IEC 61643-31 لأجهزة SPD الشمسية DC: المتطلبات والاختبارات

تُقيَّم أجهزة الحماية من زيادة الجهد (SPD) المخصصة لجانب التيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية وفق مجموعة مستقلة من المتطلبات. وفي العديد من الأسواق، يُعد المستند المرجعي لهذا التطبيق هو IEC 61643-31، الذي يتناول أجهزة الحماية من زيادة الجهد منخفضة الجهد الخاصة بالتركيبات الكهروضوئية. وبالنسبة للمشترين والمصممين، فإن فهم متطلبات معيار SPD للتيار المستمر يساعد على إجراء مقارنة أكثر اتساقاً بين المنتجات وتجنب التكوينات التي قد لا تتوافق مع التطبيق المقصود. تستعرض هذه المقالة أهم معلمات الاختبار المحددة في IEC 61643-31، وتقارنها بمعيار IEC 61643-11 المخصص للتيار المتردد، وتعرض فحوصاً عملية لتقييم جهاز حماية من زيادة الجهد للأنظمة الكهروضوئية.

1. ما الذي تغطيه IEC 61643-31

تحدد IEC 61643-31 متطلبات الأداء والاختبار لأجهزة SPD المتصلة بجانب التيار المستمر في أنظمة التغذية الكهروضوئية. وهي جزء من سلسلة IEC 61643؛ حيث تغطي الجزء 11 أجهزة SPD المتصلة بأنظمة القدرة منخفضة الجهد للتيار المتردد، بينما يغطي الجزء 31 أجهزة SPD لدوائر التيار المستمر الكهروضوئية. ويعكس هذا الفصل اختلاف السلوك الكهربائي لدوائر التيار المستمر، وبالأخص غياب نقطة عبور طبيعية للتيار عند الصفر، وهو ما يؤثر في طريقة قطع جهاز SPD للتيار المستمر للتيار اللاحق بعد حدوث موجة زيادة جهد.

ولهذا السبب، فإن جهاز SPD للتيار المستمر الكهروضوئي ليس مجرد جهاز تيار متردد أُعيدت تسميته للاستخدام الشمسي؛ بل إن تصميمه وأساس اختباره يخضعان لمعيار SPD الخاص بالتيار المستمر. وينطبق المعيار على الأجهزة المصممة للحد من الزيادات العابرة في الجهد وتحويل تيارات الاندفاع على جانب سلاسل ومصفوفات PV، عادة بين الوحدات وصناديق التجميع ومدخل التيار المستمر للعاكس. ويقدم العديد من المصنعين، ومنهم Cresin، مجموعة مخصصة من أجهزة SPD للأنظمة الشمسية الكهروضوئية المعلنة وفق IEC 61643-31 لجانب التيار المستمر وIEC 61643-11 لجانب التيار المتردد.

2. معلمات الاختبار الرئيسية: Uc وIn وImax وUp وTOV

2.1 Uc — أقصى جهد تشغيل مستمر

أقصى جهد تشغيل مستمر، Uc، هو أعلى جهد تيار مستمر يمكن لجهاز SPD الكهروضوئي للتيار المستمر تحمله بشكل متواصل دون الدخول في حالة توصيل. تشترط IEC 61643-31 وضع قيمة Uc المعلنة على الجهاز والتحقق منها. وفي التطبيقات الكهروضوئية، يتأثر اختيار Uc بجهد الدائرة المفتوحة للمصفوفة، الذي قد يرتفع عند انخفاض درجات الحرارة بسبب معامل الحرارة السالب لوحدات السيليكون البلوري (وغالباً ما يكون قريباً من ‎−0.3%/°C). لذلك فإن اختيار Uc بهامش مناسب لهذا التأثير خطوة متكررة عند تحديد مواصفات SPD للتيار المستمر الكهروضوئي.

لذلك فإن الجهاز المصمم لنظام 1500 فولت يُعلن عادة بقيمة Uc أعلى من أقصى جهد تشغيل متوقع. فعلى سبيل المثال، تُستخدم قيمة Uc تبلغ 1800 فولت DC كثيراً عندما يمكن أن تقترب Voc للمصفوفة من 1500 فولت أو تتجاوزها في الظروف الباردة. ويُعد اختيار Uc بهامش كافٍ من النقاط الأساسية في تحديد مواصفات SPD للتيار المستمر الكهروضوئي، كما أنه من أول القيم التي ينبغي للمشتري مطابقتها مع أقصى جهد متوقع للمصفوفة في أسوأ الظروف.

2.2 In — تيار التفريغ الاسمي

تيار التفريغ الاسمي، In، هو القيمة العظمى لتيار نبضي 8/20 µs يستطيع جهاز SPD تحمله عدداً محدداً من المرات (عادة 15 نبضة موجبة و15 نبضة سالبة) دون فشل. وهو يعبّر عن قدرة التفريغ الاسمية عند التعرض المتكرر لموجات زيادة الجهد. وتشترط IEC 61643-31 إعلان قيمة In واختبارها. وبالنسبة إلى جهاز SPD للتيار المستمر الكهروضوئي مثل CSMS-B40، تُعد قيمة In البالغة 20 kA ‏(8/20 µs) قيمة معلنة شائعة.

تُستخدم In كثيراً كأساس لمقارنة الأجهزة ذات التطبيقات المتشابهة، إلا أنه يجب تقييمها مع Imax وUp وليس بشكل منفصل.

2.3 Imax — أقصى تيار تفريغ

أقصى تيار تفريغ، Imax، هو القيمة العظمى لتيار نبضي 8/20 µs يمكن لجهاز SPD تحمله مرة واحدة دون تدمير. وتكون عادة أعلى من In، وتوضح أقصى مستوى اندفاع يمكن للجهاز النجاة منه في حدث منفرد. وفي أجهزة SPD الكهروضوئية للتيار المستمر، تُعلن عادة قيم Imax مثل 40 kA. وتوفر نسبة والفارق بين In وImax، إلى جانب الجهد المتبقي عند كل مستوى، مؤشراً على هامش تحمل الجهاز في الأحداث الشديدة غير المتكررة.

2.4 Up — مستوى الحماية من الجهد

مستوى الحماية من الجهد، Up، هو أقصى جهد يظهر بين أطراف جهاز SPD تحت تيار تفريغ محدد. وتشترط IEC 61643-31 إعلان قيمة Up؛ وتشير القيم الأقل عادة إلى انتقال جهد زائد أقل إلى المعدات المحمية. ولتحقيق تنسيق فعال، ينبغي مقارنة Up بقدرة المكونات الواقعة بعد جهاز الحماية على تحمل الجهد النبضي.

عادة ما يتم تقييم Up لجهاز SPD الكهروضوئي للتيار المستمر عند In، وقد توفر الشركات المصنعة أيضاً قيماً عند Imax. وعند تقييم جهاز حماية من زيادة الجهد للأنظمة الكهروضوئية، فإن مقارنة Up عند نفس التيار المرجعي تعطي صورة أكثر اتساقاً من مقارنة الأرقام التسويقية وحدها. وهذا مهم بشكل خاص عندما يغذي جانب التيار المستمر إلكترونيات حساسة داخل العاكس.

2.5 TOV — تحمل زيادة الجهد المؤقتة

زيادة الجهد المؤقتة (TOV) هي زيادة جهد بتردد القدرة يمكن أن تستمر لمدة أطول من موجة الاندفاع، على سبيل المثال بسبب عطل في دائرة مجاورة أو انزياح نقطة التعادل. تتضمن IEC 61643-31 متطلبات تحمل TOV، بحيث يجب أن يتحمل جهاز SPD حالة TOV دون تلف أو أن يفصل بأمان. وبالنسبة لأجهزة SPD الكهروضوئية للتيار المستمر، يتم تحديد حالات TOV بين خط وخط وكذلك بين الخط والأرض.

قد يدخل الجهاز الذي لا يتعامل مع TOV بشكل صحيح في حالة توصيل مستمرة، ولهذا يعالج المعيار هذه الحالة بشكل منفصل عن اختبارات التيار النبضي. ويجب على المشتري عند مراجعة إعلان المطابقة لمعيار SPD للتيار المستمر التأكد من ذكر شروط ونتائج اختبار TOV وعدم إغفالها.

2.6 Iimp — تقييم الأجهزة المدمجة

تُصنف بعض أجهزة SPD الكهروضوئية للتيار المستمر على أنها Type 1+2 مدمجة، أي إنها تُختبر بتيار نبضي 10/350 µs ‏(Iimp، المرتبط بتيار البرق المباشر) وبتيار اسمي 8/20 µs ‏(In/Imax). وتتناول IEC 61643-31 هذه الأجهزة المدمجة ضمن سياق دوائر PV للتيار المستمر. ويحمل جهاز SPD الكهروضوئي تصنيف Iimp وتصنيف In/Imax معاً، مما يسمح لجهاز واحد بالتعامل مع جزء من تيار البرق عند نقطة الدخول وكذلك مع موجات الاندفاع المستحثة في المراحل اللاحقة. 

3. IEC 61643-31 مقابل IEC 61643-11: جدول مقارنة

يلخص الجدول التالي أهم الفروق التي قد يلاحظها المشتري عند مقارنة جهاز على جانب التيار المستمر مقيم وفق IEC 61643-31 بجهاز على جانب التيار المتردد مقيم وفق IEC 61643-11. ويجب الانتباه إلى أن المعيارين يغطيان نوعين مختلفين من الدوائر، وأن النظام الكهروضوئي يستخدم عادة كليهما: أحدهما على جانب DC والآخر عند خرج AC للعاكس.

4. لماذا يختلف المعياران عملياً

بعيداً عن قائمة المعلمات، يكمن الفرق العملي في نوع الدائرة التي يعالجها كل معيار. تستخدم IEC 61643-11 طرق اختبار للتيار المتردد في أنظمة التوزيع منخفضة الجهد، بينما تستخدم IEC 61643-31 ترتيبات خاصة بالتيار المستمر تراعي غياب عبور الصفر وارتفاع الجهود في سلاسل PV. ويتم اختبار SPD الكهروضوئي للتيار المستمر على قطع قوس DC، في حين يستفيد SPD للتيار المتردد من نقاط العبور الطبيعية للصفر.

وبالتالي، فإن الجهاز المعتمد فقط وفق IEC 61643-11 لا يُعد مناسباً تلقائياً لجانب التيار المستمر في النظام الكهروضوئي لمجرد حصوله على هذه الشهادة. كما أن المواصفة التي تطلب ببساطة «SPD وفق IEC 61643» دون تحديد رقم الجزء قد تترك هذا الفرق دون معالجة. لذلك من الأفضل تحديد الجزء بوضوح في مستند الشراء: IEC 61643-31 أو IEC 61643-11.

5. كيف يمكن للمشترين التحقق من المطابقة

تُجرى عادة عدة فحوص قبل اعتماد المواصفة النهائية:

• تأكد من أن الشهادة تشير إلى IEC 61643-31 (وليس فقط IEC 61643-11) للطرازات المستخدمة على جانب التيار المستمر.
• طابق القيمة المعلنة Uc مع أعلى Voc متوقعة للمصفوفة في أسوأ الظروف، مع مراعاة درجات الحرارة المنخفضة.
• تحقق من أن قيم In وImax وUp وTOV معلنة بالكامل ومتوافقة مع تقرير الاختبار.
• تأكد من أن رقم الطراز المعتمد يطابق المنتج المعروض، بما في ذلك فئة الجهد وتكوين الأقطاب.
• اطلب تقرير اختبار من مختبر معتمد عندما يبرر حجم المشتريات أو مستوى مخاطر المشروع ذلك.
• راجع العلامات الإضافية (مثل TÜV أو CB) التي قد يطلبها السوق المستهدف.

بالنسبة للمشاريع التي تحتاج إلى اختيار منسق للحماية على جانبي DC وAC، يمكن للفريق الفني في Cresin مراجعة جهد المصفوفة وواجهة العاكس وترتيب التأريض. ويمكنك التواصل معنا لمناقشة تركيب محدد.

6. ثغرات المطابقة الشائعة التي يجب الانتباه إليها

تظهر في السوق أحياناً أجهزة SPD للتيار المستمر تحمل فقط علامة IEC 61643-11، أو قيم Uc مختارة دون هامش لدرجات الحرارة، أو قيم Up مذكورة دون تيار مرجعي. وقد لا تظهر هذه الفجوات بوضوح في ورقة بيانات مختصرة، لذلك يُنصح بمراجعة إعلان المطابقة الكامل والشهادة قبل اعتماد المنتج في المواصفة. كما يُعد تكوين الأقطاب نقطة متكررة أخرى: يجب أن يتوافق الجهاز المعلن لتوبولوجيا DC معينة مع توصيلات المحطة، ويُتحقق من ذلك بالرجوع إلى المخطط أحادي الخط.

7. الأسئلة الشائعة

8. الخلاصة

توفر IEC 61643-31 إطار الاختبار لأجهزة الحماية من زيادة الجهد على جانب التيار المستمر للأنظمة الكهروضوئية، وتُعد Uc وIn وImax وUp وTOV أهم المعلمات عند تحديد المواصفات. ويتميز أساس الاختبار الخاص بالتيار المستمر عن IEC 61643-11 التي تتناول جانب التيار المتردد. ومن خلال التأكد من جزء المعيار الصحيح ومراجعة جميع المعلمات المعلنة، يستطيع المشترون اختيار جهاز SPD للتيار المستمر الكهروضوئي يتوافق بشكل أفضل مع متطلبات الحماية من زيادة الجهد في الأنظمة الشمسية ضمن تركيباتهم.