عازل التيار المستمر مقابل عازل التيار المتردد: دليل مقارنة شامل للتركيبات الكهربائية الآمنة

يقوم فني الصيانة بفتح مفتاح العزل. 600 فولت، 32 أمبير. إجراءات الإغلاق الروتينية لمجموعة الطاقة الشمسية على السطح.

باستثناء أن المفتاح لم يكن مصممًا للتيار المستمر.

داخل الغلاف، يتشكل قوس كهربائي بين الملامسات المنفصلة - جسر بلازما لامع ومستمر يوصل 600 فولت تيار مستمر عبر الهواء المتأين. في نظام التيار المتردد، ينطفئ هذا القوس بشكل طبيعي في غضون 10 مللي ثانية، وينتهي عند عبور التيار التالي للصفر. ولكن تيار التيار المستمر ليس له نقاط عبور صفرية. يستمر القوس. تبدأ الملامسات في التآكل. ترتفع درجة الحرارة. في غضون ثوانٍ، يصبح العازل الذي من المفترض أن يوفر فصلًا آمنًا موصلًا مستمرًا عالي الجهد، بالضبط عندما تكون في أمس الحاجة إليه معزولًا.

هذا هو “شبكة الأمان ذات العبور الصفري”- التيار المتردد لديه ذلك، والتيار المستمر ليس لديه. وهذا يغير كل شيء حول كيفية تصميم مفاتيح العزل وتقييمها واختيارها.

ما هي مفاتيح العازل؟

أن مفتاح العازل (يُطلق عليه أيضًا مفتاح فصل أو مفتاح قاطع) هو جهاز تحويل ميكانيكي مصمم لعزل الدائرة الكهربائية عن مصدر الطاقة الخاص بها، مما يضمن الصيانة والإصلاح الآمنين. يحكمها IEC 60947-3:2020 بالنسبة للمفاتيح الكهربائية ذات الجهد المنخفض (حتى 1000 فولت تيار متردد و 1500 فولت تيار مستمر)، توفر مفاتيح العزل فصلًا مرئيًا - فجوة مادية يمكنك رؤيتها أو التحقق منها - بين الموصلات الحية والمعدات النهائية.

على عكس قواطع الدائرة الكهربائية, ، لم يتم تصميم العوازل لقطع تيارات الأعطال تحت الحمل. إنها فواصل صيانة. يمكنك فتحها عندما تكون الدائرة غير نشطة أو تحمل حملاً ضئيلاً، مما يخلق نقطة عزل آمنة للعمل في اتجاه المصب. تتضمن معظم العوازل آلية قفل (مزلاج قفل أو مقبض قابل للقفل) للامتثال لـ LOTO (Lockout/Tagout).

إليك ما يجعل اختيار العازل أمرًا بالغ الأهمية: فيزياء انقطاع القوس الكهربائي- ما يحدث في الميكروثانية بعد فتح المفتاح - يختلف اختلافًا جوهريًا بالنسبة للتيار المتردد مقابل التيار المستمر. قد يكون العازل المناسب لخدمة التيار المتردد غير كافٍ تمامًا (وخطيرًا) لخدمة التيار المستمر، حتى عند الجهد المنخفض. قد تقول لوحة التصنيف “690 فولت”، ولكن هذا هو 690 فولت مكيف الهواء. هل تستخدمه في سلسلة شمسية 600 فولت تيار مستمر؟ لقد أنشأت للتو خطر حدوث وميض قوس كهربائي محتمل.

هذه ليست تفاصيل فنية بسيطة أو هامش أمان متحفظ. إنها الفيزياء. وفهم السبب يتطلب النظر إلى ما يحدث داخل كل مفتاح عندما تنفصل الملامسات تحت الجهد.

برو-نصيحة #1: لا تستخدم أبدًا عازلًا مصنفًا للتيار المتردد لتطبيقات التيار المستمر ما لم يكن لديه تصنيفات جهد/تيار مستمر صريحة في ورقة البيانات الخاصة به. عادةً ما يكون للعازل المصنف بـ 690 فولت تيار متردد قدرة تيار مستمر تبلغ 220-250 فولت تيار مستمر فقط - أي أقل من سلسلة شمسية مكونة من 4 ألواح عند الدائرة المفتوحة.

مشكلة إطفاء القوس الكهربائي: لماذا يختلف التيار المستمر

عندما تفتح أي مفتاح تحت الجهد، يتشكل قوس كهربائي. هذا أمر لا مفر منه. عندما تنفصل الملامسات، تظل الفجوة بينهما صغيرة بما يكفي - ميكرومترات، ثم ملليمترات - بحيث يؤين الجهد الهواء، مما يخلق قناة بلازما موصلة. يستمر التيار في التدفق عبر هذا القوس على الرغم من أن الملامسات الميكانيكية لم تعد متصلة.

لكي يعزل المفتاح الدائرة حقًا، يجب أن يكون هذا القوس مطفأ. وهنا يتباعد التيار المتردد والتيار المستمر تمامًا.

التيار المتردد: العبور الصفري الطبيعي

التيار المتردد، كما يوحي اسمه، يتناوب. يعبر نظام التيار المتردد 50 هرتز الجهد/التيار الصفري 100 مرة في الثانية. يعبر نظام 60 هرتز الصفر 120 مرة في الثانية. كل 8.33 مللي ثانية (60 هرتز) أو 10 مللي ثانية (50 هرتز)، ينعكس اتجاه تدفق التيار - ويمر عبر الصفر.

عند عبور التيار الصفري، لا توجد طاقة تدعم القوس. تتأين البلازما. ينطفئ القوس. إذا كانت الملامسات قد انفصلت بدرجة كافية بحلول نصف الدورة التالي، فإن قوة العزل الكهربائي للفجوة (قدرتها على تحمل الجهد دون إعادة الاشتعال) تتجاوز جهد النظام. لا يعيد القوس الاشتعال. يتم تحقيق العزل.

هذا هو “شبكة الأمان ذات العبور الصفري.” يمكن أن تعتمد عوازل التيار المتردد على هذا الانقطاع الطبيعي. يحتاج تصميم الملامسات ومسافة الفجوة وهندسة غرفة القوس فقط إلى ضمان عدم إعادة اشتعال القوس بعد العبور الصفري التالي. إنها مشكلة تصميم متسامحة نسبيًا.

التيار المستمر: مشكلة القوس اللانهائي

التيار المستمر ليس له نقاط عبور صفرية. أبدا. توفر السلسلة الشمسية 600 فولت تيار مستمر 600 فولت باستمرار. عندما تنفصل ملامسات العازل ويتشكل قوس، يتم دعم هذا القوس بطاقة مستمرة. لا توجد نقطة انقطاع طبيعية. سيستمر القوس إلى أجل غير مسمى حتى يحدث أحد ثلاثة أشياء:

1. تصبح فجوة التلامس كبيرة بما يكفي بحيث لا يتمكن حتى القوس من تجسيرها (مما يتطلب فصلًا ماديًا أكبر بكثير من التيار المتردد)
2. يتم تمديد القوس ميكانيكيًا وتبريده وإخماده باستخدام المجالات المغناطيسية وقنوات القوس
3. تلتصق الملامسات ببعضها البعض من التسخين المستمر، مما يبطل الغرض الكامل من العزل

الخيار 3 هو ما يحدث عند استخدام عازل مصنف للتيار المتردد في خدمة التيار المستمر. سرعة فصل الملامسات ومسافة الفجوة التي تعمل بشكل جيد للتيار المتردد - لأن العبور الصفري التالي يصل في 10 مللي ثانية - غير كافية للتيار المستمر. يستمر القوس. يتسارع تآكل الملامسات. في أسوأ الحالات، تلتصق الملامسات، وتفقد العزل تمامًا.

برو-نصيحة رقم 2: يعبر تيار التيار المتردد الصفر 100 مرة في الثانية (50 هرتز) أو 120 مرة (60 هرتز) - كل عبور صفري هو فرصة للقوس للانطفاء بشكل طبيعي. لا يعبر تيار التيار المستمر الصفر أبدًا. هذا ليس اختلافًا بسيطًا - إنه السبب في أن عوازل التيار المستمر تحتاج إلى ملفات إخماد مغناطيسية وقنوات قوس عميقة لا تحتاجها عوازل التيار المتردد.

تصميم عازل التيار المستمر: محارب غرفة القوس

نظرًا لأن أقواس التيار المستمر لن تنطفئ ذاتيًا، يجب على عوازل التيار المستمر فرض الإطفاء من خلال وسائل ميكانيكية قوية. هذا هو “محارب غرفة القوس”- تم تصميم عازل التيار المستمر للمعركة.

ملفات الإخماد المغناطيسي

تشتمل معظم عوازل التيار المستمر على ملفات الإخماد المغناطيسي أو مغناطيس دائم موضوع بالقرب من الملامسات. عندما يتشكل قوس، يتفاعل المجال المغناطيسي مع تيار القوس (وهو شحنة متحركة)، مما ينتج قوة لورنتز تدفع القوس بعيدًا عن الملامسات وإلى غرفة إطفاء القوس.

فكر في الأمر على أنه يد مغناطيسية تدفع القوس فعليًا بعيدًا عن المكان الذي يريد البقاء فيه. كلما قمت بتحريك القوس بشكل أسرع وأبعد، كلما برد وتمدد أكثر، حتى لم يعد بإمكانه الحفاظ على نفسه.

قنوات القوس (ألواح التقسيم)

بمجرد أن يتم نفخ القوس في غرفة القوس، فإنه يواجه قنوات القوس- مجموعات من الصفائح المعدنية (غالبًا ما تكون نحاسية) التي تقسم القوس إلى عدة أجزاء أقصر. لكل جزء انخفاض الجهد الخاص به. عندما يتجاوز إجمالي انخفاض الجهد عبر جميع الأجزاء جهد النظام، لا يمكن للقوس الاستمرار. ينهار.

تستخدم عوازل التيار المستمر تصميمات قنوات قوس أعمق وأكثر قوة من عوازل التيار المتردد لأنها لا تستطيع الاعتماد على عبور التيار الصفري. يجب إخماد القوس قسراً عند التيار الكامل، في كل مرة.

مواد ملامسة عالية الفضة

أقواس التيار المستمر وحشية على الملامسات. يتسبب التقوس المستمر عند الجهد الكامل في تآكل وتسخين سريع. لتحمل ذلك، تستخدم عوازل التيار المستمر مواد ملامسة ذات محتوى فضي أعلى (غالبًا ما تكون سبائك الفضة والتنغستن أو الفضة والنيكل) التي تقاوم اللحام والتآكل بشكل أفضل من الملامسات النحاسية أو النحاسية الشائعة في عوازل التيار المتردد.

النتيجة؟ عازل التيار المستمر المصنف بـ 1000 فولت تيار مستمر عند 32 أمبير أكبر حجمًا وأثقل وأكثر تعقيدًا ويكلف 2-3 مرات أكثر من عازل التيار المتردد المصنف بالمثل. هذه ليست أسعارًا تعسفية - إنها التكلفة الهندسية لفرض إطفاء القوس بدون عبور صفري.

برو-نصيحة رقم 3: بالنسبة للأنظمة الكهروضوئية، تحقق دائمًا من أن تصنيف جهد التيار المستمر للعازل يتجاوز الحد الأقصى لجهد الدائرة المفتوحة (Voc) للسلسلة الخاصة بك عند أدنى درجة حرارة متوقعة. يمكن أن تصل سلسلة مكونة من 10 ألواح بقدرة 400 وات إلى 500-600 فولت تيار مستمر عند -10 درجة مئوية - مما يتجاوز العديد من العوازل “القادرة على التيار المستمر”. أيضًا، راجع دليلنا حول توصيل عوازل التيار المستمر لممارسات الأسلاك الآمنة.

تصميم عازل التيار المتردد: ركوب العبور الصفري

عوازل التيار المتردد، بالمقارنة، بسيطة. لا يحتاجون إلى ملفات إخماد مغناطيسية (على الرغم من أن البعض يشتمل عليها لقطع أسرع). لا يحتاجون إلى قنوات قوس عميقة. لا يحتاجون إلى مواد ملامسة غريبة.

لماذا؟ لأن العبور الصفري يقوم بمعظم العمل. مهمة عازل التيار المتردد ليست إخماد القوس قسراً - بل التأكد من أن القوس لا يعيد الاشتعال بعد انقطاع العبور الصفري الطبيعي.

• مسافة فجوة كافية: عادةً ما تكون 3-6 مم للتيار المتردد ذي الجهد المنخفض، اعتمادًا على الجهد ودرجة التلوث
• احتواء القوس الأساسي: حواجز عزل بسيطة لمنع تتبع القوس عبر الأسطح

هذا كل شيء. تعتمد عوازل التيار المتردد على شكل الموجة للقيام بالرفع الثقيل. يجب أن يواكب التصميم الميكانيكي ذلك. بالنسبة للتطبيقات المحددة مثل المحركات ثلاثية الطور، تحقق من دليل كامل لمفتاح عزل ثلاثي الطور.

عقوبة تخفيض الجهد

إليك مفاجأة تصيب العديد من المهندسين: إذا قمت عليك باستخدام عازل مصنف للتيار المتردد للتيار المستمر (وهو ما لا يجب عليك فعله، ولكن من الناحية النظرية)، فإن سعة جهد التيار المستمر لديه أقل بكثير من تصنيف التيار المتردد. هذا هو “عقوبة تخفيض الجهد.”

نمط نموذجي:

• مصنف 690 فولت تيار متردد ← سعة 220-250 فولت تيار مستمر تقريبًا
• مصنف 400 فولت تيار متردد ← سعة 150-180 فولت تيار مستمر تقريبًا
• مصنف 230 فولت تيار متردد ← سعة 80-110 فولت تيار مستمر تقريبًا

لماذا هذا التخفيض الشديد؟ لأن جهد قوس التيار المستمر يختلف اختلافًا جوهريًا عن جهد قوس التيار المتردد. يعوض المصنعون ذلك عن طريق تقليل تصنيف جهد التيار المستمر بشكل كبير.

بالنسبة لتطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، هذا هو “فخ سلسلة الخلايا الكهروضوئية.” تحتوي اللوحة الشمسية الشائعة بقدرة 400 واط على جهد دائرة مفتوحة (Voc) يبلغ حوالي 48-50 فولت في الظروف القياسية (STC). قم بتوصيل 10 لوحات معًا: 480-500 فولت. لكن Voc يزداد في درجات الحرارة المنخفضة. عازل تيار متردد 400 فولت بتصنيف 180 فولت تيار مستمر؟ غير كافٍ تمامًا.

برو-نصيحة رقم 4: تم تصميم العوازل للتبديل بدون حمل أو بأقل حمل - فهي فواصل صيانة، وليست حماية من التيار الزائد. بالنسبة للبيئات التي تتطلب حماية من الطقس، تأكد من فهمك تصنيفات IP لمفاتيح العزل.

مقارنة المواصفات الرئيسية لعوازل التيار المستمر مقابل التيار المتردد

المواصفات	عازل التيار المتردد	عازل التيار المستمر
آلية إطفاء القوس	عبور صفري طبيعي للتيار (100-120 مرة/ثانية)	إطفاء ميكانيكي قسري (إخماد مغناطيسي + قنوات القوس)
فجوة التلامس المطلوبة	3-6 مم (يختلف حسب الجهد)	8-15 مم (فجوة أكبر لنفس الجهد)
تصميم قناة القوس	الحد الأدنى أو لا شيء	صفائح فاصلة عميقة، هندسة قوية
إخماد مغناطيسي	اختياري (للانقطاع السريع)	إلزامي (مغناطيس دائم أو ملفات)
مواد الاتصال	النحاس، النحاس الأصفر، السبائك القياسية	نسبة عالية من الفضة (سبائك Ag-W، Ag-Ni)
مثال على تصنيف الجهد	690 فولت تيار متردد	1000 فولت تيار مستمر أو 1500 فولت تيار مستمر
مثال على تصنيف التيار	32 أمبير، 63 أمبير، 125 أمبير نموذجي	16 أمبير - 1600 أمبير (نطاق أوسع للطاقة الشمسية الكهروضوئية/أنظمة تخزين الطاقة)
التطبيقات النموذجية	التحكم في المحركات، التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، توزيع التيار المتردد الصناعي	الطاقة الشمسية الكهروضوئية، تخزين البطاريات، شحن المركبات الكهربائية، الشبكات الصغيرة للتيار المستمر
المعايير	IEC 60947-3:2020 (فئات استخدام التيار المتردد)	IEC 60947-3:2020 (فئات استخدام التيار المستمر: DC-21B، DC-PV2)
الحجم والوزن	مدمجة وخفيفة الوزن	أكبر وأثقل (2-3 × الحجم لنفس تصنيف التيار)
التكلفة	أقل (أساسي)	أغلى 2-3 مرات
مدة القوس عند الفتح	<10 مللي ثانية (إلى العبور الصفري التالي)	مستمر حتى يتم إخماده ميكانيكيًا

مفتاح الوجبات الجاهزة: إن “عقوبة التكلفة 2-3 مرات” لعوازل التيار المستمر ليست استغلالًا للأسعار - بل تعكس ضريبة الفيزياء الأساسية لإخماد الأقواس بدون نقاط عبور صفرية.

متى تستخدم عوازل التيار المستمر مقابل التيار المتردد

لا يتعلق القرار بالتفضيل أو تحسين التكلفة - بل يتعلق بمطابقة قدرة إطفاء القوس للعازل مع نوع التيار في نظامك.

استخدم عوازل التيار المستمر من أجل:

1. أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV)
تتطلب كل سلسلة تيار مستمر للصفيف الشمسي عزلًا بين الصفيف والعاكس. تصل فولتية السلسلة عادةً إلى 600-1000 فولت تيار مستمر. ابحث عن فئة الاستخدام IEC 60947-3 DC-PV2 المصممة خصيصًا لواجب تبديل PV. راجع دليلنا حول تصنيفات جهد صندوق المجمع الشمسي لمزيد من التفاصيل.

2. أنظمة تخزين طاقة البطاريات (ESS)
تعمل بنوك البطاريات بجهود تيار مستمر تتراوح من 48 فولت إلى 800 فولت +. مطلوب عزل بين وحدات البطارية والعاكسات.

3. البنية التحتية لشحن المركبات الكهربائية
توفر أجهزة الشحن السريع للتيار المستمر 400-800 فولت تيار مستمر مباشرة إلى بطاريات السيارة.

4. الشبكات الصغيرة ومراكز البيانات للتيار المستمر
تستخدم مراكز البيانات بشكل متزايد توزيع 380 فولت تيار مستمر لتقليل خسائر التحويل.

5. توزيع التيار المستمر البحري والسكك الحديدية
استخدمت السفن والقطارات توزيع التيار المستمر (24 فولت، 48 فولت، 110 فولت، 750 فولت) لعقود.

استخدم عوازل التيار المتردد من أجل:

1. دوائر التحكم في المحركات
عزل لمحركات الحث AC وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والمضخات.

توزيع AC للمباني
عزل للوحات الإضاءة والأحمال العامة للمباني.

لوحات التحكم الصناعية AC
خزائن التحكم في الآلات مع ملامسات التيار المتردد ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs).

القاعدة الحاسمة

إذا كان جهد نظامك DC - حتى 48 فولت DC - فاستخدم عازلًا مصنفًا للتيار المستمر. لا تهتم فيزياء القوس بمستوى الجهد؛ بل تهتم بنوع شكل الموجة. يمكن لقوس 48 فولت DC أن يستمر ويتسبب في لحام التلامس في مفتاح AC فقط.

دليل الاختيار: طريقة من 4 خطوات لعوازل DC

الخطوة 1: حساب أقصى جهد للنظام

بالنسبة لـ الطاقة الشمسية الكهروضوئية: احسب Voc للسلسلة عند أدنى درجة حرارة محيطة متوقعة. يزداد Voc تقريبًا 0.3-0.4٪ لكل درجة مئوية أقل من 25 درجة مئوية.

• مثال: سلسلة من 10 ألواح، Voc = 49 فولت/لوحة عند STC. عند -10 درجة مئوية: 49 فولت × 1.14 (عامل درجة الحرارة) × 10 ألواح = 559 فولت DC الحد الأدنى لتصنيف العازل

برو-نصيحة: حدد دائمًا تصنيف جهد العازل بنسبة 20٪ على الأقل فوق أقصى جهد للنظام المحسوب للحصول على هامش أمان.

الخطوة 2: تحديد تصنيف التيار

بالنسبة لـ الطاقة الشمسية الكهروضوئية: استخدم تيار الدائرة القصيرة للسلسلة (Isc) × 1.25 عامل أمان.

الخطوة 3: التحقق من فئة الاستخدام

تحقق من ورقة البيانات الخاصة بفئة الاستخدام IEC 60947-3: DC-21B للدوائر DC العامة، DC-PV2 خصيصًا للتبديل الكهروضوئي DC.

الخطوة 4: تأكيد تصنيف الدائرة القصيرة (إذا كان ذلك ممكنًا)

تم تصميم معظم العوازل للتبديل بدون حمل أو بأقل حمل. للتبديل المنتظم للحمل أو مقاطعة الأعطال، حدد قاطع دائرة التيار المستمر بدلاً من ذلك.

اختيار خاطئ لمنحنى قاطع الدائرة المصغر (MCB) هو سبب شكاوى التعثر المزعجة. طابق المنحنى مع الحمل. تكلف عوازل DC أكثر من 2-3 مرات من عوازل AC المكافئة لأنها تتطلب مواد تلامس مختلفة بشكل أساسي وأنظمة نفخ مغناطيسي وغرف إطفاء قوس عميقة.

الأسئلة المتداولة

الخلاصة: الفيزياء ليست اختيارية

الفرق بين مفاتيح عزل DC و AC ليس مسألة تصنيفات أو تكلفة أو تفضيل. إنها الفيزياء.

تعتمد عوازل AC على “شبكة الأمان ذات العبور الصفري”. تواجه عوازل DC “مشكلة القوس اللانهائي”. سيستمر القوس إلى أجل غير مسمى ما لم يجبر المفتاح على الإطفاء من خلال ملفات النفخ المغناطيسي وممرات القوس العميقة.

عندما تحدد عازلًا لسلسلة الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو تخزين البطارية، فإنك تختار نظام إطفاء القوس. استخدم النظام الخاطئ، وستخاطر بالتقوس المستمر والحريق. القاعدة بسيطة: إذا كان جهدك DC، فاستخدم عازلًا مصنفًا للتيار المستمر.

الفيزياء ليست قابلة للتفاوض. اختر وفقًا لذلك.

---

هل تحتاج إلى مساعدة في اختيار عوازل DC لمشروع الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو تخزين البطارية الخاص بك؟ اتصل بفريق هندسة التطبيقات لدينا للحصول على إرشادات فنية حول حلول التبديل DC المتوافقة مع IEC 60947-3.