حماية المحولات من الارتفاعات المفاجئة في الجهد: كيفية اختيار مانعات الصواعق لمواجهة صواعق البرق والارتفاعات المفاجئة الناتجة عن التشغيل والإيقاف

أرسل إلينا مشرف كهرباء من جنوب لوزون رسالة بريد إلكتروني في شهر آب الماضي صورةً لتثبيتٍ بدا طبيعيًّا تمامًا في اليوم الذي تم فيه قبوله رسميًّا: محول أرضي بجهد ١٣,٨ كيلوفولت، وواقي صاعقة بوليمر جديد على حامله، وطلاء جديد. لكن تفصيلين لم يكونا ضمن المواصفات الأصلية. أولهما: أربعة أقدام من سلك رصاص ملفوف بين طرف واقي الصاعقة والخزان. وثانيهما: موصل أرضي مُوجَّه عائدًا عبر الحامل بدلاً من أن يتجه مباشرةً إلى لوحة التأريض. وبعد ثلاثة أسابيع ضرب البرق الخط المغذِّي. ونجا واقي الصاعقة دون أي أثر عليه، أما اللفّة الأولية فلم تنجُ.

ما يفعله واقي الصاعقة — وما لا يستطيع فعله

مودرن حماية المحولات من الصواعق يَستند المخطط إلى مقاوم متغير أكسيدي معدني بدون فجوة. وعندما يكون الجهد أقل من جهد المرجع، يتصرف المقاوم المتغير كدارة مفتوحة ويستهلك تيارًا بقيمة مايكروأمبير. أما عند تجاوز هذا الجهد، فإن مقاومته تنخفض بشكل حاد، فيُوجِّه المانع تيار الصاعقة إلى الأرض، ثم يعود تلقائيًّا إلى حالة المقاومة العالية قبل انتهاء نصف الدورة التالية بوقت كافٍ. آي-إي-إي سي 62.11-2020 يُعرِّف هذا المعيار الجهاز نفسه، ويشمل المانعات الأكسيدية المعدنية المستخدمة في دوائر تتراوح تردّداتها بين ٤٨ و٦٢ هرتز والتي تتجاوز جهدها ١٠٠٠ فولت، وهي مصمَّمة للحد من صواعق البرق وصواعق التشغيل عن طريق تمرير تيار التفريغ، ثم الحد تلقائيًّا من تدفُّق تيار الطاقة النظامي. وهو معيار نشط نُشِر في سبتمبر ٢٠٢٠.

لا يمتص المانع الصاعقة، بل يثبّتها عند مستوى معين. والجهد الفعلي الذي تتعرَّض له اللفافة هو جهد تفريغ المانع. زائد أي الجهد الذي تولِّده الصاعقة على طول السلك الموصل الواصل من طرف المانع إلى النقطة التي يحميها. وكلا المصطلحين واقعيان. لكن المصطلح الثاني فقط يمكن تعديله فعليًّا في يوم التركيب باستخدام مفتاح ربط.

قد يظل مانع الصواعق المختار بدقةٍ مانعَ صواعقٍ سيئ التثبيت. فاختيار مانع الصواعق وتوصيله هما مهمتان مختلفتان، وعادةً ما يفوّض المشترون إحداهما فقط.

 

 

يبدأ حماية المحولات من الصواعق بالجهد التشغيلي المستمر الأقصى (MCOV)، وليس بالجهد المُصنّف بالكيلوفولت.

معظم طلبات العروض السعرية (RFQs) التي تصل إلى مكتب هندستنا تحدد مانع الصواعق بجهده المُصنّف — مثل «مانع صواعق ١٠ كيلوفولت» أو «مانع صواعق ١٨ كيلوفولت». وهذا الرقم هو تصنيف لدورة العمل، وبحد ذاته لا يدل تقريبًا على ما إذا كان هذا الجهاز مناسبًا لنظامك أم لا. أما الرقم الذي يقرّر مدى ملاءمة الاستخدام فهو MCOV الجهد التشغيلي المستمر الأقصى (MCOV): أي أعلى جهد جذري مربّع (RMS) يمكن لمانع الصواعق أن يتحمله عبر طرفَيه باستمرار دون ارتفاع درجة حرارته.

يُحدَّد جهد التشغيل الأقصى المستمر (MCOV) بواسطة تأريض النظام، وليس بواسطة المحول. وفي نظام مؤرضٍ بفعالية، يرى مانع الصواعق جهد الخط إلى الأرض أثناء التشغيل العادي، لذا يكون الشرط هو أقصى جهد للخط إلى الأرض نفسه — أي ٧,٦٥ كيلوفولت في نظام متعدد التأريض قيمته الاسمية ١٢,٤٧ كيلوفولت. أما في نظام غير مؤرض أو مؤرض عبر مقاومة، فإن عطل الطور إلى الأرض يجعل الجهود على الأطوار غير المعطَّلة تقترب من الجهد الكامل بين الأطوار، وبالتالي يصبح الشرط أن يكون جهد التشغيل الأقصى المستمر (MCOV) مساويًا أو أكبر من ٩٠٪ من أقصى جهد بين الأطوار. نفس المحول، ونفس فئة الجهد، لكن نوعاً مختلفين تمامًا من مانعات الصواعق.

جهد النظام بين الأطراف (كيلوفولت، اسمي)	جهد التشغيل الأقصى المستمر (MCOV) لمانع الصواعق — في الأنظمة المؤرضة بفعالية (كيلوفولت)	جهد التشغيل الأقصى المستمر (MCOV) لمانع الصواعق — في الأنظمة المؤرضة عبر مقاومة أو غير المؤرضة (كيلوفولت)
4.16	2.55	5.10
12.47	7.65	15.30
13.80	8.40	15.30
24.94	15.30	29.00
34.50	22.00	غير موصى به

هذه الأرقام مستمدة من بيانات تطبيق مانعات الصواعق المنشورة من شركة هابل باور سيستمز، وهي تتطابق مع ما نرصده في أنظمة التوزيع الأمريكية الشمالية ( كتالوج هابل رقم ٧٠، مانعات الصواعق والنتيجة العملية تستحق التصريح بها بوضوح. فإذا ورد في المواصفات عبارة «نظام غير مُوصَلٍ بالأرض» بينما النظام فعليًّا نظام رباعي الأسلاك ومُوصَلٌ بالأرض في عدة نقاط، فإنك تشتري جهد تشغيل أقصى مستمر (MCOV) يبلغ ضعف ما تحتاجه تقريبًا — وتدفع ثمن ذلك بارتفاع جهد التفريغ، وهو بالضبط القيمة التي كنت تحاول خفضها.

وثمة علاقة إضافية مفيدة عند قراءة ورقة البيانات التقنية: إن الجهد المُصنَّف لجهاز الحماية من الصواعق يساوي عمومًا ١,٢٥ ضعف جهد التشغيل الأقصى المستمر (MCOV). ولذلك فإن جهاز حماية توزيعيًّا مُصنَّفًا بجهد ١٠ كيلوفولت يحمل جهد تشغيل أقصى مستمر يبلغ نحو ٨,٤ كيلوفولت، ولذلك تتغير هاتان القيمتان معًا عند تغيير افتراض طريقة التأريض لنفس المحول.

 

طول السلك الموصل، وطريقة التأريض، والهامش الوقائي الفعلي الذي يُحتسب

هذا هو الجزء الذي يغفله معظم المشترين. فكل قدم من سلك التوصيل بين جهاز الحماية والمعدات التي يحميها يضيف جهدًا إلى العزل أثناء حدوث ارتفاع مفاجئ في الجهد، لأن التيار يجب أن يقطع هذه المسافة ويعود. ويستخدم دليل تطبيق معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) الخاص بأجهزة الحماية المصنوعة من أكاسيد المعادن قيمة ١,٦ كيلوفولت لكل قدم عند تيار ١٠ كيلوأمبير، كما يستخدم معيار اعتماد شركة إف إم (FM Approval Standard) رقم DS ٥-١١ الخاص بحماية المعدات الكهربائية من الصواعق والارتفاعات المفاجئة في الجهد نفس القيمة.

طول سلك توصيل جهاز الحماية (بالقدم)	الجهد المضاف عند تيار ١٠ كيلوأمبير (بكيلوفولت)	نسبة جهد العزل الأساسي المسموح به (BIL) لللفّة البالغ ٩٥ كيلوفولت
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

الوحدة هامش الحماية هي العملية الحسابية التي تربط كل هذه العناصر معًا. خذ جهد العزل الأساسي المسموح به (BIL) لللفّة، ثم اطرح منه جهد التفريغ الخاص بجهاز الحماية ومقدار الجهد الناتج عن طول سلك التوصيل، ثم اقسم الناتج على جهد العزل الأساسي المسموح به (BIL). ففي محول توزيع جهد ١٣,٨ كيلوفولت، يكون مستوى العزل الابتدائي القياسي ٩٥ كيلوفولت (BIL)، وأدنى قيمة موصى بها لـ هامش الحماية هي ٢٠ بالمئة. أما سلك التوصيل الطويل ١٠ أقدام فيستهلك ١٦ كيلوفولت من هذا المجموع البالغ ٩٥ كيلوفولت — أي ما يقارب الهامش الموصى به بالكامل، حتى قبل أن يُحتسب أي كيلوفولت من جهد تفريغ جهاز الحماية.

يَفْشَلُ التأريضُ بنفس الطريقة الهادئة. ويجب أن يكون موصل التأريض قصيراً، مستقيماً، ومنفصلاً عن قاعدة التثبيت، وأن ينتهي عند لوحة مخصصة متصلة كهربائياً بالخزان وشبكة التأريض الخاصة بالمحطة. وتمرير مسار التأريض عبر أجزاء التثبيت المُثبتة بالبراغي يؤدي إلى تكوين وصلة تتآكل مع الزمن، وتَرْخُو، وتزيد من المقاومة الكهربائية في اللحظة بالذات التي تصل فيها الموجة الصاعقة. NFPA 780 ، وهو المعيار الخاص بتثبيت أنظمة حماية المنشآت من الصواعق، يُعَدُّ الإصدار الحالي لعام ٢٠٢٦ المرجع الذي يستند إليه معظم مفتشي أمريكا الشمالية. اقرأه قبل الموافقة على التخطيط، وليس بعد وقوع عطل.

 

اختيار فئة محرك الحماية المناسبة للمحول الذي تشتريه

تصنَّف محركات الحماية وفقاً للطاقة الصاعقة والتيار القصيري الذي يمكنها تحمله، ويجب أن تتوافق فئتها مع درجة الأهمية الحرجة للجهاز الواقع خلفها — وليس مع حجم أمر الشراء.

فئة محرك الحماية	التطبيق النموذجي	ملاحظات الاختيار
توزيع	محولات التوزيع ذات الجهد ١٢,٤٧–٣٤,٥ كيلوفولت، والوحدات المُركَّبة على القواعد، وأعمدة الربط الصاعدة	تيار تفريغ اسمي مقداره ١٠ كيلو أمبير. وتصلح الفئة القياسية لخطوط التغذية الريفية ذات التحميل الخفيف، بينما تُستخدم الفئة الثقيلة في الحالات التي يتعرّض فيها الجهاز للعوامل الجوية أو تكون خطوط التغذية طويلة.
متوسط	المحطات الفرعية الصغيرة، ومعدات التبديل متوسطة الجهد، والمحولات ذات السعة فوق ٥ ميغا فولت أمبير	قدرة أعلى على امتصاص الطاقة مقارنةً بالفئة التوزيعية. وتُستخدم حيث تكون المعدات المحمية باهظة الثمن ومستوى التعرّض مرتفعًا.
محطة	المحولات الخاصة بنظم النقل الكهربائي والمحطات الفرعية الحرجة	أعلى قدرة امتصاص للطاقة وأعلى تحمل للتيار القصيري. كما أن سلوك صمام التفريغ عند ارتفاع الضغط ومتطلبات التنسيق محددة بوضوح في المواصفة القياسية IEEE C62.11.

في أمريكا الشمالية، يُثبَّت مانع الصواعق عادةً على المحولات المركبة على القواعد بواسطة برغي خاص وغطاء مخصص، ويُوصَل موصل التأريض بلوحة ملحومة على جدار خزان المحول. وهذه اللوحة ليست زخرفية. بل هي أقصر مسار عملي من قاعدة مانع الصواعق إلى الفولاذ المؤرض، وهي المسار الوحيد الذي يضمن بقاء مساهمة الموصل ضمن النطاق الذي يحسبه المهندسون أثناء مرحلة تقديم العروض.

 

ثلاث مشكلات متكررة تظهر في مانعات الصواعق أثناء التشغيل الميداني

نطلب صورًا للتركيب الحالي قبل أن نقدّم عرض سعر لوحدة بديلة، وتتكرّر نفس الأنماط الثلاثة باستمرار.

• سلك توصيل ملفوف أو مُشكّل على هيئة حلقة. فريق العمل يحمل سلك توصيل طوله ٦ أقدام ويحتاج إلى ١٨ بوصة منه، فيلف الجزء المتبقي بعناية على طول الخزّان. وكل لفة تضيف محاثّةً وفولتيةً. قصّ السلك؛ لا تُنظّمه.
• مسار التأريض عبر قاعدة التثبيت. الطريقة سريعة، لكنها خاطئة. براغي القاعدة ليست موصل تأريض في يوم التركيب، ولن تصبح كذلك بعد مرور شتَوَيْن في فناء ساحلي.
• اختيار حماية الصواعق بناءً على القدرة الظاهرية (kVA) للمحول بدلًا من نظام التأريض الكلي. القدرة الظاهرية (kVA) للوحدة ليس لها أي علاقة بجهد التشغيل الأقصى المستمر (MCOV). بل إن تكوين نظام التأريض هو العامل المؤثر، وهو جوابٌ واحدٌ واضحٌ على المخطط.

يوجد عطلٌ إضافيٌّ واحدٌ مُخبَّأ داخل العطل الأول. فجهاز حماية التوزيع المزوَّد بقاطع خارجي يُفلت موصله عند حدوث قصر في الجهاز، وهذا بالضبط ما نريده — لكن القاطع يحتاج إلى فجوة هوائية تظل خاليةً من أي عوائق. ونحن قد فتحنا خزائن وجدنا فيها خيطًا واحدًا من الأسلاك، أو عُشَّ حشراتٍ بُنِيَ على مدى موسمٍ كامل، وقد أغلق هذه الفجوة. وكان جهاز الحماية لا يزال موجودًا، لكنه لم يعد يوفِّر أي حمايةٍ على الإطلاق.

 

كيف ندمج حمايةً ضد الصواعق في كل طلبية محولات

تُصنِّع شركة ريان إلكترك المحولات منذ عام ٢٠٠٧، ومنذ عام ٢٠٢٣ تعمل كشريك في مشروع مشترك مع شركة إيتن. وفي مصنع دانيانغ — الذي تبلغ مساحته ١٢٠٠٠٠ متر مربع، ويضم أكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار، ويسجل ٣٧ براءة اختراع — يعمل قسم اختبار العزل على إجراء الاختبارات الروتينية المطلوبة في مواصفات المشروع، وكذلك اختبارات الصدمة على التصاميم التي تتطلب ذلك، أما قيمة مستوى العزل الأساسي (BIL) المطبوعة على اللوحة التعريفية فهي المستوى الذي تم فيه اعتماد التصميم.

عندما يتضمَّن الطلب مُثبِّتات الحماية من الصواعق، نحدِّد قيمة الجهد الأقصى المستمر (MCOV) وفقًا لنوع تأريض النظام الذي تزودونا به، وندرج قاعدة التثبيت والغطاء في قائمة المواد، ونلحِم لوحة تأريض بحيث يمتلك المُركِّب نقطة هبوط مباشرة بدلًا من برغي مريح. وفي برامج UL وCSA، تتم مراجعة قاعدة التثبيت ولوحة التأريض وربط الخزان ضمن التجميع ككلٍّ، ولا تُعامل كملحقات يتم تركيبها في الموقع.

 

ما يجب تضمينه في طلب العروض الخاص بحماية المحولات من الصواعق

أربع جُمل في طلب العروض تجنبكم إجراء تعديل لاحق، ولا تستغرق أيٌّ منها أكثر من دقيقة واحدة للبحث عنها في الرسومات.

• نوع تأريض النظام: مؤرضٌ بكفاءة، أو مؤرضٌ عبر مقاومة، أو غير مؤرض، أو على شكل دلتا — بالإضافة إلى أقصى جهد نظامي، وليس فقط الجهد الاسمي.
• الجهد الأقصى المستمر (MCOV) المطلوب إذا كنتم تمتلكونه بالفعل، وكذلك فئة مُثبِّت الحماية من الصواعق التي تنوي تحديدها.
• طريقة التثبيت: قاعدة التثبيت على الخزان، أو على الذراع العرضي، أو داخل الخزانة، أو داخل خلية التحكم الكهربائي.
• الطول القابل تحقيقه للأسلاك الواصلة في التخطيط الفعلي، والموقع الذي ستُثبَّت فيه لوحة التأريض.

أرسل المخطط الخطي أحادي الخط وخريطة الموقع مع تلك الإجابات الأربعة، وسنُرجع لك اختيار مانع الصواعق وفولتية التفريغ الخاصة به ومقدار الجهد الناتج عن الأسلاك والنتيجة النهائية. هامش الحماية في العرض السعري — لذا تتم المناقشة على الورق وعلى مكتبك، بدلًا من أن تحدث في محطة فرعية بعد عاصفة. اتصل بفريق هندسة التطبيقات عبر البريد الإلكتروني [email protected]، أو افتح صفحات المنتجات الخاصة بـ المحولات المغمورة بالزيت و محولات مثبتة على قاعدة لطلب دعم في تحديد الأحجام لمشروعٍ معيّن.

 

حول المؤلف

أعدَّ هذه المقالة فريق هندسة التطبيقات في شركة ريان إلكترك (شركة جيانغسو ريان إلكترك المحدودة)، وهي شركة مصنِّعة للمحولات تعمل في مشاريع التوزيع والطاقة والطاقة المتجددة للعملاء من شركات المرافق العامة ومراكز البيانات والقطاعات الصناعية والبنية التحتية في جميع أنحاء العالم. ويقوم مهندسونا بتحديد اختيار مانعات الصواعق وتنسيق العزل وتفاصيل التأريض ضمن نفس التصاميم التي تمرّ عبر قاعة الاختبارات في دانيانغ. ولأي استفسارات حول اختيار الجهد التشغيلي الأقصى المستمر (MCOV) أو هامش الحماية في مشروعٍ معيّن، يُرجى الكتابة إلى [email protected].