دليل مانعات الصواعق DC: اختيار مانعات الحماية الكهروضوئية 1000 فولت و1500 فولت

اقرأ هذا الدليل بـ: English · Français · Español · العربية

الحاجة الحرجة إلى حماية DC مخصّصة في الأنظمة الكهروضوئية

الأنظمة الكهروضوئية (PV) معرّضة بطبيعتها للتفريغات الجوية وللجهد الزائد العابر. ونظراً لمساحتها الكبيرة وتعرضها الخارجي في أراضٍ مفتوحة ومصفوفاتها على الأسطح ومسارات الكابلات الطويلة التي تربط الألواح بالعواكس، تعمل محطات الطاقة الكهروضوئية كهوائيات ضخمة تلتقط ضربات الصواعق المباشرة والاقتران الكهرومغناطيسي غير المباشر للتفريغات بين السحاب والأرض.

يمكن لضربة صاعقة غير مباشرة واحدة على بُعد مئات الأمتار أن تحرّض عابرَات جهد تزيد على 10,000 فولت على طول كابلات DC. ومن دون حماية قوية من الجهد الزائد، تدمّر هذه العابرَات عالية الطاقة فوراً صمامات العبور في الألواح، وتخترق عزل الخلايا الرقيقة، وتقضي على مفاتيح أشباه الموصلات الدقيقة في متتبّع نقطة القدرة القصوى (MPPT) من نوع IGBT وMOSFET داخل العواكس، مما يؤدي إلى توقفات مكلفة وإتلاف معدات ومخاطر حريق.

فيزياء القوس الكهربائي في التيار المتردد والمستمر: الخطأ القاتل في استخدام مانعات AC على سلاسل شمسية

من أخطر أخطاء التركيب في مجال الطاقة الشمسية تركيب مانعات صواعق AC قياسية في دوائر DC. فالفيزياء الأساسية للأقواس الكهربائية في التيار المتردد والتيار المستمر مختلفة تماماً:

• إخماد القوس عند مرور التيار بالصفر في AC: يتذبذب الجهد المتردد طبيعياً ويمرّ بالصفر فولت مرتين في كل دورة كهربائية (كل 10 ميلي ثانية في شبكة 50 هرتز). وعندما تتدهور المقاومة المتغيرة AC أو تتعرض لانفلات حراري، ينفصل الفاصل الميكانيكي الزنبركي الداخلي، فينطفئ القوس الصغير الناتج طبيعياً عند مرور الجهد بالصفر.
• قوس DC مستمر: يحافظ التيار المستمر الناتج عن المصفوفات الكهروضوئية على جهد متصل وغير منقطع دون أي انخفاض دوري. وعندما يحاول فاصل AC قياسي الفتح تحت جهد DC مستمر (مثل 800 فولت أو 1000 فولت DC)، يشكّل الهواء المتأين قوساً بلازمياً متصلاً. ولعدم وجود مرور بالصفر، يستمر القوس في الاحتراق الشديد عند درجات حرارة تتجاوز $3,000^\circ\text{C}$، فيُشعل الحاويات البلاستيكية المحيطة بسرعة ويسبب حرائق كارثية في صندوق التجميع.

صُمّمت مانعات الصواعق DC من سلسلة YMPV من YOMIN خصيصاً لتتوافق مع IEC 61643-31 وEN 50539-11 (مانعات الجهد الزائد منخفض الجهد للتركيبات الكهروضوئية). وهي تضم فواصل حرارية زنبركية عالية السرعة مزوّدة بحقول مغناطيسية دائمة لتفجير القوس وبصفائح تشقيق القوس تعمل على تمديد القوس DC وتبريده وإخماده بقوة خلال أجزاء من الألف من الثانية.

بنية الطوبولوجيا على شكل Y: حماية آمنة ضد الأخطاء الأرضية المزدوجة

تتصل مانعات الجهد الزائد التقليدية ذات العنصرين مباشرة بين DC+ والأرضي، وبين DC- والأرضي. وفي المصفوفات الشمسية، قد يتعرض نظام غير مؤرّض يعمل بجهد مرتفع لخطأ أرضي منفرد دون فصل الحماية الرئيسية. وإذا حدث انهيار في المقاومة المتغيرة لمانع صواعق عادي في هذه الحالة، ينشأ قصر كارثي بين الطور والأرضي والطور.

للقضاء على نمط العطل هذا، تستخدم مانعات الصواعق DC من YOMIN بنية الطوبولوجيا المتقدمة على شكل Y المكوّنة من ثلاث مقاومات متغيرة عالية الطاقة (MOV) موصولة بتشكيل «Y»:

تضمن هذه البنية على شكل Y أنه حتى في حال انهيار العزل أو التدهور الشديد لأحد عناصر MOV في أحد الأذرع، تستمر المقاومتان المتبقيتان في حجب تدفق التيار المستمر، مما يمنع حلقات تيار الدائرة القصيرة ويزيل خطر الحريق.

اختيار معايير الجهد والتيار لأنظمة 1000 فولت و1500 فولت

لضمان حماية كافية دون تقادم مبكر للمقاومات المتغيرة، يجب على المهندسين اختيار معيارين رئيسيين:

1. أقصى جهد تشغيل مستمر ($U_{cpv}$): يجب أن يتجاوز جهد التشغيل المستمر لمانع الصواعق أقصى جهد في الدائرة المفتوحة ($V_{oc}$) للسلسلة الشمسية عند أدنى درجات حرارة شتوية محيطة متوقعة ($V_{oc,\text{max}} = V_{oc,\text{STC}} \times [1 + \beta \times (T_{\text{min}} - 25)]$). وكقاعدة تصميم أساسية، يجب اختيار $U_{cpv}$ بما لا يقل عن 1.2 ضعف $V_{oc,\text{max}}$. بالنسبة لسلاسل 1000 فولت السكنية والتجارية، اختر $U_{cpv} = 1000\text{V DC}$؛ وبالنسبة لتركيبات 1500 فولت على نطاق المرافق، حدّد $U_{cpv} = 1500\text{V DC}$.
2. تيارات التفريغ المقننة ($I_n$ و$I_{\text{max}}$): بالنسبة لمانعات الصواعق من النوع 2 المركّبة في صناديق تجميع السلاسل أو العواكس، حدّد تيار تفريغ مقنن ($I_n$) لا يقل عن 20 كيلو أمبير (موجة 8/20 ميكروثانية) وقدرة تفريغ قصوى ($I_{\text{max}}$) تبلغ 40 كيلو أمبير لكل قطب، لضمان عمر خدمة طويل أمام العابرَات المتكررة المستحثة بالصواعق.