أساسيات اختيار مانع زيادة التيار: MCOV، والجهد المتبقي، وتقييم الطاقة

مانع زيادة التيار هو جهاز وقائي يحد من الجهد الزائد العابر عن طريق تحويل التيار الزائد إلى الأرض مع تثبيت الجهد إلى مستويات آمنة للمعدات المتصلة. وعلى عكس الصمامات أو قواطع الدائرة الكهربائية التي تقطع تدفق التيار، تستجيب مانعات الصواعق خلال نانو ثانية وتعيد ضبطها تلقائيًا - مما يوفر حماية مستمرة دون فصل الدائرة.

في شبكات التوزيع ذات الجهد المتوسط التي تعمل بجهد 10-36 كيلو فولت، تعمل مانعات الصواعق ذات الأكسيد المعدني (MOSAs) كدفاع أساسي ضد الصواعق وعابرات التحويل التي من شأنها أن تلحق الضرر بالمحولات, قواطع الدائرة الكهربائية الفراغية, ونهايات الكابلات. يعتمد الاختيار السليم على ثلاثة معايير مترابطة: جهد التشغيل المستمر الأقصى (MCOV)، والجهد المتبقي، وتصنيف الطاقة. يعالج كل منها وضع فشل متميز - وإهمال أي منها يضر بمخطط الحماية بالكامل.

كيف تحد مانعات زيادة التيار الكهربائي من الجهد: فيزياء مكثفات أكسيد المعادن المتغيرة

تعتمد موانع الاندفاع المفاجئ الحديثة على تقنية مكثفات أكسيد الزنك (ZnO) لتحقيق خصائص مقاومة تعتمد على الجهد. وتحتوي البنية المجهرية الخزفية على حبيبات أكسيد الزنك (عادةً بقطر 10-20 ميكرومتر) محاطة بطبقات رقيقة بين الحبيبات من أكسيد البزموت وإضافات أخرى. تعمل حدود الحبيبات هذه كصمامات ثنائية شوتكي متعاكسة من الخلف إلى الخلف، مما يخلق السلوك غير الخطي الضروري للحماية من زيادة التيار.

في ظل جهد التشغيل العادي، يُظهر المكثف مقاومة عالية للغاية - تتجاوز 10 ⁹ Ω - يسحب تيار تسرب على مستوى الميكروأمبير فقط (عادةً 0.5-2 مللي أمبير لوحدات فئة التوزيع). عندما يتجاوز الجهد الزائد العابر عتبة التوصيل، يحدث نفق كمي وانهيار جليدي عند حدود الحبيبات. تنخفض المقاومة بمعامل 10⁶ خلال نانو ثانية.

تتبع العلاقة بين الجهد-التيار معادلة قوة-قانونية: I = k × V^α, حيث يتراوح معامل اللاخطية α من 25 إلى 50 لمواد MOV الحديثة. وتعني هذه اللاخطية القصوى أن زيادة الجهد بمقدار 20% يمكن أن تزيد من تدفق التيار بمعامل 10⁵ أو أكثر.

أثناء اندفاع الصواعق بقوة 10 كيلو أمبير، يحد مانع الصواعق المختار بشكل صحيح من ارتفاع الجهد إلى ما يقرب من 2.5 إلى 3.5 مرة من MCOV أثناء توصيل تيار الاندفاع الكامل. يقيس زمن الاستجابة أقل من 25 نانو ثانية - وهو ما يكفي لحماية المعدات من نبضات الصواعق الأمامية الحادة.

تقوم آلية امتصاص الطاقة بتحويل طاقة الاندفاع الكهربائي إلى حرارة داخل مصفوفة ZnO. ويصل الارتفاع الحراري أثناء زيادة التبديل النموذجية إلى 40-80 درجة مئوية فوق المحيط. إذا تجاوزت الطاقة تصنيف الصواعق، يحدث الهروب الحراري: ارتفاع درجة الحرارة يقلل من المقاومة، مما يزيد من تدفق التيار وتوليد الحرارة حتى ينتج عنه فشل كارثي.

MCOV: الحد الأقصى لجهد التشغيل المستمر

يحدد MCOV أعلى جهد RMS يمكن أن يتحمله مانع الصواعق إلى أجل غير مسمى دون تدهور. وتشكل هذه المعلمة البوابة الأولى في اختيار مانع الصواعق - إذا أخطأت في تحديدها سيفشل المانع في غضون أشهر بدلاً من عقود.

تعتمد العلاقة بين MCOV وجهد النظام بشكل حاسم على تكوين التأريض:

أنظمة ذات أسس متينة: أثناء الأعطال التي تحدث من خط واحد إلى أرضي، ترتفع الفولتية في الطور السليم إلى ما يقرب من 1.0-1.05 مرة من المعدل الطبيعي. متطلبات MCOV:

MCOV ≥ (Um / √3) × 1.05

أنظمة غير مؤرضة أو مؤرضة رنانة: يمكن أن تصل المراحل السليمة إلى الجهد الكامل من خط إلى خط أثناء الأعطال الأرضية - من المحتمل أن تستمر لساعات. متطلبات MCOV:

MCOV ≥ Um × 1.05

حيث يساوي Um أقصى جهد للنظام (وليس الجهد الاسمي - وهو خطأ شائع في المواصفات).

ترتبط إمكانية الجهد الزائد المؤقت (TOV) مباشرةً باختيار MCOV. يمكن أن يؤدي رفض الحمل، أو ارتفاع فيرانتي على الكابلات غير المحملة، أو تنشيط المحولات إلى رفع الجهد فوق المستويات العادية لمدة تتراوح بين ثوانٍ ودقائق. وتحدد المواصفة القياسية IEC 60099-4 متطلبات تحمل الجهد الزائد (TOV): يجب أن تتحمل الموانع 1.4 × MCOV لمدة 10 ثوانٍ دون تلف.

[نظرة ثاقبة من الخبراء: هامش MCOV في الممارسة العملية]

• غالبًا ما يتم تتبع الأعطال الميدانية إلى MCOV المحدد بناءً على الجهد الاسمي (على سبيل المثال، 10 كيلو فولت) بدلاً من الحد الأقصى لجهد النظام (على سبيل المثال، 12 كيلو فولت)
• كثيرًا ما تواجه الأنظمة الصناعية غير المؤرضة جهدًا زائدًا مستمرًا أثناء تعقب العطل الأرضي - حدد هامشًا كبيرًا من MCOV
• تتطلب الأنظمة المؤرضة الرنانة (لفائف بيترسن) نفس أنظمة MCOV المؤرضة غير المؤرضة
• عندما تكون غير متأكد من تكوين التأريض، يتم استخدام قيم MCOV غير المؤرضة افتراضيًا

الجهد المتبقي ومستوى الحماية

يحدد الجهد المتبقي - أي الجهد عبر أطراف الصواعق أثناء تفريغ التيار الكهربائي - الحماية الفعلية للمعدات. وهناك شكلان موجيان موحدان يميزان أداء الصواعق:

نبضة البرق (8/20 μs): يحاكي ضربات الصواعق المباشرة أو القريبة. يقاس مستوى الحماية من الصواعق (LIPL) عند تيارات تفريغ اسمية تبلغ 5 كيلو أمبير أو 10 كيلو أمبير أو 20 كيلو أمبير حسب فئة الصواعق.

تبديل النبضات (30/60 ميكرو ثانية): يمثل عمليات التحويل مثل تنشيط بنك المكثفات أو إعادة إغلاق الخط. ينطبق مستوى الحماية من نبضات التحويل (SIPL) في المقام الأول على موانع فئة النقل.

يجب أن يظل مستوى الحماية أقل من مستوى العزل الأساسي للمعدات المحمية (BIL). حساب هامش الحماية:

هامش الحماية (%) = [(BIL - مستوى الحماية) / مستوى الحماية] × 100

وفقًا للمعيار IEC 60099-5 (توصيات الاختيار والتطبيق)، يضمن الحد الأدنى للهوامش 20% لنبضات الصواعق و15% لنبضات التحويل حماية موثوقة مع مراعاة تقادم الصواعق وتأثيرات المسافة.

يوفر الجهد المتبقي المنخفض حماية أفضل ولكنه يتطلب عادةً حجمًا ماديًا أكبر وتكلفة أعلى. بالنسبة لتطبيقات التوزيع التي تحمي معدات 95 كيلو فولت BIL، قد لا يبرر اختيار مانع صواعق ذات جهد متبقي 70 كيلو فولت (هامش 36%) بدلاً من 76 كيلو فولت (هامش 25%) علاوة التكلفة.

تصنيف الطاقة والاستقرار الحراري

يحدد تصنيف الطاقة عدد الجول التي يمكن أن يمتصها الصواعق دون حدوث عطل حراري. وتثبت هذه المعلمة أهميتها للتطبيقات التي تتجاوز الحماية الأساسية من الصواعق - فالتبديل بين بنوك المكثفات وتفعيل الكابلات والأنظمة ذات الكثافة العالية من وميض الصواعق كلها تفرض متطلبات كبيرة من الطاقة.

تصنف المواصفة القياسية IEC 60099-4 قدرة الطاقة من خلال مقاييس متعددة:

فئة التفريغ الخطي (الفئة 1-5): تحدد القدرة على التعامل مع أحداث تفريغ خط النقل. تناسب الفئة 2 معظم تطبيقات التوزيع؛ وتنطبق الفئة 3-4 على حماية المحطات الفرعية وتبديل المكثفات.

معدل الطاقة الحرارية (كيلو جول/كيلو فولت من اليور): إجمالي الطاقة التي يمكن للمانع امتصاصها في فترة زمنية محددة دون تجاوز حدود الثبات الحراري.

معدل نقل الشحنة (كولوم): نهج التصنيف الأحدث الذي يلتقط كلاً من التعامل مع كل من النبضات والتيار طويل الأمد.

ويعتمد امتصاص الطاقة على حجم حبيبات ZnO وتركيزات المنشطات. تتعامل مواد MOV عالية الجودة مع طاقة محددة تتراوح بين 150-200 جول/سم مكعب. ويرتبط الحجم المادي ارتباطًا مباشرًا بقدرة الطاقة - تمتص الموانع من فئة المحطات بأقطار أقراص 100 مم طاقة أكبر بكثير من وحدات فئة التوزيع ذات الأقراص 40-60 مم.

اختبار الثبات الحراري لكل IEC 60099-4 يتحقق من أنه بعد حقن الطاقة المقدرة، يعود الصواعق إلى مستويات تيار التسرب المستقرة دون حدوث هروب حراري. يحاكي هذا الاختبار أسوأ الظروف الميدانية حيث تحدث طفرات متعددة قبل أن يبرد الصواعق بالكامل.

[رؤى الخبراء: اعتبارات مجال تصنيف الطاقة]

• يمكن أن تولد المحولات الموصولة بالكابلات طاقات تحويل تتراوح بين 6-8 كيلو جول/كيلو فولت أثناء التنشيط - قد تكون مانعات التوزيع القياسية غير كافية
• تتطلب مناطق كثافة وميض البرق العالية (أكثر من 8 ومضات/كم²/سنة) تصنيفات طاقة مطورة للأحداث متعددة الضربات
• تفرض تركيبات بنوك المكثفات إجهادًا متكررًا للطاقة؛ ويؤدي التقادم الحراري التراكمي إلى تسريع الفشل
• في حالة الشك، حدد فئة واحدة أعلى مما تقترحه الحسابات - تكون علاوة التكلفة ضئيلة مقارنة بتكاليف الاستبدال

مثال على الاختيار خطوة بخطوة

لنفترض أن نظامًا صناعيًا غير مؤرض بجهد 12 كيلو فولت يحمي محولًا مغمورًا بالزيت بجهد 170 كيلو فولت.

الخطوة 1: تحديد الجهد الأقصى للنظام
أم = 12 كيلو فولت (وليس 10 كيلو فولت اسمي)

الخطوة 2: تحديد تكوين التأريض
نظام غير مؤرض → تصل المراحل السليمة إلى جهد الخط الكامل أثناء الأعطال الأرضية

الخطوة 3: حساب الحد الأدنى للقيمة السوقية الصغرى
MCOV ≥ Um × 1.05 = 12 × 1.05 = 12.6 كيلو فولت
حدد مانع الصواعق مع MCOV ≥ 12.7 كيلو فولت (التصنيف القياسي)

الخطوة 4: التحقق من الجهد المتبقي
الصواعق المختارة: LIPL عند 10 كيلو أمبير = 42 كيلو فولت في الذروة

الخطوة 5: التحقق من هامش الحماية
الهامش = [(170 - 42) / 42] × 100 = 305%
يفوق بكثير الحد الأدنى 20% ✓

الخطوة 6: تقييم متطلبات الطاقة
مغذي توزيع قياسي، لا توجد بنوك مكثفات، منطقة برق معتدلة
الفئة 2 كافية (≥3.0 كيلو جول/كيلو فولت أور)

المواصفات النهائية:

• MCOV: 12.7 كيلو فولت جذر التربيع (الحد الأدنى)
• أور: 15.3 كيلو فولت جذر التربيع
• LIPL @ 10 كيلو فولت أمبير: ≤45 كيلو فولت ذروة
• فئة الطاقة: 2 (≥ 3.0 كيلو جول/كيلو فولت أور)
• السكن: بوليمر (بيئة صناعية)

تركيب الصواعق على عازلات أعمدة يجب الحفاظ على الخلوص بما يتفق مع BIL النظام. ويؤثر طول السلك بين أطراف الصواعق والمعدات المحمية على مستوى الحماية الفعلي - حافظ على التوصيلات أقل من متر واحد حيثما أمكن.

الظروف الميدانية التي تعدل الاختيار

تفترض التقييمات المختبرية الظروف القياسية: ارتفاع أقل من 1000 متر، ودرجة الحرارة المحيطة 20 درجة مئوية، وسطح مبيت نظيف. نادراً ما تتطابق التركيبات الحقيقية مع هذه الافتراضات.

تقليل الارتفاعات: فوق 1000 م، تقل كثافة الهواء المنخفضة فوق 1000 م، يقلل انخفاض كثافة الهواء من جهد الوميض الخارجي بحوالي 1% لكل 100 م. عند ارتفاع 2000 م، ضع في اعتبارك اختيار فئة الجهد التالية أو تحديد العلب البوليمرية الممتدة الزاحفة.

شدة التلوث: تحدد المواصفة IEC 60815 فئات التلوث من “خفيف جدًا” إلى “ثقيل جدًا”. تقلل ترسبات التلوث على علب الصواعق من هامش الوميض. تتفوق العلب المصنوعة من البوليمر على البورسلين في حالات التلوث الشديد - حيث إن سطحها الكاره للماء يزيح التلوث ويحافظ على قوة وميض أعلى. حدد مسافة الزحف ≥25 مم/كيلوفولت للبيئات شديدة التلوث.

درجات الحرارة القصوى: تعمل الموانع القياسية من -40 درجة مئوية إلى +40 درجة مئوية محيطة. تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع تقادم الموانع المتحركة؛ وتؤثر درجات الحرارة المنخفضة على مرونة مبيت البوليمر. تحقق من مواصفات الشركة المصنعة للتركيبات المناخية القاسية.

اختيار مواد الإسكان:

• البورسلين: اختيار تقليدي، مقاومة ممتازة للأشعة فوق البنفسجية، وضع فشل هش
• البوليمر: أخف وزناً، وأداء تلوث فائق، وفشل غير متقطع، ويفضل بشكل متزايد لتطبيقات التوزيع

تكامل المفصل: غالبًا ما تشتمل موانع التوزيع على فواصل متكاملة تعزل الوحدات المعطلة وتوفر مؤشرًا مرئيًا. مفيدة عندما تتجاوز فترات الفحص سنة واحدة. يتم تنشيط الفاصل عندما يذيب تيار العطل المستمر عنصر الانصهار بعد تعطل الصواعق.

تنسيق الحماية من زيادة التيار الكهربائي مع حلول مجموعة المفاتيح الكهربائية XBRELE

تعمل مانعات زيادة التيار ضمن مخطط تنسيق عزل أوسع نطاقًا. وتتطلب الحماية المناسبة مطابقة مستويات حماية مانعات الصواعق مع قوة عزل المحولات وقواطع الدائرة الكهربائية و مكونات المفاتيح الكهربائية في جميع أنحاء النظام.

تقوم شركة XBRELE بتصنيع قواطع دوائر تفريغ الهواء، وموصلات تفريغ الهواء، ومكونات مجموعة المفاتيح الكهربائية متوسطة الجهد المصممة للأنظمة حتى 40.5 كيلو فولت. ويدعم فريقنا الهندسي تحليل تنسيق العزل، مما يساعد على مطابقة تصنيفات القواطع الكهربائية الفراغية ومواصفات المكونات مع متطلبات الحماية من زيادة التيار.

سواء كنت تحدد محطات فرعية جديدة أو تقوم بترقية أنظمة الحماية الحالية, اتصل بـ XBRELE للاستشارات الفنية. نحن نقدم أوراق بيانات التنسيق التفصيلية ويمكننا التوصية بتصنيفات BIL المناسبة للمعدات التي تعمل جنبًا إلى جنب مع مانعات زيادة التيار التي اخترتها.

الأسئلة المتكررة

ما الذي يسبب فشل مانع زيادة التيار حتى عندما تبدو التصنيفات صحيحة؟
تعود معظم الأعطال الميدانية إلى مشكلات في التركيب وليس إلى أخطاء في التصنيف. يضيف الطول المفرط للرصاص انخفاضًا في الجهد أثناء الارتفاعات المفاجئة، حيث يساهم كل متر من الموصلات بحوالي 1 كيلو فولت أثناء النبضات الأمامية الحادة. تؤدي المعاوقة الأرضية التي تتجاوز 5 Ω إلى رفع جهد التثبيت الفعال، مما يقلل من هوامش الحماية إلى ما دون العتبات الآمنة.

كيف يؤثر تكوين التأريض على اختيار MCOV؟
تتطلب الأنظمة المؤرضة غير المؤرضة والمؤرضة الرنانة جهدًا أرضيًا متوسطًا يساوي أو يتجاوز الجهد الكامل من خط إلى خط لأن المراحل السليمة تحافظ على جهد مرتفع طوال مدة العطل الأرضي. تحتاج الأنظمة المؤرضة الصلبة إلى جهد من خط إلى خط محايد فقط بالإضافة إلى الهامش لأن إزالة العطل تحدث خلال دورات.

هل يمكن لموانع التوزيع من فئة التوزيع حماية معدات المحطات الفرعية؟
تفتقر مانعات الصواعق من فئة التوزيع (عادةً ما تكون من الفئة 2) إلى امتصاص الطاقة الكافية لتطبيقات مداخل المحطات الفرعية حيث تفرض طفرات التحويل وأحداث الصواعق متعددة الأشواط إجهادًا حراريًا أعلى. عادةً ما تكون موانع الصواعق من فئة المحطات (الفئة 3 أو أعلى) مطلوبة بشكل عام لحماية المحولات والحافلات.

لماذا تهيمن الموانع التي تحتوي على البوليمر على التركيبات الجديدة؟
تقدم العلب المصنوعة من البوليمر ثلاث مزايا: وزن أخف مما يقلل من الضغط الميكانيكي على هياكل التركيب، وأداء فائق في البيئات الملوثة بسبب خصائص السطح الكارهة للماء، ونمط الفشل غير المتشظي الذي يزيل مخاطر الشظايا الخزفية أثناء الفشل الكارثي.

كم مرة يجب اختبار مانعات زيادة التيار الكهربائي أو استبدالها؟
يكتشف الفحص البصري سنويًا الأضرار الواضحة - العلب المتشققة أو تشغيل المفصل أو علامات الاحتراق. يوفر قياس تيار التسرب كل 3-5 سنوات تقييمًا كميًا للحالة. الموانع المختارة جيدًا في البيئات المعتدلة تحقق عادةً عمرًا تشغيليًا يتراوح بين 20 و25 عامًا؛ أما البيئات عالية الإضاءة أو الملوثة فقد تقلل هذا العمر إلى 12-15 عامًا.

ما العلاقة بين الجهد المتبقي وتيار التفريغ؟
يزداد الجهد المتبقي مع زيادة حجم تيار التفريغ بسبب خصائص مقاومة MOV. تنتج زيادة التيار بمقدار 10 كيلو أمبير جهد تشبيك أعلى من زيادة التيار بمقدار 5 كيلو أمبير عبر نفس الصواعق. يحدد المصنعون الجهد المتبقي عند مستويات تيار متعددة (عادةً 5 كيلو أمبير، 10 كيلو أمبير، 20 كيلو أمبير) لتمكين حسابات التنسيق الدقيقة.

هل موقع الصواعق داخل المحطة الفرعية مهم؟
تنتقل موجات الجهد بسرعة 300 م/ثانية تقريبًا، مما يؤدي إلى تدهور الحماية حسب المسافة. تتعرض المعدات التي تقع على بعد أكثر من 8-10 أمتار من الصواعق لإجهاد جهد أعلى بسبب انعكاسات الموجات المتنقلة. تستفيد كل الأصول الحرجة - المحولات وقواطع الدارة الكهربائية ونهايات الكابلات - من الحماية المخصصة من زيادة التيار عندما يتجاوز الفصل المادي هذه الحدود.