وظيفة مانعات الجهد الزائد
عندما ينتقل الجهد الزائد الناجم عن الصواعق عبر خطوط الكهرباء الهوائية إلى محطة توزيع أو مباني أخرى، يمكن أن يتسبب في حدوث انفجارات كهربائية أو حتى ثقب عازل الأجهزة الكهربائية. لذا، إذا تم توصيل جهاز حماية معروف باسم مانع الجهد الزائد بالتوازي عند مدخل الطاقة للأجهزة (كما هو موضح في الشكل 1)، سيتم تفعيله فورًا عندما يصل الجهد الزائد إلى المستوى التشغيلي المحدد مسبقًا.
يقوم مانع الجهد الزائد بإطلاق الطاقة الزائدة، مما يحد من ارتفاع الجهد ويحمي العازل للأجهزة. بمجرد عودة الجهد إلى وضعه الطبيعي، يتم استعادة مانع الجهد الزائد سريعاً لحالته الأصلية، مما يضمن استمرار النظام في تقديم التيار الكهربائي بشكل طبيعي.
تستند وظيفة مانع الجهد الزائد على ثلاثة شروط أساسية:
التنسيق المناسب بين خصائص الثانية الجهد لمانع الجهد الزائد وخواص العازل المحمي.
يجب أن يكون الجهد المتبقى لمانع الجهد الزائد أقل من قوة تحمل العازل المحمي للصدمات.
يجب أن يكون العازل المحمي ضمن المسافة الحامية لمانع الجهد الزائد.
متطلبات مانعات الجهد الزائد:
لا يجب أن يطلق شحنة تحت ظروف التشغيل العادية، ولكنه يجب أن يطلق الشحنة بشكل صحيح ومعتمد أثناء أحداث الجهد الزائد.
يجب أن يكون لديه القدرة على الاستعادة الذاتية بعد إطلاق الشحنة (أي العودة إلى حالته ذات المقاومة العالية وإخماد التيار المتبقي).
المعلمات الرئيسية لمانعات الجهد الزائد:
الجهد المستمر للعمل: هو الجهد الذي يمكن أن يعمل به الجهاز لفترة طويلة. يجب أن يكون مساوياً أو أكبر من الجهد الأقصى بين الطور والأرض في النظام.
الجهد المعين (كيلوفولت): هو الجهد القصير الأمد الأكثر قبولاً للتردد الكهربائي (المعروف أيضًا بجهد إطفاء القوس). يمكن لمانع الجهد الزائد العمل وإطفاء القوس تحت هذا الجهد، ولكنه لا يمكن أن يستمر في العمل لفترة طويلة عند هذا المستوى. إنه أحد المعلمات الأساسية لتصميم ومميزات وبنية مانع الجهد الزائد.
خصائص تحمل الجهد بالثانية للتردد الكهربائي: تشير إلى قدرة مانع الجهد الزائد ذو الأكسيد المعدني (مثل ZnO) على تحمل الجهود الزائدة تحت الظروف المحددة.
التيار الإفراطي الاسمي (كيلو أمبير): هو القيمة القصوى للتالي الإفراطي المستخدمة لتبويب تصنيفات مانعات الجهد الزائد. بالنسبة لأنظمة 220 كيلوفولت وما دون، يجب ألا يتجاوز 5 كيلو أمبير.
الجهد المتبقى: هو الجهد الذي يظهر عبر طرفي مانع الجهد الزائد عند تعرضه لتيار الفيض. يمكن فهمه أيضاً كأقصى جهد يمكن لمانع الجهد الزائد تحمله أثناء حدث الإفراط.
أنواع وبنية مانعات الجهد الزائد
تشمل أنواع مانعات الجهد الزائد الشائعة النوع الصمامي والنوع الأنبوبي والفتحات الواقية ومانعات الجهد الزائد ذات الأكسيد المعدني.
(1) مانعات الجهد الزائد الصمامية
تنقسم مانعات الجهد الزائد الصمامية بشكل أساسي إلى فئتين: النوع التقليدي والنوع المغناطيسي. يشمل النوع التقليدي السلسلتين FS و FZ؛ بينما يشمل النوع المغناطيسي السلسلتين FCD و FCZ.
ترمز الرموز في التسمية النموذجية إلى:
F – مانع الجهد الزائد الصمامي؛
S – للأنظمة التوزيعية؛
Z – للمحطات التحويلية؛
Y – للخطوط الناقلة؛
D – للآلات الدوارة؛
C – مع فجوة التفريغ المغناطيسية.
يتكون مانع الجهد الزائد الصمامي من فجوات شرارة مسطحة متصلة بسلسلة مع مقاومات الكربون السيليكوني (SiC) (كتل الصمام)، محاطة داخل غلاف من الخزف، مع مسامير طرفية خارجية لتثبيتها. تتميز مقاومة الكربون السيليكوني بخصائص غير خطية: لها مقاومة عالية تحت الجهد العادي، والتي تنخفض بشدة أثناء الجهد الزائد.
تحت الجهد العادي للتردد الكهربائي، تظل الفجوات الشرارية غير موصلة. عند حدوث جهد زائد ناجم عن الصواعق، تنفجر الفجوات الشرارية. تنخفض مقاومة كتل SiC بشكل كبير، مما يسمح بتدفق التيار العالي للصواعق بأمان نحو الأرض. بعد الاندفاع، تقدم كتل SiC مقاومة عالية للتيار المتبقي للتردد الكهربائي، بينما تقطع الفجوات الشرارية هذا التيار، مما يعيد التشغيل الطبيعي للنظام. هذا السلوك المفتوح والمغلق يشبه صمامًا - مفتوحًا للتيار الناجم عن الصواعق ومغلقًا للتيار الكهربائي - ومن هنا جاء اسم "مانع الجهد الزائد الصمامي".
(2) الفجوات الواقية ومانعات الجهد الزائد الأنبوبية
تعتبر الفجوات الواقية أبسط أشكال الحماية من الصواعق. تتكون عادة من الفولاذ الدائري المجلفن وتتضمن فجوة رئيسية وفجوة مساعدة. تكون الفجوة الرئيسية على شكل زاوية وتثبت أفقياً لتسهيل إخماد القوس. يتم توصيل الفجوة المساعدة بالتزامن أسفل الفجوة الرئيسية لمنع تشغيل خاطئ بسبب الأجسام الأجنبية التي تربط الفجوة. نظرًا لقدرة الفجوات الواقية الضعيفة على إخماد القوس، عادة ما يتم استخدامها مع أجهزة إعادة التشغيل التلقائي لتحسين موثوقية التغذية بالطاقة.
يتكون مانع الجهد الزائد الأنبوبي من فجوة شرارة محاطة بأنبوب منتج للغاز، يتكون من أقطاب قضيب وحلقة. يتضمن كلًا من الفجوات الداخلية والخارجية. يتم تصنيع أنبوب مانع الجهد الزائد من مواد مثل راتنج الفينول المدعمة بالألياف التي تنتج كميات كبيرة من الغاز عند تسخينها. عند حدوث جهد زائد ناجم عن الصواعق، تنفجر كلًا من الفجوات الداخلية والخارجية، مما يحول التيار الناجم عن الصواعق نحو الأرض. يخلق التيار الكهربائي اللاحق قوسًا قويًا يحرق جدار الأنابيب ويولد غازًا عالي الضغط يتم طرده من خلال الطرف المفتوح، مما يخمد القوس بسرعة. ثم تعيد الفجوة الخارجية عزلها، مما يعزل مانع الجهد الزائد عن النظام والسماح باستئناف التشغيل الطبيعي.
نظرًا لاعتماد مانعات الجهد الزائد الأنبوبية على التيار الكهربائي لإنتاج الغاز لإخماد القوس، يمكن أن يؤدي التيار القصير المفرط إلى إنتاج كمية كبيرة من الغاز تتجاوز قوة الأنابيب الميكانيكية مما يؤدي إلى انفجار أو تفجير. لذلك، عادة ما يتم استخدام مانعات الجهد الزائد الأنبوبية في التركيبات الخارجية.
(3) مانعات الجهد الزائد بدون فجوات ذات الأكسيد المعدني (أكسيد الزنك)
وتعرف أيضًا باسم مانعات الجهد الزائد المتغير، وهي نوع حديث تم تقديمه في السبعينيات. مقارنة بنوع مانعات الجهد الزائد الصمامية التقليدية ذات الكربون السيليكوني، لا تحتوي مانعات الجهد الزائد بدون الفجوات ذات الأكسيد المعدني على فجوات شرارة وتستخدم أكسيد الزنك (ZnO) بدلاً من الكربون السيليكوني. يتم تصنيعها من صفائح ZnO المتغير ذات الخصائص غير الخطية الممتازة للجهد والتيار: تحت الجهد الكهربائي العادي، تظهر مقاومة عالية تحد من التيار التسرب؛ تحت الجهد الزائد للصواعق، تنخفض مقاومتها بشكل حاد مما يسمح بتخلص فعال للتيار الزائد.
تقدم مانعات الجهد الزائد ذات الأكسيد المعدني خصائص حماية متفوقة، وسعة تفريغ عالية، وجهد متبقى منخفض، وحجم صغير، وسهولة التركيب. يتم استخدامها الآن بشكل واسع لحماية المعدات الكهربائية ذات الجهد العالي والمنخفض.
(4) مانعات الجهد الزائد ذات الفجوات من الأكسيد المعدني (أكسيد الزنك)
تتكون من صفائح مقاومة ZnO متصلة بالتزامن مع فجوة شرارة داخل غلاف مركب. وحدة الفجوة عادة ما تحتوي على قطبين على شكل دوائر محاطة بحلقة خزفية. فهي مناسبة لنظم التحييد غير الفعالة. أثناء الأعطال بين طور واحد وأرضي أو التحت الأرضي، قد يحدث جهود زائدة مؤقتة شديدة لمدة طويلة، والتي قد لا تتحملها مانعات الجهد الزائد بدون الفجوات. تتجاوز مانعات الجهد الزائد ذات الفجوات هذه القيود: تحت الجهود الزائدة المعتدلة مثل التحت الأرضي أو التحت الأرضي المنخفض المستوى، تظل الفجوة المتسلسلة غير نشطة، مما يعزل مانع الجهد الزائد عن النظام.
عندما يتجاوز الجهد الزائد قيمة معينة، تنفجر الفجوة، وتقييد الخصائص غير الخطية الممتازة لصفائح ZnO الجهد المتبقى عبر مانع الجهد الزائد. يكون التيار المتبقي صغيرًا جدًا وسهل القطع، مما يقدم حماية عازلة موثوقة للمحولات وغيرها من المعدات.
اختبارات مانعات الجهد الزائد ومعاييرها
(1) قياس المقاومة العازلة
استخدم ميجا أوميتر بجهد 2500 فولت أو أعلى. لمانعات الجهد الزائد ذات الجهد المعين 35 كيلوفولت وما فوق، يجب ألا تقل المقاومة العازلة عن 2500 ميجا أوم؛ أما لأولئك الذين هم أقل من 35 كيلوفولت، يجب ألا تقل عن 1000 ميجا أوم.
(2) قياس الجهد المباشر عند 1 ميلي أمبير والتيار التسرب عند 75٪ من هذا الجهد
قم بتطبيق جهد مباشر على مانع الجهد الزائد. مع زيادة الجهد، يرتفع التيار التسرب تدريجيًا. سجل قيمة الجهد عند الوصول إلى 1 ميلي أمبير. ثم خفض الجهد إلى 75٪ من هذا القيمة وسجل التيار التسرب، والذي يجب ألا يتجاوز 50 ميكرو أمبير.
(3) التيار التسرب البديل تحت الجهد التشغيلي
قم بقياس التيار الكلي أو التيار المقاوم أو فقدان الطاقة تحت الجهد التشغيلي. يجب أن لا تظهر القيم المقاسة أي تغيير كبير مقارنة بالقيم الأولية. إذا ضاعف التيار المقاوم، يجب إيقاف تشغيل مانع الجهد الزائد للتفتيش.
إذا زاد التيار المقاوم إلى 150٪ من القيمة الأولية، يجب تقليص دورة الرصد بشكل مناسب.
يمكن لهذه الاختبارات الكشف عن عيوب مثل دخول الرطوبة أو تقادم كتل الصمام في مانع الجهد الزائد، والشقوق السطحية والتدهور العازل.
