ما هو جهاز الحماية من الاندفاع (SPD)؟

تُستخدم أجهزة الحماية من الاندفاع (SPD) لحماية التركيبات الكهربائية، والتي تتكون من وحدة المستهلك والأسلاك والملحقات، من اندفاعات الطاقة الكهربائية المعروفة باسم الفولتية الزائدة العابرة.

كما أنها تُستخدم لحماية المعدات الإلكترونية الحساسة المتصلة بالتركيبات، مثل أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون والغسالات ودوائر السلامة، مثل أنظمة الكشف عن الحرائق والإضاءة في حالات الطوارئ. يمكن أن تكون المعدات ذات الدوائر الإلكترونية الحساسة عرضة للتلف بسبب الفولتية الزائدة العابرة. يمكن أن تؤدي تأثيرات الاندفاع إلى فشل فوري أو تلف المعدات يظهر فقط على مدى فترة زمنية أطول. عادة ما يتم تركيب أجهزة SPD داخل وحدة المستهلك لحماية التركيبات الكهربائية.

متى يتم إنتاج زيادة مفاجئة في التيار أو الجهد في الدائرة الكهربائية أو دائرة الاتصالات نتيجة لتداخل خارجي، قد تقوم أجهزة الحماية من الاندفاع بالتوصيل والتحويل في فترة زمنية قصيرة جدًا، مما يمنع الاندفاع من إتلاف الأجهزة الأخرى في الدائرة.

أجهزة الحماية من الاندفاع (SPDs) هي طريقة فعالة من حيث التكلفة لمنع الأعطال وتعزيز موثوقية النظام.

عادة ما يتم تركيبها في لوحات التوزيع وتلعب دورًا مهمًا في ضمان التشغيل السلس والمتواصل للأجهزة الإلكترونية في مجموعة واسعة من التطبيقات عن طريق الحد من الفولتية الزائدة العابرة.

أنواع أجهزة SPD

يرتبط تصنيف نوع SPD بالاختبارات التي يجب أن يكون الجهاز قادرًا على الوفاء بها. يجب أن تتوافق متطلبات الاختبار لأجهزة SPD لأنظمة الطاقة مع EN 61643-11:2012+A11:2018 أجهزة الحماية من الاندفاع ذات الجهد المنخفض. أجهزة الحماية من الاندفاع المتصلة بأنظمة توزيع الطاقة ذات الجهد المنخفض. المتطلبات وطرق الاختبار.

هناك ثلاثة أنواع من الاختبارات. تشير المقدمة إلى EN 61643-11:2012+A11:2018 إلى أن اختبار الفئة الأولى يهدف إلى محاكاة نبضات تيار الصواعق الجزئية الموصلة، بينما تتضمن اختبارات الفئة الثانية والفئة الثالثة نبضات ذات مدة أقصر.

يتم إجراء اختبارات الفئة الأولى باستخدام نبضة تيار 10/350 µs (البند E.5 من EN 623051:2011). يمثل هذا نبضة صواعق قياسية.

بالنسبة للفئة الثانية، يتم إجراء الاختبارات باستخدام نبضة الجهد الاسمي للتفريغ In 8/20 µs.

بالنسبة للفئة الثالثة، يتم إجراء الاختبارات باستخدام مولد موجة تركيبة جهد 1.2/50 µs وتيار 8/20 µs.

قد يتم تصنيف SPD وفقًا لأكثر من فئة اختبار واحدة. في هذه الحالة، يجب تطبيق الاختبارات المطلوبة لجميع فئات الاختبار المعلنة على الجهاز.

أجهزة SPD من النوع 1

تم تصميم أجهزة SPD من النوع 1، التي تفي باختبار الفئة الأولى، لتحويل تيارات الاندفاع العالية المرتبطة بضربات الصواعق المباشرة إلى الأرض بأمان والحد من الفولتية الزائدة العابرة لمنع تلف أسلاك التركيبات والمعدات المتصلة. كما أنها تحمي من المخاطر التي تهدد حياة الإنسان.

عندما تكون هناك حاجة إلى الحماية من تيارات الاندفاع العالية المرتبطة بضربات الصواعق المباشرة، على سبيل المثال عندما يكون للمبنى نظام حماية من الصواعق الهيكلية (LPS) أو خط علوي معرض لخطر الضربة المباشرة، يجب تركيب أجهزة SPD للطاقة من النوع 1 في أقرب وقت ممكن في كل منشأ أو نقطة دخول لخدمة كهربائية في التركيبات الكهربائية.

أجهزة SPD من النوع 2

أجهزة SPD من النوع 2، التي تفي باختبار الفئة الثانية، عند تحديد موقعها في منشأ التركيبات الكهربائية، تعالج خطر الفولتية الزائدة الناشئة عن ضربة صاعقة غير مباشرة، مما يحد من الفولتية الزائدة العابرة إلى مستويات آمنة للمعدات المتصلة. هذا الترتيب مناسب للتركيبات في المواقع التي من غير المحتمل فيها حدوث ضربات صواعق مباشرة، مثل المناطق الحضرية المزدحمة.

عندما لا يحتوي التركيب على نظام LPS مثبت ولا يتطلب حماية من تأثيرات الصواعق المباشرة، يجب تركيب جهاز SPD من النوع 2 في أقرب وقت ممكن إلى منشأ (مناشئ) التركيبات الكهربائية.

في التركيبات الصناعية، يمكن تركيب أجهزة SPD من النوع 2 في لوحات التوزيع الفرعية أو بالقرب من المعدات المراد حمايتها، أسفل أجهزة SPD من النوع 1 و/أو النوع 2 المثبتة في منشأ التركيبات.

أجهزة SPD من النوع 3

قد تستفيد المعدات الحساسة داخل التركيبات من الحماية التي يوفرها جهاز SPD من النوع 3 بالإضافة إلى تلك التي توفرها أجهزة SPD من النوع 1 و/أو النوع 2.

تجدر الإشارة إلى أنه يجب تثبيت أجهزة SPD من النوع 3 فقط في التركيبات التي توجد فيها أجهزة SPD من النوع 1 و/أو 2 في اتجاه المنبع من موقعها المقصود.

يمكن تركيبها داخل لوحات التوزيع الفرعية (عادة أجهزة SPD من النوع 2+3)، بالقرب من أو داخل عناصر المعدات التي تعتبر عرضة للتلف بسبب الفولتية الزائدة، أو في مقابس ثابتة أو أسلاك توصيل مقابس متحركة.

قد تحمي أجهزة SPD من النوع 3 أيضًا المعدات من انتقالات التبديل التي تنشأ من داخل المبنى.

أجهزة SPD المجمعة (مثل النوع 1+2، النوع 1+2+3، النوع 2+3)

قد يتم تصنيف SPD وفقًا لأكثر من فئة اختبار واحدة (على سبيل المثال، اختبار الفئة الأولى (Tl) واختبار الفئة الثانية (T2)). في هذه الحالة، يجب إجراء الاختبارات المطلوبة لجميع فئات الاختبار المعلنة.

يتم تركيب أجهزة SPD من النوع 1+2 بالقرب من موضع السحب، مثل لوحة التوزيع الأولى، في المباني المعرضة لخطر ضربة صاعقة مباشرة والتي تحتوي على نظام حماية من الصواعق و/أو يتم تغذيتها بواسطة خط علوي.

ما هي الفولتية الزائدة العابرة؟

يتم تعريف الفولتية الزائدة العابرة على أنها اندفاعات كهرباء قصيرة المدة تحدث بسبب الإطلاق المفاجئ للطاقة المخزنة مسبقًا أو المستحثة بوسائل أخرى. يمكن أن تكون الفولتية الزائدة العابرة طبيعية أو من صنع الإنسان.

في أنظمة التوزيع الكهربائي، تحدث الفولتية العابرة بسبب زيادة مفاجئة في سعة الجهد أو التيار في الدائرة. تُعرف أيضًا باسم الارتفاعات أو اندفاعات الجهد.

يمكن أن تكون تقلبات الجهد هذه ناتجة عن ضربات الصواعق أو عمليات التبديل أو تشغيل المحركات الكبيرة بسبب تيار بدء الاندفاع العالي أو معدات أخرى.

عابر بضربة صاعقة: أحد الأنواع الشائعة هو عابر الصواعق، والذي يحدث عندما تضرب الصواعق خطوطًا أو معدات كهربائية قريبة. يمكن أن يتسبب هذا في ارتفاع مفاجئ في الجهد، مما قد يؤدي إلى تلف المعدات وانقطاع التيار الكهربائي.

عابر عن طريق عملية التبديل: نوع آخر من الجهد العابر يسمى عابر التبديل، والذي يحدث عند تشغيل أو إيقاف تشغيل حمل كهربائي كبير. يمكن أن يتسبب هذا في ارتفاع مفاجئ في الجهد، مما قد يؤدي إلى تلف المعدات القريبة.

لذلك، يلزم وجود معدات حماية من الاندفاع في الأنظمة الكهربائية لتقليل تأثيرات الجهد العابر، فهي تعيد توجيه الجهد الزائد بعيدًا عن النظام المتصل.

لماذا نحتاج إلى أجهزة الحماية من الاندفاع؟

تعتبر أجهزة الحماية من الاندفاع (SPDs) ضرورية في حماية المعدات الإلكترونية من الآثار الضارة للفولتية الزائدة العابرة التي يمكن أن تسبب التلف وتعطيل النظام وفقدان البيانات.

في كثير من الحالات، يمكن أن تكون تكلفة استبدال المعدات أو إصلاحها كبيرة، خاصة في التطبيقات الهامة مثل المستشفيات ومراكز البيانات والمصانع الصناعية.

لم يتم تصميم قواطع الدائرة والصمامات للتعامل مع أحداث الطاقة العالية هذه، مما يجعل الحماية الإضافية من الاندفاع ضرورية.

بينما تم تصميم أجهزة SPD خصيصًا لتحويل الفولتية الزائدة العابرة بعيدًا عن المعدات، مما يحميها من التلف وإطالة عمرها الافتراضي.

في الختام، تعتبر أجهزة SPD ضرورية في البيئة التكنولوجية الحديثة.

كيف يعمل جهاز الحماية من الاندفاع؟

المبدأ الأساسي وراء أجهزة SPD هو أنها توفر مسارًا منخفض المعاوقة إلى الأرض للجهد الزائد. عندما تحدث ارتفاعات أو اندفاعات في الجهد، تعمل أجهزة SPD عن طريق تحويل الجهد والتيار الزائد إلى الأرض.

بهذه الطريقة، يتم تخفيض مقدار الجهد الوارد إلى مستوى آمن لا يتلف الجهاز المرفق.

لكي تعمل، يجب أن يحتوي جهاز الحماية من الاندفاع على مكون واحد على الأقل غير خطي (مقاوم متغير أو فجوة شرارة)، والذي ينتقل في ظل ظروف مختلفة بين حالة المعاوقة العالية والمنخفضة.

تتمثل وظيفتها في تحويل تيار التفريغ أو النبضة والحد من الفولتية الزائدة في المعدات الموجودة في اتجاه مجرى النهر.

تعمل أجهزة الحماية من الاندفاع في الحالات الثلاث المذكورة أدناه.

أ. الحالة الطبيعية (غياب الاندفاع)

في حالة عدم وجود اندفاع، ليس لجهاز SPD أي تأثير على النظام ويعمل كدائرة مفتوحة، ويظل في حالة معاوقة عالية.

ب. أثناء اندفاعات الجهد

في حالة ارتفاعات الجهد والاندفاعات، ينتقل SPD إلى حالة التوصيل وتنخفض معاوقته. بهذه الطريقة، سيحمي النظام عن طريق تحويل تيار النبضة إلى الأرض.

ج. العودة إلى التشغيل العادي

بعد تفريغ الفولتية الزائدة، يتحول SPD مرة أخرى إلى حالة المعاوقة العالية الطبيعية.

كيف تختار جهاز الحماية من الاندفاع المثالي؟

تعتبر أجهزة الحماية من الاندفاع (SPDs) مكونات أساسية للشبكات الكهربائية. ومع ذلك، قد يكون اختيار جهاز SPD مناسب لنظامك مشكلة صعبة.

أقصى جهد تشغيل مستمر (UC):

يجب أن يكون الجهد المقنن لـ SPD متوافقًا مع جهد النظام الكهربائي لتوفير الحماية المناسبة للنظام. سيؤدي تصنيف الجهد المنخفض إلى إتلاف الجهاز ولن يؤدي التصنيف الأعلى إلى تحويل العابر بشكل صحيح.

وقت الاستجابة:

يوصف بأنه الوقت الذي يتفاعل فيه SPD مع العابرات. كلما استجاب SPD بشكل أسرع، كانت الحماية أفضل بواسطة SPD. عادةً، تحتوي أجهزة SPD المستندة إلى صمام زينر على أسرع استجابة. تتمتع الأنواع المملوءة بالغاز بوقت استجابة بطيء نسبيًا ولدى الصمامات وأنواع MOV أبطأ وقت استجابة.

تيار التفريغ الاسمي (In):

يجب اختبار SPD عند موجة 8/20μs والقيمة النموذجية لـ SPD السكنية صغيرة الحجم هي 20 كيلو أمبير.

أقصى تيار تفريغ نبضي (Iimp):

يجب أن يكون الجهاز قادرًا على التعامل مع أقصى تيار اندفاع متوقع في شبكة التوزيع لضمان عدم تعطله أثناء حدث عابر ويجب اختبار الجهاز باستخدام موجة 10/350μs.

جهد التثبيت:

هذا هو جهد العتبة وفوق مستوى الجهد هذا، يبدأ SPD في تثبيت أي جهد عابر يكتشفه في خط الطاقة.

الشركة المصنعة والشهادات:

يعد اختيار SPD من شركة مصنعة معروفة حاصلة على شهادة من منشأة اختبار محايدة، مثل UL أو IEC، أمرًا بالغ الأهمية. تضمن الشهادة أنه تم فحص المنتج واجتاز جميع متطلبات الأداء والأمان.

سيؤدي فهم إرشادات التحجيم هذه إلى تمكينك من تحديد أفضل جهاز حماية من الاندفاع لاحتياجاتك وضمان الحماية الفعالة من الاندفاع.

قواعد التثبيت التي يجب اتباعها

على الرغم من مدى سهولة تثبيت واقي من الاندفاع في نظام توزيع الطاقة، فمن الضروري اتباع الإجراءات المناسبة لضمان السلامة وتقليل أي مخاطر محتملة.

باتباع هذه الخطوات عند تثبيت SPD في نظام توزيع:

- أوقف تشغيل الطاقة: تأكد من إيقاف تشغيل الطاقة قبل البدء في أي إصلاحات كهربائية وإشراك عازل خارج الحمل لتجنب أي حدث غير مرغوب فيه.

- موقع التثبيت: اختر موقعًا مناسبًا لـ SPD. للحصول على أفضل حماية، يجب أن يقع SPD في أقرب وقت ممكن إلى القاطع الرئيسي. يجب الرجوع إلى مخطط جهاز الحماية من الاندفاع من الشركة المصنعة للحصول على تفاصيل حول متطلبات الموقع.

- قم بتركيب SPD: قم بتركيب SPD في الموقع المطلوب على سكة DIN. تحقق من أن مسامير التركيب في مكانها بإحكام.

- الاتصال بالوصلة الأرضية: وفقًا لتوصيات الشركة المصنعة، قم بتأريض SPD. عادةً ما يتطلب هذا توصيل سلك أرضي من SPD بقضيب توصيل التأريض.

- اختبر SPD: سيسمح لك إعادة تشغيل الجهاز بعد تثبيت SPD بالتحقق من أن كل شيء يعمل كما ينبغي. للحصول على تفاصيل حول تقنيات الاختبار المحددة، راجع دليل تثبيت جهاز الحماية من الاندفاع أو تعليمات المصمم.

يجب على الكهربائيين المرخصين فقط أو الفنيين الآخرين الحاصلين على التعليم والتدريب اللازمين تثبيت أجهزة SPD.

للحفاظ على الأمن المستمر، يجب أن يخضع SPD أيضًا للاختبار والصيانة الروتينية.

ما الذي يسبب فشل أجهزة الحماية من الاندفاع (SPD)؟

تم تصميم أجهزة الحماية من الاندفاع (SPDs) لتوفير حماية موثوقة ضد الفولتية الزائدة العابرة، ولكن بعض العوامل يمكن أن تؤدي إلى فشلها. فيما يلي بعض الأسباب الأساسية وراء فشل أجهزة SPD:

اندفاعات الطاقة المفرطة:

أحد الأسباب الرئيسية لفشل SPD هو الفولتية الزائدة، يمكن أن تحدث الفولتية الزائدة بسبب ضربات الصواعق أو اندفاعات الطاقة أو الاضطرابات الكهربائية الأخرى. تأكد من تثبيت النوع الصحيح من SPD بعد حسابات التصميم المناسبة وفقًا للموقع.

عامل الشيخوخة:

بسبب الظروف البيئية بما في ذلك درجة الحرارة والرطوبة، تتمتع أجهزة SPD بعمر افتراضي محدود وقد تتدهور بمرور الوقت. علاوة على ذلك، يمكن أن تتضرر أجهزة SPD بسبب ارتفاعات الجهد المتكررة.

فشل المكون:

تحتوي أجهزة SPD على العديد من المكونات، مثل المقاومات المعدنية (MOVs)، والتي يمكن أن تفشل بسبب عيوب التصنيع أو العوامل البيئية.

التأريض غير السليم:

لكي يعمل SPD بشكل صحيح، يكون التأريض ضروريًا. يمكن أن يتعطل SPD أو ربما يصبح مصدر قلق للسلامة إذا تم تأريضه بشكل غير صحيح.

كم تبلغ تكلفة أجهزة الحماية من الاندفاع؟

قد تختلف تكلفة جهاز الحماية من الاندفاع اعتمادًا على العناصر المذكورة في القسم الفرعي أعلاه، مثل نوع الجهاز ومستوى الحماية المطلوب والتطبيق.

يتراوح النطاق السعري لأجهزة AC SPD عادةً بين 10 دولارات و 150 دولارًا لكل وحدة. يؤثر النوع والعلامة التجارية وميزات الجهاز المحدد على التسعير.

من الأهمية بمكان أن تأخذ في الاعتبار الكمية اللازمة من معلمات الحماية أثناء اختيار SPD. يتم توفير أعلى مستوى من الحماية بواسطة جهاز SPD من النوع 1، ومع ذلك، قد يكلف أكثر من جهاز SPD من النوع 2.

قد تكون هناك نفقات إضافية للتركيب، بخلاف سعر العنصر نفسه. لضمان وضع الجهاز بشكل صحيح وتعديله لتحقيق أقصى قدر من السلامة، من الضروري التأكد من أن التثبيت يتم بواسطة كهربائي معتمد.

على الرغم من أنه قد يبدو في البداية استثمارًا إضافيًا، إلا أن سعر إصلاح أو استبدال المعدات المكسورة قد يكون أكثر بكثير من سعر إعداد SPD.

تطبيقات أجهزة الحماية من الاندفاع

تجد أجهزة الحماية من الاندفاع (SPDs) تطبيقات واسعة النطاق في مجموعة واسعة من المجالات الصناعية والتجارية والمنزلية. إنها تحمي المعدات الكهربائية والإلكترونية من اندفاعات الجهد والعابرات التي يمكن أن تتلف أو تقلل من أدائها.

SPD منخفض الجهد للصناعية والتجارية والسكنية:

في البيئات الصناعية، تُستخدم أجهزة SPD ذات الجهد المنخفض بشكل شائع لحماية المعدات الحساسة مثل أنظمة الكمبيوتر وأجهزة PLC والأجهزة الإلكترونية الأخرى من الاندفاعات والعابرات. تُستخدم أجهزة SPD هذه أيضًا لحماية المحركات والآلات الثقيلة الأخرى من اندفاعات الطاقة وارتفاعات الجهد. تعتمد المناطق التجارية مثل مراكز التسوق أيضًا على أجهزة SPD ذات الجهد المنخفض لحماية المعدات الهامة من الاضطرابات الكهربائية. يتم تثبيت أجهزة SPD في المساكن لحماية الأجهزة الإلكترونية مثل أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون والأجهزة المنزلية من اندفاعات الجهد.

SPD لتطبيق شحن المركبات الكهربائية:

في السوق الناشئة لتطبيقات شحن المركبات الكهربائية (EV)، تلعب أجهزة SPD دورًا حاسمًا في ضمان سلامة وموثوقية أنظمة شحن المركبات الكهربائية. تحمي أجهزة SPD هذه محطة الشحن من ارتفاعات الجهد والاندفاعات التي يمكن أن تتلف المعدات وتشكل خطرًا على سلامة المستخدمين. في السوق الناشئة لتطبيقات شحن المركبات الكهربائية (EV)، تلعب أجهزة SPD دورًا حاسمًا في ضمان سلامة وموثوقية أنظمة شحن المركبات الكهربائية. تحمي أجهزة SPD هذه محطة الشحن من ارتفاعات الجهد والاندفاعات التي يمكن أن تتلف المعدات وتشكل خطرًا على سلامة المستخدمين.

SPD لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية الشمسية:

تتطلب التطبيقات الكهروضوئية أيضًا أجهزة SPD للحماية من ضربات الصواعق والاضطرابات الكهربائية الأخرى التي يمكن أن تتلف أو تقلل من أداء الألواح الشمسية والمكونات الأخرى في النظام. يتم تثبيت أجهزة SPD بين الألواح الشمسية والعاكسات وبين العاكسات والشبكة.