تم تصميم جهاز الحماية من زيادة التيار، المعروف أيضًا باسم واقي زيادة التيار أو SPD، لحماية المكونات الكهربائية من ارتفاعات الجهد التي قد تحدث في الدائرة الكهربائية.

عندما يتم إنتاج زيادة مفاجئة في التيار أو الجهد في الدائرة الكهربائية أو دائرة الاتصالات نتيجة للتداخل الخارجي، فإن جهاز حماية التيار الزائد قد يقوم بالتوصيل والتحويل في فترة زمنية قصيرة جدًا، مما يمنع التيار الزائد من إتلاف الأجهزة الأخرى في الدائرة.

تُعد أجهزة الحماية من زيادة التيار الكهربائي (SPDs) طريقة فعالة من حيث التكلفة لمنع الانقطاعات وتعزيز موثوقية النظام.

يتم تركيبها عادة في لوحات التوزيع وتلعب دورًا مهمًا في ضمان التشغيل السلس والمتواصل للأجهزة الإلكترونية في مجموعة واسعة من التطبيقات عن طريق الحد من الجهد الزائد العابر.

يعمل جهاز SPD على تحويل الجهد الزائد الناتج عن طفرات الجهد العابرة بعيدًا عن المعدات المحمية. يتكون هذا الجهاز عادةً من مقاومات أكسيد معدني (MOVs) أو أنابيب تفريغ غازية تمتص الجهد الزائد وتعيد توجيهه إلى الأرض، مما يحمي الأجهزة المتصلة.

يمكن أن تحدث طفرات التيار الكهربائي لأسباب متعددة، منها الصواعق، وفصل الشبكة الكهربائية، وخلل في الأسلاك، وتشغيل معدات كهربائية عالية الطاقة. كما يمكن أن تحدث أيضًا بسبب أحداث تحدث داخل المبنى، مثل بدء تشغيل المحركات أو تشغيل/إيقاف الأجهزة الكبيرة.

يمكن أن يوفر تثبيت SPD العديد من الفوائد، بما في ذلك:

حماية المعدات الإلكترونية الحساسة من ارتفاع الجهد الكهربائي المضر.

منع فقدان البيانات أو إتلافها في أنظمة الكمبيوتر.

إطالة عمر الأجهزة والمعدات من خلال حمايتها من الاضطرابات الكهربائية.

تقليل مخاطر الحرائق الكهربائية الناجمة عن ارتفاع التيار الكهربائي.

راحة البال عند معرفة أن معداتك القيمة محمية.

يختلف عمر جهاز SPD باختلاف عوامل مثل جودته، وشدة ارتفاعات التيار التي يتعرض لها، وإجراءات الصيانة. يتراوح عمر جهاز SPD عمومًا بين 5 و10 سنوات. مع ذلك، يُنصح بفحصه واختباره بانتظام واستبداله عند الحاجة لضمان الحماية المثلى.

قد تختلف الحاجة إلى أجهزة SPD تبعًا لعوامل مثل الموقع الجغرافي، واللوائح المحلية، وحساسية الأجهزة الإلكترونية المتصلة. يُنصح باستشارة كهربائي أو مهندس كهرباء مؤهل لتقييم احتياجاتك الخاصة وتحديد ما إذا كان جهاز SPD ضروريًا لنظامك الكهربائي.

من بين مكونات الحماية من زيادة التيار الشائعة المستخدمة في تصنيع أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs): المقاومات المتغيرة لأكسيد المعدن (MOVs)، وثنائيات انهيار الانهيار (ABDs - المعروفة سابقًا باسم ثنائيات انهيار السيليكون أو SADs)، وأنابيب التفريغ الغازي (GDTs). تُعدُّ صمامات MOVs التقنية الأكثر شيوعًا لحماية دوائر التيار المتردد. يرتبط تصنيف تيار زيادة التيار في صمام MOV بمساحة المقطع العرضي وتركيبه. بشكل عام، كلما كبرت مساحة المقطع العرضي، زاد تصنيف تيار زيادة التيار في الجهاز. عادةً ما تكون صمامات MOVs ذات هندسة دائرية أو مستطيلة، ولكنها تأتي بأبعاد قياسية متنوعة تتراوح من 7 مم (0.28 بوصة) إلى 80 مم (3.15 بوصة). تختلف تصنيفات تيار زيادة التيار لهذه المكونات بشكل كبير وتعتمد على الشركة المصنعة. كما ذُكر سابقًا في هذه الفقرة، يُمكن حساب قيمة تيار الاندفاع عن طريق ربط صمامات MOV في مصفوفة متوازية، وذلك ببساطة عن طريق جمع قيم تيار الاندفاع لكل صمام MOV على حدة للحصول على قيمة تيار الاندفاع للمصفوفة. وفي هذه الحالة، يجب مراعاة تنسيق التشغيل.

هناك العديد من الفرضيات حول أي مكون، وطوبولوجيا، واستخدام تقنية محددة تُنتج أفضل مُعدّل تيار اندفاعي لتحويل تيار الفيض. بدلاً من عرض جميع الخيارات، يُفضّل أن يتمحور النقاش حول تصنيف تيار الاندفاع، أو تصنيف تيار التفريغ الاسمي، أو قدرات تيار الاندفاع حول بيانات اختبار الأداء. بغض النظر عن المكونات المستخدمة في التصميم، أو الهيكل الميكانيكي المُستخدم، فإن المهم هو أن يكون مُعدّل تيار الاندفاع أو تصنيف تيار التفريغ الاسمي مُناسبًا للتطبيق.

تنص النسخة الحالية من لوائح الأسلاك IET، BS 7671:2018، على أنه ما لم يتم إجراء تقييم للمخاطر، فيجب توفير الحماية ضد الجهد الزائد المؤقت حيث يمكن أن تكون العواقب الناجمة عن الجهد الزائد:

يؤدي إلى إصابة خطيرة أو فقدان الحياة البشرية؛ أو

يؤدي إلى انقطاع الخدمات العامة و/أو إلحاق الضرر بالتراث الثقافي؛ أو

يؤدي إلى انقطاع النشاط التجاري أو الصناعي؛ أو

تؤثر على عدد كبير من الأفراد الذين يعيشون في نفس المكان.

ينطبق هذا النظام على جميع أنواع المباني بما في ذلك السكنية والتجارية والصناعية.

على الرغم من أن لوائح الأسلاك IET ليست بأثر رجعي، إلا أنه عندما يتم تنفيذ العمل على دائرة موجودة داخل منشأة تم تصميمها وتثبيتها وفقًا لإصدار سابق من لوائح الأسلاك IET، فمن الضروري التأكد من أن الدائرة المعدلة تتوافق مع الإصدار الأحدث، وهذا سيكون مفيدًا فقط إذا تم تثبيت أجهزة حماية الأسلاك SPD لحماية المنشأة بأكملها.

قرار شراء أجهزة SPD يعود للعميل، ولكن يجب تزويده بمعلومات كافية لاتخاذ قرار مدروس بشأن الاستغناء عنها. يجب اتخاذ القرار بناءً على عوامل خطر السلامة وبعد تقييم تكلفة أجهزة SPD، التي قد لا تتجاوز بضع مئات من الجنيهات الإسترلينية، مقارنةً بتكلفة التركيبات الكهربائية والمعدات المتصلة بها، مثل أجهزة الكمبيوتر والتلفزيونات والمعدات اللازمة، مثل كاشفات الدخان وأجهزة التحكم في الغلايات.

يمكن تركيب الحماية من زيادة التيار في وحدة المستهلك الحالية إذا كانت المساحة المادية المناسبة متاحة، أو إذا لم تكن المساحة كافية، فيمكن تركيبها في حاوية خارجية مجاورة لوحدة المستهلك الحالية.

من المفيد أيضًا التحقق من شركة التأمين الخاصة بك لأن بعض السياسات قد تنص على أنه يجب تغطية المعدات بـ SPD أو لن يتم الدفع في حالة المطالبة.

يُقيَّم تصنيف واقي الصواعق (المعروف باسم الحماية من الصواعق) وفقًا لنظرية الحماية من الصواعق الفرعية IEC 61643-31 وEN 50539-11، والذي يُركَّب عند تقاطع الحاجز. تختلف المتطلبات الفنية والوظائف. يُركَّب جهاز الحماية من الصواعق من المرحلة الأولى بين المنطقة 0-1، وهي المنطقة ذات التدفق العالي، بينما الحد الأدنى لمتطلبات IEC 61643-31 وEN 50539-11 هو 12.5 كيلو فولت أمبير (10/350)، ويُركَّب المستويان الثاني والثالث بين المنطقتين 1-2 و2-3، وذلك بشكل رئيسي للحد من الجهد الزائد.

تعتبر أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) ضرورية لحماية المعدات الإلكترونية من التأثيرات الضارة للجهد الزائد العابر الذي يمكن أن يتسبب في حدوث تلف وتوقف النظام وفقدان البيانات.

في كثير من الحالات، يمكن أن تكون تكلفة استبدال المعدات أو إصلاحها كبيرة، خاصة في التطبيقات المهمة مثل المستشفيات ومراكز البيانات والمصانع الصناعية.

لا يتم تصميم قواطع الدائرة والصمامات للتعامل مع هذه الأحداث ذات الطاقة العالية، مما يجعل الحماية الإضافية من زيادة التيار ضرورية.

تم تصميم أجهزة SPD خصيصًا لتحويل الجهد الزائد العابر بعيدًا عن المعدات، مما يحميها من التلف ويطيل عمرها الافتراضي.

وفي الختام، تعتبر أنظمة SPD ضرورية في البيئة التكنولوجية الحديثة.

مبدأ عمل SPD

المبدأ الأساسي لمحولات الجهد الكهربي (SPDs) هو أنها توفر مسارًا منخفض المقاومة إلى الأرض للجهد الزائد. عند حدوث طفرات أو ارتفاعات مفاجئة في الجهد، تعمل محولات الجهد الكهربي على تحويل الجهد والتيار الزائدين إلى الأرض.

بهذه الطريقة يتم تخفيض حجم الجهد الوارد إلى مستوى آمن لا يؤدي إلى إتلاف الجهاز المتصل.

لكي يعمل جهاز حماية التيار الزائد، يجب أن يحتوي على مكون غير خطي واحد على الأقل (مقاوم متغير أو فجوة شرارة)، والذي ينتقل تحت ظروف مختلفة بين حالة معاوقة عالية ومنخفضة.

وظيفتها هي تحويل تيار التفريغ أو النبض والحد من الجهد الزائد في المعدات الموجودة في اتجاه مجرى النهر.

تعمل أجهزة حماية التيار الكهربائي في ظل المواقف الثلاثة المذكورة أدناه.

أ. الحالة الطبيعية (عدم وجود زيادة مفاجئة)

في حالة عدم وجود ظروف زيادة مفاجئة، لا يكون لـ SPD أي تأثير على النظام ويعمل كدائرة مفتوحة، ويظل في حالة معاوقة عالية.

ب. أثناء ارتفاع الجهد الكهربائي

في حالة حدوث طفرات مفاجئة في الجهد، ينتقل مُحسِّن الجهد الكهربي (SPD) إلى حالة التوصيل، وتنخفض معاوقته. بهذه الطريقة، يحمي النظام بتحويل تيار النبضات إلى الأرض.

ج. العودة إلى التشغيل الطبيعي

بعد تفريغ الجهد الزائد، يعود SPD إلى حالته الطبيعية ذات المقاومة العالية.

تُعد أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) مكونات أساسية في الشبكات الكهربائية. ومع ذلك، قد يكون اختيار جهاز SPD مناسب لنظامك أمرًا صعبًا.

أقصى جهد تشغيل مستمر (UC)

يجب أن يتوافق الجهد المقنن لجهاز SPD مع جهد النظام الكهربائي لتوفير حماية مناسبة له. سيؤدي انخفاض الجهد إلى تلف الجهاز، بينما لن يؤدي ارتفاعه إلى تحويل النبضات العابرة بشكل صحيح.

وقت الاستجابة

يُوصف بأنه زمن استجابة SPD للأحداث العابرة. كلما كانت استجابة SPD أسرع، كانت الحماية التي يوفرها أفضل. عادةً ما تكون استجابة SPD المعتمدة على ثنائي زينر أسرع. أما الأنواع المملوءة بالغاز فلديها زمن استجابة بطيء نسبيًا، بينما تتمتع أنواع الصمامات وأنواع MOV بأبطأ زمن استجابة.

تيار التفريغ الاسمي (بوصة)

يجب اختبار SPD عند شكل موجة 8/20 ميكروثانية والقيمة النموذجية لـ SPD ذات الحجم المصغر السكني هي 20 كيلو أمبير.

أقصى تيار تفريغ النبضة (Iimp)

يجب أن يكون الجهاز قادرًا على التعامل مع أقصى تيار مفاجئ متوقع على شبكة التوزيع لضمان عدم فشله أثناء حدث عابر ويجب اختبار الجهاز باستخدام شكل موجة 10/350 ميكروثانية.

جهد التثبيت

هذا هو جهد العتبة وفوق مستوى الجهد هذا، يبدأ SPD في تثبيت أي جهد عابر يكتشفه في خط الطاقة.

الشركة المصنعة والشهادات

يُعد اختيار جهاز SPD من شركة مصنعة معروفة وحاصلة على شهادة من جهة اختبار محايدة، مثل UL أو IEC، أمرًا بالغ الأهمية. تضمن هذه الشهادة خضوع المنتج للفحص واجتيازه جميع متطلبات الأداء والأمان.

إن فهم إرشادات الحجم هذه سوف يمكّنك من اختيار أفضل جهاز حماية من زيادة التيار لتلبية احتياجاتك وضمان حماية فعالة من زيادة التيار.

صُممت أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) لتوفير حماية موثوقة ضد ارتفاع الجهد الكهربي المؤقت، إلا أن بعض العوامل قد تؤدي إلى تعطلها. فيما يلي بعض الأسباب الكامنة وراء تعطل أجهزة الحماية من زيادة التيار:

1. ارتفاعات الطاقة المفرطة

أحد الأسباب الرئيسية لفشل جهاز SPD هو الجهد الزائد، والذي قد يحدث نتيجةً للصواعق، أو ارتفاعات التيار الكهربائي المفاجئة، أو أي اضطرابات كهربائية أخرى. تأكد من تركيب النوع المناسب من جهاز SPD بعد إجراء حسابات تصميم دقيقة للموقع.

2. عامل الشيخوخة

بسبب الظروف البيئية، بما في ذلك درجة الحرارة والرطوبة، فإن عمر أجهزة SPD محدود وقد تتلف بمرور الوقت. علاوة على ذلك، قد تتضرر أجهزة SPD بسبب ارتفاعات الجهد المتكررة.

3. مشاكل التكوين

سوء التكوين، كما هو الحال عند ربط جهاز SPD مُهيأ على شكل حرف W بحمل متصل عبر دلتا. قد يُعرّض هذا الجهاز لجهد أعلى، مما قد يؤدي إلى تعطله.

4. فشل المكونات

تحتوي SPDs على العديد من المكونات، مثل المقاومات المتغيرة لأكسيد المعدن (MOVs)، والتي يمكن أن تفشل بسبب عيوب التصنيع أو العوامل البيئية.

5. التأريض غير السليم

لكي يعمل جهاز SPD بشكل صحيح، لا بد من تأريضه. قد يتعطل جهاز SPD أو يُصبح مصدر قلق للسلامة إذا لم يُؤرض بشكل صحيح.