مزايا جهاز الحماية من زيادة التيار الكهربائي (SPD) 3PN مقارنةً بجهاز الحماية من زيادة التيار الكهربائي (SPD) 4P في أنظمة الجهد المنخفض

مزايا جهاز الحماية من زيادة التيار الكهربائي (SPD) 3PN مقارنةً بجهاز الحماية من زيادة التيار الكهربائي (SPD) 4P في أنظمة الجهد المنخفض

 

في أنظمة توزيع التيار المتردد منخفضة الجهد، تلعب أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) دورًا حاسمًا في حماية المعدات الكهربائية من ارتفاع الجهد العابر. من بين تكوينات SPD، يشيع استخدام النوعين 3PN ("3+1") و4P ("4+0"). في حين أن كلا التصميمين يستخدمان مكونات تحديد الجهد (مثل مقاومات أكسيد المعدن، أو MOVs) لحماية الطور إلى المحايد (LN) والطور إلى الأرض (L-PE)، إلا أن الفرق الرئيسي بينهما يكمن في مكون حماية المحايد إلى الأرض (N-PE). يؤثر هذا التمييز بشكل كبير على أدائهما في ظروف أعطال محددة، مما يجعل SPD من النوع 3PN متفوقًا في السيناريوهات التي تتضمن ارتفاع جهد نقطة المحايد. يحلل هذا المقال الأساس التقني لهذه الميزة.

 

الاختلافات الهيكلية بين 3PN و 4P SPDs

• 4P-Type SPD: تستخدم جميع الأقطاب الأربعة (L1-N، وL2-N، وL3-N، وN-PE) مكونات تحديد الجهد (MOVs).  
• 3PN-Type SPD: تستخدم أقطاب LN محركات MOV، بينما يستخدم قطب N-PE مكون تبديل الجهد، وهو عادةً أنبوب تفريغ الغاز (GDT).  

يعالج هذا التباعد في تصميم حماية N-PE بشكل مباشر سيناريو الخطأ الحرج: ارتفاع جهد النقطة المحايدة أثناء أعطال أرضية المحولات ذات الجهد المتوسط ​​(MV) .

 

ارتفاع النقطة المحايدة ومخاطرها

في أنظمة الطاقة، عادةً ما تُؤرَّض المحولات عند نقطة التعادل. عند حدوث عطل تأريض في محول جهد متوسط، يتدفق التيار عبر مقاومة التأريض (Rg)، مما يرفع جهد نقطة التعادل (VN ₎ وفقًا لقانون أوم:  

V _N = I _fault X Rg

على سبيل المثال، وفقًا للمعيار الصيني GB 50057-2010، Rg ≤ 4Ω. إذا وصل تيار العطل إلى 300 أمبير (وهي قيمة حدية شائعة لانقطاع الدائرة)، _يرتفع  VN إلى   :

V _N = 300AX 4Ω = 1200 فولت

ينتشر هذا الجهد الزائد البالغ 1200 فولت على طول الموصل المحايد إلى الأنظمة اللاحقة. يُلزم المعيار GB/T 18802.11-2020 أجهزة SPD بتحمل اختبار 1200 فولت على مسار N-PE لمحاكاة هذه الحالة.

 

آلية فشل MOVs في مسار N-PE

في SPD من النوع 4P، يواجه N-PE MOV تحديين في هذا السيناريو:  

١. تجاوز جهد التثبيت: يتجاوز الجهد الزائد البالغ ١٢٠٠ فولت بكثير أقصى جهد تشغيل مستمر (Uc) للمركبات متعددة الأغراض (MOVs) النموذجية (مثل ٤٤٠-٦٠٠ فولت). هذا يؤدي إلى تعطل فوري.  

٢. الانفلات الحراري: بعد العطل، يُمرر صمام MOV تيار عطل مستمر. قبل تفعيل الفاصل الحراري، غالبًا ما يؤدي تبديد الطاقة (I2t) إلى ارتفاع درجة الحرارة، أو الاشتعال، أو تلف SPD.  

 

مزايا GDTs في SPDs من النوع 3PN

يستبدل نوع SPD 3PN نوع N-PE MOV بـ GDT، والذي يوفر:  

1. جهد تحمل أعلى: تتمتع GDTs بجهد شرارة أعلى (على سبيل المثال، 600-1500 فولت)، مما يسمح لها بالبقاء غير نشطة في ظل الظروف العادية ولكنها تنشط أثناء الجهد الزائد الشديد مثل خطأ 1200 فولت.  

2. Current Interruption Capability: Once triggered, GDTs extinguish the arc after the transient, preventing sustained conduction. This avoids thermal stress and ensures SPD survivability.  

3. Energy Coordination: The GDT’s delayed response aligns with upstream MOVs, enabling staged energy dissipation. MOVs handle fast transients (e.g., lightning surges), while the GDT addresses low-frequency, high-magnitude faults.  

 

Compliance with Standards and Safety

The GB/T 18802.11-2020 test validates that only SPDs with voltage-switching components (GDTs) in the N-PE path can safely endure 1200 V overvoltages. 4P-type SPDs, relying solely on MOVs, risk catastrophic failure in this scenario. The 3PN design thus aligns with regulatory requirements while enhancing fire safety and equipment reliability.

 

Conclusion

The 3PN-type SPD’s hybrid design —combining MOVs for L-N protection and a GDT for N-PE protection— provides a robust defense against neutral-point elevation faults. By mitigating thermal runaway risks and complying with rigorous testing standards, the 3PN configuration outperforms the 4P-type SPD in systems prone to ground faults. Engineers and designers should prioritize this topology in applications where neutral conductor overvoltages are a foreseeable risk, ensuring both compliance and operational resilience.