حماية أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية من القوس الكهربائي المستمر: 9 قواعد لمنع مخاطر حرائق الطاقة الشمسية

ملخص سريع

تُعد أعطال القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الشمسية من أخطر المخاطر الخفية. وغالباً ما تبدأ بسبب موصلات مرتخية، أو كابلات تالفة، أو سوء في عملية الكبس (Crimping)، أو تهالك العزل، أو الرطوبة، أو التركيب غير الصحيح. وعلى عكس أعطال التيار الزائد البسيطة، يمكن للقوس الكهربائي للتيار المستمر أن يستمر في الاشتعال لأن تيار التيار المستمر لا يمر بنقطة الصفر طبيعياً كما هو الحال في التيار المتردد.

لا ينبغي أن تعتمد الحماية الفعالة من أعطال القوس الكهربائي للتيار المستمر على جهاز واحد فقط. يستخدم التصميم الأكثر أماناً طبقات حماية متعددة: التوجيه الصحيح للكابلات، وموصلات تيار مستمر عالية الجودة، ومصهرات gPV، وأجهزة الحماية من زيادة التيار المستمر، وحماية صناديق التجميع، ووظائف AFCI، والفحص الحراري، والحماية من الحرائق في لوحات التوزيع الكهربائية.

بالنسبة لمقاولي الهندسة والمشتريات والبناء (EPC)، وفنيي تركيب الأنظمة الشمسية، ومهندسي الكهرباء، وفرق التشغيل والصيانة، فإن الهدف ليس مجرد اجتياز الفحص. الهدف الحقيقي هو تقليل أعطال العاكس (Inverter)، وتجنب أضرار الحرائق، وتحسين وقت تشغيل النظام، وتسهيل عمليات الصيانة.

جدول المحتويات

1. ما هو عطل القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الشمسية؟
2. لماذا تُعد أعطال القوس الكهربائي للتيار المستمر خطيرة في الأنظمة الشمسية؟
3. الأسباب الشائعة لأعطال القوس الكهربائي في أنظمة التيار المستمر الكهروضوئية
4. القوس الكهربائي المتسلسل مقابل القوس المتوازي مقابل القوس الأرضي
5. لماذا لا تكفي وسائل الحماية التقليدية من التيار الزائد
6. 9 قواعد عملية للحماية من أعطال القوس الكهربائي في أنظمة التيار المستمر الكهروضوئية
7. كيف تساعد مصهرات gPV في الحد من تفاقم الأعطال
8. لماذا تظل الحماية بأجهزة حماية التيار المستمر من الصواعق (SPD) ضرورية
9. تصميم صناديق التجميع (Combiner Boxes) لأنظمة طاقة شمسية أكثر أماناً
10. الحماية من الحرائق في الخزانات الكهربائية كخط دفاع أخير للسلامة
11. قائمة فحص التفتيش للمهندسين والفنيين
12. الأسئلة الشائعة

1. ما هو خطأ القوس الكهربائي للتيار المستمر (DC) في الأنظمة الكهروضوئية؟

خطأ القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية هو تفريغ كهربائي غير طبيعي يحدث في جانب التيار المستمر للنظام الكهروضوئي. يمكن أن يحدث هذا عندما يقفز التيار عبر فجوة بين الموصلات، أو نقاط تلامس الموصلات، أو العزل التالف، أو نقاط التوصيل غير المحكمة.

في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، تُعد أخطاء القوس الكهربائي للتيار المستمر خطيرة بشكل خاص لأن المصفوفة الكهروضوئية تستمر في توليد الطاقة طالما أن ضوء الشمس متاح. إذا كان جهد النظام مرتفعاً، خاصة في مشاريع 1000 فولت أو 1500 فولت تيار مستمر، يمكن أن يصبح القوس مستقراً بما يكفي لإنتاج درجات حرارة عالية، وتفحم، ودخان، وفي النهاية نشوب حريق.

تستخدم مشاريع الطاقة الشمسية الحديثة دوائر سلاسل أطول، وجهد تيار مستمر أعلى، وصناديق تجميع أكبر، ومحطات عاكس أكثر إحكاماً. تعمل هذه التصميمات على تحسين الكفاءة، لكنها تزيد أيضاً من أهمية الحماية من أخطاء القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية.

حددت الأبحاث حول أخطاء القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية مراراً وتكراراً أن أخطاء القوس غير المكتشفة تشكل خطراً جسيماً لنشوب حرائق في الأنظمة الكهروضوئية السكنية والتجارية وعلى مستوى المرافق.

2. لماذا تُعد أخطاء القوس الكهربائي للتيار المستمر خطيرة في أنظمة الطاقة الشمسية؟

خطأ القوس الكهربائي للتيار المستمر ليس مجرد شرارة كهربائية صغيرة. يمكن أن يتحول إلى تفريغ مستمر عالي الحرارة. بمجرد بدئه، قد يؤدي إلى إتلاف العزل، وصهر أجزاء الموصلات، وحرق أغلفة الكابلات، وإشعال المواد القابلة للاشتعال المجاورة.

يزداد الخطر في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية لأن جانب التيار المستمر (DC) يظل نشطاً خلال ساعات النهار. فحتى لو تم إيقاف قاطع التيار المتردد (AC)، قد تستمر الألواح الكهروضوئية في تزويد دائرة التيار المستمر بالجهد الكهربائي.

ولهذا السبب يجب مراعاة الحماية من أخطاء القوس الكهربائي في جانب التيار المستمر للأنظمة الكهروضوئية بدءاً من مرحلة التصميم ووصولاً إلى التركيب والصيانة. فانتظار ظهور دخان مرئي يعتبر تأخيراً فادحاً.

يجب أن تجيب استراتيجية السلامة العملية للطاقة الشمسية على ثلاثة أسئلة:

• كيف يمكننا تقليل احتمالية حدوث أخطاء القوس الكهربائي؟
• كيف يمكننا اكتشاف الظروف غير الطبيعية في وقت مبكر؟
• كيف يمكننا منع تحول خطأ كهربائي بسيط إلى حريق؟

لا تتحقق السلامة في الأنظمة الكهروضوئية من خلال منتج واحد، بل تتحقق من خلال نظام حماية متكامل ومنسق.

3. الأسباب الشائعة لأخطاء القوس الكهربائي في جانب التيار المستمر للأنظمة الكهروضوئية

لا تنتج معظم أعطال القوس الكهربائي في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية عن فشل مفاجئ واحد، بل تنشأ عادةً من مشكلات صغيرة تتفاقم بمرور الوقت.

تشمل الأسباب الشائعة ما يلي:

• وصلات MC4 غير محكمة الربط
• ضعف جودة كبس (تجعيد) الموصلات
• عدم توافق الموصلات بين العلامات التجارية المختلفة
• تلف عزل كابلات التيار المستمر (DC)
• ثني الكابلات بما يتجاوز نصف قطر الانحناء المسموح به
• تقادم الكابلات الخارجية بسبب الأشعة فوق البنفسجية
• تسرب المياه إلى داخل صناديق التجميع (Combiner Boxes)
• الغبار، أو رذاذ الملح، أو التآكل
• عزم دوران غير صحيح على الأطراف
• سوء إدارة الكابلات
• الأضرار الناجمة عن القوارض
• الاهتزاز في الأنظمة المثبتة على الأسطح أو الأرض
• ارتفاع درجة حرارة حوامل المصهرات أو الأطراف
• تأخر الصيانة بعد إطلاق الإنذارات

في محطات الطاقة الكهروضوئية الكبيرة، لا تكمن المشكلة غالباً في عدم معرفة المهندسين بالمخاطر، بل في ضرورة الحفاظ على موثوقية آلاف الموصلات والكابلات والمصهرات والأطراف وصناديق التجميع لسنوات عديدة في ظروف خارجية.

ولهذا السبب يجب التعامل مع حماية أعطال القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية كمسألة تصميم على مستوى النظام، وليس مجرد مسألة اختيار منتج.

4. القوس المتسلسل مقابل القوس المتوازي مقابل القوس الأرضي

تُصنف أعطال القوس في الأنظمة الكهروضوئية (PV) عادةً إلى ثلاثة أنواع: أعطال القوس المتسلسل، وأعطال القوس المتوازي، وأعطال القوس الأرضي.

عطل القوس المتسلسل

يحدث القوس المتسلسل عندما ينقطع مسار الموصل جزئياً. على سبيل المثال، قد يكون هناك موصل مرتخٍ، أو كابل تالف، أو طرف توصيل ذو تلامس ضعيف.

يستمر التيار في التدفق عبر الدائرة، لكنه يعبر فجوة هوائية صغيرة أو نقطة ذات مقاومة عالية، مما يؤدي إلى توليد حرارة وحدوث قوس كهربائي.

تمثل الأقواس المتسلسلة تحدياً لأن التيار قد يظل ضمن نطاق التشغيل الطبيعي، وبالتالي قد لا يعمل المصهر (الفيوز) العادي لعدم وجود تيار زائد كبير.

عطل القوس المتوازي

يحدث القوس المتوازي عندما يقفز التيار بين موصلين بجهد كهربائي مختلف. يمكن أن يحدث هذا بين كابلات التيار المستمر الموجبة والسالبة، أو بين السلاسل، أو داخل العوازل التالفة.

قد تنتج الأقواس المتوازية تيار خطأ أعلى من الأقواس المتسلسلة، خاصة عند توصيل سلاسل متعددة على التوازي.

قوس خطأ أرضي

يحدث القوس الأرضي عندما يحدث قوس كهربائي من موصل تيار مستمر (DC) حي إلى جزء معدني مؤرض أو غلاف معدات. قد ينتج هذا عن فشل العزل، أو التلف الميكانيكي، أو تسرب المياه، أو سوء التركيب.

يتطلب كل نوع من أنواع الأقواس طرق كشف وحماية مختلفة. ولهذا السبب يجب أن تجمع حماية الأقواس الكهربائية للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية (PV) بين جودة التركيب، والمراقبة، والحماية بالمنصهرات (الفيوزات)، وحماية الطفرات الكهربائية، والسلامة على مستوى الغلاف.

5. لماذا لا تعتبر حماية التيار الزائد القياسية كافية

يفترض الكثيرون أن المنصهر (الفيوز) أو قاطع الدائرة يمكنه حل كل خطأ كهربائي. وهذا غير صحيح.

صُممت أجهزة التيار الزائد لقطع التيار المفرط. لكن بعض أخطاء أقواس التيار المستمر قد لا تولد تياراً كافياً لتشغيل المنصهر بسرعة، خاصة في حالة أخطاء الأقواس المتسلسلة.

هذا لا يعني أن المنصهرات عديمة الفائدة، بل يعني أنه يجب فهم دورها بشكل صحيح.

يعتبر مصهر gPV ضرورياً لحماية سلاسل ومصفوفات الطاقة الشمسية الكهروضوئية من التيار العكسي وظروف أعطال معينة. توفر المواصفة IEC 60269-6 متطلبات تكميلية لوصلات المصهرات المستخدمة لحماية سلاسل ومصفوفات الطاقة الشمسية الكهروضوئية بجهد يصل إلى 1500 فولت تيار مستمر.

ومع ذلك، تتطلب حماية أعطال القوس الكهربائي في أنظمة التيار المستمر الكهروضوئية أكثر من مجرد حماية من التيار الزائد. فهي تحتاج أيضاً إلى الكشف عن القوس الكهربائي، والتوصيلات الصحيحة، والحماية من زيادة التيار، وحاويات آمنة، وفحص دوري.

6. 9 قواعد عملية لحماية أعطال القوس الكهربائي في أنظمة التيار المستمر الكهروضوئية

القاعدة 1: استخدام التمديد الصحيح لكابلات التيار المستمر

يعد التمديد السيئ للكابلات من أبسط الطرق لخلق مخاطر فشل على المدى الطويل. يجب ألا يتم شد كابلات التيار المستمر أو سحقها أو ثنيها بشكل حاد أو تعريضها لإجهاد ميكانيكي غير ضروري.

يجب أن يراعي التمديد الجيد للكابلات ما يلي:

• تجنب الحواف المعدنية الحادة
• الحفاظ على تنظيم الكابلات الموجبة والسالبة
• تقليل حركة الكابلات الناتجة عن الرياح أو الاهتزازات
• تجنب نقاط تجمع المياه
• الحفاظ على نصف قطر الانحناء الصحيح
• استخدام أربطة كابلات أو دعامات مقاومة للأشعة فوق البنفسجية
• إبقاء الكابلات بعيداً عن الأسطح الساخنة

التمديد المنظم للكابلات يسهل عملية الفحص ويقلل من نقاط الإجهاد الخفية.

القاعدة 2: تجنب عدم تطابق الموصلات

عدم تطابق الموصلات هو خطر شائع ولكنه غالباً ما يتم تجاهله. حتى لو بدا موصلان متشابهين، فقد لا يكون لهما نفس تصميم التلامس، أو تحمل المواد، أو أداء الإغلاق، أو الشهادات المعتمدة.

يمكن أن تؤدي الموصلات غير المتوافقة إلى زيادة مقاومة التلامس. المقاومة الأعلى تولد حرارة. وبمرور الوقت، يمكن أن تؤدي الحرارة إلى تلف الأجزاء البلاستيكية، وإضعاف ضغط التلامس، وزيادة خطر حدوث قوس كهربائي.

بالنسبة للحماية من القوس الكهربائي في أنظمة التيار المستمر الكهروضوئية، يجب على القائمين بالتركيب تجنب خلط العلامات التجارية للموصلات ما لم يتم تأكيد التوافق بوضوح من قبل الشركة المصنعة.

القاعدة 3: التحكم في عزم دوران أطراف التوصيل

تعتبر أطراف التوصيل المرتخية مصدراً رئيسياً لارتفاع درجة الحرارة. كما أن شد أطراف التوصيل بشكل مفرط قد يؤدي إلى تلف الموصلات أو المعدات.

يجب إحكام ربط كل طرف توصيل في صندوق التجميع، وحامل المصهر، وقاطع التيار المستمر، وجهاز الحماية من زيادة التيار (SPD)، ومدخل العاكس وفقاً لقيمة عزم الدوران المحددة من قبل الشركة المصنعة.

بالنسبة لمشاريع الهندسة والمشتريات والبناء (EPC)، لا ينبغي التعامل مع التحكم في عزم الدوران كخيار إضافي، بل يجب أن يكون جزءاً من سجل التركيب.

القاعدة 4: استخدام مصهرات gPV الصحيحة

يجب أن تستخدم سلاسل الألواح الكهروضوئية مصهرات مصممة لدوائر التيار المستمر الكهروضوئية، وليس مصهرات التيار المتردد العادية.

صُممت مصهرات gPV لقطع تيارات الأعطال المستمرة (DC) في تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية. وتُستخدم على نطاق واسع في صناديق التجميع، وحماية مدخلات العاكس، وحماية سلاسل الألواح الشمسية.

تغطي المواصفة القياسية IEC 60269-6 بشكل خاص وصلات المصهرات المخصصة لحماية أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

بالنسبة للمهندسين، يجب أن يأخذ اختيار المصهر في الاعتبار ما يلي:

• الجهد المقنن
• التيار المقنن
• القدرة الاستيعابية
• تيار سلسلة الألواح الشمسية (PV string current)
• عدد السلاسل المتوازية
• درجة الحرارة المحيطة
• توافق حامل المصهر
• متطلبات خفض التصنيف (Derating)
• التنسيق مع الكابلات والأجهزة الموجودة في المنبع

قد يؤدي اختيار مصهر خاطئ إما إلى فصل غير مبرر أو الفشل في حماية الدائرة بشكل صحيح.

القاعدة 5: تركيب حماية من أجهزة الحماية من زيادة التيار المستمر (DC SPD)

يمكن أن تؤدي صواعق البرق والارتفاعات المفاجئة في الجهد إلى تلف العواكس، وأجهزة المراقبة، وصناديق التجميع، وأنظمة العزل. قد لا يتسبب تلف زيادة التيار دائمًا في حدوث عطل فوري، ولكنه قد يضعف العزل ويزيد من مخاطر الأعطال المستقبلية.

لذلك، تعد أجهزة الحماية من زيادة التيار المستمر جزءًا مهمًا من الحماية من أخطاء القوس الكهربائي في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

ينطبق المعيار IEC 61643-31 على أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) المخصصة لجانب التيار المستمر في التركيبات الكهروضوئية بجهد يصل إلى 1500 فولت تيار مستمر. صُممت هذه الأجهزة للحد من ارتفاعات الجهد وتفريغ تيارات الصواعق.

يصف المعيار IEC 61643-32 أيضًا مبادئ الاختيار والتركيب والتنسيق لأجهزة الحماية من زيادة التيار المستخدمة في جانب التيار المستمر للتركيبات الكهروضوئية بجهد يصل إلى 1500 فولت تيار مستمر.

للحصول على حماية أفضل، يتم عادةً تركيب أجهزة الحماية من زيادة التيار المستمر في المواقع التالية:

• داخل صناديق التجميع الكهروضوئية
• بالقرب من مداخل التيار المستمر للعواكس
• في صناديق توزيع التيار المستمر (DC)
• في الأنظمة المعرضة لخطر الصواعق
• حيث تؤدي تمديدات كابلات التيار المستمر الطويلة إلى زيادة التعرض لارتفاع الجهد المفاجئ

القاعدة 6: تحسين حماية صندوق التجميع (Combiner Box)

يُعد صندوق التجميع أحد أهم المواقع لحماية أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية من أخطاء القوس الكهربائي للتيار المستمر. فهو يحتوي على سلاسل متعددة، وصمامات، وأطراف توصيل، ووحدات حماية من زيادة التيار (SPD)، ومفاتيح تيار مستمر، ومداخل كابلات.

إذا كان تصميم صندوق التجميع ضعيفاً، فقد تتطور بداخله مشاكل مثل تسرب المياه، وتراكم الحرارة، وارتخاء الأسلاك، وفشل العزل.

يجب أن يتضمن صندوق التجميع الأكثر أماناً ما يلي:

• هيكل خارجي ذو تصنيف حماية (IP) مناسب
• غدد كابلات صحيحة
• حوامل فيوزات مخصصة للتيار المستمر (DC)
• حماية من النوع 2 ضد اندفاع التيار المستمر (DC SPD)
• فصل واضح بين الأسلاك الموجبة والسالبة
• مسافات زحف وخلوص صحيحة
• تبديد جيد للحرارة
• ملصقات تعريفية واضحة
• تصميم يسهل عمليات الصيانة
• تأريض موثوق

لا ينبغي التعامل مع صندوق التجميع (Combiner box) كصندوق توصيل بسيط، بل هو مركز للحماية.

القاعدة 7: استخدم قاطع دائرة خطأ القوس (AFCI) أو تقنية الكشف عن القوس عند الحاجة.

صُممت تقنية قاطع دائرة خطأ القوس لاكتشاف سلوك القوس الكهربائي الخطير وقطع الدائرة أو إيقاف تشغيل النظام.

في بعض الأسواق، تفرض الأكواد الكهربائية حماية ضد خطأ القوس في الأنظمة الكهروضوئية (PV) لبعض الأنظمة المحددة. على سبيل المثال، تتضمن الوثائق المتعلقة بالكود الكهربائي الوطني (NEC) متطلبات لحماية دائرة خطأ القوس للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية عندما تعمل دوائر التيار المستمر بجهد 80 فولت أو أكثر بين الموصلات.

بالنسبة للمشاريع الدولية، يجب على المهندسين مراجعة الأكواد المحلية، ووظائف العاكس (Inverter)، ومواصفات المشروع. قد تختلف متطلبات AFCI بناءً على الدولة، ونوع النظام، وموقع التركيب، والسلطة المختصة.

القاعدة 8: أضف الفحص الحراري إلى عمليات التشغيل والصيانة (O&M).

يعد الفحص الحراري أحد أكثر الطرق عملية للكشف المبكر عن المخاطر، حيث تبدأ العديد من مخاطر خطأ القوس على شكل تسخين غير طبيعي.

يجب على فرق التشغيل والصيانة فحص:

• درجة حرارة الموصلات
• درجة حرارة حامل المصهر
• درجة حرارة أطراف جهاز الحماية من اندفاع التيار (SPD)
• أطراف قاطع التيار المستمر (DC)
• غدد الكابلات
• أطراف دخل التيار المستمر للمحول
• قضبان التوزيع في صندوق التجميع
• علامات تغير اللون أو الانصهار

لا ينبغي تجاهل أي نقطة ساخنة صغيرة، فقد تشير إلى وجود تلامس غير محكم، أو حمل زائد، أو تآكل، أو سوء في عملية الكبس، أو تدهور في المكونات الداخلية.

القاعدة 9: إضافة نظام الحماية من الحرائق للخزائن الكهربائية الحساسة.

حتى مع وجود تصميم كهربائي جيد، لا يمكن لأي نظام القضاء على المخاطر تماماً. بالنسبة للخزائن الحساسة، يمكن أن تعمل أنظمة الحماية من الحرائق كخط دفاع أخير للسلامة.

يمكن تركيب أجهزة إطفاء الحريق الأوتوماتيكية داخل الخزائن الكهربائية، وصناديق التجميع، ولوحات التوزيع، وخزائن الاتصالات، والخزائن المساعدة لأنظمة تخزين الطاقة.

بالنسبة لمشاريع الطاقة الشمسية، تعد الحماية من الحرائق على مستوى الخزانة مفيدة بشكل خاص في:

• محطات العاكسات (Inverter stations)
• خزائن توزيع التيار المستمر (DC distribution cabinets).
• صناديق التجميع في البيئات عالية المخاطر
• الخزائن الكهربائية الخارجية
• محطات الطاقة الكهروضوئية البعيدة
• مشاريع الطاقة الكهروضوئية على أسطح المنشآت الصناعية
• خزائن الطاقة الشمسية الخاصة بقطاع الاتصالات
• خزائن البطاريات والمعدات المساعدة للتيار المستمر

الغرض ليس استبدال الحماية الكهربائية الجيدة، بل الغرض هو إخماد حريق داخلي صغير قبل انتشاره إلى المعدات المجاورة.

كيف تساعد مصهرات gPV في تقليل تفاقم الأعطال

يُعد مصهر gPV أحد أهم مكونات الحماية في دوائر التيار المستمر الشمسية.

في أنظمة الطاقة الكهروضوئية متعددة السلاسل، يمكن أن يتدفق تيار عكسي من السلاسل السليمة إلى السلسلة التي بها عطل. وهذا قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الكابلات والموصلات والألواح. يساعد اختيار مصهر gPV بشكل صحيح في قطع تيار العطل هذا قبل انتشار الضرر.

حامل مصهر تيار متردد صناعي سلسلة RT18 32A-125A | كوانجيا

بالنسبة للحماية من أخطاء القوس الكهربائي في أنظمة التيار المستمر الكهروضوئية (PV DC)، يساعد المصهر (Fuse) بعدة طرق:

• يحد من تفاقم الأعطال في دوائر الألواح المتوازية.
• يحمي الكابلات من التيار الزائد.
• يقلل من الطاقة المتاحة أثناء ظروف أعطال معينة.
• يعزل الألواح المعطلة لإجراء صيانة أكثر أماناً.
• يحسن تنسيق الحماية في النظام.

ومع ذلك، فإن جودة المصهر مهمة. فقد ترتفع درجة حرارة المصهر أو حامل المصهر منخفض الجودة أثناء التشغيل العادي. كما يمكن أن يصبح التلامس الضعيف داخل حامل المصهر نقطة خطر بحد ذاته.

ولهذا السبب، يجب على المهندسين اعتبار كل من وصلة المصهر وحامل المصهر كنظام حماية واحد.

متطلبات معيار IEC 60269-6 لصمامات الحماية الكهروضوئية

8. لماذا لا تزال حماية أجهزة الحماية من زيادة التيار المستمر (DC SPD) ضرورية

يتساءل بعض القائمين بالتركيب عما إذا كانت حماية أجهزة الحماية من زيادة التيار المستمر (DC SPD) لا تزال ضرورية إذا كان العاكس (Inverter) يتضمن حماية بالفعل.

الإجابة هي نعم، خاصة في التركيبات الكهروضوئية المكشوفة.

غالبًا ما تحتوي المصفوفة الكهروضوئية على كابلات خارجية طويلة. يمكن لهذه الكابلات التقاط طاقة اندفاعية مستحثة من الصواعق القريبة. يمكن أن تنتقل طاقة الاندفاع عبر كابلات التيار المستمر إلى العاكس ومعدات المراقبة وأنظمة الاتصالات.

يساعد جهاز الحماية من زيادة التيار المستمر (DC SPD) في تحويل تيار الاندفاع وتحديد الجهد الزائد العابر قبل أن يتسبب في تلف المعدات الحساسة.

من أجل استراتيجية كاملة للحماية من أخطاء القوس الكهربائي في التيار المستمر الكهروضوئي، تعد حماية جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) مهمة لأن أحداث الاندفاع يمكن أن تضعف العزل، وتتلف المكونات الإلكترونية، وتسبب تدهوراً خفياً. قد يستمر النظام في العمل بعد حدوث اندفاع، ولكن موثوقيته على المدى الطويل قد تنخفض.

يجب أن يأخذ تصميم جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) الجيد في الاعتبار ما يلي:

• جهد النظام الكهروضوئي
• أقصى جهد تشغيل مستمر
• متطلبات النوع 1 أو النوع 2
• تيار التفريغ الاسمي
• أقصى تيار تفريغ
• موقع التركيب
• نظام التأريض
• طول الكابل
• التنسيق بين أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs)
• متطلبات الإشارة عن بُعد

بالنسبة لمشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية التجارية وعلى مستوى المرافق، لا ينبغي اختيار أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) بناءً على السعر فقط، بل يجب اختيارها وفقاً لجهد النظام ومخاطر التركيب وتنسيق الحماية.

9. تصميم صندوق التجميع (Combiner Box) لأنظمة طاقة شمسية أكثر أماناً

يمكن لصندوق التجميع أن يقلل المخاطر أو يتسبب في حدوثها، والفرق يكمن في جودة التصميم.

يجب أن يجعل صندوق التجميع الكهروضوئي الجيد النظام أسهل في الفحص، وأكثر أماناً في الصيانة، وأكثر موثوقية أثناء الأحداث غير الطبيعية.

تشمل نقاط التصميم المهمة ما يلي:

المكونات المصنفة للتيار المستمر (DC)

يجب أن تكون جميع المكونات الموجودة داخل صندوق التجميع مناسبة لجهد التيار المستمر وتطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ولا ينبغي استخدام الأجهزة المصنفة للتيار المتردد (AC) كبدائل لها.

فصل واضح للتمديدات الكهربائية

يجب ترتيب الموصلات الموجبة والسالبة بشكل واضح. فالتخطيط السيئ للتمديدات يزيد من احتمالية إجهاد العزل، والارتباك أثناء الصيانة، والملامسة العرضية.

الموقع الصحيح لجهاز الحماية من اندفاع التيار (SPD)

يجب تركيب جهاز الحماية من اندفاع التيار (SPD) الخاص بالتيار المستمر بتمديدات قصيرة ومباشرة. فأسلاك التوصيل الطويلة تقلل من فعالية الحماية.

الاختيار المناسب لحامل المصهر (Fuse Holder)

يجب أن يتوافق حامل المصهر مع حجم المصهر، والجهد، والتيار، والمتطلبات الحرارية. وتعد حوامل المصاهر التي ترتفع حرارتها مشكلة شائعة في صناديق التجميع منخفضة الجودة.

درجة الحماية (IP)

يجب أن تكون صناديق التجميع الخارجية مقاومة للماء، والغبار، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، وتغيرات درجات الحرارة. فدخول الماء يمكن أن يؤدي إلى انهيار العزل والتآكل.

رؤية الصيانة

يمكن للملصقات، ومخططات الأسلاك، ونوافذ المؤشرات، والإشارات عن بُعد مساعدة فرق الصيانة في تحديد موقع المكونات التالفة بسرعة.

صندوق التجميع ليس مجرد نقطة توصيل، بل هو محطة الحماية الأولى بين مصفوفة الألواح الشمسية والعاكس.

10. الحماية من الحرائق في الخزانات كطبقة أمان أخيرة

تقلل أجهزة الحماية الكهربائية من احتمالية حدوث الأعطال، بينما تقلل الحماية من الحرائق من العواقب عند وقوع العطل.

هذا التمييز مهم.

المصهر (الفيوز) لا يطفئ الحريق.
جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) لا يطفئ الحريق.
قاطع الدائرة لا يقوم بإخماد الحرائق.
قاطع دائرة خطأ القوس (AFCI) لا يقوم بإصلاح العوازل التالفة.

بالنسبة لمشاريع الطاقة الكهروضوئية عالية القيمة، يجب على المهندسين التفكير بنظام الطبقات:

1. منع الأعطال من خلال التصميم الجيد.
2. الحد من الأضرار الكهربائية باستخدام المصهرات وأجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs).
3. الكشف عن الأقواس الكهربائية غير الطبيعية أو الظروف الحرارية.
4. عزل الدائرة التي حدث بها العطل.
5. إخماد الحرائق داخل الحاويات الحساسة.

تعتبر الحماية من الحرائق داخل الخزانات مفيدة بشكل خاص عند تركيب المعدات الكهربائية في مواقع نائية أو غير مأهولة. فإذا نشأ عطل في الليل، أو خلال فترات الإشعاع الشمسي العالي، أو في محطة صحراوية نائية، فقد يتأخر الاستجابة البشرية.

يمكن لجهاز إطفاء الحريق الأوتوماتيكي داخل الخزانة المساعدة في إخماد الحرائق في مراحلها الأولى داخل المساحات الكهربائية المغلقة قبل أن ينتشر الحريق إلى الخزانة بأكملها أو إلى المعدات المجاورة.

11. قائمة فحص التفتيش للمهندسين والقائمين بالتركيب

استخدم قائمة الفحص هذه أثناء التركيب، والتشغيل التجريبي، والصيانة الدورية.

فحص الكابلات والموصلات

• هل جميع الموصلات من علامات تجارية متوافقة؟
• هل الموصلات مغلقة بالكامل؟
• هل الكابلات محمية من الحواف الحادة؟
• هل الكابلات مدعومة بشكل صحيح؟
• هل نصف قطر الانحناء مقبول؟
• هل توجد علامات على التقادم بسبب الأشعة فوق البنفسجية؟
• هل توجد علامات على تلف ناتج عن القوارض أو الحيوانات؟
• هل جلب الكابلات (Cable Glands) محكمة الإغلاق بشكل صحيح؟

فحص صندوق التجميع (Combiner Box)

• هل الصندوق الخارجي محكم الإغلاق بشكل صحيح؟
• هل حوامل المصهرات (Fuse Holders) مصنفة للاستخدام مع التيار المستمر الكهروضوئي (PV DC)؟
• هل تم تركيب جهاز الحماية من التيار المستمر (DC SPD) بشكل صحيح؟
• هل مؤشرات جهاز الحماية من التيار المستمر (SPD) في وضع طبيعي؟
• هل تم ربط الأطراف بعزم الدوران الصحيح؟
• هل التوصيلات مرتبة ومنظمة بشكل واضح؟
• هل يوجد أي تغير في اللون بالقرب من الأطراف؟
• هل توصيلة التأريض موثوقة؟

فحص المصهر (Fuse)

• هل تم اختيار مصهرات الحماية الكهروضوئية (gPV) وفقاً لتيار السلسلة؟
• هل جهد التشغيل المقنن مناسب للنظام؟
• هل قدرة القطع كافية؟
• هل تعاني حوامل المصهرات من ارتفاع في درجة الحرارة؟
• هل مصهرات الاستبدال مطابقة لنفس المواصفات؟
• هل يوجد سجل للصيانة؟

فحص جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD)

• هل جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) مناسب لجهد نظام 1000 فولت تيار مستمر أو 1500 فولت تيار مستمر؟
• هل جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) من النوع 1 أو النوع 2 وفقاً لمتطلبات المشروع؟
• هل أطوال الكابلات قصيرة ومباشرة؟
• هل يلزم وجود إشارة عن بُعد؟
• هل تغير لون مؤشر تعطل جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD)؟
• هل مقاومة التأريض مقبولة؟

فحص الحماية من الحرائق

• هل الخزانات الحساسة مجهزة بنظام حماية داخلي من الحرائق؟
• هل تم تركيب الجهاز في الموضع الصحيح؟
• هل هناك تغطية كافية للحجم المحمي؟
• هل طريقة التنشيط مناسبة؟
• هل الجهاز ضمن العمر التشغيلي؟
• هل تم توثيق الفحص؟

12. بنية الحماية الموصى بها

يجب أن يستخدم تصميم حماية القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية بنية متعددة الطبقات.

تساعد هذه البنية المهندسين على الانتقال من التفكير في الأجهزة الفردية إلى الحماية على مستوى النظام.

13. دليل اختيار المنتج

بالنسبة لفرق المشتريات في مشاريع الهندسة والتوريد والإنشاءات (EPC) والمشاريع الشمسية، يجب أن يعتمد اختيار المنتج على مخاطر المشروع، وليس فقط على سعر الوحدة.

DC SPD

اختر جهاز حماية من التيار المستمر (DC SPD) بناءً على:

• جهد النظام 1000 فولت تيار مستمر أو 1500 فولت تيار مستمر
• متطلبات النوع 1 أو النوع 2
• قيم التيار الاسمي (In) والتيار الأقصى (Imax)
• وقت الاستجابة
• تصميم وحدة قابلة للتوصيل (Plug-in)
• تلامس إشارة عن بعد
• الامتثال لمعيار IEC 61643-31
• موقع التركيب

مصهر gPVV

اختيار مصهر (فيوز) gPV بناءً على:

• التيار المقنن
• الجهد المقنن
• القدرة الاستيعابية
• حجم المصهر مثل 10×38 أو 14×51 أو 10×85 أو 14×85 أو 22×125
• تيار سلسلة الألواح الشمسية (PV string current)
• درجة الحرارة المحيطة
• توافق حامل المصهر
• الامتثال لمعيار IEC 60269-6

صندوق التجميع

اختيار صندوق التجميع (Combiner box) بناءً على:

• عدد سلاسل الألواح
• جهد النظام
• تكوين المصهر وجهاز الحماية من زيادة التيار (SPD)
• تصنيف IP
• مادة الهيكل الخارجي
• جودة جلبة الكابلات (Cable gland)
• تصميم التأريض
• إمكانية الوصول إلى الصيانة

جهاز إطفاء الحريق الخاص بالخزانة

اختيار نظام الحماية من الحريق للخزانة بناءً على:

• حجم الخزانة
• طريقة التركيب
• درجة حرارة التنشيط
• سلامة العزل الكهربائي
• متطلبات الصيانة
• قيمة المعدات المحمية
• الظروف البيئية

14. الأسئلة الشائعة

ما هي الحماية من أعطال القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية؟

تعني الحماية من أعطال القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية تقليل واكتشاف وعزل والتحكم في أعطال القوس الكهربائي على جانب التيار المستمر لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية. وهي تشمل ممارسات التركيب الجيدة، والتحكم في الموصلات، وإدارة كابلات التيار المستمر، وصمامات gPV، وأجهزة الحماية من زيادة التيار (DC SPD)، ووظائف قاطع دائرة خطأ القوس (AFCI)، والمراقبة، والفحص، والحماية من الحرائق في الخزائن.

هل يمكن للصمام (Fuse) إيقاف كل أعطال القوس الكهربائي للتيار المستمر؟

لا. يساعد المصهر (Fuse) في الحماية من أعطال التيار الزائد والتيار العكسي، ولكن بعض أعطال القوس الكهربائي المتسلسلة قد لا تولد تياراً كافياً لتشغيل المصهر بسرعة. ولهذا السبب تتطلب الحماية من أعطال القوس الكهربائي طبقات متعددة.

لماذا تعتبر أعطال القوس الكهربائي المستمر (DC) أكثر خطورة من أعطال القوس الكهربائي المتردد (AC)؟

لا يمر التيار المستمر (DC) بنقطة الصفر بشكل طبيعي مثل التيار المتردد (AC). وهذا يعني أن القوس الكهربائي المستمر قد يكون من الصعب إطفاؤه بمجرد نشوئه، خاصة في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ذات الجهد العالي.

أين يجب تركيب أجهزة الحماية من زيادة التيار (DC SPD) في النظام الشمسي؟

يتم تركيب أجهزة الحماية من زيادة التيار (DC SPD) عادةً داخل صناديق تجميع الطاقة الشمسية (PV combiner boxes)، وبالقرب من مداخل التيار المستمر للمحول (Inverter)، وفي خزائن توزيع التيار المستمر. يعتمد الموقع الدقيق على طول الكابلات، والتعرض للصواعق، وجهد النظام، وتنسيق الحماية.

هل مصهرات gPV تختلف عن المصهرات العادية؟

نعم. صُممت مصهرات gPV خصيصاً لدوائر التيار المستمر الكهروضوئية. وتُستخدم لحماية سلاسل ومصفوفات الطاقة الشمسية من التيار العكسي وظروف أعطال معينة. لا ينبغي استخدام مصهرات التيار المتردد العادية كبدائل لها.

لماذا ترتفع درجة حرارة صناديق التجميع (Combiner boxes)؟

قد ترتفع درجة حرارة صناديق التجميع (Combiner boxes) بسبب ارتخاء الأطراف، أو سوء تلامس حامل المصهر، أو اختيار مصهر غير صحيح، أو ارتفاع درجة الحرارة المحيطة، أو تسرب المياه، أو التآكل، أو ضعف التهوية.

هل تعد الحماية من الحرائق في الخزائن ضرورية لكل نظام طاقة شمسية؟

ليس دائماً. ولكن يوصى بها بشدة للخزائن الكهربائية الحساسة، ومحطات العاكسات، ومحطات الطاقة الشمسية البعيدة، ومشاريع الأسطح الصناعية، وخزائن طاقة الاتصالات، وغرف المعدات عالية القيمة.

ما هي أفضل طريقة لمنع أخطاء القوس الكهربائي للتيار المستمر (DC) في الأنظمة الشمسية؟

أفضل طريقة هي الحماية متعددة الطبقات. استخدم مسارات الكابلات الصحيحة، والموصلات المتوافقة، وعزم الدوران المناسب، ومصهرات gPV، وأجهزة حماية التيار المستمر من الصواعق (DC SPDs)، ووحدات كشف القوس الكهربائي (AFCI) عند الحاجة، والفحص الحراري، ونظام إخماد الحرائق للخزائن الحساسة.

الخاتمة

تعد أخطاء القوس الكهربائي للتيار المستمر في الأنظمة الشمسية مخاطر خفية ولكنها جسيمة. يمكن أن تبدأ من مشاكل تركيب بسيطة مثل الموصلات المرتخية، أو سوء الكبس (Crimping)، أو تلف العزل، أو تسرب المياه، أو ارتفاع حرارة الأطراف.

لا ينبغي أن يعتمد مشروع الطاقة الشمسية الآمن على جهاز واحد. تتطلب الحماية الحقيقية من القوس الكهربائي للتيار المستمر سلسلة حماية متكاملة: تصميم صحيح، وتركيب عالي الجودة، ومصهرات gPV، وأجهزة حماية من الصواعق للتيار المستمر، وصناديق تجميع أكثر أماناً، ووظائف AFCI، وفحص دوري، ونظام آلي لإخماد الحرائق للخزائن الحساسة.

بالنسبة لمقاولي الهندسة والمشتريات والبناء (EPC)، وفنيي تركيب الأنظمة الشمسية، ومهندسي الكهرباء، فإن قيمة هذا النهج واضحة. فهو يقلل من مخاطر الحرائق، ويحمي العاكسات، ويحسن وقت تشغيل النظام، ويدعم الصيانة الأكثر أماناً، ويساعد مشاريع الطاقة الشمسية على العمل بشكل موثوق على المدى الطويل.

توفر شركة KUANGYA مكونات الحماية الكهربائية لمشاريع الطاقة الكهروضوئية والبنية التحتية للطاقة، بما في ذلك أجهزة الحماية من زيادة التيار المستمر (DC SPDs)، وصمامات gPV، وحوامل الصمامات، ومكونات حماية صناديق التجميع، وقواطع الدائرة، وحلول الإطفاء التلقائي للحرائق في الخزانات. لاختيار المنتجات القائمة على المشاريع، أو التخصيص (OEM)، أو للحصول على أوراق البيانات الفنية، يرجى التواصل مع KUANGYA للحصول على الدعم.