إذا كنت تعمل حول الأنظمة الكهربائية لفترة كافية، فإنك تبدأ في تطوير احترام صحي للبرق. ليس هذا النوع الرومانسي من الاحترام الذي يتمتع به الناس عندما يشاهدون عاصفة تهب فوق الجبال. النوع العملي، النوع الذي يجعلك تتأكد-من التوصيلات الأرضية قبل القيام بالمهمة وتسأل مهندس الموقع عما إذا كان خط التوزيع يمر فوق الأرض أم تحت الأرض.
تعتبر مانعات الصواعق واحدة من تلك الأجهزة التي لم يفكر فيها معظم الأشخاص خارج الصناعة الكهربائية أبدًا، على الرغم من أنها تحمي بهدوء كل مبنى ومحطة فرعية وبرج اتصالات في العالم تقريبًا. توضح هذه المقالة ماهيتها، وكيفية عملها، وما هي الأنواع الموجودة، ولماذا يكون اختيار مانع الصواعق أكثر أهمية مما يدركه العديد من المشترين.
مانعات الصواعق
ما الذي يفعله مانع الصواعق في الواقع؟
إن مانع الصواعق في جوهره عبارة عن جهاز يحد من الجهد-. فهو متصل بين موصل كهربائي والأرض، ولا يفعل أي شيء على الإطلاق في ظل ظروف التشغيل العادية. في اللحظة التي تصل فيها زيادة التيار، سواء من ضربة صاعقة مباشرة على خط كهرباء أو من ارتفاع الجهد الذي يحدث عندما يتم إيقاف تشغيل محول كبير، يتم تنشيط مانع التسرب، وإنشاء مسار مقاومة منخفض -مؤقت إلى الأرض، وتوجيه طاقة التدفق بعيدًا عن كل شيء في اتجاه مجرى النهر. بمجرد مرور الارتفاع وانخفاض جهد الخط إلى الوضع الطبيعي، يعود مانع التسرب إلى حالته غير النشطة.
هذا الجزء الأخير جدير بالملاحظة. على عكس المصهر، الذي يضحي بنفسه لحماية الدائرة، تم تصميم مانع التسرب ذو التصنيف المناسب للتعامل مع أحداث الارتفاع المتكررة دون أن يحترق. يتم إعادة ضبطه تلقائيًا، وفي معظم الحالات، لا تسجل المعدات التي تحميها أبدًا حدوث أي شيء.
المقارنة التي أجدها أكثر فائدة هي استنزاف الحوض. يتدفق الماء بمعدل طبيعي، ويستمر التصريف دون بذل أي جهد. ولكن عندما يقوم شخص ما بإلقاء دلو كامل في الحال، فإن المصرف يتعامل مع التدفق المفاجئ ولا يفيض الحوض. الصواعق هو استنزاف. المحولات والمفاتيح الكهربائية والإلكترونيات الحساسة داخل المبنى هي الحوض.
حيث يصبح الاسم مربكًا
من أول الأشياء التي يواجهها الأشخاص عندما يبدأون البحث في هذا الموضوع هو كومة من المصطلحات المتداخلة. مانعة الصواعق، مانعة الصواعق، واقي الصواعق، محول التيار، عازل الصواعق. يتم استخدام هذه المصطلحات أحيانًا بالتبادل، وأحيانًا تعني أشياء مختلفة حقًا اعتمادًا على من يتحدث وفي أي سياق.
فيما يلي طريقة عملية للتفكير في الفروق:
مانعة الصواعق (وتسمى تقنيًا المحطة الهوائية) عبارة عن جهاز خارجي مثبت في الجزء العلوي من الهيكل. وتتمثل مهمتها في اعتراض ضربة مباشرة وإعطاء التيار مسارًا متحكمًا به إلى الأرض من خلال موصل سفلي. إنه يحمي هيكل المبنى من الحريق أو التلف الجسدي. لا يفعل شيئًا للمعدات الكهربائية بالداخل.
يشير مانع الصواعق بالمعنى التقليدي إلى الأجهزة المثبتة على أبراج النقل وخطوط التوزيع الخارجية. تعترض هذه الطاقة المفاجئة التي تنتقل على طول الخط وتحولها قبل أن تصل إلى محطة فرعية أو مبنى. في العديد من التصاميم، لا يقوم مانع التسرب بإجراء اتصال مباشر مع موصل الخط. إنه يجلس بالتوازي ولا ينشط إلا عندما يتجاوز الجهد عتبة محددة.
يتم تركيب مانع الصواعق أو واقي الصواعق داخل المبنى، عادةً على اللوحة الكهربائية الرئيسية. إنه يتعامل مع عابري الجهد الزائد الذين نجحوا بالفعل في تجاوز طبقات الحماية الخارجية.
الحماية الكاملة تتطلب الثلاثة. لا يزال مانع الصواعق بدون مانع الصواعق على الخط الوارد يترك النظام الكهربائي معرضًا للزيادات المنقولة على طول الموصلات. مانع على الخط بدون لوحة-واقي من ارتفاع مستوى التيار يترك الميل الأخير بدون حماية. إن تخطي مانعة الصواعق يعني أن الضربة المباشرة على المبنى يمكن أن تطغى على كل شيء آخر. تتعامل كل طبقة مع تهديد مختلف، ومن المفترض أن تعمل معًا.
كيف يعمل الجهاز من الداخل
يتم تصنيع معظم مانعات الصواعق الحديثة حول مقاومات أكسيد المعدن، والتي تسمى عادة MOVs. المادة الفعالة هي أكسيد الزنك، المضغوطة على شكل أقراص ومكدسة داخل مبيت مانع التسرب. يتمتع أكسيد الزنك بخاصية مفيدة: حيث تتغير مقاومته الكهربائية بشكل كبير اعتمادًا على الجهد المطبق عبره.
عند خط الجهد الطبيعي، يقدم أكسيد الزنك مقاومة عالية للغاية. لا يتدفق أي تيار تقريبًا من خلاله، ويكون مانع التسرب غير مرئي فعليًا للدائرة. عندما يؤدي الارتفاع إلى دفع الجهد فوق مستوى حماية مانع التسرب، تنخفض مقاومة أكسيد الزنك بعدة أوامر أسية بالميكروثانية. تتدفق الفيضانات الحالية من خلال الحاجز إلى الأرض، متجاوزة المعدات المحمية. عندما ينتهي الاندفاع ويعود الجهد إلى وضعه الطبيعي، ترتفع المقاومة مرة أخرى، ويهدأ مانع الصواعق مرة أخرى.
استخدمت التصميمات السابقة فجوات الشرر وأقراص كربيد السيليكون بدلاً من أكسيد الزنك، وستظل تجدها في التركيبات القديمة. مانع فجوة القضيب، على سبيل المثال، عبارة عن قضيبين معدنيين تم وضعهما بالقرب من بعضهما البعض مع وجود فجوة هوائية صغيرة بينهما. عندما يصبح الجهد مرتفعًا بدرجة كافية، يتأين الهواء وتقفز شرارة عبر الفجوة، مما يوفر مسارًا للتفريغ. بسيط وقوي، ولكنه غير دقيق، ولا ينطفئ القوس بشكل نظيف، مما قد يتسبب في حدوث مشكلات-تابعة في النظام. أضافت مانعات الصمامات من النوع - كتل من كربيد السيليكون للمساعدة في الحد من تيار المتابعة بعد الاندفاع، مما أدى إلى تحسين تصميم فجوة القضيب بينما لا يزال أقل من ما ستقدمه تقنية MOV في النهاية.
يقدم الجدول أدناه مقارنة سريعة لأنواع مانعات التسرب الرئيسية التي من المحتمل أن تواجهها:
| يكتب | مبدأ التشغيل | نطاق الجهد | الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|---|
| فجوة رود | تأين الهواء عبر فجوة ثابتة | منخفضة إلى متوسطة | حماية ناقل الحركة الأساسية، الأنظمة الأقدم |
| فجوة القرن | ينطفئ القوس مع اتساع الفجوة | واسطة | التوزيع الريفي، المحطات الفرعية القديمة |
| نوع الصمام (كربيد) | حدود كربيد السيليكون تتبع التيار بعد حرائق الفجوة | متوسطة إلى عالية | حماية الشبكة القديمة |
| أكسيد المعدن (MOV) | مكثف ZnO، لا توجد فجوة شرارة، -إعادة ضبط ذاتي | منخفض إلى مرتفع جدًا-. | محطات فرعية حديثة، خطوط توزيع، لوحات |
| مانعة الصواعق بوليمر | قلب MOV مع غلاف مطاط السيليكون | التوزيع على الجهد العالي | الخطوط الخارجية والبيئات الساحلية والصناعية |
| فئة المحطة | قدرة عالية- على حركة MOV، وأقصى امتصاص للطاقة | مرتفع جدًا إلى-مرتفع جدًا | محطات فرعية كبيرة، وحماية المولدات |
لماذا لا تعتبر مواد الإسكان تفاصيل بسيطة
في معظم القرن العشرين، كانت مساكن مانعة الصواعق مصنوعة من الخزف أو الزجاج المقسى. تقوم كلتا المادتين بالمهمة بشكل مناسب في بيئات نظيفة ومستقرة. لكن الكفاية ليست مثل المثالية، وقد أوضحت الخبرة الميدانية على مدى عقود القيود.
البورسلين ثقيل. في برج النقل الذي يمر عبر التضاريس الصعبة، يزداد وزن مانعات الصواعق المصنوعة من البورسلين. والأهم من ذلك، أن الخزف يتحطم بعنف عندما يتعطل الجهاز في ظل ظروف الاندفاع الشديد. يشكل الغلاف الخزفي الذي ينفجر على هيكل محطة فرعية حية خطرًا جسيمًا على أي شخص يعمل بالقرب منه ويمكن أن يؤدي إلى حدوث أعطال ثانوية في المعدات المحيطة به.
الزجاج لديه مشاكل مماثلة. كما يتراكم التلوث مع مرور الوقت في كلتا المادتين، خاصة في المناطق الساحلية حيث يترسب رذاذ الملح على السطح، أو بالقرب من المواقع الصناعية حيث تنتشر الملوثات الكيميائية. يمكن للسطح الزجاجي أو الخزفي المتسخ أن يطور موصلية كافية لإحداث وميض أثناء الطقس الرطب، مما يتعارض مع الغرض من وجود مانع في المقام الأول.
إن التحول إلى علب البوليمر، وخاصة مركبات مطاط السيليكون، قد عالج معظم هذه القضايا بطريقة عملية. أمانعة الصواعق بوليمرتزن عادةً ما بين 80 إلى 90 بالمائة أقل من وحدة البورسلين التي لها نفس معدل الجهد الكهربي. سطح مطاط السيليكون كاره للماء بشكل طبيعي، مما يعني تساقط حبات الماء بدلاً من انتشارها في طبقة موصلة رقيقة. تتعافى هذه الخاصية الكارهة للماء حتى بعد تلوث السطح وتنظيفه، وهي خاصية لا تمتلكها المواد الخزفية.
عندما يفشل مانع البوليمر، فإنه يفشل بطريقة يمكن التحكم فيها. يتشقق السكن أو فتحات التهوية بدلاً من الانفجار. وهذا مهم بشكل كبير من حيث سلامة الموظفين ومنع الأضرار المتتالية للمعدات القريبة.
لا شيء من هذا يعني أن مانعات الخزف الخزفية عفا عليها الزمن. ولا تزال تعمل بشكل موثوق في العديد من التركيبات الموجودة، وهناك تطبيقات توفر فيها خصائصها الحرارية مزايا. ولكن بالنسبة للإنشاءات الجديدة، وخاصة على خطوط التوزيع الخارجية في البيئات الصعبة، فمن الصعب الجدال ضد الحجة الهندسية لمساكن البوليمر.
فيكتوري بوليمر مانعة الصواعق
التثبيت والتأريض
إن أداة الحماية التي لا يتم تأريضها بشكل صحيح لا تحمي أي شيء حقًا. يمكن للجهاز تحويل تيار التيار المتدفق إلى الطرف الأرضي بقدر ما يريد، ولكن إذا كان القطب الكهربائي الأرضي يتمتع بمقاومة عالية أو كان الموصل الذي يربط مانع التسرب بالأرض طويلًا جدًا، فلن تتبدد طاقة التدفق بسرعة كافية وسيظل الجهد الكهربي الضار يظهر عبر المعدات المحمية.
يجب أن يكون موصل التأريض قصيرًا ومباشرًا قدر الإمكان. كل متر إضافي من الموصل يضيف محاثة، والتي تترجم إلى جهد إضافي في ظل ظروف الاندفاع. يحتاج القطب الكهربائي الأرضي نفسه، سواء كان قضيبًا مدفوعًا، أو لوحًا مدفونًا، أو قطبًا كهربيًا مغلفًا بالخرسانة-في أساس المبنى، إلى تحقيق مقاومة منخفضة بما يكفي لتلبية متطلبات حماية النظام. في معظم تطبيقات التوزيع، يعني ذلك مقاومة أرضية تبلغ 10 أوم أو أقل، وفي التركيبات الإلكترونية الحساسة غالبًا ما يكون الهدف أقل من 1 أوم.
في المحطات الفرعية، يتم تركيب مانعات التسرب عند كل محطة محولات وعند كل خط وارد وصادر. يضمن هذا الموضع اعتراض الموجات التي تنتقل على طول أي خط قبل أن تتمكن من الوصول إلى ملفات المحولات، والتي تعد من بين المكونات الأكثر تكلفة والأقل قابلية للاستبدال في المحطة الفرعية. في المباني السكنية والتجارية الخفيفة، يكون -حاجز المبنى بالكامل عند لوحة مدخل الخدمة هو الأسلوب القياسي، ويتم استكماله أحيانًا بأجهزة -نقطة-الاستخدام في المعدات الحساسة مثل الخوادم أو الأدوات الطبية.
اختيار الصواعق الصحيح
يعد اختيار مانع التسرب من الرف بناءً على تصنيف الجهد وحده خطأً شائعًا. تحتاج العديد من المعلمات إلى مطابقة التطبيق.
يجب أن يكون جهد التشغيل المستمر (COV) مساوياً على الأقل لأقصى جهد مستمر سوف تراه مانع الصواعق أثناء التشغيل العادي للنظام، بما في ذلك أي ارتفاع في الجهد يحدث أثناء ظروف الخطأ. يؤدي تصغير حجم COV إلى الانفلات الحراري، حيث ترتفع درجة حرارة مانع التسرب تحت الجهد العادي ويفشل في النهاية.
يحدد تصنيف الطاقة مقدار الطاقة الزائدة التي يمكن أن يمتصها مانع الصواعق دون تعرضه للتلف. يحتاج الجهاز الذي يواجه صدمات طاقة متكررة أو عالية-، مثل مانع التسرب الموجود على خط نقل مكشوف على قمة تل، إلى فئة طاقة أعلى من تلك التي تحمي اللوحة الداخلية في بيئة تعرض منخفضة-.
يحدد مستوى الحماية، الذي يتم التعبير عنه بالجهد المتبقي عند تيار التفريغ المقدر، مقدار الجهد الذي ستشاهده المعدات المحمية فعليًا أثناء زيادة التيار. ويعني انخفاض الجهد المتبقي حماية أفضل للمعدات الحساسة، ولكنه يعني أيضًا سعرًا أعلى. يجب أن يكون مستوى الحماية مطابقًا لتصنيف مقاومة الاندفاع لأي شيء في اتجاه مجرى النهر.
يعالج خط إنتاج مانعة الصواعق البوليمرية العديد من متطلبات الاختيار هذه عبر نطاق جهد كهربي واسع، وبالنسبة لتطبيقات التوزيع الخارجية، فإن الجمع بين تقنية MOV والغطاء المطاطي السيليكوني يغطي معظم ما يبحث عنه مشغلو الشبكات الحديثة من حيث الأداء والوزن والموثوقية -على المدى الطويل في البيئات الصعبة.
ملاحظة حول المعايير
يتم اختبار الموانع المخصصة لتطبيقات المرافق العامة والصناعية وفقًا للمواصفة IEC 60099 أو IEEE C62، اعتمادًا على السوق. تغطي هذه المعايير كل شيء بدءًا من اختبارات التشغيل التي تحاكي ضربات البرق المتكررة وحتى اختبارات التلوث التي تعرض السكن للضباب الملحي والملوثات الصناعية على مدى فترات طويلة. شراء مانعات التسرب التي تحمل شهادة لهذه المعايير ليس اختياريًا في معظم التطبيقات المهنية. إنها الطريقة الوحيدة للثقة في أن الجهاز سيتصرف فعليًا كما يُزعم عند وصول موجة حقيقية.
يعد شراء مانعات التسرب غير المعتمدة لتوفير المال في نظام حماية المحطات الفرعية بمثابة اقتصاد زائف. إن تكلفة المحولات الفاشلة أو مجموعة المفاتيح الكهربائية الفاشلة ستقزم تكلفة مانعات التسرب عدة مرات.
الفكر الختامي
تعد الحماية من الصواعق أحد المجالات التي تكون فيها الهندسة مفهومة جيدًا والأدوات اللازمة للقيام بالمهمة بشكل صحيح موجودة ومتاحة على نطاق واسع. معظم حالات الفشل في الحماية من الصواعق لا تأتي من عدم كفاية التكنولوجيا ولكن من قطع الزوايا أثناء التصميم أو التثبيت، أو تحديد منتجات خاطئة للبيئة، أو إهمال نظام التأريض لأنه غير مرئي وغير جذاب.
إن مانعة الصواعق التي تم تركيبها بشكل صحيح، في الموقع المناسب، مع التصنيفات الصحيحة، ومتصلة بأرض صلبة، سوف تحمي البنية التحتية الكهربائية لعقود من الزمن دون أي صيانة. يعد هذا عائدًا معقولاً على استثمار متواضع، وربما يكون هذا هو السبب وراء كون الجهاز جزءًا قياسيًا من تصميم نظام الطاقة منذ الأيام الأولى لتوزيع الكهرباء.