شرح أجهزة الحماية من التيار المستمر (DC SPD) من الفئة الأولى والثانية والثالثة: دليل عملي للحماية من زيادة التيار في الأنظمة الكهروضوئية (PV)

دليل عملي لأجهزة الحماية من زيادة التيار من الفئة الأولى والفئة الثانية والفئة الثالثة

أجهزة الحماية من زيادة التيار المستمر (SPDs) تُستخدم في جانب التيار المستمر (DC) لأنظمة الطاقة الكهروضوئية للحد من الجهد الزائد العابر وتصريف تيار الصواعق قبل أن يتسبب في تلف العواكس، ومعدات المراقبة، وصناديق التجميع، وغيرها من المكونات الحساسة. ومع ذلك، فإن علامات مثل الفئة الأولى, الفئة الثانية, في, إيماكس, لأعلى و تيار القصر الكهروضوئي (Iscpv) غالباً ما يساء فهمها.

يشرح هذا الدليل فئات أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD) للتيار المستمر - الفئة الأولى والفئة الثانية والفئة الثالثة - ويوضح كيفية تفسير لوحة بيانات نموذجية لجهاز حماية من زيادة التيار لنظام كهروضوئي بجهد 1000 فولت تيار مستمر.

الوجبات الرئيسية

• تصف الفئة الأولى والفئة الثانية والفئة الثالثة فئات اختبار أجهزة الحماية من زيادة التيار، وليس درجات جودة المنتج.
• ترتبط الفئة الأولى عموماً بأجهزة الحماية من النوع 1 وشكل موجة تيار الصواعق 10/350 ميكروثانية.
• ترتبط الفئة الثانية عموماً بأجهزة الحماية من النوع 2 وشكل موجة تيار زيادة الجهد 8/20 ميكروثانية.
• ترتبط الفئة الثالثة (Class III) عموماً بالحماية الدقيقة من النوع 3 واختبار الموجة المركبة.
• تصف الرموز Ucpv و In و Imax و Up و Iscpv خصائص كهربائية مختلفة ولا يمكن تبديلها ببعضها البعض.
• لا ينبغي التعامل مع جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) من الفئة الثانية تلقائياً على أنه حماية ضد تيار الصواعق المباشر.

ماذا تعني فئات أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD)؟

كلمة فئة (Class) على جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) تشير عادةً إلى تصنيف الاختبار. وهذا لا يعني أن الفئة الأولى هي منتج عالي الجودة وأن الفئة الثانية هي منتج أقل جودة. كما أنها لا تصف فئة العزل أو تصنيف حماية الغلاف (IP).

يجب عدم الخلط بين فئات أجهزة الحماية من الاندفاعات (SPD) هذه وفئات نظام الحماية من الصواعق (LPS) I و II و III و IV. يستخدم النظامان أرقاماً رومانية متشابهة ولكنهما يصفان موضوعات مختلفة.

جهاز حماية من الاندفاعات (SPD) للتيار المستمر من الفئة الأولى / النوع 1

تم تصميم جهاز الحماية من الاندفاعات (SPD) من الفئة الأولى أو النوع 1 للتعامل مع مكونات تيار الصواعق ذات الطاقة العالية. شكل موجة الاختبار الرئيسي له هو عادة 10/350 ميكروثانية: حيث يرتفع التيار بسرعة ثم يتلاشى على مدى فترة طويلة نسبياً، مما يمنح النبضة طاقة أعلى بكثير من اندفاع 8/20 ميكروثانية التقليدي الذي له نفس ذروة التيار.

يجب تقييم الحماية من النوع 1 أو النوع 1+2 عند وجود نظام حماية خارجي من الصواعق في منشأة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، أو عندما لا يمكن الحفاظ على مسافة الفصل المطلوبة، أو عندما قد يدخل تيار الصواعق إلى التركيبات الكهربائية عبر حدود منطقة الحماية من الصواعق.

المعلمة الرئيسية للنوع 1 هي عادةً إيمب. إن قيمة Imax الكبيرة وحدها لا تثبت أن جهاز الحماية من الصواعق (SPD) مناسب للعمل من النوع 1، لأن Imax ترتبط عادةً بشكل موجة 8/20 ميكروثانية.

جهاز حماية من الصواعق (SPD) للتيار المستمر من الفئة الثانية / النوع 2

تتوافق الفئة الثانية عمومًا مع جهاز حماية من النوع 2 الذي تم اختباره باستخدام شكل موجة تيار 8/20 ميكروثانية. وهي الفئة الأكثر شيوعًا المستخدمة للحماية من صواعق التيار المستحثة وعابرات التبديل في صناديق التجميع الكهروضوئية, معدات توزيع التيار المستمر ومداخل التيار المستمر للمحولات.

يمكن أيضًا تركيب جهاز حماية من النوع 2 في اتجاه التيار بعد جهاز حماية من النوع 1 كجزء من نظام حماية منسق. لا ينبغي تسويقه كجهاز مانع لتيار الصواعق المباشر ما لم يتم اختبار المنتج واعتماده أيضًا كنوع 1 أو نوع 1+2.

جهاز حماية من الصواعق (SPD) من الفئة الثالثة / النوع 3

توفر أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) من الفئة الثالثة (Class III) أو النوع 3 حماية دقيقة بالقرب من المعدات الحساسة. وعادة ما يتم تقييمها باستخدام مولد موجة مركبة ذي شكل موجة جهد دائرة مفتوحة 1.2/50 ميكروثانية وشكل موجة تيار دائرة قصر 8/20 ميكروثانية.

تعمل أجهزة النوع 3 عادةً بالتنسيق مع أجهزة الحماية من النوع 1 أو النوع 2 الموجودة في المنبع. وهي غير مصممة لامتصاص كامل طاقة زيادة التيار الواردة بمفردها.

كيفية قراءة لوحة بيانات جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) بجهد 1000 فولت تيار مستمر

Ucpv: 1000 فولت تيار مستمر

Ucpv هو أقصى جهد تشغيل مستمر لجهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) الخاص بالأنظمة الكهروضوئية. وهو أعلى جهد تيار مستمر يمكن تطبيقه بشكل مستمر على الجهاز وفقاً للشروط التي أعلنتها الشركة المصنعة.

يجب ألا تكون قيمة Ucpv المختارة أقل من أقصى جهد للدائرة المفتوحة لمصفوفة الألواح الكهروضوئية بعد التصحيح لأدنى درجة حرارة متوقعة. يرتفع جهد الدائرة المفتوحة (Voc) للوحدة مع انخفاض درجة الحرارة، لذا فإن النظام الموصوف بـ “1000 فولت تيار مستمر” لا يمكنه استخدام جهاز حماية (SPD) بقيمة Ucpv تبلغ 1000 فولت تلقائياً دون التحقق من أقصى جهد في الطقس البارد.

الفئة الثانية

تشير هذه العلامة إلى اختبار الفئة الثانية (Class II) وعادة ما تعني تطبيقاً من النوع 2. وهي تعالج بشكل أساسي الزيادات الناتجة عن الحث والتبديل والممثلة بشكل موجة 8/20 ميكروثانية. وهي لا تصف جودة المنتج أو قدرة تحمل دائرة القصر.

In: 20 kA

في هو تيار التفريغ الاسمي، ويُحدد عادةً باستخدام شكل موجة 8/20 ميكروثانية لأجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD) من النوع 2. يُستخدم هذا التيار في تسلسل الاختبار القياسي، ويُعد مؤشراً مهماً على القدرة المتكررة لتحمل تيار الصدمة في ظل ظروف الاختبار المذكورة.

Imax: 40 kA

إيماكس هو أقصى تيار تفريغ، ويرتبط عادةً بشكل الموجة 8/20 ميكروثانية. وهو قيمة تفريغ قصوى أعلى، ولا يجب تفسيره على أنه تيار يمكن لجهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) تحمله بشكل متكرر.

لا يجب مقارنة In و Imax مباشرة بـ Iimp ما لم يتم أخذ أشكال الموجات المرتبطة بها في الاعتبار. تحتوي نبضة تيار البرق 10/350 ميكروثانية على طاقة أكبر بكثير من نبضة 8/20 ميكروثانية بنفس قيمة الذروة.

Up: 4.0 kV

لأعلى هو مستوى حماية الجهد. وهو يشير إلى المستوى الذي يحد عنده جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) الجهد في ظل ظروف الاختبار المحددة. يجب تنسيق Up مع جهد تحمل النبض للمعدات المحمية.

يمكن أن يؤدي انخفاض Up إلى تحسين هامش الحماية، ولكن لا يمكن تقييم Up بمفرده. يجب أن يظل Ucpv مرتفعاً بما يكفي لنظام الطاقة الكهروضوئية (PV)، ويجب تقليل طول موصل التثبيت لأن حث الموصل يضيف جهداً أثناء زيادة التيار.

Iscpv: 10 kA

تيار القصر الكهروضوئي (Iscpv) هو تصنيف تيار القصر لنظام الطاقة الكهروضوئية (PV) الخاص بجهاز الحماية من زيادة التيار (SPD). وهو ليس تصنيفاً لتفريغ زيادة التيار، بل يصف تيار القصر المحتمل لنظام الطاقة الكهروضوئية الذي يكون جهاز الحماية وترتيب فصله مناسبين له وفقاً للشروط المعلنة من قبل الشركة المصنعة.

هذه القيمة مهمة بشكل خاص في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ذات التيار المستمر (DC)، لأن جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) في حالة تعطلة يجب أن يفصل بأمان دون التسبب في قوس كهربائي خطير للتيار المستمر.

5% – 95% رطوبة نسبية

يصف هذا عادةً نطاق الرطوبة النسبية المسموح به. يجب مراجعة ورقة البيانات الكاملة للتحقق من ظروف مثل التشغيل في بيئة غير متكثفة، والتآكل، وتكون الجليد، والارتفاع عن سطح البحر.

-40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية

هذا هو نطاق درجة الحرارة المعلن. بالنسبة للمعدات المثبتة داخل صناديق التجميع الخارجية أو الحاويات، قد تكون درجة الحرارة الداخلية للخزانة أعلى بكثير من درجة حرارة الطقس المحيطة.

للاستخدام الداخلي ودرجة حماية IP20

توفر درجة الحماية IP20 حماية أساسية ضد ملامسة الأصابع وبعض الأجسام الصلبة، ولكن الرقم الثاني “0” يعني عدم وجود حماية معلنة ضد دخول الماء. يجب عدم تعريض جهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) ذو تصنيف IP20 للمطر بشكل مباشر. تتطلب تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخارجية حاوية مناسبة يتم اختيارها وفقاً للظروف البيئية.

أين يتم تركيب أجهزة الحماية من زيادة التيار (DC SPDs) في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية؟

يتم تركيب أجهزة الحماية من اندفاع التيار (DC SPDs) عادةً في صناديق تجميع الطاقة الشمسية الكهروضوئية وبالقرب من مداخل التيار المستمر للعاكس. يعتمد العدد والموقع المناسبان على تصميم النظام، ومسارات الكابلات، ومفهوم الحماية من الصواعق، وترتيب التأريض، ومستويات تحمل المعدات.

في حال كانت كابلات التيار المستمر طويلة، قد يلزم وجود أجهزة حماية منسقة عند كلا الطرفين. يجب أن يتبع التنسيق والموضع النهائي معايير تصميم التركيب المعمول بها ومعيار IEC 61643-32 بدلاً من الاعتماد على قاعدة عامة لجهاز واحد.

متى يجب عليك اختيار النوع 1 أو النوع 2 أو النوع 1+2؟

ضع في اعتبارك استخدام النوع 1 أو النوع 1+2 في الحالات التالية:

• وجود نظام حماية خارجي من الصواعق في المبنى.
• عدم إمكانية الحفاظ على مسافة الفصل المطلوبة.
• احتمالية دخول تيار الصواعق إلى تمديدات النظام الكهروضوئي أو عبوره لحدود منطقة الحماية من الصواعق (LPZ).
• يتطلب تقييم مخاطر المشروع قدرة على تفريغ تيار الصواعق.

يجب مراعاة النوع 2 (Type 2) في الحالات التالية:

• عندما يكون الخطر الرئيسي هو الصواعق المستحثة أو الجهد الزائد الناتج عن عمليات التبديل.
• عندما يتم تركيب جهاز الحماية من الصواعق (SPD) في اتجاه التيار بعد جهاز من النوع 1 (Type 1).
• عندما يتطلب صندوق تجميع الطاقة الشمسية (PV combiner box) أو مدخل العاكس حماية محلية من الاندفاعات الكهربائية دون الحاجة لتحمل تيار الصواعق المباشر.

يجب أن يأخذ الاختيار النهائي دائماً في الاعتبار Ucpv، وIimp حيثما ينطبق ذلك، وIn، وImax، وUp، وIscpv، ونمط الحماية، ونظام التأريض، والحماية الاحتياطية، والشهادات، وليس فقط أكبر قيمة بالكيلو أمبير (kA) مكتوبة على الملصق.

أخطاء شائعة في اختيار أجهزة الحماية من الاندفاعات الكهربائية للتيار المستمر (DC SPD).

1. التعامل مع الفئة الثانية (Class II) على أنها تصنيف للجودة. إنها فئة اختبار، وليست تصريحاً بأن المنتج من الدرجة الثانية.
2. مقارنة التصنيفات الحالية دون مراعاة شكل الموجة. تيار 40 كيلو أمبير عند 8/20 ميكروثانية لا يعادل 40 كيلو أمبير عند 10/350 ميكروثانية.
3. الخلط بين تيار القصر الكهروضوئي (Iscpv) وتيار الصواعق (surge current). يرتبط Iscpv بظروف القصر في الأنظمة الكهروضوئية؛ بينما يرتبط In و Imax بتفريغ الصواعق.
4. اختيار جهد التشغيل المستمر (Ucpv) بناءً على الجهد الاسمي للنظام فقط. يجب حساب جهد الدائرة المفتوحة (Voc) عند درجات الحرارة المنخفضة.
5. تجاهل طول الموصل. تؤدي التوصيلات الطويلة لأجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD) إلى زيادة الجهد الفعلي الذي تتعرض له المعدات المحمية.
6. تركيب معدات بتصنيف IP20 في الأماكن الخارجية دون استخدام صندوق حماية. لا يوفر تصنيف IP20 أي حماية ضد الماء.
7. استخدام أجهزة من النوع 2 في المواقع التي تتطلب أجهزة من النوع 1. تتطلب مخاطر التعرض المباشر لتيار الصواعق اختيار فئة اختبار صحيحة وتصميماً هندسياً دقيقاً للنظام.

الخاتمة

يعد الاختيار الصحيح لجهاز الحماية من زيادة التيار (SPD) للتيار المستمر قراراً هندسياً منسقاً. يجب أن يتمتع الجهاز بجهد تشغيل مستمر مناسب، وفئة اختبار صحيحة، وقدرة تفريغ كافية، ومستوى حماية من الجهد ملائم، وسلامة كافية ضد تيار القصر في الأنظمة الكهروضوئية.

بالنسبة للوحة البيانات المذكورة في المثال، تشير الفئة الثانية (Class II) إلى تطبيق من النوع 2؛ بينما يصف كل من In 20 kA و Imax 40 kA أداء تيار الاندفاع بموجة 8/20 ميكروثانية؛ ويمثل Up 4.0 kV مستوى الحماية من الجهد؛ أما Iscpv 10 kA فهو تصنيف تيار القصر للأنظمة الكهروضوئية. لا يمكن لأي من هذه القيم أن تحل محل الأخرى.

هل تحتاج إلى مساعدة في اختيار جهاز حماية من زيادة التيار (SPD) لنظامك الكهروضوئي؟ أرسل لنا. كوانجيا أقصى جهد للنظام، وتكوين سلسلة الوحدات، والحد الأدنى لدرجة حرارة الموقع، وموضع التركيب، وترتيب التأريض، وظروف الحماية من الصواعق. يمكننا التوصية بطراز مناسب من النوع 1 أو النوع 2 أو النوع 1+2 لهذا التطبيق.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين أجهزة الحماية من التيار المستمر (DC SPD) من الفئة الأولى والفئة الثانية؟

Class I (Type 1) DC SPDs are tested with a 10/350 μs lightning-current impulse and are intended for installations where partial lightning current may enter the PV system. Class II (Type 2) DC SPDs are tested with an 8/20 μs waveform and mainly protect against induced lightning and switching surges.

Can a Type 2 SPD protect a PV system from direct lightning?

A Type 2 SPD is not automatically suitable for direct-lightning-current duty. Where lightning current can enter the installation, use a properly tested Type 1 or Type 1+2 SPD as required by the lightning protection and risk assessment.

How do I choose Ucpv for a DC SPD?

Choose a Ucpv rating that is not lower than the PV array maximum open-circuit voltage after correcting module Voc for the lowest expected site temperature. Also verify the inverter voltage limit and the manufacturer’s installation requirements.

Where should DC SPDs be installed?

Typical locations include PV combiner boxes and inverter DC inputs. Long cable routes or lightning protection zone boundaries may require coordinated SPDs at more than one location.

Standards Referenced

• IEC 61643-31 — Requirements and test methods for SPDs for photovoltaic installations.
• IEC 61643-32 — Selection and application principles for SPDs connected to the DC side of photovoltaic installations.