يبدأ انفجار القوس الكهربائي عند المحول: كيف تُحدِّد القدرة الظاهرية (kVA) والمقاومة الداخلية ووقت التفريغ طاقة الحادث

كانت العلامة على لوحة التوزيع تشير إلى ٨ كالوري/سم². أما الدراسة التي استندت إليها فهي كانت قد أُجريت على محول سعته ١٥٠٠ كيلوفولت أمبير وممانعته ٥,٧٥٪، وهو وحدة تم سحبها قبل ثمانية عشر شهرًا واستُبدلت بوحدة سعتها ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير تحمل نفس الممانعة المذكورة على اللوحة. ولم يُجرَ أي إعادة للدراسة، كما لم تُعد طباعة العلامة. أما الكهربائي الذي فتح القسم صباح ذلك اليوم فقد ارتدى ملابس واقية تتناسب مع القيمة المكتوبة على الملصق، بينما كانت طاقة الحادث الفعلية عند تلك النقطة أقرب إلى ٢٠ كالوري/سم².

نحن نصنع المحولات، وهذه هي الجزء المتعلق بـ وميض القوس الكهربائي العمل الذي يقع بين مقاول الكهرباء والمصنِّع: المحول هو مصدر تيار القصر، لذا فإن أي تغييرٍ في المصدر يؤدي إلى تغييرٍ في الخطر. ومواصفةٌ تذكر القدرة بالكيلوفولت أمبير والجهد والمقاومة المئوية فقط، دون التطرق إلى عوامل أخرى، تترك فريق الدراسة في حيرةٍ بشأن التسامح الزمني للفصل، وزمن الفصل، وتوصيلات اللفات. وفيما يلي تأثير كلٍّ من هذه العوامل على طاقة الحادث، وما يجب توثيقه كتابيًّا قبل بدء الدراسة.

كيف يُحدِّد المحول تيار القصر المتاح

تيار القصر المقترن عند طرفي الطرف الثانوي ينتج من علاقة واحدة: تيار التحميل الكامل للطرف الثانوي مقسومًا على المقاومة المئوية. خذ مثالًا على محول ثلاثي الطور محولٍ مُصنَّفٍ بقدرة ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير، وجهد أولي ١٣,٨ كيلوفولت (بتوصيلة دلتا) وجد ثانوي ٤٨٠Y/٢٧٧ فولت. وتيار التحميل الكامل للطرف الثانوي هو ٢٤٠٦ أمبير. وبمعدل مقاومة مئوية قدره ٥,٧٥٪ معاوقة المحول يكون تيار القصر المقترن ٢٤٠٦ ÷ ٠,٠٥٧٥ = ٤١,٨ كيلوأمبير، مع إهمال مقاومة المصدر العلوي وموصِّلات التغذية.

الأرقام الفعلية أقل. وحدة سعة ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير، مغذّاة من شبكة كهربائية تمتلك سعة قصوى لتيار القصر تبلغ ١٥٠ ميغافولت أمبير، تُوصِل عادةً تيار قصر يتراوح بين ٣٠ كيلوأمبير و٣٥ كيلوأمبير عند الطرفين الثانويين، بدلًا من ٤١,٨ كيلوأمبير. ولا يزال المحول العامل المهيمن في الحساب. وإذا زادت المقاومة إلى ٧,٥٪ — وهي نسبة يطلبها كثير من شركات التوزيع للتحكم في تيار القصر وحماية معداتها الخاصة — فإن قيمة تيار القصر عند حالة الاتصال المباشر تنخفض إلى ٣٢,١ كيلوأمبير. نفس السعة بالكيلوفولت أمبير، ونفس الجهود، لكن تيار القصر ينخفض بنسبة ٢٣٪، ما يستدعي دراسة مختلفة تحمل تسمية مختلفة.

هذه الظاهرة تؤثر على مستوى المعدات قبل أن يبدأ أي شخص بالحديث عن معدات الحماية الشخصية. فمثلاً، لوحة التوزيع التي تمتلك قدرة مقاطعة تبلغ ٢٢ كيلو أمبير تُعتبر أمراً عادياً في الأعمال الصناعية الخفيفة. لكن عند تركيب وحدة ذات مقاومة منخفضة سعتها ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير أمام هذه اللوحة، فإن تيار القصر المتاح يتجاوز قدرة المعدات ما لم تُستخدم تركيبة مُصنَّفة تسلسلياً أو مجموعة معدات ذات قدرة أعلى لتحمل تيار القصر. وغالباً ما نجد هذا الجدل مُدوَّناً على المخططات كل شهر: فالجهة المورِّدة للطاقة تطلب مقاومة أعلى، بينما تسعى المنشأة إلى تنظيم أفضل للجهد، وقد تم شراء المعدات قبل أن تبدأ أي من هاتين المحادثتين.

يُحدِّد ترتيب اللفّ النصف الآخر من صورة تيار العطل. فوحدة الدلتا-واي توفر مسارًا منخفض المقاومة لعُطل الطور الواحد إلى الأرض على الجانب الثانوي، ويكون هذا التيار غالبًا ما بين ٥٠٪ و٦٠٪ من قيمة التيار ثلاثي الأطوار المُقفل. أما وحدة الدلتا-دلتا فلا توفر مسار عودة للتيار الأرضي على الجانب الثانوي، لذا يتصرف عطل الأرض بشكلٍ مختلفٍ جدًّا. ومجموعة المتجهات المذكورة على اللوحة التعريفية ليست تفصيل رسم هندسي، بل هي التي تقرّر أي عطل يجب أن يحسبه مهندس الدراسة.

 

المتغيّرات الثلاثة التي تؤثّر في طاقة الحادث

أحد طاقة الحدث القيمة تعتمد على مقدار التيار المار أثناء القوس الكهربائي، ومدة استمرار القوس، وبُعد العامل عن مصدره. والمحوّل يتحكم في المتغيّر الأول. وجهاز الحماية من التيار الزائد وإعداداته يتحكمان في المتغيّر الثاني. وترتيب المعدّات يتحكم في المتغيّر الثالث. فالدراسة التي تعالج متغيّرًا واحدًا فقط من هذه المتغيّرات الثلاثة ليست دراسةً حقيقية، بل هي مجرد تقدير مرفق به غلاف أمامي.

متغير	ما الذي يؤثّر فيها	الأثر على طاقة الحادث	مكان توضّع المحوّل
تيار العطل المتاح	قدرة المحول بالكيلوفولت أمبير ونسبة المقاومة المئوية، بالإضافة إلى قوة مصدر المرافق وطول الموصل	ترتفع مع تيار القوس، وترتفع بشكل أسرع بمجرد استقرار القوس عند تيار عالٍ	محول سعة ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير بنسبة مقاومة ٥٫٧٥٪ يُنتج تقريبًا تيار قصر مقداره ٤١٫٨ كيلوأمبير عند جهد ٤٨٠ فولت
زمن الإطفاء	نوع الجهاز والإعدادات والتناسق وإعدادات وضع الصيانة	تقريبًا خطية: نصف الزمن يؤدي تقريبًا إلى نصف الطاقة	الوحدات الأكبر تدفع أجهزة التوزيع العلوية نحو منحنيات أبطأ
مسافة العمل	عمق الغلاف، الحواجز، وموقع المهمة	تنخفض بسرعة كبيرة كلما زاد البعد	الوصلات تقع أعمق داخل الأغلفة الأكبر

الجداول الخاصة بالملابس في NFPA 70E تبدأ عند 4، 8، 12، 25 و40 cal/cm²، والطبعة لعام 2027 هي السارية الآن لمعظم المواقع في الولايات المتحدة. القفزة من حد 4 cal/cm² إلى حد 8 cal/cm² هي الفرق بين الملابس اليومية المصنفة للقوس الكهربائي وبذلة كاملة مع غطاء رأس، وفي العديد من المصانع يحدد هذا الفرق ما إذا كانت المهمة تُنفَّذ داخليًا أو تُستعان بمقاول خارجي لها. فوق 40 cal/cm²، يتوقف معظم المشغلين عن اعتبار العمل على الدوائر المشحونة خيارًا على الإطلاق.

السبب في التصميم حول هذا السقف هو أنه نادرًا ما يكون تيار القوس هو ما يدفع القسم إلى تجاوز الخط. بل هو في الغالب زمن الفصل. يمكن لمنشأتين ذات خدمة 2,000 kVA متطابقة أن تكونا على جانبي خط 40 cal/cm² بسبب اختلاف واحد فقط: فقاطع الدائرة العلوي في إحداهما لديه زمن فصل 0.4 ثانية بينما الآخر لديه فيوز محدد التيار.

 

حيث يغير تحمل المعاوقة الرقم بهدوء

مُقاوَمة اللوحة الاسميّة هي قيمة مُعلَّنة وليست قيمة مُقاسة. ويسمح معيار IEEE C57.12.00 بأن تختلف المقاومة المقاسة لمحوِّل ذي دائرتين عن القيمة المُعلَّنة بنسبة ±٧٫٥٪ من تلك القيمة. فإذا كانت الوحدة مُعلَّنة عند ٥٫٧٥٪، فقد تتراوح النتيجة في الاختبار الروتيني بين ٥٫٣٢٪ و٦٫١٨٪ ولا يزال المحوِّل مطابقًا للمواصفات. وعند تحويل هذه القيم إلى تيار القصر عند جهد ٤٨٠ فولت، فإن ذلك يعادل ٤٥٫٢ كيلوأمبير في أحد الطرفين و٣٨٫٩ كيلوأمبير في الطرف الآخر.

لا خطأ في أيٍّ من الرقمين. والمشكلة أن الدراسة التي أُجريت باستخدام قيمة ٥٫٧٥٪ تصف محوِّلًا معاوقة المحول قد لا يُبنى أبدًا. وعند إصدار تقرير الاختبار الروتيني وفق معيار IEEE C57.12.90، تظهر المقاومة المقاسة عند التيار المُ rated على الصفحة. وعند تسليم هذه القيمة المقاسة لهندسة الدراسة، يتوقَّف الحساب عن التغيُّر. وعند رغبة العميل في نطاق ضيق جدًّا، يمكننا عادةً الالتزام به عبر تعديل هندسة اللفائف وارتفاع نافذة القلب، لكن ذلك يستهلك نحاسًا ويستغرق أسابيع، وهذا أمرٌ يستحق المعرفة قبل إصدار أمر الشراء بدلًا من بعده.

توجد تأثيرات من الدرجة الثانية تُفاجئ الأشخاص. فانخفاض الممانعة يعني أيضًا ازدياد القوى الميكانيكية المؤثرة على الملفات أثناء العطل، وازدياد التيار العابر للعطل في الجهاز المتصل في الجهة العليا. والوحدة المصمَّمة بنسبة ٥,٤٪ بدلًا من ٥,٧٥٪ ليست ببساطة وحدةً أكثر كفاءة، بل هي وحدةٌ تختلف في قدرتها على تحمل التيارات القصيرة، ويُبيَّن ذلك في المعيار الدولي IEC 60076-5.

 

زمن الإطفاء هو العامل الذي تتجاهله معظم المشاريع.

تنخفض الطاقة الحادثة تقريبًا بشكل خطي مع انخفاض زمن القوس الكهربائي. فالعطل الذي يُطفأ خلال ٠,١ ثانية بواسطة فيوز محدود للتيار يُودِع طاقةً تساوي تقريبًا خمس الطاقة الناتجة عن نفس العطل إذا استمر لـ٠,٥ ثانية تحت تأثير قاطع حراري-مغناطيسي يعمل على منحنى الزمن الطويل. نفس المحول، ونفس التيار القصير المتاح البالغ ٤١,٨ كيلوأمبير، ونفس الشخص الواقف في نفس الموقع: فمهمةٌ تتطلب بدلة حماية بسعة ٨ سعرة/سم²، بينما تتطلب الأخرى بدلةً لا يرغب أحدٌ في ارتدائها في شهر يوليو.

لهذا السبب يجب أن يقرأ نفس الأشخاص دراسة التنسيق ودراسة انفجار القوس الكهربائي. فقد يؤدي رفع إعداد القاطع إلى مستوى عالٍ بما يكفي لتحمل تيار التشغيل الأولي للمحول التالي إلى تجاوز زمن فصل التغذية عن الثانية الكاملة. كما قد لا يكتشف ريلاي العطل الأرضي المُعد لإعداد ١٢٠٠ أمبير في نظام جهد ٤٨٠ فولت ومصدر قدرته ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير أبدًا عطل قوس كهربائي منخفض المستوى، فيستمر العطل بالاحتراق حتى يُزال بواسطة وسيلة أخرى. وتوجد مفاتيح الوضع الصيانة والربط الانتقائي للمناطق لاستعادة هذا الزمن، وهي تفيد فقط إذا كانت الإعدادات موثَّقة وبطاقة التسمية تعكسها بدقة.

تتغيَّر بطاقات التسمية مع مرور الزمن في كلا الاتجاهين: فترفع تحديثات المحولات قيمة التيار، بينما قد تقلِّل استبدال الريلايات أو ضبط التنسيق زمن الاستجابة. ولقد دخلنا مصانع كانت دراسة الحماية فيها قديمة منذ خمس سنوات، بينما تضاعفت قدرة التغذية، ومع ذلك ظلت البطاقة الملصقة على المعدات تحمل الرقم الأصلي. وتنص المادة ١١٠٫١٦ من قواعد التنصيب الكهربائي الوطنية (NEC) على وجوب وجود بطاقة التسمية. OSHA 1910.269 وتفترض قواعد الكهرباء العامة للصناعة إجراء تحليل للمخاطر وراء كل خيار من خيارات معدات الحماية الشخصية، ولا يشترط أي بند في الشفرة ملاحظة أي شخصٍ عندما تصبح الملصقة غير صحيحة.

 

 

 

ما نقوم به عندما يحدد العميل نطاق مقاومة معينة

تبدأ مراجعة التصميم لدينا بالتيار القصيري الذي يمكن أن تتحمله معدات العميل فعليًّا، وليس بالنسبة المئوية المفضلة. فإذا كانت درجة تحمل لوحة التوزيع ٢٢ كيلو أمبير، وكانت الحاجة في الموقع تبلغ ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير، فسنقترح عادةً وحدة ضمن النطاق من ٦,٥٪ إلى ٧٪، ونقبل عقوبة صغيرة في تنظيم الجهد، أو نقسّم الحمل بين خدمتين بحيث يغذّي كل محول لوحة توزيع مُصنَّفة لمستوى التيّار القصيري الخاص به. وكلا الخيارين أرخص من استبدال لوحة توزيع تم تحديدها قبل تركيب المحول.

منذ عام ٢٠٢٣، تعمل شركة ريان إلكترك كشريك اتحادي مع شركة إيتن، والانضباط الرسومي الذي جاء مع تلك المهمة هو السبب في معارضتنا عند تحديد مواصفات تنص على مقاومة دون ذكر هامش تحمّل أو قيمة اختبار مُقاسة مرفقة.

نُسلِّم أيضًا صفحات الاختبارات الروتينية مع كل وحدة: النسبة، ومقاومة اللف، والمحاثة، وفقدان الطاقة عند حالة عدم التحميل، وفقدان الطاقة عند التحميل، وأرقام ارتفاع درجة الحرارة الناتجة عن اختبار التشغيل الحراري. وهذه هي المعطيات التي تتطلبها دراسة انفجار القوس الكهربائي، وهي أكثر فائدة من منحنى المحاثة المذكور في الكتالوج. أما الوحدات الجافة المستخدمة في المشاريع الأمريكية الشمالية فتخرج من المصنع مُعتمَدة وفق معيار UL أو مُعلَّمة بعلامة cULus حسب الفئة، بينما تحمل الطلبات الكندية علامة CSA. ويؤثر المعيار الذي تستند إليه هذه العلامات في هوامش التصميم، كما يؤثر في ما يجوز ذكره على اللوحة التعريفية.

وهناك حُجّة تتعلّق بالجدول الزمني أيضًا. فإذا أُعيدت نتائج الدراسة بعد تصنيع المحول، وتبين أنَّه يجب تغيير قيمة المحاثة، فإن الوحدة تُعتبر غير صالحة للاستخدام، ويبدأ المشروع من جديد ضمن قائمة انتظار تمتد لأكثر من سنة بالنسبة لفئات الجهد المتوسط. أما مراجعة مدتها عشرون دقيقة خلال مرحلة تقديم العرض فهي النسخة الأقل تكلفة من تلك المحادثة.

 

قائمة مراجعة أولية لمواصفات المحول

قدِّم لهذه العناصر مهندس الدراسة، ويتوقَّف الحساب عندئذٍ عن كونه مفاوضة.

بند المواصفات	ما الذي يجب كتابته	السبب الذي تستدعيه الدراسة لهذا العنصر
جهد الطرف الأولي والجهد الطرفي الثانوي	القيمة الاسمية للنظام بالإضافة إلى مدى التحكم في الجهد	يُحدِّد التيار الأساسي على كلا الجانبين
كيلو فولت أمبير	أقصى طلب متوقع مع مراعاة النمو المخطط له، وليس وفق عادة اللوحة التعريفية	يُحدِّد مقدار تيار القصر
العائق	النسبة المئوية الاسمية لمقاومة التشتت (%Z) بالإضافة إلى النطاق المسموح به من التفاوت	يوفِّر نطاقًا لتيار القصر بدلًا من رقمٍ واحدٍ فقط
تكوين اللف	اتصال دلتا-واي أو دلتا-دلتا، ومجموعة المتجهات	يُحدِّد تيار عطل التأريض ومساره
تقرير الاختبار	النسبة المئوية لـ %Z المقاسة عند التيار المُصنَّف من الاختبارات الروتينية	يُستبدَل القيمة التصميمية بقيمة فعلية
جهاز الحماية من التيار الزائد	النوع، الهيكل، التصنيف، الإعدادات، والوقت المتوقع للفصل	يُضاعَف مباشرةً في قيمة الطاقة الحادثة
التسمية	ملصق وفق معيار NEC 110.16 يعرض نتائج الدراسة وحدود معدات الحماية الشخصية (PPE)	ما يقرؤه الكهربائي فعليًّا في الموقع

صفّان يستحقان نقاشًا في اجتماع التصميم: نطاق المعاوقة ووقت الفصل. أما كل ما عداهما فهو حقائق إما أن تكون متوفرة لديك أو يمكن الحصول عليها من شركة التوزيع. وهذان العاملان اللذان يُهمَلان غالبًا هما اللذان يؤثّران فعليًّا في النتيجة.

 

أين يتركك هذا في مواصفاتك

أحد وميض القوس الكهربائي المُلصق هو لقطةٌ لثلاثة عناصر: محول، إعداد قاطع دارة، وبُعد العمل. غيِّر أيًّا منها، ويصبح الملصق غير محدَّث. وأرخص طريقة للحفاظ على تحديثه هي تحديد وحدة يمكن التنبؤ بمقدار تأثيرها في التيار القصير، مع وجود قيمة المعاوقة المقاسة في تقرير الاختبار، وتحديد مدى التحمل بشكل موثَّق، وتوضيح ترتيب لفّات المحول كما طلبه مهندس الدراسة وليس كما افترضه.

إذا كنت تُحدِّد حجم محولٍ لمشروعٍ سيحمل وميض القوس الكهربائي دراسةً، أرسل إلينا جهد الطرف الثانوي، والقدرة بالكيلوفولت أمبير، وتصنيف المعدات الواقعة في اتجاه التيار السفلي، والممانعة التي يفضِّلها مزوِّد الخدمة الخاص بك. وسنردُّ عليك باقتراحٍ يوضِّح نطاق تيار القصر والقيم الاختبارية التي استند إليها، وليس مجرَّد نسبة مئوية مكتوبة على اللوحة التعريفية. يمكنك التواصل مع فريق الهندسة عبر صفحة الاتصال أو تصفُّح محولات ثلاثية الأطوار مثبتة على اللوح و محولات جافة للدورات التي نُصمِّمها وتصل إلى ٤٤ كيلوفولت و١٠٠٠٠ كيلوفولت أمبير.

 

حول المؤلف

أعدَّ هذه المقالة فريق هندسة التطبيقات في شركة رايان إلكتريك (شركة جيانغسو رايان إلكتريك المحدودة)، وهي شركة صينية مصنِّعة للمحولات تزود أمريكا الشمالية والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا وأفريقيا بمحولات غاطسة في الزيت ومحولات جافة ومحولات مركَّبة على القواعد منذ عام ٢٠٠٧. ويُراجع الفريق أسئلة تتعلق بالمقاومة، وقدرة التحمُّل عند حدوث قصر كهربائي، وتناسق أنظمة الحماية الخاصة بالوحدات الثلاثية الطور المخصصة، كما يُعِدّ وثائق الاختبارات الروتينية واختبارات النوع، بالإضافة إلى حزم الشهادات المتوافقة مع معايير UL‏/cULus‏/CSA‏/IEEE‏/IEC للمشاريع المرتبطة بالمرافق العامة ومراكز البيانات والقطاع الصناعي. ويمكن إرسال استفسارات مراجعة الرسومات والمواصفات عبر نموذج الاتصال الموجود على الموقع الإلكتروني www.ryantransformers.com. آخر مراجعة: أكتوبر ٢٠٢٦.

إفصاح: تُصنِّع شركة رايان إلكتريك وتبيع المحولات المذكورة في هذه المقالة. وتُلخَّص مراجع الشيفرات والمعايير (مثل NEC 110.16 وIEEE C57.12.00 وIEEE C57.12.90 وIEEE 1584 وNFPA 70E وIEC 60076-5) لأغراض المناقشة الهندسية فقط. ويجب أن تأتي قيم طاقة حادثة انفجار القوس الكهربائي من دراسة أُجريت خصيصًا لتلك التركيبة بواسطة مهندسٍ مؤهَّل.