ماس كهربائي أو عطل أرضي: كيف تميز بينهما

تُعدّ عبارة "انقطع التيار الكهربائي مجدداً" من أقل العبارات فائدةً في تشخيص الأعطال الكهربائية، لأنها قد تصف حدثين مختلفين تماماً. فكلٌّ من قصر الدائرة الكهربائية وعطل التأريض يؤديان إلى انقطاع التيار، وكلاهما قد يُنتج حرارةً وشرارةً كهربائية، ويُشار إليهما معاً بعبارة "تعطل النظام". لكنهما يسلكان مساراتٍ مختلفة، ويتم رصدهما بواسطة أجهزةٍ مختلفة، ويُعدّ تحديد الحماية الخاطئة لأحدهما مع افتراض أنها تغطي الآخر خطأً شائعاً ومكلفاً في التصميم.

يُفصّل هذا الدليل نمطي العطل على المستوى الفيزيائي، ثم يربط كل نمط بأجهزة الحماية التي ترصده: الصمامات والقواطع الكهربائية للدوائر القصيرة، ومراقبة التيار المتبقي أو العزل لأعطال التأريض. وهو مُعدّ لفرق الهندسة والمشتريات والإنشاء، ومصنّعي اللوحات الكهربائية، ومشتري المكونات الذين يحددون معايير الحماية لأنظمة المركبات الكهربائية، والطاقة الشمسية، وتخزين الطاقة.

تحديد نوعي الأعطال

ماس كهربائي هو مسار غير مقصود ذو مقاومة منخفضة بين نقطتين يفترض أن تكونا على جهدين مختلفين ضمن نفس الدائرة الكهربائية - وغالبًا ما يكون ذلك بين خطين أو، في نظام التيار المستمر، بين ناقل موجب وناقل سالب. يسلك التيار أقصر مسار عائدًا إلى المصدر، متجاوزًا الحمل تمامًا. ولأن العامل الوحيد الذي يحد من التيار هو المقاومة المنخفضة للأسلاك نفسها، فقد تصل تيارات قصر الدائرة إلى أضعاف التيار المقنن للجهاز في غضون أجزاء من الثانية.

خطأ أرضي هو مسار غير مقصود بين موصل كهربائي موصل بالتيار والأرض، أو تأريض الهيكل، أو أي جزء معدني مؤرض/موصول - وليس بالضرورة أن يعود إلى المصدر على الإطلاق. في العديد من الأنظمة (خاصة شواحن السيارات الكهربائية، وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وبطاريات الليثيوم، التي تستخدم عادةً ناقل تيار مستمر معزول أو مرجعي)، لا يُنتج عطل أرضي واحد تيار عطل كبير، لأنه لا توجد حلقة كاملة منخفضة المقاومة تعود إلى المصدر. هذا هو بالضبط سبب خطورة الأعطال الأرضية: إذ يمكن أن تستمر بهدوء لفترة طويلة دون أن تُفعّل جهاز الحماية من التيار الزائد، إلى أن يُكمل عطل ثانٍ أو شخص ما الدائرة إلى الأرض.

لماذا لا يستطيع الجهاز نفسه التقاط كليهما

قد يميل البعض إلى افتراض أن استخدام مصهر أو قاطع دائرة ذي حجم مناسب يوفر حماية "كافية" للوحة، نظرًا لأنه يوقف تيار القصر بوضوح. لكن المشكلة تكمن في أن معظم أعطال التأريض على ناقل تيار مستمر معزول لا تُنتج تيارًا كافيًا لتفعيل جهاز الحماية من التيار الزائد - وهذا هو الهدف الأساسي من استخدام بنية معزولة (غير مؤرضة). فعلى سبيل المثال، قد يستمر تسرب تيار التأريض في نظام تكنولوجيا المعلومات عند بضعة ميلي أمبيرات إلى أجل غير مسمى، بينما ينتظر مصهر 250 أمبير تيار عطل لن يتعرض له أبدًا.

ولهذا السبب، فإن نظام التيار المستمر المحمي بشكل صحيح يعتمد على استراتيجيتين مستقلتين للكشف بدلاً من الاعتماد على استراتيجية واحدة:

1. حماية التيار الزائد يراقب هذا الجهاز شدة التيار المتدفق عبر الموصلات الرئيسية ويقطعه بمجرد تجاوزه حدًا معينًا. هذا هو دور المصهرات وقواطع الدائرة والموصلات.
2. مراقبة المواد المتبقية أو العزل يراقب هذا الجهاز عدم توازن التيار (في الأنظمة المؤرضة) أو انخفاض مقاومة العزل للأرض (في الأنظمة المعزولة/أنظمة تكنولوجيا المعلومات). وهذا قياس مختلف تمامًا، فهو لا يهتم بكمية التيار المتدفق عبر الموصلات الرئيسية، بل يهتم فقط بما إذا كان التيار يتسرب إلى مكان غير مخصص له.

لا يُغني أيٌّ من الطبقتين عن الأخرى. فالشاحن المزود بحماية ممتازة بواسطة الصمامات، ولكنه يفتقر إلى العزل أو مراقبة التيار المتبقي، قد يُسبب صدمة كهربائية قاتلة عبر عطل أرضي بطيء التطور لا يُؤدي إلى فصل الصمامات.

الحماية من قصر الدائرة: مطابقة الجهاز مع طاقة العطل

يعتمد اختيار الحماية من قصر الدائرة على مدى سرعة حاجة الجهاز لإزالة العطل ومقدار الطاقة التي يمكنه السماح بمرورها بأمان قبل حدوث ذلك.

• الصمامات أشباه الموصلات تُعد هذه الأجهزة الأسرع في فصل التيار الكهربائي المتاحة لدوائر التيار المستمر، حيث تفتح عادةً في غضون ميكروثانية إلى بضعة ميلي ثانية اعتمادًا على مقدار تيار العطل. HCHVT500 سلسلة هي عائلة من الصمامات سريعة الاستجابة، مصممة للعمل بجهد 500 فولت تيار مستمر (متوفرة بقدرات تتراوح من 80 أمبير إلى أكثر من 400 أمبير)، ومصممة خصيصًا لحماية فروع أشباه الموصلات الكهربائية ودوائر وصلات التيار المستمر حيث يجب أن تبقى الطاقة المتسربة أقل من قدرة تحمل المكون المحمي. ولأن الصمام جهاز يُستخدم لمرة واحدة، فإنه يُوضع عادةً على مستوى الفرع، قبل المكونات الأكثر حساسية لطاقة الأعطال.
• قواطع الدائرة الكهربائية المصنفة للتيار المستمر، مثل شركة HIITIO قاطع الدائرة الكهربائية المصغر HCB2D من سلسلة UL DC (مصمم للعمل بجهد يصل إلى 1000 فولت تيار مستمر، رباعي الأقطاب، معتمد من UL وفقًا لمعيار UL 489B مع تيار قصر دائرة يصل إلى 10 كيلو أمبير)، يوفر هذا القاطع بديلاً قابلاً لإعادة الاستخدام وإعادة الضبط عن بُعد لحماية المغذيات وشبكات التوزيع. على عكس المصهر، يمكن إعادة توصيل القاطع بعد فصل غير مقصود دون الحاجة إلى استبدال أي أجزاء، ولكنه عمومًا لا يستطيع إزالة طاقة العطل بنفس سرعة المصهر شبه الموصل.
• مقاولات التيار المستمر عالي الجهد، مثل HIITIO المختوم بالسيراميك سلسلة HCF (يتحمل جهدًا يصل إلى 1000 فولت تيار مستمر وتيارًا مستمرًا يصل إلى 250 أمبير في التكوينات الشائعة)، ويؤدي وظائف التبديل والعزل العادية. لا يُعدّ الموصل بديلاً عن المصهر أو قاطع الدائرة في حالة قصر الدائرة، إذ صُممت حجرة القوس الكهربائي وتصميم نقاط التلامس فيه للتحكم في التوصيل والفصل في ظل ظروف الحمل الزائد العادية والمتوسطة، وليس لقطع تيار قصر الدائرة المثبت بشكل مستقل.

مرجع منتجات HIITIO

نهج تنسيق عملي:

• ضع المصهر الأقرب إلى المكون الذي يحميه، بحيث يكون حجمه بحيث يبقى تيار الفصل أقل من تصنيف تحمل طاقة العطل لهذا المكون.
• قم بتحديد حجم قاطع الدائرة أو الموصل العلوي لتيار التغذية المستمر وتيار البدء، مع التأكد من أن تصنيف جهد التيار المستمر والقطبية وقدرة القطع كلها تم التحقق منها بشكل مستقل للاستخدام بالتيار المستمر - لا يتم نقل أي من هذه التصنيفات تلقائيًا من لوحة بيانات التيار المتردد.
• تحقق من الانتقائية بحيث يؤدي حدوث عطل في اتجاه التيار إلى إزالة أقرب جهاز حماية أولاً، بدلاً من فتح قاطع الدائرة في اتجاه التيار وفصل الطاقة عن جزء أكبر من النظام مما هو ضروري.

الكشف عن الأعطال الأرضية: مراقبة الأعطال التي قد لا تكتشفها أجهزة الحماية من التيار الزائد

يعتمد اكتشاف الأعطال الأرضية على مقارنة التيارات بدلاً من قياس المقدار المطلق، ولهذا السبب يحتاج إلى جهاز مخصص خاص به.

• محولات التيار المتبقي يقيس هذا الجهاز المجموع الاتجاهي للتيار المتدفق عبر مجموعة موصلات مراقبة. في الوضع الطبيعي، يكون التيار الخارج مساويًا للتيار العائد، ويكون المتبقي صفرًا. أي اختلال في التوازن يشير إلى تسرب التيار إلى الأرض في مكان ما في الدائرة. محول التيار المتبقي لشاحن المركبات الكهربائية HLB6-A1PV هو محول طاقة ذو حلقة مفتوحة قائم على بوابة التدفق مصمم وفقًا لهذه المواصفات الدقيقة: فهو يكتشف التيار المتبقي المستمر حتى 6 مللي أمبير والتيار المتبقي المتردد حتى 30 مللي أمبير، ويلبي متطلبات الوضع 2 بموجب IEC 62752 ومتطلبات الوضع 3 RDC-PD بموجب IEC 62955، وهو مصنف لدوائر مراقبة 80 أمبير (أحادية الطور) أو 40 أمبير (ثلاثية الطور) - مصمم خصيصًا لوضعه داخل شاحن سيارة كهربائية بالقرب من خطوط الطاقة أو وحدة الحماية من التسرب.
• أجهزة مراقبة العزل (IMDs) يتم اتباع نهج مختلف في أنظمة التيار المستمر غير المؤرضة (IT): فبدلاً من قياس عدم التوازن، يقومون بحقن إشارة قياس صغيرة وتقدير مقاومة العزل من كل موصل حي إلى الأرض. IEC 61557-8 يحدد هذا النظام متطلبات الأداء لهذه الأجهزة. ويمكن لجهاز كشف التداخل (IMD) اكتشاف عطل العزل الذي يتطور ببطء قبل أن يصبح شديدًا بما يكفي لتسجيله بواسطة جهاز كشف التيار المتبقي.
• مفتاح عزل مصنف، مثل شركة HIITIO مفتاح فصل التيار المستمر من سلسلة HCG4 (مصنف حتى 1500 فولت تيار مستمر، متوافق مع IEC/EN 60947-3 و GB/T 14048.3، Ui 1500 فولت، Uimp 12 كيلو فولت)، يمنح الفنيين وسيلة موثوقة ومصنفة لفصل الحمل لفصل الطاقة عن الدائرة بمجرد تحديد عطل أرضي - بشكل منفصل عن الموصل المستخدم للتبديل اليومي.

مصدر الصورة: https://powerquality.blog/2023/03/13/ac-equipment-grounding-creating-a-safe-fault-current-path-to-ground/

إطار عمل عملي: ما هو الخلل الذي تراه بالفعل؟

عندما يتعطل جهاز ما بشكل متكرر، تساعد بعض الملاحظات الميدانية في تحديد نوع العطل قبل اللجوء إلى جهاز قياس متعدد:

• تتعطل الرحلات فورًا تحت الحمل، في كل مرة، بنفس التيار يشير هذا إلى وجود ماس كهربائي أو حمل زائد شديد على الموصلات الرئيسية. تحقق من وجود كابلات مضغوطة أو موصلات متآكلة أو جهاز تحويل معطل.
• الرحلات متقطعة، وغالبًا ما تسوء في الظروف الرطبة أو المبللة يشير هذا إلى وجود عطل أرضي ناتج عن رطوبة في العازل. تحقق من وصلات الكابلات، وأختام الموصلات، وحماية العلبة من دخول الماء والغبار.
• انخفاض قراءة مقاومة العزل على مدى أسابيع أو أشهر، دون حدوث فصل بسبب التيار الزائد → علامة كلاسيكية على حدوث عطل أرضي متطور في نظام معزول، وهو عطل لا يمكن لجهاز الحماية من التيار الزائد رصده بمفرده. هذا هو تحديدًا السيناريو الذي صُممت أجهزة مراقبة التيار المتبقي أو العزل لرصده مبكرًا.
• يتعطل جهاز الحماية، لكن تيار العطل المقاس لا يتطابق مع قصر الدائرة المثبت بمسامير. → يجدر التحقق مما إذا كانت قراءة "الدائرة القصيرة" هي في الواقع مسار التيار المتبقي الذي يتفاعل مع عطل أرضي، حيث يخلط بعض الفنيين بين الاثنين عند قراءة سجلات الرحلات.

مراجع الامتثال التي يُنصح بالاحتفاظ بها

• NFPA 70، المادة 250 — متطلبات التأريض والربط بموجب قانون الكهرباء الوطني الأمريكي.
• NFPA 70E — السلامة الكهربائية في مكان العمل، بما في ذلك تقييم مخاطر الوميض القوسي المتعلقة بطاقة حوادث قصر الدائرة.
• إيك شنومكس-شنومكس-شنومكس — الحماية من الصدمات الكهربائية، المرجع الدولي الأساسي لفلسفة الحماية من الأعطال الأرضية.
• IEC 60947-2 — المتطلبات العامة لقواطع الدائرة، بما في ذلك تصنيفات قدرة قطع الدائرة القصيرة.
• UL 1053 — معدات استشعار وترحيل الأعطال الأرضية، المرجع الأمريكي الشمالي لأجهزة الكشف عن الأعطال المتبقية/الأرضية.

الأسئلة الشائعة

هل يمكن أن يتحول عطل التأريض إلى ماس كهربائي؟

نعم. غالبًا ما ينتج عن عطل أرضي واحد في نظام معزول تيار عطل ضئيل أو معدوم. ولكن إذا حدث عطل أرضي ثانٍ على موصل مختلف قبل إزالة الأول، فقد يؤدي العطلان معًا إلى إنشاء مسار منخفض المقاومة يتصرف كدائرة قصر - وهذا هو السبب تحديدًا في اعتماد أنظمة التيار المستمر المعزولة على العزل المستمر أو مراقبة التيار المتبقي بدلاً من انتظار حدوث عطل ثانٍ لتفعيل جهاز الحماية من التيار الزائد.

هل يحمي المصهر أو قاطع الدائرة من حدوث عطل أرضي؟

جزئيًا فقط، وفي الأنظمة المؤرضة فقط حيث يُنتج عطل أرضي تيارًا كافيًا لتجاوز عتبة فصل الجهاز. أما في ناقلات التيار المستمر المعزولة (IT) - الشائعة في بطاريات السيارات الكهربائية، وأنظمة الألواح الشمسية، والعديد من أجهزة الشحن السريع بالتيار المستمر - فقد يستمر العطل الأرضي عند بضعة ميلي أمبيرات إلى أجل غير مسمى دون أن يقترب أبدًا من التيار المقنن للصمام أو القاطع. ولهذا السبب، تحتاج هذه الأنظمة إلى مراقبة مخصصة للتيار المتبقي أو العزل بالإضافة إلى الحماية من التيار الزائد، وليس بدلاً منها.

لماذا تحتاج شواحن السيارات الكهربائية تحديدًا إلى محول تيار متبقي بدلاً من قاطع التيار المتبقي المنزلي القياسي؟

لا يُعد جهاز التيار المتبقي القياسي المُصنّف للتيار المتردد مؤهلاً عمومًا للكشف عن تيار التيار المستمر المتبقي السلس، والذي قد يحدث أثناء أعطال شحن المركبات الكهربائية، وقد يؤدي في بعض الحالات إلى حجب جهاز التيار المتبقي (RCD) المتصل به عن أي تسريب إضافي. لذا، تُصمّم وتُختبر محولات الطاقة الخاصة بشواحن المركبات الكهربائية، مثل HLB6-A1PV من HIITIO، وفقًا لمعياري IEC 62752 وIEC 62955 تحديدًا، لأنها يجب أن تكشف بدقة عن تيار التيار المستمر المتبقي حتى 6 مللي أمبير، بالإضافة إلى تيار التيار المتردد المتبقي.

هل توفر المصهرات أو قواطع الدائرة ذات التصنيف الأعلى حماية أفضل من الأعطال الأرضية؟

لا، وهذا مفهوم خاطئ شائع. تُحدد تصنيفات أجهزة الحماية من التيار الزائد بناءً على تيار قصر الدائرة وتيار الحمل الزائد، وليس على تسرب التيار الأرضي. إن رفع تصنيف المصهر أو قاطع الدائرة "لتغطية المزيد من الحالات" لا يُحسّن من اكتشاف الأعطال الأرضية، بل قد يُقلل من جودة الحماية من قصر الدائرة عن طريق السماح بمرور طاقة عطل أكبر قبل فصل التيار.

كم مرة يجب اختبار مقاومة العزل في نظام التيار المستمر المعزول؟

لا توجد فترة زمنية موحدة عالمية، إذ يعتمد ذلك على معيار التصميم المطبق، وبيئة تشغيل النظام، وما إذا كان هناك نظام مراقبة مستمر (عبر جهاز قياس العزل المتكامل) مُفعّلاً بالفعل. يُعد النظام المزود بنظام مراقبة مستمر متوافق مع معيار IEC 61557-8 أكثر أمانًا بطبيعته من النظام الذي يعتمد فقط على اختبار العزل اليدوي الدوري، لأنه يكشف عن التدهور التدريجي بين فترات الاختبار.

عيبان، خطة حماية كاملة واحدة — من HIITIO.

اتصل بنا

احمِ كل مسار عطل باستخدام HIITIO

تعني الحماية الموثوقة للتيار المستمر رصد كلا نوعي الأعطال، وليس فقط العطل الذي يتسبب في فصل قاطع الدائرة. تقوم شركة HIITIO بتصنيع سلسلة الحماية الكاملة. HCHVT500 سلسلة من الصمامات شبه الموصلة و قواطع الدائرة الكهربائية للتيار المستمر من سلسلة HCB2D للحماية من قصر الدائرة الكهربائية والتيار الزائد، محول التيار المتبقي HLB6-A1PV للكشف عن الأعطال الأرضية، و مفتاح عزل HCG4 - مفتاح فصل لضمان فصل التيار الكهربائي بشكل مؤكد. كل منتج مزود بوثائق UL أو CE أو CCC أو CB. تحدث إلى مهندس تطبيقات HIITIO حول توفير الحماية المناسبة لتصميم نظام التيار المستمر التالي.