اختيار أجهزة الحماية من زيادة التيار لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية - أنواع أجهزة الحماية من زيادة التيار

يُعدّ توليد الطاقة الكهروضوئية مصدرًا رئيسيًا للطاقة المتجددة، ويتميز بتنافسيته الاقتصادية العالية مقارنةً بتوليد الطاقة التقليدي. وتزداد شعبية أنظمة الطاقة الكهروضوئية الصغيرة الموزعة، مثل الألواح الشمسية المثبتة على أسطح المنازل. وتشمل هذه الأنظمة توزيع التيار المتردد والتيار المستمر بفولتية تصل إلى 1500 فولت. وقد يتعرض جانب التيار المستمر، وخاصةً الألواح الكهروضوئية، مباشرةً للصواعق في المناطق عالية الخطورة، مما يجعلها عرضةً للتلف الناتج عن الصواعق.

تنقسم أنظمة الحماية من الصواعق للمباني إلى نوعين: الحماية الخارجية (نظام الحماية من الصواعق، LPS) والحماية الداخلية (أجهزة الحماية من زيادة التيار، SPM)، وذلك بناءً على مستوى خطر الصواعق. تعمل أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs)، كجزء من الحماية الداخلية، على الحماية من ارتفاعات الجهد العابرة الناتجة عن الصواعق الجوية أو عمليات التبديل. تُركّب أجهزة الحماية من زيادة التيار خارج المعدات المحمية، وتتمثل وظيفتها الرئيسية فيما يلي: عندما لا يكون هناك ارتفاع مفاجئ في التيار في نظام الطاقة، لا يؤثر جهاز الحماية من زيادة التيار بشكل ملحوظ على التشغيل الطبيعي للنظام الذي يحميه. عند حدوث ارتفاع مفاجئ في التيار، يوفر جهاز الحماية من زيادة التيار مقاومة منخفضة، حيث يحوّل تيار الارتفاع عبره ويحد من الجهد إلى مستوى آمن. بعد انحسار الارتفاع المفاجئ وتلاشي أي تيار متبقٍ، يعود جهاز الحماية من زيادة التيار إلى حالة مقاومة عالية.

1. موقع تركيب أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD)

يُحدد موقع تركيب أجهزة الحماية من الصواعق (SPDs) وفقًا لدرجة خطر الصواعق، استنادًا إلى مفهوم مناطق الحماية من الصواعق (LPZ) في معيار IEC 62305. يتم خفض الفولتية الزائدة العابرة تدريجيًا إلى مستوى آمن، يجب أن يكون أقل من جهد تحمل المعدات المحمية. وكما هو موضح في الشكل، تُركّب أجهزة الحماية من الصواعق على حدود هذه المناطق، مما يُتيح مفهوم الحماية متعددة المستويات من الصواعق المستخدم في أنظمة الجهد المنخفض. أما بالنسبة لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، فينصب التركيز على منع الصواعق من الدخول عبر جانبي التيار المتردد والتيار المستمر، وبالتالي حماية المكونات الحيوية مثل العواكس.

2. فئات اختبار أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD)

وفقًا للمعيار IEC 61643-11، تُصنَّف أجهزة الحماية من الصواعق (SPDs) إلى ثلاث فئات اختبار بناءً على نوع نبضة تيار الصاعقة التي صُمِّمت لتحمُّلها. تهدف اختبارات النوع الأول (المُشار إليها بـ T1) إلى محاكاة تيارات الصواعق الجزئية التي قد تنتقل إلى المبنى. تستخدم هذه الاختبارات موجة 10/350 ميكروثانية، كما هو موضح في الشكل أدناه، وتُطبَّق عادةً عند الحد الفاصل بين منطقتي LPZ0 وLPZ1، كما هو الحال في لوحات التوزيع الرئيسية أو مداخل محولات الجهد المنخفض. عادةً ما تكون أجهزة الحماية من الصواعق لهذا المستوى من نوع تبديل الجهد، وتتضمن مكونات مثل أنابيب تفريغ الغاز أو فجوات الشرارة (مثل فجوات البوق أو فجوات الجرافيت).

تستخدم اختبارات النوع الثاني (T2) والنوع الثالث (T3) نبضات أقصر مدة. عادةً ما تكون أجهزة الحماية من الصواعق من النوع الثاني أجهزةً تحد من الجهد، وتستخدم مكونات مثل المقاومات المتغيرة لأكسيد المعادن (MOVs). يتم اختبارها بتيار تفريغ اسمي باستخدام شكل موجة تيار 8/20 ميكروثانية (انظر الشكل أدناه)، وهي مسؤولة عن الحد من جهد الاندفاع المتبقي القادم من جهاز الحماية السابق. أما اختبارات النوع الثالث فتستخدم مولد موجات مُركب بنبضة جهد 1.2/50 ميكروثانية ونبضة تيار 8/20 ميكروثانية (انظر الشكل أدناه)، لمحاكاة الاندفاعات بالقرب من معدات الاستخدام النهائي.

3. نوع توصيل جهاز الحماية من زيادة التيار (SPDs)

توجد طريقتان رئيسيتان للحماية من ارتفاعات الجهد العابرة. الأولى هي الحماية بالوضع المشترك (CT1)، المصممة للحماية من الارتفاعات المفاجئة بين الموصلات الحية والأرضي (PE). على سبيل المثال، يمكن أن تُدخل ضربات البرق جهودًا عالية بالنسبة للأرض في النظام. تساعد الحماية بالوضع المشترك في تخفيف تأثير هذه الاضطرابات الخارجية، كالبرق، كما هو موضح أدناه.

أما النوع الثاني فهو الحماية التفاضلية (CT2)، التي تحمي من ارتفاعات الجهد المفاجئة بين موصل الخط (L) والموصل المحايد (N). ويُعد هذا النوع من الحماية بالغ الأهمية لمعالجة الاضطرابات الداخلية، مثل الضوضاء الكهربائية أو التداخل الناتج داخل النظام نفسه، كما هو موضح في الرسم البياني أدناه.

من خلال تطبيق أحد أو كلا نمطي الحماية هذين، يمكن حماية الأنظمة الكهربائية بشكل أفضل من مصادر الارتفاع المفاجئ المحتملة، مما يعزز في النهاية عمر وموثوقية المعدات المتصلة.

من المهم ملاحظة أن اختيار أنماط الحماية من التفريغ الفائق يجب أن يتوافق مع نظام التأريض المُستخدم. في أنظمة TN، يُمكن استخدام نمطي الحماية CT1 وCT2. أما في أنظمة TT، فلا يُمكن تطبيق CT1 إلا بعد قاطع التيار المتبقي (RCD). في أنظمة IT، وخاصةً تلك التي لا تحتوي على موصل محايد، لا يُمكن تطبيق حماية CT2. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية في أنظمة توزيع التيار المستمر التي تستخدم تكوينات تأريض IT. يُمكن الاطلاع على التفاصيل في الجدول أدناه.

4. المعايير الرئيسية لأجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD)

وفقًا للمعيار الدولي IEC 61643-11، يتم تحديد خصائص واختبارات أجهزة الحماية من الصواعق المتصلة بأنظمة توزيع الطاقة ذات الجهد المنخفض، كما هو موضح في الشكل 7.

(1) مستوى حماية الجهد (أعلى)

يُعد مستوى حماية الجهد (Up) أهم جانب في اختيار جهاز الحماية من الصواعق (SPD)، إذ يُحدد هذا المستوى أداء الجهاز في الحد من الجهد بين أطرافه. يجب أن تكون هذه القيمة أعلى من أقصى جهد تثبيت، والذي يتحقق عندما يساوي التيار المار عبر جهاز الحماية تيار التفريغ الاسمي (In). يجب أن يكون مستوى حماية الجهد المُختار أقل من جهد تحمل النبضة (Uw) للحمل. في حالة الصواعق، يُحافظ عادةً على الجهد عبر أطراف جهاز الحماية أقل من مستوى حماية الجهد (Up). بالنسبة لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ذات التيار المستمر، يُقصد بالحمل عادةً وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية والعواكس.

(2) أقصى جهد تشغيل مستمر (Uc)

يمثل Uc أقصى جهد تيار مستمر يمكن تطبيقه باستمرار على وضع حماية جهاز الحماية من الصواعق (SPD). ويتم اختياره بناءً على الجهد المقنن وتكوين تأريض النظام، ويُستخدم كعتبة لتفعيل جهاز الحماية من الصواعق. بالنسبة لجانب التيار المستمر لأنظمة الخلايا الكهروضوئية، يجب أن يكون Uc أكبر من أو يساوي Uoc Max لمصفوفة الخلايا الكهروضوئية. يشير Uoc Max إلى أعلى جهد دائرة مفتوحة بين أطراف التوصيل الحية وبين طرف التوصيل الحي والأرض عند النقطة المحددة في مصفوفة الخلايا الكهروضوئية.

(3) تيار التفريغ الاسمي (بوصة)

هذه هي القيمة القصوى لتيار موجة مدته 8/20 ميكروثانية يمر عبر جهاز الحماية من الصواعق، المستخدم في اختبارات النوع الثاني وفي اختبارات التكييف المسبق في النوع الأول و النوع الثانييشترط معيار اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) أن يتحمل جهاز الحماية من الصواعق (SPD) ما لا يقل عن 19 تفريغًا بتيار موجي 8/20 ميكروثانية. كلما زادت قيمة التيار (In)، زاد عمر جهاز الحماية من الصواعق، ولكن التكلفة تزداد أيضًا.

(4) تيار النبضة (Iimp)

يتم تحديد هذا التيار بثلاثة معايير: ذروة التيار (Ipeak)، والشحنة (Q)، والطاقة النوعية (W/R)، ويستخدم في النوع الأول الاختبارات. شكل الموجة النموذجي هو 10/350 ميكروثانية.