تنتقل الكهرباء للمستهلكين من محطات توليد الطاقة على طول الأبراج المعدنية الكبيرة، التي تحمل الخطوط الكهربائية ذات الجهد الفائق 380 ك.ف. وعندما تصل الكهرباء إلى الموقع المطلوب تزويده بالطاقة تكون ذات جهد كهربائي مرتفع جداً، لا يصلح استخدامه مباشرة في المباني السكنية؛ لذلك يتم استخدام محطات فرعية داخل المدن ومن ثم محولات خفض الجهد في الأحياء السكنية لتخفيض قيمة الجهد لقيم مناسبة للاستعمال في المنازل والمحلات التجارية. المهندس حاتم قانديه من جامعة الملك عبدالعزيز بجدة يقدِّم بحثاً ضافياً حول أهمية التصميم الأمثل للتمديدات الكهربائية داخل المباني، بهدف الاستفادة القصوى من الطاقة الكهربائية في توصيل التيار الكهربائي للأحمال المختلفة.

الأحمال الكهربائية في منازلنا
تتنوع الأحمال الكهربائية في المنازل من إضاءة، وتكييف، وأجهزة كهربائية، ومصاعد.

وتعتمد الخطوة الأولى في تصميم التمديدات الكهربائية في المنازل على تحديد المقدار القياسي للأحمال الكهربائية المختلفة لكل متر مربع مثل (ك.ف.أ/ م2، واط /م2، وحدة حرارية بريطانية /م2، لومن/م2) التي سيتم الحديث عنها لاحقاً مع توضيح الاختلافات البسيطة بينها، وهذا الأسلوب يعتمد على الخبرة السابقة في تصميم ودراسة الأحمال الكهربائية للمشاريع القائمة مع دمج التقنيات الحديثة وبرامج الحاسوب المتقدمة والمتخصصة لعمل الحسابات الفنية بناءً على القيم التقديرية المتنوعة للأحمال.

أحمال الإضاءة
تُعد المصابيح الكهربائية العنصر الرئيس لنظام الإضاءة وهنالك أنواع كثيرة جداً وأشكال مختلفة لهذه المصابيح، ويمكن حصر الأنواع الشائعة منها كالتالي:
• 
المصابيح المتوهجة (Incandescent lamps or bulbs): هي النوع الأكثر شيوعاً في الإضاءة، وتعمل عن طريق تسخين العنصر الكهربائي وتوهجه ليصبح مضيئاً، وميزة هذه المصابيح أنها غير مكلفة ومتاحة في مجموعة واسعة من الأشكال والأحجام. وتعد مصابيح الهالوجين أيضاً أحد أنواع المصابيح المتوهجة، ولكن يعيبها أنها الأقل كفاءة في استخدام الطاقة بين الأنواع الأخرى.
• 
مصابيح الفلوريسنت (Fluorescent lamps): هي أكثر كفاءةً في استخدام الطاقة من النوع السابق وتعمل عن طريق توهج الطلاء الفسفوري داخل الأنبوب الزجاجي، علماً بأن استخدام أنواع مختلفة من الفسفور يعطي الألوان المختلفة للضوء. وهذه المصابيح مثالية للأماكن التي تتطلب إضاءة لفترات طويلة مثل غرفة المعيشة والمطبخ. كما أنها تنتج حرارة أقل عكس نظيرتها السابقة مما يساعد على إبقاء المكان أكثر برودة في الصيف وتستخدم حوالي ربع الطاقة التي تستخدمها المصابيح المتوهجة عند نفس مستوى الإضاءة.

ولحساب الإضاءة لأي مكان، فهناك حاجة إلى ما يلي:
• مساحة المكان.
• متوسط أحمال الإضاءة محددة بوحدة واط/م2.
• 
متوسط أحمال الإضاءة محددة بوحدة لومن/م2 أو لوكس.
• جهد التوزيع الكهربائي.

ويتضح من الجدول أدناه أهم المرافق في المنشآت السكنية مع قدرة الإضاءة التي يحتاجها كل مكان محددة بالوحدة واط/م2.

ويتم حساب متوسط قدرة الإضاءة (واط) باستخدام قيمة الحمل الكهربائي القياسي (واط/م2) ومساحة المرفق بالمتر المربع، وذلك لإيجاد قيمة التيار الكهربائي (أمبير) التي تحتاجها أحمال الإضاءة عند جهد توزيع الكهرباء (فولت) المحدد في المبنى، الأمر الذي تسعى المملكة العربية السعودية إلى توحيده بالمناطق الجديدة والقائمة على مستوى المملكة ككل، وذلك على مدى 25 سنة اعتباراً من تاريخ نفاذ قرار مجلس الوزراء الصادر برقم 324 وتاريخ 20/9/1431هـ ليتوافق مع الجهد الدولي (230/400 فولت) والمعتمد من الهيئة الدولية الكهروتقنية (IEC) التي تتولى توحيد إصدار المواصفات القياسية لمعدات الكهرباء على مستوى العالم. وقد بُني هذا القرار على توصيات الدراسة التي موّلتها وزارة المياه والكهرباء ونفذتها جامعة الملك عبدالعزيز، التي خلصت إلى ضرورة تبديل الجهد الكهربائي بالمملكة ليتوافق مع جهد توزيع الكهرباء العالمي، بغية القضاء على سلبيات وخطورة ازدواجية الجهد في المباني (127 و220) فولتاً، وكذلك استيراد أجهزة كهربائية متوافقة مع الجهد الموحَّد للتوزيع حسب المواصفات القياسية، كما أن لذلك أثراً اقتصادياً بتقليل تكاليف التمديدات الكهربائية في المباني نظراً لانخفاض قيمة التيار الناتج من ارتفاع قيمة الجهد من 127 فولتاً إلى 230 فولتاً.

الآن وبعد الحصول على قيمة التيار الكهربائي اللازم لتغذية أحمال الإضاءة يمكننا وبكل سهولة الرجوع إلى الجداول الخاصة بالأسلاك الكهربائية الموجودة لدى المصنعين لاختيار التمديدات الملائمة والصحيحة عن طريق مقارنة قيمة التيار (أمبير) مع مساحة مقطع السلك (ملليمتر مربع) اللازمة لحمل التيار مع إضافة عامل السلامة (Safety Factor) على قيمة التيار لتجنب حصول أي أضرار أو حمولة زائدة على التمديدات. كما يمكن تحديد كمية الإنارة (لومن) اللازمة لإضاءة المرافق المختلفة بالمبنى باستخدام القيم الموضحة في جدول الإنارة القياسية أعلاه بوحدة اللوكس وفقاً لمساحة المرفق، مع العلم بأن اللوكس (lux) هي وحدة إضاءة تعادل لومن واحد فى المتر المربع:
لومن = لوكس × مساحة المرفق (م2)

أحمال التكييف
تتكون المكيفات الهوائية من المحركات التي تشغل الضواغط والمضخات والمكثفات والمبخرات والمراوح. وتمثل الضواغط (Compressor) ما بين 55 و%70 من أحمال التكييف والنسبة المتبقية تمثل المضخات والمراوح والمعدات المساعدة. ويشار في القيم القياسية لأنظمة التكييف بأن كل طن من التبريد يحتاج إلى 1850 فولتاً.أمبير تقريباً، ويمكن اعتبار طن من التبريد يساوي 12000 وحدة حرارية بريطانية (BTU).

وتقدّر أحمال التكييف باستخدام المعايير القياسية ومقدرة بالوحدات الحرارية البريطانية لكل متر مربع وتتراوح ما بين 184 و215 وحدة حرارية بريطانية/م2 ومتوسط بقيمة 200 وحدة حرارية بريطانية/م2، وهذه القيمة يمكن استخدامها وفقاً لمساحة المرفق لإيجاد الكمية المناسبة للتكييف من الوحدات الحرارية البريطانية، كما يمكن تحويل هذه القيمة إلى القدرة الظاهرية بوحدة الفولت أمبير لتحديد قيمة التيار المطلوبة لتغذية أحمال التكييف عند الجهد الكهربائي المحدد في المبنى من خلال استخدام المعادلة التالية:
(1850 × بريطانية حرارية وحدة)
القدرة الظاهرية =
12000

أحمال الأجهزة الكهربائية
تشمل الأجهزة الكهربائية جميع الأحمال التي يتم تغذيتها من خلال المقابس الكهربائية، ويتم افتراض تيار المقابس في الحسابات غير المقننة بقيمة 1.5 أمبير لكل مقبس مع توصيل كابلات بمساحات مقطعية 4 مم2 أو 6 مم2، وتُعد هذه الطريقة مريحة جداً لكنها غير اقتصادية لذلك فإن الطريقة الأمثل لتحديد المساحات المقطعية الملائمة والاقتصادية تعتمد على الطاقة القصوى لأحمال الأجهزة بكل مرفق (والمشار إليها في الجدول أدناه)، مع الاعتماد على قيمة جهد التوزيع في المنزل لحساب قيمة التيار اللازمة لتشغيل الأجهزة، ولكن يجب ألا ننسى أن القيم المشار إليها في هذا الجدول قيم تقديرية لأكثر الأجهزة شيوعاً في الاستخدام وقد تختلف أحمالها القياسية من مُصنّع لآخر.

أحمال المصاعد
يمكن حصر أهم المواصفات الرئيسية للمصاعد والتي يجب الاهتمام بها عند التصميم كالتالي:
1 – قدرة التحميل (عدد الأفراد) بوحدة كجم.
2 – سرعة الانتقال بوحدة متر/ ثانية.
3 – استهلاك الطاقة ( واط) أو التيار الكهربائي (أمبير).

ويوضح الجدول أعلاه أمثلة لبعض أنواع المصاعد المختلفة القياسية التي يمكن استخدامها في المنشآت السكنية. ويتضح لنا من خلال جدول الأحمال القياسية للمصاعد أن قيمة التيار اللازمة للتشغيل تختلف مع اختلاف سعة المصعد وسرعته.

التيار الإجمالي في المبنى وتحديد المساحات المقطعية للكابلات
للحصول على المساحات المقطعية للكابلات والتمديدات الداخلية في المباني السكنية فإنه يجب جمع قيم التيارات للأحمال المختلفة (الإضاءة، التكييف، الأجهزة الكهربائية، المصاعد) التي تم حسابها كلاً على حدة وذلك لإيجاد قيمة التيار الإجمالي. ويمكن استخدام الموصلات الكهربائية المصنوعة من النحاس أو الألمونيوم في التمديدات الكهربائية في المباني، مع العلم بأن النحاس يمتاز بموصلية كهربائية عالية إلا أن الألمونيوم أقل من النحاس في الثمن. وتبلغ موصلية الألمونيوم حوالي 0.6 من موصلية النحاس لذلك يجب استخدام مساحة مقطعية أكبر من كابلات الألمونيوم تقدر بحوالي 1.6 مرة من المساحة المقطعية للكابلات النحاسية وذلك لحمل نفس قيمة التيار، كما أن الكابلات النحاسية أكثر شيوعاً في الاستخدام للتمديدات الداخلية بالمباني لطول عمرها وقوة تحملها أكثر من كابلات الألمونيوم. ويعرف معدل التيار في الكابلات الكهربائية بالشدة القصوى للتيار والتي يمكن أن تتدفق باستمرار في الكيبل تحت ظروف التحميل الدائمة دون حدوث أي تلف للكيبل أو اختلاف لخصائصه الكهربائية.

يتم استخدام الكابلات النحاسية ذات الموصل الواحد والمعزولة بمادة PVC في التمديدات الداخلية، حيث يمكن تمديدها وطيها نظراً لمرونتها داخل أنابيب خاصة تحت الجدران، وهناك عديد من الألوان لهذه الكابلات كالأحمر والأصفر والأزرق والأسود واللونين الأخضر والأصفر سوياً ويستخدم لغرض التأريض، كما أن هذه الكابلات تتبع المواصفات الكهربائية الصادرة من الهيئة الدولية الكهروتقنية IEC 60227. (يوضح الجدول إلى اليمين بعض الكابلات القياسية المستخدمة في المباني السكنية مع توضيح معدل التيار والمساحة المقطعية).

تستخدم الكابلات النحاسية متعددة الأطوار المعزولة بمادة من البولي إيثيلين XLPE والتي تغطيها طبقة من مادة PVC. ونجد أن هذه الكابلات توصف على سبيل المثال بالتعبير (316+10) والذي يعني أن مساحة مقطع كل موصل من الأطوار الثلاثة هي16 مم2 ومساحة الموصل المحايد هي 10 مم2.

القواطع الكهربائية …
والاستخدام الآمن للكهرباء
يجب أن يتم تزويد جميع الدوائر والتمديدات الكهربائية في المنشآت بوسائل للحماية من زيادة التيار التي قد تحدث بسبب الأعطال الكهربائية أو زيادة الأحمال، وعادة ما يتم استخدام القواطع الكهربائية (MCB) لتأدية ذلك الغرض. ويتم تجميع قواطع الدوائر الكهربائية معاً في موقع مركزي واحد داخل لوحات معدنية Panel Board تسمى بلوحات التوزيع. وتعتمد سعات القواطع الكهربائية الفرعية والرئيسة الواقية من التيار الزائد على متطلبات التصميم والأحمال الكهربائية وتقاس سعتها بوحدة الأمبير.

وتعمل القواطع كجزء من المعدات الرئيسة في الشبكات الكهربائية حيث يتم استخدامها لقطع الدائرة الكهربائية في ظروف التشغيل الطبيعية، ولتوفير الحماية في الحالات غير الطبيعية في أثناء وجود خلل في الدوائر الكهربائية أو تماس كهربائي.

وينبغي أن تتوافر في جميع القواطع الكهربائية المزايا التالية:
• 
يجب أن تتحمل قواطع الدوائر الكهربائية إجمالي تيار الحمل الكهربائي لفترة تشغيل طويلة.
• 
يجب أن تكون قواطع التيار قادرة على فصل الأحمال تلقائياً عند التحميل الزائد.
• 
يجب أن تكون الفجوة داخل قاطع الدائرة قادرة على تحمل جهد الدائرة الكهربائية عند توصيل الأحمال.
• 
يجب أن تتمكن القواطع من فصل تيار الحمل الزائد بسرعة.
• 
ينبغي أن تتحمل قواطع التيار القوة الكهرومغناطيسية والحرارية التي تنتج في أثناء حدوث الأعطال والتماسات كهربائية، لا قدر الله.