جهاز حماية من زيادة الجهد AC 220/380V للوحات التوزيع: دليل الاختيار والتوصيل

يُعد نظام التيار ثلاثي الطور 220/380 فولت من أكثر أنظمة توزيع الجهد المنخفض استخدامًا حول العالم. ويتطلب اختيار جهاز حماية من زيادة الجهد 220 فولت (SPD) للوحات التوزيع العاملة بهذا الجهد مراعاة دقيقة لعدد الأقطاب، وتصنيف نظام التأريض، وطريقة توصيل SPD للتيار المتردد بصورة صحيحة. يوضح هذا الدليل العوامل الفنية التي تحدد موثوقية تركيب الحماية من زيادة الجهد.

نظرة عامة على أنظمة توزيع الجهد المنخفض 220/380 فولت

يشير نظام 220/380 فولت إلى شبكة جهد منخفض ثلاثية الطور يكون فيها الجهد بين الطور والمحايد نحو 220 فولت، والجهد بين طورين نحو 380 فولت. وتندرج هذه القيم ضمن مستويات الجهد القياسية في IEC 60038، الذي يعترف أيضًا بالترتيبات القريبة 230/400 فولت و240/415 فولت. عمليًا، تصف هذه القيم الاسمية البنية نفسها: تغذية ثلاثية الطور بأربعة أسلاك (أو خمسة)، يكون فيها كل طور قريبًا من 220 فولت بالنسبة إلى المحايد ونحو 380 فولت بالنسبة إلى الطور المجاور.

تُصمم لوحات التوزيع في المنشآت الصناعية والمباني التجارية والمشروعات الكبيرة غالبًا وفق هذا الجهد. وتغذي اللوحات أحمالًا ثلاثية الطور مثل المحركات ومغيرات السرعة ومعدات التكييف عند 380 فولت، إلى جانب أحمال أحادية الطور مثل الإضاءة ودوائر التحكم وأجهزة القياس عند 220 فولت. وبما أن مستويي الجهد موجودان في اللوحة نفسها، فإن تركيب جهاز حماية من زيادة الجهد 380 فولت عند مدخل اللوحة يعد وسيلة شائعة للحد من الجهود العابرة قبل انتقالها إلى القواطع والكونتاكتورات ومغيرات السرعة ومعدات التحكم في جهة الأحمال.

ترجع أهمية الحماية على مستوى لوحة التوزيع إلى طريقة انتشار الجهود العابرة. تدخل معظم الارتفاعات العابرة في الجهد عبر موصل التغذية أو عبر نظام تأريض مشترك مع منشآت قريبة تعرضت للصواعق. يقوم SPD بجهد 220 فولت عند مدخل اللوحة بتصريف تيار الاندفاع إلى الأرض والحد من الجهد المتبقي الذي يصل إلى الأجهزة على الدائرة. ويمكن بعد ذلك لأجهزة الحماية الأقرب إلى المعدات التعامل مع الجهود المتبقية الأصغر بمستوى حماية أقل (Up)، لتكوين بنية حماية متدرجة.

لكن عملية الاختيار لا تقتصر على تحديد قيمة الجهد. فالجهاز الصحيح يعتمد على عدد الأقطاب المطلوبة وعلى طريقة تأريض المنشأة، وهما عاملان يحددان مسارات زيادة الجهد التي يجب أن تغطيها توصيلات SPD للتيار المتردد. ويحدد معيار IEC 61643-11 إطار الأداء الكهربائي لأجهزة الحماية من زيادة الجهد منخفضة الجهد، بينما تتبع ممارسات التوصيل والتأريض التطبيقات المحلية لمعيار IEC 60364 للتركيبات الكهربائية منخفضة الجهد. وينبغي الرجوع إلى كلا المعيارين أثناء مرحلة الاختيار والتصميم.

اختيار عدد أقطاب SPD: ‏1P و2P و3P و4P

يشير عدد أقطاب SPD إلى عدد الموصلات التي يغطيها بالحماية. واختيار العدد الصحيح هو الخطوة الأولى في توصيل SPD للتيار المتردد، لأنه يحدد مسارات زيادة الجهد التي يغطيها الجهاز.

1P و2P (أحادي الطور)

يحمي SPD أحادي القطب (1P) مسارًا واحدًا من الخط إلى الأرض، ويستخدم عندما يوجد طور واحد ولا تكون هناك حاجة إلى حماية منفصلة للمحايد. أما تكوين 1P+N، الذي يوصف عادة كوحدة ثنائية القطب (2P)، فيحمي مساري الخط إلى الأرض والمحايد إلى الأرض في دائرة أحادية الطور 220 فولت. وفي لوحات التوزيع أحادية الطور، يكون تكوين 2P أكثر شيوعًا لأن موصل المحايد قد يحمل أيضًا تيار اندفاع يحتاج إلى التصريف.

3P و4P (ثلاثي الطور)

في لوحة ثلاثية الطور 380 فولت، يحمي SPD ثلاثي الأقطاب (3P) المسارات الثلاثة من الخط إلى الأرض. ويضيف تكوين 3P+N، الذي يوصف كوحدة رباعية الأقطاب (4P)، حماية مسار المحايد إلى الأرض. وتعتمد الحاجة إلى قطب المحايد على نظام التأريض: ففي TN-S يكون المحايد منفصلًا عن الأرض ولذلك يفضل عادةً 4P؛ أما في TN-C فيُجمع المحايد والأرضي في موصل PEN، ولذلك يستخدم غالبًا 3P لعدم وجود محايد منفصل بعد نقطة الدمج.

ملاحظة: يشير عدد الأقطاب إلى عدد مسارات زيادة الجهد المحمية، وليس إلى الحجم الفيزيائي للقاطع. ولا يعني SPD من نوع 4P وجود طور رابع؛ بل يعني ثلاثة أطوار بالإضافة إلى قطب لحماية المحايد.

تستخدم بعض لوحات التوزيع وحدة مدمجة النوع 1+2 للتعامل مع جزء من تيار الصاعقة وكذلك الارتفاعات المستحثة اللاحقة في جهاز واحد. وينطبق منطق عدد الأقطاب نفسه؛ إذ تُحدد الوحدة المدمجة بصيغة 1P أو 2P أو 3P أو 4P بما يتوافق مع اللوحة. ويُحسم الاختيار بين جهاز مدمج أو مراحل منفصلة وفق تصنيف مخاطر الاندفاع عند المدخل والمساحة المتاحة داخل اللوحة.

يحد SPD الموجود في لوحة التوزيع أساسًا من زيادة الجهد ذات النمط المشترك، أي الجهد بين كل موصل محمي والأرض. وتبقى الحماية من النمط التفاضلي بين الموصلات الحية مهمة للأحمال الحساسة، إلا أن مسار الاندفاع الغالب في معظم تركيبات 220/380 فولت يكون باتجاه الأرض. لذلك تحظى توصيلات L–PE وN–PE في توصيل SPD للتيار المتردد بأولوية أثناء التصميم والتشغيل.

تصنيف أنظمة التأريض: TN-S وTN-C وTN-C-S وTT وIT

يحدد نظام التأريض موضع اتصال المحايد بالأرضي الوقائي، وهذا بدوره يحدد عدد أقطاب SPD وتفاصيل توصيله للتيار المتردد. ويصنف IEC 60364 الأنواع الشائعة كما يلي.

TN-S يحافظ على المحايد (N) والأرضي الوقائي (PE) كموصلين منفصلين في كامل المنشأة. ويدعم هذا التكوين SPD من نوع 4P (3P+N) لحماية الأطوار الثلاثة والمحايد إلى الأرض. TN-C يجمع N وPE في موصل PEN واحد؛ ولعدم وجود موصل محايد منفصل بعد نقطة الدمج، يُستخدم عادة SPD من نوع 3P. TN-C-S يبدأ كنظام TN-C ثم ينقسم في جهة الأحمال إلى موصلين مستقلين N وPE؛ وبعد نقطة الفصل يتم اختيار SPD وفق منطق TN-S.

TT يعتمد على قطب تأريض محلي للمنشأة، مع عدم ربط المحايد بالأرض عند مدخل الخدمة. ويكون SPD من نوع 4P متصلًا بقطب التأريض المحلي ترتيبًا شائعًا، كما تعد الحماية بالتيار المتبقي في جهة المنبع إجراءً مكملاً مهمًا. IT يعزل المحايد عن الأرض أو يؤرضه عبر ممانعة، ويستخدم في البيئات الصناعية والطبية. وغالبًا ما يستخدم SPD من نوع 3P على الأطوار الثلاثة، مع النظر في حماية المحايد عندما يتم توزيعه إلى الأحمال.

يتميز نظام IT بأن أول عطل عزل إلى الأرض لا يولد تيار عطل مرتفعًا، ولذلك يمكن للمنشأة الاستمرار في التشغيل إلى أن يتم تحديد موقع العطل. وهذا يعني أيضًا أن تركيز الحماية من زيادة الجهد يبقى على موصلات الأطوار الثلاثة، ويضاف قطب SPD للمحايد أساسًا عندما يكون هناك محايد موزع لأحمال تحتاج إليه.

دليل عملي للتعرّف: تعرض لوحات TN-S قضيبين منفصلين N وPE دون ربط بينهما داخل اللوحة؛ وتعرض لوحات TN-C قضيب PEN واحدًا؛ وتعرض لوحات TT قضيب N بالإضافة إلى قضيب أرضي محلي دون ربط من جهة التغذية؛ بينما تعرض لوحات IT محايدًا عائمًا أو محايدًا مؤرضًا عبر ممانعة. إن فحص ترتيب القضبان طريقة ميدانية سريعة تساعد على ضمان التوصيل الصحيح لـ SPD للتيار المتردد، وقد يمنع اختيار وحدة غير مناسبة للوحة.

يعد الخطأ في تحديد نوع التأريض سببًا متكررًا لأخطاء توصيل SPD للتيار المتردد. لذلك يُستحسن تأكيد النظام من مخطط الخط الواحد للمشروع أو من خلال معاينة الموقع قبل طلب الجهاز.

المعلمات الكهربائية الأساسية لاختيار SPD بجهد 220 فولت

إضافة إلى عدد الأقطاب والتأريض، يجب مطابقة القيم الكهربائية لجهاز الحماية من زيادة الجهد 380 فولت مع ظروف تشغيل اللوحة. وهناك عدة معلمات ينبغي مراجعتها بصورة منهجية أثناء الاختيار.

أقصى جهد تشغيل مستمر (Uc)

يجب أن يكون Uc أعلى من أقصى جهد مستمر يتعرض له SPD في كل نمط حماية. وفي نظام 220/380 فولت، يُستخدم كثيرًا نطاق Uc بين 275 و320 فولت لكل قطب، بحسب الجهد الاسمي بين الطور والمحايد والتفاوتات المسموح بها. وتتحدد القيمة الدقيقة وفق جهد النظام ونظام التأريض ومدى تعرض المعدات لزيادة الجهد المؤقتة. وقد لا يتحمل Uc المنخفض اضطرابات التغذية، بينما قد يؤدي Uc المرتفع أكثر من اللازم إلى رفع مستوى الحماية.

مستوى الحماية (Up)

ينبغي أن يكون مستوى الحماية أقل من جهد تحمل النبضة للمعدات في جهة الأحمال. وتستفيد مغيرات السرعة وPLC وأجهزة القياس الحساسة في لوحة 220/380 فولت من Up منخفض، بشرط استمرار استيفاء متطلبات Uc. وهناك موازنة بين Uc وUp؛ فاختيار Uc أعلى لتحسين القدرة على التحمل يرفع Up عادة، ولذلك يعد التنسيق بين المعلمتين جزءًا أساسيًا من عملية الاختيار.

تيار التفريغ الاسمي والأقصى (In / Imax)

يعكس تيار التفريغ الاسمي (In) مستوى التعرض المعتاد للاندفاعات، بينما يبين تيار التفريغ الأقصى (Imax) الحد الأعلى لقدرة الجهاز. وغالبًا ما تستخدم اللوحات في المواقع المكشوفة أو المباني المرتفعة قيم In أعلى من المنشآت الواقعة في مناطق حضرية كثيفة ومحجوبة نسبيًا. ويمكن الاستفادة من كثافة ضربات الصواعق الأرضية في الموقع، عند توفرها، كأحد مدخلات تحديد هذه القيمة.

تحمل زيادة الجهد المؤقتة (TOV)

توضح خاصية تحمل TOV سلوك SPD أثناء حالات زيادة الجهد المستمرة، مثل فقدان المحايد أو عطل طور إلى أرض من جهة التغذية. ويساعد الجهاز ذو تحمل TOV المناسب على تقليل احتمال التعطل غير الضروري أثناء اضطرابات التغذية غير العابرة.

لخيار جاهز للمواصفة، توفر Cresin سلسلة CSMS-B40 من وحدات SPD للتيار المتردد لفئة 220/380 فولت بعدة أعداد من الأقطاب ومصممة وفق IEC 61643-11. ويبدأ تحديد الوحدة المناسبة للوحة من جهد النظام ونوع التأريض ومستوى Up المطلوب، وينطبق المنطق نفسه على نطاق أجهزة SPD للتيار المتردد. ولمزيد من التفاصيل حول تصنيف Type 1 وType 2، راجع دليل SPD من النوع 1 مقابل النوع 2.

مصفوفة توصيل SPD للتيار المتردد حسب النظام والتأريض

يلخص الجدول التالي الاختيارات النموذجية لعدد أقطاب SPD ومسارات الاندفاع المحمية في تكوينات 220/380 فولت الشائعة. القيم إرشادية، ويجب أن يعتمد الاختيار النهائي على مخطط الخط الواحد للمشروع والكود الكهربائي المحلي.

في جميع الحالات، يجب أن يكون اتصال SPD بالأرض قصيرًا ومستقيمًا وبمقطع موصل مناسب، لأن فعالية الحماية تعتمد على ممانعة هذا المسار. وقد يؤدي سلك أرضي طويل أو رفيع إلى تعريض المعدات المحمية لجهد متبقٍ أعلى مما توحي به قيمة Up الاسمية للجهاز.

كما أن مقطع موصلات SPD نفسه مهم. يحدد المصنعون عادة الحد الأدنى لمقطع الموصل وأقصى طول مسموح لاتصال الأرضي؛ والالتزام بهذه القيم يساعد على إبقاء الممانعة منخفضة. وإذا كان تصميم اللوحة يضع SPD بعيدًا عن قضيب الأرضي، فمن الأفضل عادة استخدام موصل أرضي قصير ومخصص بدل مشاركة مسار طويل مع معدات أخرى.

إرشادات التركيب واحتياطات السلامة

ينبغي التعامل مع النقاط التالية كفحوص إلزامية وليست ملاحظات اختيارية أثناء توصيل SPD للتيار المتردد وتشغيله.

بعد التركيب، يساعد تسجيل طراز SPD وعدد الأقطاب وUc وUp وتاريخ التشغيل في جدول اللوحة على أعمال الفحص اللاحقة. كما تُدرج عادة فحوص مؤشر الحالة وعزم الأطراف ضمن خطة الصيانة. وتوفر نافذة مؤشر الحالة في وحدة SPD دلالة مرئية على حالة التشغيل؛ فعادة يشير اللون الأخضر إلى التشغيل الطبيعي، بينما يشير الأحمر إلى أن الوحدة وصلت إلى نهاية عمرها وتحتاج إلى الاستبدال.

الأسئلة الشائعة