استكشاف مبادئ أجهزة الحماية من زيادة التيار الكهربائي؟
ما زلت أشم رائحة الورنيش المحترق من اختبار أجريناه العام الماضي - ضربة واحدة بقوة 6 كيلو فولت وتحولت اللوحة الوهمية إلى اللون الأسود في نصف ثانية.
يعمل جهاز الحماية من زيادة التيار عن طريق امتصاص الطاقة الزائدة وتوجيهها إلى الأرض، ثم يثبت الجهد الكهربائي دون المستوى الذي قد يُلحق الضرر بأجهزتك. أقوم بتصنيع هذه الوحدات يوميًا في ونتشو وأختبرها وفقًا لمعيار IEC 61643-11.
إذا كنت تعرف كيف تتم هذه الحيلة، يمكنك اختيار القطعة المناسبة والتوقف عن دفع ثمن مواصفات لا تستخدمها. تابع القراءة وسأريك مكونات الجهاز الداخلية.
الأهداف الأساسية: نقل الطاقة وتثبيت الجهد؟
لقد شاهدت ذات مرة ارتفاعًا في التيار الكهربائي بقوة 40 كيلو أمبير يفوت محرك الأقراص بفارق ميكروثانية واحدة لأن جهاز MOV نقر في الوقت المناسب - أنقذ هذا القرص الصغير عاكسًا بقيمة 12000 دولار.
الهدفان الأساسيان هما: (1) نقل طاقة الاندفاع إلى الأرض بسرعة، و (2) الحفاظ على الجهد الذي يصل إلى الحمل ضمن الحد الآمن المكتوب في ورقة البيانات.
كيف تتحرك الطاقة داخل الصندوق
يحدث ارتفاع مفاجئ في التيار الكهربائي. تنخفض مقاومة MOV من ميغا أوم إلى أوم في أجزاء من الثانية. يسلك التيار المسار الأسهل عبر الجهاز، ثم يمر عبر سلك التأريض الأخضر المصفر. كلما زادت سخونة السلك، انخفضت مقاومته، لذا نستخدم نحاسًا بمساحة 6 مم² ونحافظ على طول السلك أقل من 50 سم. أي طول إضافي يضيف 1 ميكروهنري من الحث، وهذا بدوره يضيف 1 كيلو فولت إلى جهد المرور. يتجاهل العملاء هذه التفاصيل ويلقون باللوم على القطعة عندما تتعطل اللوحة.
جهد التثبيت مقابل جهد المرور
يخلط الناس بين الرقمين. جهد التثبيت هو ما يراه مُقاوِم الجهد المتغير (MOV). أما جهد التسريب فهو ما يراه الحمل بعد انقطاع الكابل. أُدرج كلا الرقمين دائمًا في ورقة الاختبار. قد يسمح جزءٌ يُثبّت عند 700 فولت بوصول 1200 فولت إلى مُحَوِّل التردد المتغير (VFD) إذا كان طول سلك التأريض 80 سم. قصّ السلك، تجنّب المشاكل.
بيانات حقيقية من مختبرنا
| مستوى الارتفاع المفاجئ | حجم ملف MOV | الرصاص الأرضي | السماح بالمرور | نتيجة |
| 20 كيلو أمبير 8/20 ميكروثانية | قرص 32 مم | 25 سم | 980 فولت | يمر |
| 20 كيلو أمبير 8/20 ميكروثانية | قرص 32 مم | 80 سم | 1.450 فولت | يفشل |
| 40 كيلو أمبير 8/20 ميكروثانية | قرص 40 مم | 25 سم | 1.050 فولت | يمر |
يُظهر الجدول أن طول الكابل أهم من حجم مُقاومة MOV. أنصح كل مشترٍ: أنفق دولارًا إضافيًا على كابلات قصيرة قبل أن تُنفق خمسة دولارات على قطعة أكبر.
لماذا نضيف أنبوب تصريف الغاز في التصاميم الهجينة
يتلف مُقاوم أكسيد المعدن (MOV) بعد تعرضه لصدمات قوية. بينما يتحمل مُثبِّت التيار المتردد (GDT) عددًا أكبر من الصدمات، إلا أنه بطيء. لذا، قمنا بتوصيلهما على التوازي. يبدأ مُقاوم أكسيد المعدن (MOV) عمله أولًا ويُثبِّت التيار خلال أول 100 نانوثانية. ثم يبدأ مُثبِّت التيار المتردد (GDT) عمله ويتحمل التيار الرئيسي. بعد ذلك، يرتاح مُقاوم أكسيد المعدن (MOV) ويستمر في العمل لفترة أطول. يُعد النظام الهجين الآن منتجنا الأكثر مبيعًا لمحطات الطاقة الشمسية الألمانية، لأن فريق العمل في الموقع يُفضِّل عمرًا افتراضيًا يصل إلى 20 عامًا، وليس خمسة أعوام فقط.
المكونات الأساسية وآليات الحماية الهرمية؟
أفتح إحدى وحدات النوع 1+2 الخاصة بنا وأرى MOVs وGDTs وصمامات، ومفتاح حراري صغير يصدر صوت طقطقة مثل غلاية الماء عندما يتعطل.
تتكون الأجزاء الأساسية من: (أ) المقاومات المتغيرة أو أجهزة فصل التيار الكهربائي التي تستهلك الطاقة، (ب) فواصل حرارية لإيقاف الحرائق، و(ج) صمامات احتياطية لإزالة حالات قصر الدائرة. نرتب هذه الأجزاء في ثلاث طبقات لتتوافق مع نظام الأسلاك في المصنع.
الطبقة الأولى: النوع 1 عند باب الخدمة
هذا الجزء مُعرَّضٌ للصواعق المباشرة. نستخدم أنبوب نبضي بقدرة 25 كيلو أمبير وزمن نبضة 10/350 ميكروثانية، بالإضافة إلى مُقسِّم جهد MOV بقدرة 50 كيلو أمبير. الهدف هو خفض جهد الصاعقة من 1000 كيلو فولت إلى أقل من 4 كيلو فولت قبل دخولها لوحة التوزيع. نُثبِّت الجهاز على سكة DIN بقطر 35 مم ونُوصِّله بسلك نحاسي بمساحة 16 مم² إلى قضيب التأريض الرئيسي. ثقب واحد في غير موضعه يُضيف 2 ميكروهنري و2 كيلو فولت إضافية. راجعتُ الرسم مرتين؛ وبذلك أنقذ المشتري مُحوِّلًا كهربائيًا من التلف.
الطبقة الثانية: النوع 2 في اللوحات الفرعية
تمنع هذه الطبقة حدوث ارتفاعات مفاجئة في التيار الكهربائي نتيجة الصواعق القريبة أو تشغيل المحركات الكبيرة. نختار مقاومات MOV بقدرة 40 كيلو أمبير وزمن استجابة 8/20 ميكروثانية مع فاصل حراري. يتم توصيل القطعة مباشرةً بالكهرباء، مما يسمح للمستخدم باستبدالها دون انقطاع التيار. نضيف مؤشر LED أخضر ينطفئ عند تعطل القطعة. أخبرني مدير موقع في ميلانو أنه يستطيع فحص 50 لوحة في عشر دقائق فقط بمجرد التجول في الممر وعدّ النقاط الخضراء.
الطبقة الثالثة: النوع 3 عند التحميل
تحتاج المحركات ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) وأجهزة الكمبيوتر إلى حماية محلية. نستخدم وحدات 10 كيلو أمبير 8/20 ميكروثانية مع تيار متسرب أقل من 900 فولت. يمكن تركيب القطعة في علبة حائط أو داخل شريط المقابس. يجب ألا يتجاوز طول الكابل من النوع 2 إلى الحمل 10 أمتار. إذا كان الطول أطول، نضيف كابلًا آخر من النوع 3. لقد وفرتُ ذات مرة 4000 دولار أمريكي على محرك سيرفو بإضافة وحدة حماية من زيادة التيار (SPD) بقيمة 9 دولارات أمريكية لأن لوحة التوزيع كانت على بُعد 30 مترًا.
كيف تتواصل الطبقات مع بعضها البعض
الطاقة كالماء، فإذا امتلأ السد الأول، يجب أن يكون السد الثاني جاهزًا. نضبط مستويات الجهد على مراحل: النوع الأول عند 1.8 كيلو فولت، والنوع الثاني عند 1.4 كيلو فولت، والنوع الثالث عند 0.9 كيلو فولت. لا تبدأ الطبقة السفلية قبل الطبقة العلوية، لذا يتشارك كل جزء الحمل. نختبر السلسلة كاملةً في مختبرنا بثلاث وحدات موصولة على التوالي وضربة كهربائية مقدارها 100 كيلو أمبير. يبلغ جهد التوصيل عند المقبس النهائي 720 فولت، وهو آمن لأي محرك كهربائي بجهد 230 فولت.
قائمة الأجزاء التي نستخدمها كل يوم
| جزء | دور | المواصفات | دورات الحياة |
| 40 مم MOV | مشبك | 40 كيلو أمبير 8/20 ميكروثانية | 20 أغنية ناجحة |
| مفتاح حراري | مانع للحريق | 120 درجة مئوية | لقطة واحدة |
| 6 أمبير فيوز | مسح قصير | قوة كبح 50 كيلو أمبير | لقطة واحدة |
| أنبوب GDT | النسخ الاحتياطي | شرارة 600 فولت | 100 مشاهدة |
| مصباح LED + مقاوم | حالة | تيار تصريف 2 مللي أمبير | عشر سنوات |
التعاون والنسخ الاحتياطي الأمني؟
ما زلت أتذكر اليوم الذي انفجر فيه الصمام الحراري، وأشار العلم الأحمر للفني بضرورة استبدال الوحدة - لم يكن هناك أي دراما، ولا حريق، مجرد استراحة لمدة خمس دقائق.
يجب أن يعمل جهاز الحماية من الصواعق مع قواطع الدائرة الكهربائية، والتأريض، وتوجيه الكابلات. نضيف صمامات حرارية، ومفاتيح صغيرة، وإشارات عن بُعد لكي يعرف فريق الموقع متى يتعطل الجهاز ويتولى نظام الحماية الاحتياطية المهمة.
لماذا يحتاج الشخص المصاب باضطراب الشخصية الحدية إلى أداة كسر الحماية كصديق؟
قد يحدث قصر في دائرة مقاومة التيار المتردد (MOV) عند تعطلها. يجب أن يفصل الفيوز الاحتياطي التيار قبل احتراق اللوحة. نُطابق منحنى الفيوز مع تيار قصر دائرة مقاومة التيار المتردد. تتعطل مقاومة التيار المتردد 40 كيلو أمبير عند قصر دائرة 1 كيلو أمبير. نختار فيوزًا 6 أمبير من نوع gG يفصل التيار في 0.1 ثانية عند 1 كيلو أمبير. لا ينقطع الفيوز أبدًا عند تيار الاندفاع العادي لأنه يستمر لأجزاء من الثانية. الحسابات دقيقة، لكنها فعالة. أُزوّد المشترين بجدول الفيوزات حتى لا يضطر فني الكهرباء إلى التخمين.
الإشارات عن بعد للمواقع الكبيرة
أحد عملائنا يُشغّل أفران زجاج تعمل على مدار الساعة. لا يستطيع التواجد في المصنع أسبوعيًا. لذا، أضفنا مفتاحًا صغيرًا داخل وحدة الحماية من التسرب (SPD) يعمل عند فتح القرص الحراري. يُغذي هذا المفتاح مدخل PLC بجهد 24 فولت. يُشير ضوء أحمر على واجهة المستخدم الرسومية (HMI) إلى "تعطل وحدة الحماية من التسرب". يتصل بنا المشغل، فنرسل له خرطوشة احتياطية، ويستبدلها عند تغيير الوردية التالية. لم تحدث أي توقفات غير مُخطط لها خلال عامين.
التنسيق مع أجهزة الحماية من التيار المتبقي وأجهزة كشف القوس الكهربائي
يخشى بعض المهندسين من أن يتسبب تسرب التيار من جهاز الحماية من الصواعق في فصل قاطع التيار المتبقي. نحافظ على التسرب أقل من 0.3 مللي أمبير عند 230 فولت، فلا يرصده قاطع التيار المتبقي ذو 30 مللي أمبير. في حال استخدام كاشفات القوس الكهربائي في الموقع، نضيف مرشحًا للتداخل الكهرومغناطيسي أمام جهاز الحماية من الصواعق لمنع تأثير التثبيت عالي التردد على الكاشف. اختبرنا هذا المزيج في مختبر TÜV Rheinland ونجحنا في الاختبار.
مؤشرات الأداء الرئيسية؟
أتابع ثلاثة مؤشرات في كل شحنة: جهد التشغيل، ومعدل الأعطال لكل 1000 قطعة، ووقت الاستبدال في الموقع. إذا حدث أي انحراف، أوقف خط الإنتاج.
أهم مؤشرات الأداء الرئيسية هي: (1) مستوى الحماية من الجهد الزائد (Up) المقاس في المختبر، (2) عدد مرات تحمل التيار الزائد قبل التلف، و(3) متوسط وقت الاستبدال (MTTR) في الأنظمة قيد التشغيل. أقوم بتسجيل هذه البيانات لكل دفعة نبيعها.
لماذا يُعدّ نظام المرور عبر الفتحات هو الأفضل؟
انخفاض الجهد بمقدار 200 فولت في وضع التشغيل قد يضاعف عمر القرص. نختبر كل قرص MOV عند تيار 100% ونسجل قيمة الجهد. الأقراص التي تُظهر قراءة عالية تُرسل إلى خط إنتاج محطات الطاقة الشمسية حيث يكون التثبيت أقل أهمية. أما الأقراص التي تُظهر قراءة منخفضة فتُرسل إلى خط إنتاج وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الألمانية. هذا الفرز يُضيف ساعة واحدة إلى الإنتاج ولكنه يُقلل الأعطال الميدانية بنسبة 40%. أدفع أجر الساعة، وأوفر تكلفة المكالمات الليلية.
اختبار عدد الأرواح الذي نجريه
قمنا بتسليط تيار 20 كيلو أمبير على نفس القطعة كل خمس دقائق حتى تعطل مفتاح الحماية الحرارية. صمد حامل الرقم القياسي لـ 27 عملية اختبار. نشرنا منحنى الأداء في ورقة البيانات. يرى المشترون أن القطعة لا تزال تعمل بكفاءة بعد عشر سنوات من التعرض لتقلبات التيار العادية. هذا الرسم البياني وحده يُسهم في إتمام صفقات أكثر من أفضل تخفيض سعر قدمته.
خاتمة
نقل الطاقة، والتثبيت، والطبقات، والنسخ الاحتياطي، ومؤشرات الأداء الرئيسية الواضحة - هذه هي القصة كاملة. اختر جهاز حماية من انقطاع التيار الكهربائي (SPD) يتميز بانخفاض معدل التسريب ومعدل الإرجاع، وستحصل على راحة البال.