دستگاه حفاظت در برابر نوسانات ولتاژ DC چیست و چگونه باید نوع مناسب آن را انتخاب کرد؟
یک دستگاه حفاظت در برابر نوسانات ولتاژ DC (DC SPD)، اضافه ولتاژهای گذرا در باس جریان مستقیم را به زمین هدایت کرده و از اینورترها، شارژرها و باتریها محافظت میکند. برای انتخاب آن، باید حداکثر ولتاژ کاری مداوم (Ucpv) را بالاتر از بدترین شرایط ولتاژی سیستم در نظر گرفت، نوع ۱ یا ۲ را بر اساس میزان در معرض صاعقه بودن انتخاب کرد و استاندارد حاکم را بررسی نمود؛ استاندارد IEC 61643-31 برای سیستمهای PV و استاندارد IEC 61643-11 برای سیستمهای EV، BESS و کاربردهای صنعتی DC.
یک SPD DC که به درستی مشخص شده باشد، با نمونه AC خود قابل جایگزینی نیست و استاندارد قابل اعمال کاملاً به نوع کاربرد بستگی دارد. این راهنما پارامترها، استانداردها و محدودیتهای کاربردی را تعیین میکند که مشخص میسازد آیا یک دستگاه به طور قابل اطمینان از تجهیزات محافظت میکند یا در حین کار دچار خرابی میشود.
نکات کلیدی
- جریان DC، جریان AC نیست. قوس الکتریکی DC در نقطه عبور از صفر ولتاژ خودبهخود خاموش نمیشود، بنابراین یک SPD AC هیچ حفاظت ایمنی در باس DC ارائه نمیدهد و میتواند به شکلی خطرناک دچار خرابی شود. همیشه از دستگاهی با درجهبندی DC که متناسب با ولتاژ باس باشد استفاده کنید.
- استاندارد از نوع کاربرد پیروی میکند. استاندارد IEC 61643-31 تنها سمت DC ژنراتورها و اینورترهای فتوولتائیک تا ۱۵۰۰ ولت DC را پوشش میدهد. سیستمهای ذخیرهسازی باتری و خازنی صراحتاً از این استاندارد مستثنی شدهاند، بنابراین دستگاههای BESS، EV و صنعتی DC طبق استاندارد عمومی IEC 61643-11 تایید صلاحیت میشوند.
- پنج پارامتر تعیینکننده انتخاب هستند: Ucpv، In، Imax، Iimp و Up. ابتدا Ucpv و Up را به درستی تعیین کنید؛ بقیه موارد مربوط به هماهنگی است.
- نوع IEC با نوع UL متفاوت است. انواع IEC بیانگر کلاس تست نوسان (surge) هستند؛ در حالی که انواع UL 1449 بیانگر محل نصب مجاز نسبت به کلید قطعکننده اصلی (service disconnect) میباشند.
- نصب، تعیینکننده عملکرد است. طول کوتاه سیمها، روش اتصال صحیح برای سیستم ارتینگ و حفاظت پشتیبان در برابر جریان اضافه، به اندازه رتبهبندی خود دستگاه اهمیت دارند.
چرا حفاظت در برابر نوسان DC با AC متفاوت است
در یک مدار جریان متناوب (AC)، جریان در هر ثانیه صد یا صد و بیست بار از صفر عبور میکند و هرگونه قوس الکتریکی ایجاد شده در محل جدا شدن کنتاکتها، بهطور طبیعی در آن نقطه صفر خاموش میشود. باسبار جریان مستقیم (DC) هرگز از صفر عبور نمیکند. هنگامی که یک قوس الکتریکی در داخل یک قطعه در حال تخریب ایجاد شود، تا زمانی که چیزی مسیر انرژی را قطع نکند، پایدار میماند. surge protective device, این تفاوت فیزیکی واحد، کل طراحی یک برقگیر (SPD) جریان مستقیم را تعیین میکند: وریستور اکسید فلزی (MOV) باید به جای ولتاژ متناوب، در برابر ولتاژ یکسویه مداوم مقاومت کند و دستگاه به یک مکانیسم قطعکننده یا خاموشکننده قوس الکتریکی یکپارچه نیاز دارد که در واحدهای AC وجود ندارد.
پیامد عملی این موضوع قطعی است. نصب یک SPD جریان متناوب بر روی رشتههای فتوولتائیک (PV)، باسبار باتری یا خروجی شارژر سریع DC، نه تنها غیربهینه است، بلکه خطر آتشسوزی به همراه دارد. رتبهبندیهای ولتاژ، ترکیب شیمیایی MOV و رفتار قطعکننده در پایان عمر قطعه، همگی بر اساس شکلموجهای AC طراحی شدهاند که مدار DC هرگز آنها را تولید نمیکند.
استانداردهایی که واقعاً کاربرد دارند
رایجترین خطای مشخصات فنی در حفاظت از نوسانات DC، اعمال استاندارد اشتباه برای کاربرد مورد نظر است. جدول زیر مرزها را بهدقت تعیین میکند.
| استاندارد | دامنه | قابل اعمال برای |
|---|---|---|
| کمیسیون مستقل انتخابات ۶۱۶۴۳-۳۱ | الزامات و روشهای تست برای SPDها در سمت DC تأسیسات فتوولتائیک تا ۱۵۰۰ ولت DC | آرایههای فتوولتائیک و ورودیهای DC اینورتر تنهاذخیرهسازهای باتری و خازنی صراحتاً مستثنی شدهاند |
| استاندارد IEC 61643-32 | اصول انتخاب و کاربرد برقگیرهای (SPD) سیستمهای فتوولتائیک (ارزیابی ریسک، اتصال زمین، هماهنگی) | طراحی و جانمایی سیستمهای فتوولتائیک |
| کمیسیون مستقل انتخابات ۶۱۶۴۳-۱۱ | الزامات عمومی و روشهای تست برقگیرها در سیستمهای قدرت فشار ضعیف (≤ 1000 ولت AC / 1500 ولت DC) | سیستمهای شارژ خودروهای برقی (DC)، سیستمهای ذخیرهساز انرژی باتری (BESS DC)، سیستمهای صنعتی و مخابراتی DC |
| استاندارد UL 1449 | استاندارد ایمنی آمریکای شمالی برای تجهیزات حفاظت در برابر نوسانات ولتاژ (SPD) | برقگیرهای AC و DC عرضه شده در بازارهای تحت نظارت UL |
استثنای ذکر شده در استاندارد IEC 61643-31 جزئیاتی است که اکثر راهنماها از آن غافل میشوند: دستگاهی که “مطابق با IEC 61643-31” است، برای ژنراتورهای فتوولتائیک (PV) تایید شده است، نه برای بانک باتری کنار آن. شما میتوانید دامنه کاربرد را مستقیماً در فهرست استاندارد IEC 61643-31 تایید کنید.. استاندارد IEC 61643-32 سپس بر چگونه نحوه انتخاب و جانمایی برقگیرهای (SPD) سیستمهای PV نظارت دارد؛ مواردی شامل ارزیابی ریسک، تأثیر اتصال زمین سیستم بر حالت اتصال و طرحهای حفاظتی هماهنگ.
نکتهای در مورد شمارهگذاری نوع (Type). یک دستگاه IEC نوع ۱ با جریان ضربهای ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه (Iimp) تست میشود که شبیهساز برخورد مستقیم صاعقه است؛ یک دستگاه IEC نوع ۲ با جریان تخلیه اسمی ۸/۲۰ میکروثانیه (In) تست میشود که نشاندهنده اضافه ولتاژهای القایی و کلیدزنی است. استاندارد UL 1449 از همان ارقام برای معانی کاملاً متفاوتی استفاده میکند: یک UL نوع ۱ ممکن است در سمت خط (Line side) کلید قطعکننده اصلی بدون نیاز به حفاظت جریان اضافه خارجی متصل شود، یک UL نوع ۲ در سمت بار (Load side) قرار میگیرد و یک UL نوع ۳ دستگاهی برای نقطه مصرف است. هنگام تهیه تجهیزات از بازارهای IEC و UL، هر دو عنوان را به صراحت تایید کنید؛ این مقایسه استانداردهای حفاظت در برابر اضافه ولتاژ — IEC 61643 در مقابل UL 1449 در مقابل GB 18802 معادلسازیها را مشخص میکند.
پارامترهای اصلی انتخاب
پنج رتبهبندی تعیین میکنند که آیا یک SPD جریان مستقیم دوام میآورد و آیا واقعاً از بار محافظت میکند یا خیر. آنها را به همین ترتیب مطالعه کنید.
| پارامتر | نماد | معنی | 选用原则 |
|---|---|---|---|
| حداکثر ولتاژ کاری مداوم | Uc / Ucpv | بالاترین ولتاژ DC پایداری که SPD بهطور نامحدود تحمل میکند | ≥ بدترین حالت ولتاژ سیستم؛ برای سیستمهای فتوولتائیک (PV)، یک قرارداد رایج عبارت است از Ucpv ≥ 1.2 × Voc آرایه در سردترین دمای محل نصب |
| جریان تخلیه اسمی | در | موج ۸/۲۰ میکروثانیه که SPD به طور مکرر در برابر آن مقاومت میکند | مطابقت با فرکانس موج القایی مورد انتظار (۲۰ کیلوآمپر مقدار معمول است) |
| حداکثر جریان تخلیه | آیمکس | بزرگترین موج تکی ۸/۲۰ میکروثانیه که یک دستگاه نوع ۲ تحمل میکند | ایجاد حاشیه اطمینان بالاتر از In برای سایتهای با معرض خطر بالا |
| Impulse current | آیمپ | بار صاعقه مستقیم ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه برای دستگاههای نوع ۱ | الزامی در مکانهایی که سیستم حفاظت در برابر صاعقه وجود دارد؛ ۱۲.۵ کیلوآمپر بر هر پل تقریباً تمام سیستمها را پوشش میدهد |
| سطح حفاظت ولتاژ | بالا | ولتاژ عبوری در پایانهها در هنگام بروز نوسان | حداقل ۲۰ درصد کمتر از ولتاژ مقاومت ضربهای تجهیزات محافظتشده |
دو پارامتری که مهندسان اغلب در مورد آنها دچار اشتباه میشوند، Ucpv یعنی maximum continuous operating voltageو Up هستند. اگر Ucpv بیش از حد پایین تنظیم شود، دستگاه ولتاژ کاری عادی را به عنوان خطا تلقی کرده، بیش از حد داغ میشود و دچار فرسودگی زودرس میگردد. دام در سیستمهای فتوولتائیک (PV)، دما است: ولتاژ مدار باز یک ماژول افزایش مییابد با سرد شدن سلول، بنابراین بدترین حالت ولتاژ آرایه در سردترین صبح صاف رخ میدهد، نه در مقدار نامی درج شده روی پلاک. اگر Up بیش از حد بالا تنظیم شود، نوسان به تجهیزاتی که عایق آنها توانایی تحمل آن را ندارد، منتقل میشود. در مواردی که In و Imax با هم اشتباه گرفته میشوند، این راهنما برای تفاوت رتبهبندیهای Imax و In تمایز بین عملکرد تکرارپذیر و تکضربه را شفافسازی میکند.
انتخاب بر اساس کاربرد خاص
PV خورشیدی
سیستمهای فتوولتائیک (PV) تنها مورد از چهار کاربرد ذکر شده هستند که بهطور کامل تحت پوشش استانداردهای IEC 61643-31 و 61643-32 قرار دارند. تجهیزات معمولاً از نوع Type 2 بوده و در جعبه ترکیب DC و در ورودی DC اینورتر نصب میشوند تا ولتاژهای القایی و سوئیچینگ را محدود کنند. در مکانهایی که سیستم حفاظت در برابر صاعقه خارجی وجود دارد یا در معرض برخورد مستقیم صاعقه هستند (بهویژه آرایههای نصبشده روی زمین)، استفاده از یک دستگاه Type 1 (یا ترکیبی از Type 1+2) در سمت DC الزامی است. دو تصمیم در سیستمهای PV منحصربهفرد هستند: تعیین اندازه Ucpv با توجه به افزایش ولتاژ در دمای پایین که در بالا ذکر شد، و انتخاب حالت اتصال از اتصال به زمین آرایه. یک آرایه شناور (IT) معمولاً به یک دستگاه سه پل (+ / − / PE) در پیکربندی Y نیاز دارد؛ سیستمی که یک قطب آن زمین شده است، اغلب از دو پل (فعال / PE) استفاده میکند، اما تنها پس از بررسی سناریوهای خطا. گردش کار کامل سمت PV در راهنمای VIOX در مورد انتخاب SPD مناسب برای سیستم انرژی خورشیدی.
شارژ EV
شارژر سریع DC یک محیط ترکیبی است: شامل تغذیه AC، باس خروجی DC با ولتاژ بالا، و خطوط ارتباطی و اندازهگیری که همگی در یک محفظه بیرونی در معرض صاعقه و اختلالات شبکه قرار دارند. بنابراین، حفاظت بهصورت لایهای انجام میشود، نه در یک نقطه واحد. ورودی AC از یک SPD نوع AC (Type 1 یا Type 2) استفاده میکند؛ باس خروجی DC از یک SPD DC با درجهبندی متناسب با ولتاژ شارژر (معمولاً تا حدود ۱۰۰۰ ولت) بهره میبرد؛ و خطوط ارتباطی از یک SPD سیگنال متناسب با رابط مربوطه استفاده میکنند. حفاظت DC در خودروهای برقی تحت استاندارد IEC 61643-11 تایید میشود، نه 61643-31، زیرا باس DC شارژر یک ژنراتور PV نیست. طرح ترکیبی حفاظت در برابر نوسانات و فیوز برای این واحدها در بخش زیر شرح داده شده است: راهنمای حفاظت شارژر سریع DC.
سیستم ذخیرهسازی انرژی باتری (BESS)
اینجاست که مرز استانداردها بیشترین چالش را ایجاد میکند. از آنجا که استاندارد IEC 61643-31 صراحتاً سیستمهای ذخیرهسازی انرژی را مستثنی میکند، یک برقگیر (SPD) DC برای BESS طبق استاندارد IEC 61643-11 تایید صلاحیت میشود. تفاوت مهندسی در اینجا صرفاً اداری نیست: بانک باتری یک منبع با امپدانس پایین و انرژی بالا با جریان اتصال کوتاه احتمالی بسیار زیاد است، در حالی که آرایه فتوولتائیک (PV) محدودیت جریان دارد. بنابراین، یک SPD DC در باسبار باتری باید دارای قابلیت قطع جریان پیرو (follow-current) کافی و تجهیز حفاظتی پشتیبان با ابعاد مناسب باشد، در غیر این صورت خطایی که به عنوان یک رویداد اضافه ولتاژ گذرا آغاز شده، میتواند تشدید شود. مقدار تحمل اتصال کوتاه و فیوز پشتیبان توصیهشده را از برگه داده دستگاه مشخص کنید؛ تصور نکنید قطعهای که برای PV رتبهبندی شده، برای کابینت باتری ۱۵۰۰ ولت نیز مناسب است. برای حفاظت هماهنگ در سمت DC، AC و سیگنال یک سیستم ذخیرهسازی، به بخش اختصاصی زیر مراجعه کنید. راهنمای انتخاب حفاظت در برابر اضافه ولتاژ برای BESS.
سیستمهای DC صنعتی و مخابراتی
سیستمهای DC صنعتی شامل سیستمهای کنترل، درایوهای DC، رکهای PLC و باسبارهای مخابراتی مانند ۴۸- ولت، در کنار ولتاژهای کنترل بالاتر ۱۱۰ و ۲۲۰ ولت DC هستند. این موارد تحت استاندارد IEC 61643-11 قرار دارند. اشتباه رایج، تطبیق SPD با برچسب کلی “DC” به جای ولتاژ واقعی باسبار و الزامات تداوم کارکرد است. مقدار Uc را برای ریل خاص انتخاب کنید، برای توزیع معمولی در فضای داخلی از نوع Type 2 استفاده کنید و تنها در مواردی که خط در معرض انرژی صاعقه مستقیم قرار دارد، از نوع Type 1 استفاده نمایید.
| کاربرد | حداکثر ولتاژ DC | استاندارد حاکم | نوع متداول برقگیر (SPD) | دغدغه مهندسی کلیدی |
|---|---|---|---|---|
| PV خورشیدی | ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ ولت | IEC 61643-31 + -32 | نوع ۲؛ نوع ۱+۲ همراه با سیستم حفاظت در برابر صاعقه (LPS) | ولتاژ عملکرد مداوم (Ucpv) در مقابل افزایش ولتاژ مدار باز (Voc) در دمای پایین؛ نحوه اتصال؛ خاموش کردن قوس الکتریکی DC |
| شارژ خودروهای برقی (شارژ سریع DC) | تا حدود ۱۰۰۰ ولت | کمیسیون مستقل انتخابات ۶۱۶۴۳-۱۱ | نوع ۲ برای جریان مستقیم (DC)؛ نوع ۱/۲ برای جریان متناوب (AC) | حفاظت لایهای AC + DC + سیگنال؛ مناسب برای محیطهای بیرونی |
| سیستم ذخیرهسازی انرژی باتری (BESS) | تا ۱۵۰۰ ولت | استاندارد IEC 61643-11 (نه 31-) | نوع ۲ / نوع ۱+۲ | جریان اتصال کوتاه احتمالی بالا؛ جریان دنباله و تجهیز حفاظتی پشتیبان (OCPD) |
| جریان مستقیم (DC) صنعتی / مخابراتی | ۴۸ تا ۱۵۰۰ ولت | کمیسیون مستقل انتخابات ۶۱۶۴۳-۱۱ | نوع ۲ (در صورت قرارگیری در معرض محیط، نوع ۱) | تطبیق Uc با ریل واقعی؛ تداوم کنترل |
نصب و هماهنگسازی
یک دستگاه که به درستی انتخاب شده باشد، در صورت سیمکشی ضعیف، عملکرد مطلوبی نخواهد داشت. عامل اصلی افت عملکرد، اندوکتانس سیمهای رابط است: در هنگام بروز یک موج سریع، حتی طول کوتاهی از سیم اتصال، ولتاژ القایی قابل توجهی ایجاد میکند که به سطح حفاظتی (Up) اضافه میشود. طول کل سیمهای اتصال را تا حد امکان کوتاه نگه دارید؛ در حالت ایدهآل کمتر از ۰.۵ متر. هنگامی که برقگیرها به صورت آبشاری نصب میشوند (برای مثال نوع ۱ در بالادست و نوع ۲ در نزدیکی اینورتر)، حداقل ۱۰ متر کابل بین مراحل حفظ کنید یا از یک سلف جداکننده حدود ۱۵ میکروهانری استفاده کنید تا دو دستگاه به جای تداخل، با یکدیگر هماهنگ شوند.
یک دستگاه حفاظتی جریان اضافه پشتیبان (فیوز یا کلید مینیاتوری) با ابعاد مطابق با برگه اطلاعات SPD تعبیه کنید تا دستگاه در پایان عمر مفید خود به طور ایمن قطع شود. همچنین از وجود یک اتصال زمین با امپدانس پایین اطمینان حاصل کنید، زیرا زمینگیری ضعیف هم باعث ناکارآمدی SPD میشود و هم خطر ولتاژ تماس را افزایش میدهد. در جعبههای ترکیبی PV، برقگیر در کنار دستگاههای جداساز و حفاظتی جریان اضافه عمل میکند، نه به جای آنها؛ نحوه تقسیم این نقشها در بخش زیر توضیح داده شده است. تشریح حفاظت DC در سیستمهای خورشیدی: کلیدهای مینیاتوری (MCB)، فیوزها و برقگیرها (SPD) در مقایسه با کلیدهای محافظ جان (RCD), و مرز بین جداسازی و قطع در مقایسه VIOX بین جداکنندههای DC در مقابل کلیدهای اتوماتیک (Circuit Breaker) DC.
نگهداری و پایان عمر مفید
یک برقگیر (SPD) DC یک قطعه فداشونده است: هر جهش ولتاژی که جذب میکند، بخشی از عمر آن را کاهش میدهد. اکثر دستگاههای باکیفیت دارای یک پنجره وضعیت بصری هستند—سبز برای وضعیت سالم، قرمز برای پایان عمر—و بسیاری از آنها از کارتریجهای قابل تعویض استفاده میکنند تا ماژول فرسوده بدون نیاز به سیمکشی مجدد جایگزین شود. نشانگر را طبق یک برنامه منظم بررسی کنید و کارتریج را پس از تغییر وضعیت نشانگر، پس از هرگونه جهش ولتاژ شدید یا رعد و برق شناختهشده، یا در پایان عمر نامی آن تعویض کنید. عمر مفید معمول در محیطهای معتدل حدود ۱۰ تا ۱۵ سال و در مناطق پر رعد و برق کوتاهتر است؛ نشانگر را به عنوان معیار اصلی تصمیمگیری در نظر بگیرید، نه تقویم را.
سوالات متداول
آیا میتوانم از یک SPD AC در مدار DC استفاده کنم؟
خیر. قوس الکتریکی DC در نقطه عبور از صفر خودبهخود خاموش نمیشود، بنابراین دستگاهی که فاقد قابلیت قطع برای جریان DC باشد، ممکن است به شکلی خطرناک دچار خرابی شود. همیشه از یک SPD DC که برای ولتاژ باس (Bus Voltage) رتبهبندی شده است، استفاده کنید.
آیا استاندارد IEC 61643-31 شامل سیستمهای ذخیرهسازی باتری میشود؟
خیر. این استاندارد تنها برای سمت DC ژنراتورهای فتوولتائیک و اینورترها تا ولتاژ 1500 ولت DC کاربرد دارد؛ سیستمهای ذخیرهسازی باتری و خازنی صراحتاً از این استاندارد مستثنی شدهاند، بنابراین برقگیرهای (SPD) سمت DC در سیستمهای ذخیرهسازی انرژی باتری (BESS) طبق استاندارد عمومی IEC 61643-11 تایید صلاحیت میشوند.
برای سیستمهای خورشیدی از نوع 1 استفاده کنیم یا نوع 2؟
برای مقابله با اضافه ولتاژهای القایی و کلیدزنی، از نوع 2 در جعبه کمباینر و ورودی DC اینورتر استفاده کنید. در مواردی که سیستم حفاظت در برابر صاعقه خارجی وجود دارد یا خطر برخورد مستقیم صاعقه مطرح است، از نوع 1 (یا ترکیبی از 1+2) استفاده نمایید. تفاوت بین نوع 1، نوع 2 و نوع 3 کلاسهای آزمون مربوط به هر یک را تشریح میکند.
چگونه مقدار Ucpv را برای یک آرایه فتوولتائیک تنظیم کنم؟
آن را بالاتر از بدترین حالت ولتاژ مدار باز (Voc) آرایه در نظر بگیرید. از آنجایی که با کاهش دما، ولتاژ Voc ماژولها افزایش مییابد، از سردترین دمای محیطی مورد انتظار استفاده کنید؛ یک قاعده رایج این است که Ucpv ≥ 1.2 × Voc آرایه در شرایط استاندارد (STC) باشد.
برقگیر DC دو پل یا سه پل؟
این موضوع به سیستم زمین (Earthing) بستگی دارد. آرایههای شناور (IT) معمولاً به سه پل (+ / - / PE) نیاز دارند؛ سیستمهایی که یک قطب آنها زمین شده است، پس از تایید رفتار خطا، اغلب از نوع دو پل استفاده میکنند.
برای مشاهده مشخصات برقگیرهای DC، گزینههای نوع ۱، نوع ۲ و نوع ۱+۲، و همچنین مستندات IEC/UL در کاربردهای PV، EV، BESS و سیستمهای DC صنعتی، به بخش زیر مراجعه کنید: طیف محصولات برقگیر (SPD) DC و AC برند VIOX.
