تنسيق أجهزة الحماية من زيادة التيار الكهربائي

تحتوي موجات الصواعق على كميات كبيرة من الطاقة التي يجب تحويلها بعيدًا عن المعدات المعرضة للخطر، وهو النظام الذي يجب حمايته من موجات الصواعق. تم تصميم المعدات الإلكترونية التي تحمل علامة CE بحيث تتمتع بحصانة مدمجة معينة ضد الجهد الزائد وفقًا لـ IEC 61000-4-5. سيكون هذا المستوى من الحصانة كافيًا لغالبية المباني المكتبية حيث توجد المعدات المعرضة للخطر بعيدًا عن مدخل الخدمة الكهربائية. لذلك، ستعمل المعدات التي تحمل علامة CE بشكل جيد بدون حماية من التيار الزائد في العديد من البيئات. ومع ذلك، عندما يتم تثبيت المعدات المعرضة للخطر بالقرب من مدخل الخدمة الكهربائية أو في حاوية خارجية، وخاصة في المناطق ذات الأرض المادية الرديئة مثل الرمال الجافة أو الصخور، فغالبًا ما يكون من الضروري إضافة أجهزة حماية خارجية من التيار الزائد (SPDs). توصي IEC (IEC 61024) بإنشاء مناطق حماية من الصواعق (LPZ) لتقليل تيارات الصواعق على مراحل متتالية، وصولاً إلى الحصانة المدمجة للمعدات المعرضة للخطر. يعتمد عدد المناطق المطلوبة على الهيكل الذي يحتوي على التركيب والمعدات المعرضة للخطر. تتطلب المواصفة IEC 61024 تركيب جهاز حماية من زيادة التيار عند حدود كل منطقة، ويجب ألا يتم تجاوز تصنيفات التيار والجهد الزائد لأجهزة الحماية من زيادة التيار الفردية. تشرح هذه الورقة الغرض والمفهوم من تنسيق جهاز حماية من زيادة التيار وفقًا للمعيار IEC 61312.

غرض التنسيق

لتقليل خطر الصواعق بشكل متتابع، على مراحل (SPD 1 و2 و3) حتى قدرة المعدات المعرضة للخطر على تحمل الارتفاع المفاجئ في التيار، دون تجاوز تصنيفات التيار والجهد الزائد لكل جهاز SPD على حدة. 

متغير1

مفاهيم التنسيق

متغير1

كما هو موضح في الشكل 1، فإن الجهد المقدر لـ SPD متطابق ويتم تحقيق التنسيق عن طريق فصل كل SPD عن طريق معاوقة تسلسلية. لا توصي IEC بالإصدار I، ربما لأنه يتطلب حوالي 30 قدمًا (10 أمتار) من الأسلاك أو المحاثات المنفصلة بين كل SPD، وهو أمر غير عملي عند تركيب المعدات بالقرب من مدخل الخدمة الكهربائية أو في الحاويات الخارجية.

البديل الثاني

كما هو موضح في الشكل 2، فإن الفولتية المقدرة لـ SPD متدرجة. يتمتع SPD في المعدات المعرضة للخطر بأعلى فولتية مقدرة، بينما تتمتع SPD 3 و2 و1 بفولتية مقدرة أقل تدريجيًا، مما يضمن أن كل SPD أعلى سيحول تيارات أعلى تدريجيًا. من الصعب تنفيذ البديل الثاني نظرًا لأن معظم مصادر الطاقة وأنظمة الطاقة غير القابلة للانقطاع ومقومات الاتصالات، المقدرة بـ 230 فولت، تستخدم SPDs المدخلة بتصنيف 275 فولت. لذلك، فإن خفض الجهد المقدر من شأنه أن يتسبب في تدمير SPD 1 و2 بواسطة تقلبات جهد الخط العادي. وقد أظهرت التجربة أن التقلبات التي تزيد عن 10%، والتي تؤدي إلى 250 فولت، ليست غير عادية.

 البديل الثاني

البديل الثالث

Shown in Figure 3, Variant III includes a component with a non-linear current/voltage characteristic, such as a spark gap. The SPD 1 spark gap would divert the majority of the surge current and output a combined wave (similar to ANSI/IEEE C62.41-1991, Category B3, Combination Wave, 3000 A, 6000 V) to downstream SPDs 2 and 3. The voltage ratings of SPD 2 and 3 are identical, but each device will handle considerably less current thanks to the much higher energy handling capability of spark gap SPD 1. Variant III is a better choice than I or II because the spark gap is insensitive to fluctuations in line voltage. However, spark gap follow-on, short-circuit current may be an issue and the Metal Oxide Varistors (MOVs) will still be sensitive to line voltage fluctuations.

  Variant III

Variant III is a better choice than I or II as the spark gap is insensitive to fluctuations in line voltage.

Variant IV

Figure 4 shows a two-port hybrid device that incorporates cascaded stages of SPDs internally coordinated with series impedances. A hybrid device can be designed to maximize performance while reducing the undesirable characteristics of spark gaps and SPDs based on varistor or silicon-avalanche-diode technology. The use of a hybrid device eliminates the need to coordinate surge protective devices, but does not eliminate sensitivity to prolonged line over voltage.

   Variant IV

Summary

Equipment designed to conform to CE requirements has a built-in surge immunity level that is sufficient in most office applications. However, equipment installed close to the electric service entrance or in an outdoor enclosure, particularly in areas with a large number of lightning days, requires additional protection – especially if the physical ground is poor. Surge protective devices require coordination to perform well. The remnant voltage of the SPD closest to the vulnerable equipment, shall not exceed its built-in immunity level. Coordination of surge protective devices is not always easy and the best solution may be a two-port, hybrid device, which will simplify the planning and installation process. Because high line voltage will destroy varistor and silicon-avalanche devices that are rated too close to the line voltage, this must be considered when planning for protection in areas with unstable power lines.