یک دستگاه محافظ ولتاژ که به عنوان محافظ ولتاژ یا SPD نیز شناخته می‌شود، برای محافظت از اجزای الکتریکی در برابر افزایش ولتاژ که ممکن است در مدار الکتریکی رخ دهد، طراحی شده است.

هرگاه در اثر تداخل خارجی، افزایش ناگهانی جریان یا ولتاژ در مدار الکتریکی یا مدار ارتباطی ایجاد شود، دستگاه محافظ اضافه ولتاژ می‌تواند در مدت زمان بسیار کوتاهی عمل هدایت و شنت را انجام دهد و از آسیب رساندن اضافه ولتاژ به سایر دستگاه‌های مدار جلوگیری کند.

دستگاه‌های محافظ سرج (SPD) روشی مقرون به صرفه برای جلوگیری از قطعی برق و افزایش قابلیت اطمینان سیستم هستند.

آنها معمولاً در تابلوهای توزیع نصب می‌شوند و با محدود کردن اضافه ولتاژهای گذرا، نقش مهمی در تضمین عملکرد روان و بدون وقفه دستگاه‌های الکترونیکی در طیف وسیعی از کاربردها ایفا می‌کنند.

یک SPD با منحرف کردن ولتاژ اضافی ناشی از نوسانات گذرا از تجهیزات محافظت‌شده کار می‌کند. این قطعه معمولاً از وریستورهای اکسید فلزی (MOV) یا لوله‌های تخلیه گاز تشکیل شده است که ولتاژ اضافی را جذب کرده و آن را به زمین هدایت می‌کنند و در نتیجه از دستگاه‌های متصل محافظت می‌کنند.

نوسانات برق می‌تواند به دلایل مختلفی از جمله صاعقه، تعویض شبکه برق، سیم‌کشی معیوب و عملکرد تجهیزات الکتریکی پرقدرت رخ دهد. همچنین می‌تواند در اثر اتفاقاتی که در داخل ساختمان رخ می‌دهد، مانند روشن شدن موتورها یا روشن/خاموش شدن لوازم خانگی بزرگ، ایجاد شود.

نصب SPD می‌تواند مزایای متعددی از جمله موارد زیر را ارائه دهد:

محافظت از تجهیزات الکترونیکی حساس در برابر نوسانات ولتاژ و آسیب‌های ناشی از آن

جلوگیری از از دست رفتن یا خراب شدن داده‌ها در سیستم‌های کامپیوتری.

افزایش طول عمر وسایل و تجهیزات با محافظت از آنها در برابر اختلالات الکتریکی.

کاهش خطر آتش‌سوزی ناشی از نوسانات برق.

خیالتان راحت باشد که از تجهیزات ارزشمندتان محافظت می‌شود.

طول عمر یک SPD می‌تواند بسته به عواملی مانند کیفیت آن، شدت نوسانات ولتاژ و شیوه‌های نگهداری متفاوت باشد. به طور کلی، SPDها طول عمری بین ۵ تا ۱۰ سال دارند. با این حال، توصیه می‌شود SPDها را به طور منظم بازرسی و آزمایش کنید و در صورت نیاز آنها را تعویض کنید تا از حفاظت بهینه اطمینان حاصل شود.

نیاز به SPDها ممکن است بسته به عواملی مانند موقعیت جغرافیایی، مقررات محلی و حساسیت تجهیزات الکترونیکی متصل متفاوت باشد. توصیه می‌شود برای ارزیابی نیازهای خاص خود و تعیین اینکه آیا SPD برای سیستم الکتریکی شما ضروری است یا خیر، با یک برقکار یا مهندس برق واجد شرایط مشورت کنید.

چند قطعه رایج محافظ سرج که در ساخت SPDها استفاده می‌شوند عبارتند از وریستورهای اکسید فلزی (MOV)، دیودهای شکست بهمنی (ABDها - که قبلاً به عنوان دیودهای بهمنی سیلیکونی یا SAD شناخته می‌شدند) و لوله‌های تخلیه گازی (GDTها). MOVها رایج‌ترین فناوری مورد استفاده برای محافظت از مدارهای برق AC هستند. میزان جریان سرج یک MOV به سطح مقطع و ترکیب آن مربوط می‌شود. به طور کلی، هرچه سطح مقطع بزرگتر باشد، میزان جریان سرج دستگاه بیشتر است. MOVها عموماً دارای هندسه گرد یا مستطیلی هستند اما در ابعاد استاندارد فراوانی از 7 میلی‌متر (0.28 اینچ) تا 80 میلی‌متر (3.15 اینچ) موجود هستند. میزان جریان سرج این قطعات محافظ سرج بسیار متفاوت است و به سازنده بستگی دارد. همانطور که قبلاً در این بند بحث شد، با اتصال MOVها در یک آرایه موازی، می‌توان مقدار جریان سرج را با جمع کردن میزان جریان سرج هر MOV به یکدیگر محاسبه کرد تا میزان جریان سرج آرایه به دست آید. در این راستا، باید هماهنگی بین دستگاه‌های اجرایی مورد توجه قرار گیرد.

فرضیه‌های زیادی در مورد اینکه چه قطعه‌ای، چه توپولوژی و چه فناوری خاصی بهترین SPD را برای منحرف کردن جریان سرج تولید می‌کند، وجود دارد. به جای ارائه همه گزینه‌ها، بهتر است بحث در مورد میزان جریان سرج، میزان جریان تخلیه اسمی یا قابلیت‌های جریان سرج حول داده‌های آزمایش عملکرد بچرخد. صرف نظر از قطعات استفاده شده در طراحی یا ساختار مکانیکی خاص به کار رفته، آنچه مهم است این است که SPD دارای میزان جریان سرج یا میزان جریان تخلیه اسمی مناسب برای کاربرد مورد نظر باشد.

نسخه فعلی مقررات سیم‌کشی IET، BS 7671:2018، بیان می‌کند که در صورت عدم انجام ارزیابی ریسک، حفاظت در برابر اضافه ولتاژ گذرا باید در مواردی که عواقب ناشی از اضافه ولتاژ می‌تواند:

منجر به آسیب جدی یا از دست دادن جان انسان شود؛ یا

منجر به قطع خدمات عمومی و/یا آسیب به میراث فرهنگی شود؛ یا

منجر به وقفه در فعالیت‌های تجاری یا صنعتی شود؛ یا

تعداد زیادی از افراد ساکن در یک مکان را تحت تأثیر قرار دهد.

این آیین‌نامه در مورد انواع اماکن از جمله مسکونی، تجاری و صنعتی اعمال می‌شود.

اگرچه مقررات سیم‌کشی IET عطف به ماسبق نمی‌شود، اما در مواردی که کار بر روی مدار موجود در تأسیساتی که بر اساس نسخه قبلی مقررات سیم‌کشی IET طراحی و نصب شده است، انجام می‌شود، لازم است اطمینان حاصل شود که مدار اصلاح‌شده با آخرین نسخه مطابقت دارد، این امر تنها در صورتی مفید خواهد بود که SPDها برای محافظت از کل تأسیسات نصب شوند.

تصمیم در مورد خرید SPDها به عهده مشتری است، اما باید اطلاعات کافی در اختیار آنها قرار گیرد تا بتوانند در مورد حذف SPDها تصمیم آگاهانه‌ای بگیرند. تصمیم باید بر اساس عوامل خطر ایمنی و پس از ارزیابی هزینه SPDها، که ممکن است هزینه‌ای در حد چند صد پوند داشته باشند، در مقابل هزینه نصب برق و تجهیزات متصل به آن مانند کامپیوتر، تلویزیون و تجهیزات لازم، به عنوان مثال، تشخیص دود و کنترل دیگ بخار، گرفته شود.

در صورت وجود فضای فیزیکی مناسب، می‌توان محافظ ولتاژ را در یک واحد مصرفی موجود نصب کرد، یا اگر فضای کافی در دسترس نبود، می‌توان آن را در یک محفظه خارجی مجاور واحد مصرفی موجود نصب کرد.

همچنین ارزش دارد که با شرکت بیمه خود مشورت کنید زیرا برخی از بیمه‌ها ممکن است بیان کنند که تجهیزات باید تحت پوشش SPD باشند یا در صورت بروز خسارت، خسارتی پرداخت نخواهند کرد.

درجه‌بندی محافظ برق (که معمولاً به عنوان محافظ صاعقه شناخته می‌شود) بر اساس نظریه حفاظت از صاعقه زیربخش IEC 61643-31 و EN 50539-11 ارزیابی می‌شود که در محل اتصال پارتیشن نصب می‌شود. الزامات فنی و عملکردها متفاوت است. دستگاه حفاظت از صاعقه مرحله اول بین ناحیه 0-1، برای نیاز جریان بالا نصب می‌شود، حداقل الزام IEC 61643-31 و EN 50539-11، Itotal (10/350) 12.5 ka است و سطوح دوم و سوم بین نواحی 1-2 و 2-3 نصب می‌شوند، که عمدتاً برای سرکوب اضافه ولتاژ است.

دستگاه‌های محافظ سرج (SPD) برای محافظت از تجهیزات الکترونیکی در برابر اثرات مضر اضافه ولتاژ گذرا که می‌تواند باعث آسیب، از کار افتادن سیستم و از دست رفتن داده‌ها شود، ضروری هستند.

در بسیاری از موارد، هزینه تعویض یا تعمیر تجهیزات می‌تواند قابل توجه باشد، به خصوص در کاربردهای حیاتی مانند بیمارستان‌ها، مراکز داده و کارخانه‌های صنعتی.

قطع کننده‌های مدار و فیوزها برای مدیریت این رویدادهای پرانرژی طراحی نشده‌اند، و محافظت اضافی در برابر نوسانات برق ضروری است.

در حالی که SPD ها به طور خاص برای منحرف کردن اضافه ولتاژ گذرا از تجهیزات، محافظت از آن در برابر آسیب و افزایش طول عمر آن طراحی شده‌اند.

در نتیجه، SPDها در محیط فناوری مدرن ضروری هستند.

اصل کار SPD

اصل اساسی SPDها این است که آنها یک مسیر با امپدانس پایین به زمین برای ولتاژ اضافی فراهم می‌کنند. هنگامی که افزایش ناگهانی یا ناگهانی ولتاژ رخ می‌دهد، SPDها با منحرف کردن ولتاژ و جریان اضافی به زمین کار می‌کنند.

به این ترتیب، ولتاژ ورودی به سطح ایمنی کاهش می‌یابد که به دستگاه متصل آسیبی نمی‌رساند.

برای اینکه یک دستگاه حفاظت در برابر اضافه ولتاژ کار کند، باید حداقل یک قطعه غیرخطی (واریستور یا اسپارک گپ) داشته باشد که تحت شرایط مختلف بین حالت امپدانس بالا و پایین تغییر حالت دهد.

وظیفه آنها منحرف کردن جریان تخلیه یا ضربه و محدود کردن اضافه ولتاژ در تجهیزات پایین دستی است.

دستگاه‌های محافظت در برابر نوسانات برق تحت سه موقعیت ذکر شده در زیر عمل می‌کنند.

الف. شرایط عادی (عدم وجود نوسانات ولتاژ)

در صورت عدم وجود شرایط افزایش ناگهانی ولتاژ، SPD هیچ تاثیری بر سیستم ندارد و به عنوان یک مدار باز عمل می‌کند و در حالت امپدانس بالا باقی می‌ماند.

ب. در طول نوسانات ولتاژ

در صورت افزایش ناگهانی و شدید ولتاژ، SPD به حالت رسانایی می‌رود و امپدانس آن کاهش می‌یابد. به این ترتیب، با منحرف کردن جریان ضربه به زمین، از سیستم محافظت می‌کند.

ج. بازگشت به عملکرد عادی

پس از تخلیه اضافه ولتاژ، SPD به حالت امپدانس بالای عادی خود بازگشت.

دستگاه‌های محافظ سرج (SPD) اجزای ضروری شبکه‌های الکتریکی هستند. با این حال، انتخاب یک SPD مناسب برای سیستم شما ممکن است مسئله‌ی دشواری باشد.

حداکثر ولتاژ عملیاتی مداوم (UC)

ولتاژ نامی SPD باید با ولتاژ سیستم الکتریکی سازگار باشد تا حفاظت مناسبی از سیستم ارائه دهد. ولتاژ نامی پایین‌تر به دستگاه آسیب می‌رساند و ولتاژ نامی بالاتر، گذراها را به درستی منحرف نمی‌کند.

زمان پاسخ

این به عنوان زمان واکنش SPD به گذراها توصیف می‌شود. هرچه SPD سریع‌تر پاسخ دهد، محافظت توسط SPD بهتر است. معمولاً SPD های مبتنی بر دیود زنر سریع‌ترین پاسخ را دارند. انواع پر شده با گاز زمان پاسخ نسبتاً کندی دارند و انواع فیوز و MOV کندترین زمان پاسخ را دارند.

جریان تخلیه اسمی (اینچ)

SPD باید در شکل موج ۸/۲۰ میکروثانیه آزمایش شود و مقدار معمول برای SPD مینیاتوری مسکونی ۲۰ کیلوآمپر است.

حداکثر جریان تخلیه ضربه‌ای (Iimp)

این دستگاه باید بتواند حداکثر جریان ضربه‌ای مورد انتظار در شبکه توزیع را تحمل کند تا اطمینان حاصل شود که در طول یک رویداد گذرا از کار نمی‌افتد و دستگاه باید با شکل موج 10/350μs آزمایش شود.

ولتاژ بستن

این ولتاژ آستانه است و بالاتر از این سطح ولتاژ، SPD شروع به محدود کردن هرگونه ولتاژ گذرا که در خط برق تشخیص می‌دهد، می‌کند.

سازنده و گواهینامه‌ها

انتخاب SPD از یک سازنده شناخته شده که دارای گواهینامه از یک مرکز آزمایش بی طرف مانند UL یا IEC است، بسیار مهم است. این گواهینامه تضمین می‌کند که محصول مورد بررسی قرار گرفته و تمام الزامات عملکرد و امنیت را برآورده می‌کند.

درک این دستورالعمل‌های اندازه‌گیری به شما این امکان را می‌دهد که بهترین دستگاه محافظ در برابر نوسانات برق را متناسب با نیازهای خود انتخاب کنید و محافظت مؤثر در برابر نوسانات برق را تضمین کنید.

دستگاه‌های محافظ سرج (SPD) برای ارائه حفاظت قابل اعتماد در برابر اضافه ولتاژهای گذرا طراحی شده‌اند، اما عوامل خاصی می‌توانند منجر به خرابی آنها شوند. در زیر برخی از دلایل اصلی خرابی SPDها آمده است:

۱. نوسانات شدید برق

یکی از دلایل اصلی خرابی SPD، اضافه ولتاژ است، اضافه ولتاژ می‌تواند به دلیل صاعقه، نوسانات برق یا سایر اختلالات الکتریکی رخ دهد. پس از محاسبات طراحی مناسب با توجه به مکان، مطمئن شوید که نوع مناسب SPD را نصب می‌کنید.

۲. عامل پیری

با توجه به شرایط محیطی از جمله دما و رطوبت، SPDها عمر مفید محدودی دارند و ممکن است به مرور زمان خراب شوند. علاوه بر این، SPDها می‌توانند در اثر افزایش مکرر ولتاژ آسیب ببینند.

۳. مشکلات پیکربندی

پیکربندی نادرست، مانند زمانی که یک SPD با پیکربندی wye به باری متصل می‌شود که از طریق یک مثلث متصل است. این ممکن است SPD را در معرض ولتاژهای بالاتر قرار دهد که می‌تواند منجر به خرابی SPD شود.

۴. خرابی قطعه

SPDها شامل اجزای مختلفی مانند وریستورهای اکسید فلزی (MOV) هستند که می‌توانند به دلیل نقص در تولید یا عوامل محیطی از کار بیفتند.

۵. اتصال زمین نامناسب

برای عملکرد صحیح SPD، اتصال به زمین ضروری است. اگر SPD به طور نامناسب به زمین متصل شود، می‌تواند دچار نقص شود یا احتمالاً به یک نگرانی ایمنی تبدیل شود.