأرض. ولحسن الحظ فإن النسبة الكبرى من الصواعق تحدث ما بين الغيوم ولا تؤدي إلى خطورة مباشرة تذكر، في حين لا تتعدى نسبة الصواعق الخطرة التي تصل إلى الأرض 10-15% من مجموع الصواعق الجوية. ومع أن هذه النسبة تبدو صغيرة إلا أن الصواعق المذكورة تسبب في حال إصابتها المباشرة للأبنية والمنشآت والأشخاص وغير ذلك، أضراراً جسيمة تترافق غالباً بحدوث الحرائق بسبب التيارات العالية التي تسري في مكان حدوث الصاعقة والتي يمكن أن تصل إلى عشرات كيلو أمبير. كما يمكن أن تسبب الصواعق الجوية تأثيرات سلبية غير مباشرة خاصة على التجهيزات الكهربائية والإلكترونية من تسببها بزيادات في التوترات الداخلية على هذه الأجهزة يمكن أن تسبب أضراراً جسيمة أو تلفاً لهذه التجهيزات. وتجدر الإشارة إلى أن حدوث الصواعق يتفاوت جغرافياً من منطقة إلى أخرى، لذلك يتم عادة وضع خرائط جغرافية يبين عليها توزع الصواعق الجوية ونسب حدوثها. مثال ذلك تبلغ أعلى نسبة للصواعق في سورية 36.8 يوماً/السنة في مدينة اللاذقية، وتصل في حمص إلى 25 يوماً/السنة، في حين لا تتعدى في دمشق يومين/السنة. لذلك تقسم المناطق جغرافياً إلى مناطق شديدة الخطورة ومناطق قليلة الخطورة من ناحية الإصابة بالصواعق الجوية.

بناءً على ما تقدم، تقتضي القواعد والمعايير الفنية اتخاذ الإجراءات اللازمة للحماية من الأخطار المحتملة للصواعق وذلك وفقاً للمنطقة الجغرافية ومجموعة أخرى من العوامل. ففي الجمهورية العربية السورية تنظم هذه الحماية بناءً على توصيات هيئة المواصفات والمقاييس السورية بحسب ما ورد في المواصفة السورية رقم 1329، كما يمكن اعتماد أحد النظم العالمية للحماية من الصواعق كنظام IEC 61024-1-2 أو النظام البريطانيBSCP 326:1496 أو النظام الألماني VDE 0675.

العوامل المحددة لمدى الحاجة إلى الحماية من الصواعق؟

تتحدد الحاجة إلى الحماية من الصواعق بمجموعة من العوامل التي يتوجب أخذها في الحسبان عند تصميم نظم الحماية. وتشمل هذه العوامل الآتي:

ـ عامل المنطقة الجغرافية للمنشأة المراد حمايتها ومدى تكرار الصواعق فيها. ويمكن أن يقاس العامل الجغرافي Ng بعدد الأيام التي تحدث فيها الصواعق في أثناء العام الواحد أو بعدد الصواعق التي تصيب الكيلو متر المربع الواحد من المنطقة المدروسة في العام.

- المساحة المكافئة للمنشأة Ac، وتتعلق بطول المنشأة L وعرضها W وارتفاعها H بالعلاقة الآتية:

Ac=LW+2LH+πH2

- الوظيفة المحددة للمنشأة A: يمكن أن تستخدم المنشأة كمكتب أو كمعمل أو كمشفى وغير ذلك، ويأخذ هذا العامل قيمة موافقة لكل وظيفة بحسب أهميتها.

- النمط الإنشائي للمبنى B: يمكن أن يكون مبنياً من الطوب أو البيتون المسلح أو الإنشاءات المعدنية وغير ذلك.

- المحتويات الموجودة في المبنى C: يمكن أن تكون مواد ثمينة كالتجهيزات الإلكترونية الدقيقة والمعدات الهامة أو أن تكون موجودات ليست بذات قيمة كبيرة.

- موقع البناء D: يمكن أن يقع في مدينة كبيرة وسط مبان عالية أو في منطقة ريفية أو حراجية أو منطقة هضبية منعزلة وغيرها.

- الطبيعة الطبوغرافية للمكان: يمكن أن تكون المنطقة سهلية أو جبلية وغير ذلك.

تؤخذ قيم العوامل المذكورة آنفاً من جداول خاصة، ثم يؤخذ جداء جميع المقادير آنفة الذكر فيتم الحصول على القيمة النهائية لاحتمال أو درجة خطورة إصابة المنشأة بالصواعق. وإذا كانت هذه القيمة أقل من 10-5، أي أقل من واحد من مئة ألف تكون الحماية من الصواعق غير ضرورية، وإذا كانت درجة الخطورة أكبر من 10-5 تكون الحماية ضرورية. وبالطبع كلما كانت درجة الخطورة أعلى يتوجب زيادة المتطلبات الواجب توافرها في شبكة الحماية اللازمة للمنشأة.

القواعد الأساسية المتبعة في تصميم نظام الحماية من الصواعق؟

يعد قفص فاراداي النظام الأكثر فعالية للحماية من الصواعق، لذلك تنص النظم العالمية على ضرورة استخدامه في معظم الحالات. يتصف هذا النظام ببساطة التكوين وسهولة الاستثمار والصيانة والموثوقية العالية. ويكوّن هذا النظام ما يشبه القفص المعدني المغلف للبناء المراد حمايته، إذ يتكون من مجموعة من النواقل النحاسية أو نواقل الألمنيوم الممدودة أفقياً على سطح البناء المراد حمايته تتصل مع مجموعة من النواقل المماثلة الممدودة شاقولياً على الجدران، حيث تنتهي النواقل الشاقولية إلى التربة ليتم ربطها مع نظام التأريض المطمور فيها. يتم مد النواقل الأفقية على شكل خلايا مربعة أو مستطيلة، بحيث لا يزيد طول الضلع في هذه الخلايا على 10-15 متراً، كما تتباعد النوازل الشاقولية عن بعضها بالمقدار نفسه أو أكثر بقليل. ويتم ربط النواقل مع بعضها في نقاط التقاطع والالتقاء بوساطة اللحام أو التبشيم أو الشد بعناصر التثبيت بحيث يتم الحصول على تماس كهربائي جيد بين هذه النواقل. ويمكن أن تكون النواقل الأفقية والشاقولية دائرية المقطع أو مبسطة على ألا يقل سطح مقطعها عن50-70 مم 2 وذلك تبعاً لمعدن هذه النواقل. كما يجب أن تكون هذه النواقل محمية ضد العوامل الجوية عن طريق الغلفنة منعاً للتآكل والأكسدة. ومن أجل زيادة فعالية النظام تزود شبكة الحماية في بعض النقاط المرتفعة بعدد من اللواقط الأبرية المكونة من أبر معدنية من الحديد غير القابل للصدأ بطول نصف متر، وقطر واحد سنتمتر، تكون نهايتها مدببة.

من أجل ضمان الأداء الجيد لنظام الحماية من الصواعق يتوجب تحقيق القيمة المطلوبة لمقاومة شبكة التأريض، التي يجب ألا تزيد بحسب القواعد الفنية على 10 أوم. يتم تحقيق هذا الشرط عن طريق إنشاء شبكة تأريض مطمورة في التربة المحاذية للمنشأة المدروسة لتربط معها شبكة النوازل الشاقولية. تتكون شبكة التأريض من مجموعة من الأوتاد أو الصفائح المغروزة شاقولياً في التربة تربط غالباً مع بعضها بوساطة نواقل أفقية دائرية المقطع أو مبسطة. وغالباً ما تكون شبكة التأريض حلقة مغلقة تحيط بالمنشأة المراد حمايتها. تكون الأوتاد عادة من النحاس أو الحديد غير القابل للصدأ وبقطر لا يقل عن 1سم وطول من 2 حتى 3متر. أما النواقل الأفقية فتكون بمقطع لا يقل عن 70-95مم 2 تبعاً لنوع المعدن وتطمر ضمن خنادق على عمق لا يقل عن 50سم داخل التربة. ويجب أن يكون الربط بين الأوتاد والنواقل الأفقية وثيقاً، بحيث تكون مقاومة التماس أدنى ما يمكن. وتكون الأوتاد والنواقل الأفقية معالجة ضد التآكل والصدأ لتتحمل تأثير التربة. ويتم لحظ عدد من حفر التفتيش لإجراء عمليات الكشف الدورية على الشبكة الأرضية، كما تركب نقاط قياس ما بين النوازل الشاقولية وشبكة التأريض على ارتفاع نحو مترين عن مستوى سطح الأرض، حيث تستخدم هذه النقاط لفحص وقياس مقاومة التأريض.

إضافة لإمكانية الإصابة المباشرة بالصواعق هناك آثار سلبية غير مباشرة تتمثل بتحريض توترات كبيرة عند حدوث الصاعقة في التجهيزات الكهربائية والإلكترونية خاصة يمكن أن تؤدي إلى تلفها. لذلك يتوجب إضافة لإجراءات الحماية من الإصابة المباشرة بالصواعق المتمثلة باستخدام قفص فاراداي أن تتخذ إجراءات للحماية من التأثيرات غير المباشرة للصواعق. وتنصب إجراءات الحماية هذه على تجنب تأثير زيادات التوتر المرافقة للصواعق على التجهيزات التي تتأثر بذلك. ويتم ذلك عن طريق ربط الهياكل المعدنية للتجهيزات المختلفة بشبكة التأريض أو تركيب مفرغات التوتر في أماكن محددة من الشبكة الكهربائية المغذية للتجهيزات، بحيث تؤمن هذه المفرغات تفريغ شحنات التوتر الزائدة المرافقة للصواعق إلى الأرض عند تجاوزها حداً معينا.


1- الإبرة اللاقطة 2- قاعدة تثبيت الإبرة 3- مربط تثبيت 4و5- ناقل أفقي مبسط من النحاس أو الألمنيوم 6- نازل شاقولي من النحاس أو الألمنيوم
7- ناقل أفقي ذو مقطع دائري 8- نوازل مبسطة معزولة 9- مثبتات للنواقل المبسطة 10- مثبتات للنواقل الدائرية 11- وصلات لربط النواقل المبسطة
12- وصلات لربط النواقل الدائرية المصمتة 13- وصلات ثنائية المعدنت 14و15- نقطة فحص وقياس للنواقل الدائرية المبسطة 16- وتد تأريض
17و18- وصلات ربط بين النوازل المبسطة أو الدائرية وأوتاد التأريض 19- حفرة تفتيش أرضية 20- صفيحة أو حصيرة تأريض 21- وتد تأريض
22- وصلة لوتد تأريض 23- نقاط فصل لقضبان التأريض 24و25- ربطة مجدولة مرنة 26- نقطة تأريض
27- وصلات ربط بين نواقل التأريض الأفقية وأوتاد أو صفائح التأريض 28- حفرة تفتيش لوتد التأرض
المخطط التمثيلي لنظام الحماية من الصواعق باستخدم قفص فاراداي

مفهوم المقاومة النوعية للتربة وتأثيرها على مقاومة التأريض؟

إن العامل الرئيسي المحدد لمقاومة التأريض هو المقاومة النوعية للتربة، التي تتمثل بقيمة المقاومة الكهربائية لواحدة الطول من التربة التي تطمر فيها شبكة التأريض. وتتفاوت قيمة هذه المقاومة من تربة لأخرى، فهي لا تتجاوز بضعة عشرات أوم/متر في الترب المستنقعية أو الزراعية، بينما تتجاوز ألف أوم/متر في الترب الصخرية، كما أن قيمة هذه المقاومة متغيرة وتتبع نسبة الرطوبة، حيث تكون أدنى ما يمكن شتاء عندما تكون التربة مروية، وتصل إلى قيمتها القصوى في نهاية فصل الصيف عندما تكون جافة. وعند تصميم نظام الحماية تؤخذ المقاومة النوعية للتربة بقيمتها القصوى لأن الصواعق الأولى غالباً ما تحدث في بداية فصل الخريف عندما تكون التربة جافة تماماً. إن المقاومة النوعية للتربة تحدد في النهاية حجم شبكة التأريض، أي عدد أوتاد التأريض وكمية النواقل اللازمة. فكلما كانت هذه المقاومة صغيرة ينخفض حجم شبكة التأريض وكلفتها.

الكشوف والفحوص الدورية اللازمة لنظام الحماية من الصواعق؟

من أجل ضمان فعالية واستمرارية عمل نظام الحماية من الصواعق يتوجب القيام دورياً بأعمال الكشف والفحص والصيانة لعناصر النظام بما يحتويه من نواقل علوية ونوازل شاقولية وأوتاد ونواقل تأريض مطمورة في التربة. وتتضمن هذه الأعمال الكشف العيني على مكونات النظام والتأكد من سلامة عناصره ومتانة ارتباطها مع بعض. كما يتوجب مراقبة مقاومة التأريض وقياسها دورياً للتأكد من كفاءة النظام. وعند اكتشاف تجاوز مقاومة التأريض الحدود المسموحة يتوجب اتخاذ الإجراءات اللازمة لإعادة النظام إلى الحالة الفنية الصحيحة عن طريق ترميم شبكة التأريض واستبدال عناصرها التالفة.