- ثلاث مهام أساسية: ضربات الصواعق (10/350 µs)، والارتفاعات الداخلية في الجهد (8/20 µs)، وحماية الأجهزة الحساسة.
- الفئات والأنواع: تتطلب اختبارات النوع 1 والنوع 2 والنوع 3 مع IEC 61643-11 مطابقة صحيحة.
- يحدد مستوى الحماية Up الجهد المتبقي الواصل إلى الأجهزة؛ وتضمن الحماية المتدرجة والتنسيق تحمّل المعدات.
- يجب إبقاء موصلات التوصيل قصيرة، بحيث لا يتجاوز الطول الإجمالي 0.5 متر؛ إذ يرفع انخفاض الجهد الحثي ΔU جهد الجهاز بشكل كبير.
- التقنيات: MOV سريعة لكنها تتقدم في العمر، GDT ناقل طاقة عالٍ، والهجينة تجمع بين السرعة والتحمّل.
ما فائدة مانع الصواعق؟
لمانع الصواعق ثلاث مهام أساسية:
الحماية من ضربات الصواعق. يواجه الموجة عالية الطاقة الناتجة عن صاعقة تسقط على المبنى أو بالقرب منه. ويُعبَّر عنها بشكل الموجة 10/350 ميكروثانية.
الحماية من الارتفاعات الداخلية في الجهد. تُنتج عمليات تبديل الشبكة، ودخول وخروج المحركات الكبيرة، ومراحل تعويض القدرة، ومناورات المحولات موجات مستمرة داخل المنشأة. وتُعرَّف بشكل الموجة 8/20 ميكروثانية.
حماية الأجهزة الحساسة. قد يبقى الجهد المتبقي المار عبر المراحل الرئيسية مرتفعًا بالنسبة للبطاقات الإلكترونية؛ والحماية الموضوعة أمام الجهاز تغطي هذا الفارق.
باختصار، يؤدي مانع الصواعق المهمة التي لا يستطيع نظام الحماية الخارجية من الصواعق القيام بها. فنظام الالتقاط على السطح يحمي المبنى من الضرر المادي؛ أما مانع الصواعق فيحمي كل ما بداخله.
قد يهمك أيضًا: قفص فاراداي
كيف يعمل مانع الصواعق؟
يُوصَل مانع الصواعق على التوازي مع النظام، وليس على التوالي. وهذا الفارق مهم: حتى لو تعطّل المنتج، لا ينقطع تدفق الطاقة، وتستمر المنشأة في العمل.
يقوم منطق العمل على عتبة الجهد. فعندما يكون جهد الشبكة ضمن الحدود الطبيعية تكون المقاومة الداخلية لمانع الصواعق مرتفعة جدًا ولا يظهر له أي تأثير في الدارة. وعند تجاوز عتبة الجهد، تنخفض مقاومة عنصر الحماية خلال نانوثوانٍ، ويسري تيار الموجة عبر مانع الصواعق إلى الأرض، ويُحدَّد الجهد عند أطراف الجهاز. وبعد انتهاء الموجة يعود العنصر إلى حالته عالية المقاومة.
في المنتجات القائمة على المقاومة المتغيرة (varistor)، تُقدّم كل موجة عنصر الحماية قليلًا في العمر. لذلك تحتوي المنتجات على فاصل حراري: عندما يبدأ العنصر بالسخونة الزائدة ينفصل عن الدارة، ويتغير لون مؤشر الحالة الأمامي. والوحدة التي تحوّل لونها من الأخضر إلى الأحمر تعني أنها لم تعد توفر الحماية.
من أين يدخل الجهد الزائد إلى المنشأة؟
لاختيار مانع الصواعق الصحيح، يجب معرفة نوع التهديد الذي تتعاملون معه. توجد ثلاث آليات اقتران (coupling).
الاقتران الغلفاني (المقاوم): تسقط الصاعقة مباشرة على المبنى أو على خط التغذية، ويدخل التيار فعليًا إلى المنشأة عبر الموصل. وهو السيناريو الأعلى طاقة.
الاقتران الحثي: يُحدث المجال المغناطيسي لموجة تسقط بالقرب من المنشأة جهدًا مستحثًا في حلقات الكابلات داخلها. وتزداد شدة التأثير مع طول مسارات الكابلات واتساع مساحات الحلقات.
الاقتران السعوي: هو انتقال التغيرات السريعة في الجهد عبر السعات الطفيلية. طاقته منخفضة لكنها كافية لإتلاف الإلكترونيات الحساسة.
في التطبيق العملي، يأتي الجزء الأكبر من خسائر الأجهزة من الآلية الثانية والثالثة. فحتى لو لم تسقط الصاعقة على المبنى إطلاقًا، يمكن لموجة تقع على بُعد بضع مئات من الأمتار أن تُتلف بطاقة إلكترونية.
أشكال موجات اختبار مانع الصواعق: 10/350 و8/20 ميكروثانية
المعيار الحقيقي الذي يميّز فئات مانع الصواعق هو شكل الموجة التي يُختبر بها المنتج. ويُكتب بصيغة \”زمن الصعود / زمن نصف القيمة\”: فالموجة 10/350 ميكروثانية تصف تيارًا يصل إلى قيمته القصوى خلال نحو 10 ميكروثانية، وينخفض إلى نصف تلك القيمة خلال 350 ميكروثانية.
كما يظهر في الرسم البياني، حتى لو كانت للموجتين نفس القيمة القصوى، فإن الطاقة التي تحملانها غير قابلة للمقارنة. فمن حيث الشحنة (Q) والطاقة النوعية (W/R)، تفوق موجة 10/350 نظيرتها بمرتبة كاملة. لهذا السبب، لا يمكن استبدال مانع صواعق من النوع 1 كُتب عليه \”12.5 kA\” بمنتج من النوع 2 كُتب عليه \”40 kA\”. فالمقارنة تبدأ أولًا بشكل الموجة، ثم بالقيمة.
تُعرَّف فئات الاختبار ضمن معيار IEC 61643-11: يُجرى اختبار Class I بتيار الموجة 10/350 ميكروثانية (Iimp)، واختبار Class II بتيار التفريغ الاسمي 8/20 ميكروثانية (In)، أما اختبار Class III فيُجرى بموجة مركّبة (جهد 1.2/50 ميكروثانية وتيار 8/20 ميكروثانية).
أنواع مانع الصواعق وفئاته
نظرًا لتداول ثلاث تسميات مختلفة للمنتج نفسه، يصبح الالتباس أمرًا لا مفر منه:
| نقطة التطبيق | النوع | الفئة القديمة | فئة الاختبار | القيمة المميزة |
|---|---|---|---|---|
| المدخل الرئيسي / خروج المحول | النوع 1 | B | Class I | Iimp (10/350 µs) |
| اللوحة الفرعية | النوع 2 | C | Class II | In, Imax (8/20 µs) |
| أمام الجهاز | النوع 3 | D | Class III | Uoc (موجة مركّبة) |
من الأخطاء الشائعة التي نصادفها مطابقة منتجات الفئة D مع النوع 2. فالفئة D تقابل النوع 3. وهذا الالتباس يؤدي إلى لوحات يُظن أنها مزوّدة بحماية أمام الجهاز بينما تحتوي في الواقع على منتج من المرحلة الوسيطة.
تتوفر أيضًا منتجات مدمجة. فمانعات الصواعق من النوع 1+2 توفّر مساحة في اللوحة الرئيسية؛ أما طرازات النوع 2+3 فتُفضَّل في الأنظمة ذات المحركات ولوحات المحركات.
اختيار مانع صواعق من النوع 1: كيف تُحسَب قيمة Iimp؟
هذا أحد الحسابات التي كثيرًا ما تُغفَل في الميدان. إذا كانت المنشأة تمتلك نظام حماية خارجية من الصواعق، فإن جزءًا من التيار الساقط على النظام يتوزع عبر التأريض، ويدخل الجزء المتبقي إلى المنشأة.
ووفقًا لمعيار IEC 62305-1، فإن تيارات التصميم لمستويات الحماية هي: 200 kA لمستوى LPL I، و150 kA لمستوى LPL II، و100 kA لمستويي LPL III وIV. ووفقًا لافتراضات معيار IEC 62305-3، يسري نحو نصف هذا التيار عبر منشأة التأريض، ويُوزَّع النصف المتبقي على الموصلات الداخلة إلى المنشأة.
في نظام TN-S تدخل فيه أربعة موصلات (L1, L2, L3, N) إلى المنشأة:
- LPL III–IV: 100 kA × 0.5 = 50 kA → 50 / 4 = 12.5 kA لكل قطب
- LPL II: 150 kA × 0.5 = 75 kA → 75 / 4 ≈ 18.75 kA لكل قطب
- LPL I: 200 kA × 0.5 = 100 kA → 100 / 4 = 25 kA لكل قطب
وهكذا يتّضح سبب كون مانعات الصواعق من النوع 1 في السوق بقيمة 12.5 kA لكل قطب في الغالب: فهذه القيمة مبنية على افتراض LPL III–IV. وإذا كانت منشأتكم من فئة LPL I أو II، فإن منتجًا قياسيًا بقيمة 12.5 kA يصبح غير كافٍ. وفي الأراضي المفتوحة ذات الكثافة العالية للصواعق، يحدد هذا التمييز أداء الحماية بشكل مباشر.
مستوى الحماية (Up) والحماية المتدرجة
القيمة الأكثر أهمية لمانع الصواعق ليست قيمة الكيلوأمبير في الكتالوج، بل مستوى الحماية. فـ Up هو الجهد المتبقي عند أطراف المنتج لحظة الموجة، ويجب أن يكون أقل من قدرة تحمل الموجة لدى المعدة المراد حمايتها.
يقسّم معيار IEC 60664-1 المعدات في الأنظمة 230/400 فولت إلى أربع فئات لارتفاع الجهد: الفئة IV (معدات الدخول) 6 kV، الفئة III (التمديدات الثابتة) 4 kV، الفئة II (الأجهزة) 2.5 kV، الفئة I (الإلكترونيات الحساسة) 1.5 kV. ومنطق الحماية المتدرجة هو خفض الجهد المتبقي في كل مرحلة إلى ما دون الفئة التالية.
قد يهمك أيضًا: أداة اختيار مانع الصواعق
يجب تحقيق تنسيق الطاقة بين المراحل. ومن الممارسات الشائعة ترك مسافة خط لا تقل عن 10 أمتار بين مانع الصواعق من النوع 1 والنوع 2، أو استخدام ملف تنسيق. وإذا كانت المسافة غير كافية، يدخل منتج النوع 2 في التوصيل قبل النوع 1 ويتعرض لطاقة تفوق سعته؛ وتكون النتيجة عادةً تلف المرحلة الثانية. تقدّم بعض الشركات المصنّعة مجموعات منتجات ذات تنسيق داخلي، وفي هذه الحالة يختلف شرط المسافة حسب بيانات الشركة المصنّعة.
قيمة Uc والتوصيل حسب نوع الشبكة
جهد التشغيل المستمر (Uc) هو الجهد الذي يستطيع مانع الصواعق تحمّله بشكل دائم. يجب أن يكون أعلى بما يكفي من جهد الشبكة، لكن اختياره مرتفعًا دون داعٍ يرفع أيضًا قيمة Up، مما يُضعف الحماية.
في الأنظمة TN، إذا كان الجهد بين الطور والمحايد 230 فولت، فيجب أن يكون Uc ≥ 1.1 × 230 = 253 فولت. وفي الممارسة العملية تُستخدم منتجات بقيمة 275 فولت؛ وفي المنشآت ذات الشبكة غير المستقرة يمكن تفضيل طرازات 335 فولت.
تُغيّر طوبولوجيا الشبكة أيضًا مخطط التوصيل:
- TN-S / TN-C-S: توصيل 4+0. تتم حماية كل طور والمحايد مباشرة مقابل PE.
- TT: توصيل 3+1. تُحمى الأطوار مقابل المحايد بواسطة المقاومة المتغيرة (varistor)، ويُحمى الفاصل بين المحايد وPE بعنصر فجوة الشرارة (spark gap). وبهذا الشكل لا يتشكّل مسار تسرب تيار مستمر بين المحايد وPE.
- IT: يجب التحقق من ملاءمة المنتج لشبكة IT من بيانات الشركة المصنّعة.
لا يؤدي اختيار المخطط الخاطئ إلى فقدان الحماية فحسب؛ بل يتسبب أيضًا في استمرار سقوط قاطع التسرب الأرضي، وغالبًا ما يبحث الفريق الميداني عن المشكلة في مكان آخر.
بغض النظر عن اختيار المنتج، هذا هو التفصيل التطبيقي الأكثر تأثيرًا في الحماية، وإهماله يجعل قيمة Up بلا معنى.
الجهد الواصل إلى الجهاز هو مجموع قيمة Up لمانع الصواعق وانخفاضات الجهد على موصلات التوصيل:
U_الإجمالي = Up + ΔU1 + ΔU2
وانخفاض الجهد هنا ليس أوميًا بل حثيًا:
ΔU = L′ × (di/dt)
يبلغ المحاثة النوعية لموصل نحاسي حر نحو 1 مايكرو هنري/متر. وفي شكل الموجة 8/20 ميكروثانية تبلغ di/dt نحو 2.5 kA/ميكروثانية. أي أن موصل توصيل بطول متر واحد وحده يولّد جهدًا إضافيًا يبلغ نحو 2.5 كيلوفولت. فإذا وصلتم مانع صواعق بقيمة Up تبلغ 1.5 كيلوفولت بموصل طوله متر واحد، فإن الجهد الواصل إلى الجهاز يتجاوز 4 كيلوفولت؛ وتصبح الحماية التي وفّرتموها لجهاز من الفئة II معطّلة عمليًا.
لهذا السبب ينص معيار IEC 60364-5-53 (المرقّم حديثًا 534) على ألا يتجاوز الطول الإجمالي لموصلي الذهاب والإياب 0.5 متر. وإذا تعذّر تحقيق ذلك، يُطبَّق أسلوب التوصيل V (bypass): يمر الموصل الرئيسي مباشرة عبر أطراف مانع الصواعق، فيُلغى موصل التوصيل الإضافي.
المقطع مهم أيضًا. في مانعات الصواعق من النوع 1 يُختار موصل التوصيل النحاسي بمقطع لا يقل عن 16 مم²، وفي منتجات النوع 2 لا يقل عن 6 مم². ويجب مد الموصلات بشكل قصير ومستقيم ومتقارب، دون تشكيل مساحة حلقية غير ضرورية.
الصمامة الأمامية، تحمّل التماس القصير، وتيار المتابعة
قد يتصرف مانع الصواعق كتماس قصير في حال العطل؛ لذلك يجب وجود عنصر فصل أمامه.
SCCR (Isccr): هو تيار التماس القصير المتوقع الذي يستطيع المنتج تحمّله مع الصمامة الموضوعة أمامه. ويجب أن يكون أكبر من تيار التماس القصير المحسوب للمنشأة.
الصمامة الأمامية: تُذكر القيمة القصوى للصمامة الأمامية في كتالوج الشركة المصنّعة. فإذا كانت الصمامة الرئيسية للمنشأة أقل من هذه القيمة فلا حاجة لصمامة منفصلة؛ وإن كانت أعلى، توضع صمامة منفصلة من نوع gG على فرع مانع الصواعق. وتأتي بعض الطرازات بصمامة مدمجة، مما يوفر مساحة داخل اللوحة.
تيار المتابعة (Ifi): هو التيار الذي يحاول، في المنتجات من النوع 1 القائمة على فجوة الشرارة، القدوم من الشبكة بعد الموجة لإبقاء القوس مستمرًا. وقدرة المنتج على إطفاء هذا التيار مهمة لتجنّب سقوط الصمامة دون داعٍ.
تقنيات مانع الصواعق: MOV وGDT والبنى الهجينة
المقاومة المتغيرة بأكسيد المعدن (MOV): تستجيب بمرتبة النانوثانية، وجهدها المتبقي منخفض. تتقدم في العمر قليلًا مع كل موجة، ويزداد تيار التسرب لديها مع الوقت. وعادة ما تُستخدم لمرة واحدة عند تعرضها لموجة تفوق سعتها.
أنبوب التفريغ الغازي / فجوة الشرارة (GDT): يتمتع بقدرة عالية على نقل الطاقة، ولا يوجد لديه تيار تسرب. سرعة استجابته أقل من المقاومة المتغيرة، وجهد الإشعال لديه أعلى.
البنى الهجينة: تجمع بين الاثنين؛ فتجمع سرعة المقاومة المتغيرة مع تحمّل فجوة الشرارة وبنيتها الخالية من التسرب.
المعيار الحاسم هو مدى تأثير الحرارة المنبعثة لحظة الموجة على عنصر الحماية. وهذا ما يحدد مباشرة عدد الموجات التي سيتحملها المنتج قبل أن يتعطل. ولا تخبرنا قيمة كيلوأمبير واحدة في الكتالوج بأي شيء عن هذا السلوك.
أين يُستخدم مانع الصواعق؟
- مداخل المحولات ولوحات خروج الجهد المنخفض: خط الدفاع الأول للطاقة الداخلة إلى المنشأة.
- لوحات التوزيع الرئيسية: حماية من النوع 1 أو 1+2.
- اللوحات الفرعية: النوع 2 للوحات الطوابق وخط الإنتاج ولوحات الآلات.
- أنظمة إضاءة LED: بطاقات المشغّل حساسة للموجات؛ ويزداد الخطر في الإنارة العلوية على الأعمدة.
- أنظمة الدوائر التلفزيونية المغلقة والكاميرات وإنذار الحريق: يجب حماية خط الطاقة وخط الإشارة معًا.
- أنظمة الطاقة المتجددة: جميع خطوط التيار المستمر والمتردد والبيانات في محطات الطاقة الشمسية ومحطات طاقة الرياح.
- خطوط الأتمتة والاتصالات: مداخل PLC، حساسات الميدان، خطوط RS485 وEthernet.
تُعرَّف مانعات الصواعق لخطوط البيانات ضمن معيار IEC 61643-21. وعند الاختيار، يُقيَّم معًا جهد تشغيل الخط، والتيار الأقصى الذي يمكنه تحمّله، وعرض النطاق الترددي، وتوهين الإشارة. فالمنتج ذو عرض النطاق الترددي غير الكافي يُخل بالاتصال، وهو ما ينتهي في الميدان بفكّ مانع الصواعق.
في أنظمة الطاقة الشمسية، يسري معيار IEC 61643-31 على جانب التيار المستمر. ويجب اختيار قيمة Ucpv بحيث لا تقل عن 1.2 ضعف جهد الدائرة المفتوحة للمصفوفة في ظروف الاختبار القياسية.
مجموعات منتجات Raycap لمانعات الصواعق لدى يلكومر
Strikesorb: تقنية طُوّرت للمنشآت الصناعية والمطارات ومواقع الاتصالات ومحطات طاقة الرياح والطاقة الشمسية، توفر حماية تصل إلى قيمة قصوى 200 كيلوأمبير. تتميز عن المنتجات ذات الطراز السككي ببنيتها القابلة للتوصيل على التوالي مع النظام وتحملها الحراري العالي.
سلسلة ProTec: عائلة منتجات واسعة من طراز سكة DIN؛ تغطي جميع مراحل النوع 1 والنوع 2 والنوع 3. تُستخدم ProTec T1HS بتقنيتها الهجينة في حماية اللوحة الرئيسية، بينما تُستخدم سلسلة ProTec C في تطبيقات النوع 2.
سلسلة Probloc: تُفضَّل في لوحات دخول الطاقة الرئيسية بفضل بنيتها المتينة وتقنيتها الهجينة.
سلسلة Raydat: لحماية خطوط الاتصالات والبيانات بتقنية أنبوب التفريغ الغازي.
سلسلة MPE: حلول من النوع 3 داخل المقبس وأمام الجهاز.
سلسلة PV: خيارات من النوع 1+2 والنوع 2 لجانب التيار المستمر في أنظمة الطاقة الشمسية.
صيانة مانع الصواعق والفحص الدوري
يجب تسجيل أطوال التوصيل والمقاطع والصمامة الأمامية وتوصيل التساوي الجهدي عند بدء التشغيل. وفيما يلي ما يجب فحصه دوريًا:
- مؤشر الحالة؛ فالوحدة التي تحوّل لونها إلى الأحمر تعني أنها لم تعد توفر الحماية
- إشارة تلامس المراقبة عن بُعد؛ وهي ضرورية عمليًا في المواقع التي لا يتواجد فيها موظفون باستمرار
- فحص إحكام أطراف التوصيل ومسح الحرارة بالكاميرا الحرارية
- قياس مقاومة التأريض ومقارنتها بالسجلات السابقة
- سجلات عداد الصدمات؛ التي تُظهر الحمل الفعلي للصواعق في الموقع
ليست اللوحات التي تعمل منذ سنوات بوحدة تحوّل لونها إلى الأحمر أمرًا نادرًا في الميدان. فالمنشأة تظن أنها محمية، بينما تكون الحماية قد تعطّلت منذ زمن طويل.
الأسئلة الشائعة حول مانع الصواعق
هل مانع الصواعق إلزامي؟ يُعد استخدام مانع صواعق من النوع 1 ضروريًا في المباني المزوّدة بنظام حماية خارجية من الصواعق. كما يصبح إلزاميًا إذا كانت المنشأة تُغذّى عبر خط هوائي أو إذا اقتضى تحليل المخاطر ذلك.
ما الفرق بين مانع الصواعق والصمامة؟ تحمي الصمامة من التيار الزائد، بينما يحمي مانع الصواعق من الجهد الزائد. تفتح الصمامة الدارة، أما مانع الصواعق فيوجّه الموجة إلى الأرض. ولا يغني أحدهما عن الآخر.
لديّ نظام التقاط على السطح، فلماذا احترقت أجهزتي؟ على الأرجح أن جانب الحماية الداخلية من الصواعق ناقص. فالنظام الخارجي يحمي المبنى، لكن الجهد الزائد ينتقل عبر الخط؛ ودون مانع صواعق لا تُحمى الأجهزة.
هل يستهلك مانع الصواعق الكهرباء؟ لا. لا يستهلك النظام أي طاقة، بل يقوم بمهمة التوصيل لحظة الموجة فقط. وفي المنتجات ذات المقاومة المتغيرة يوجد تيار تسرب ضئيل يمكن إهماله.
كم موجة يتحمّل مانع الصواعق الواحد؟ يعتمد ذلك على التقنية. فالمنتجات التقليدية ذات المقاومة المتغيرة تتعطل بعد عدد محدود من الموجات ضمن سعتها، بينما توفر المنتجات الهجينة والقائمة على تقنية Strikesorb عمرًا أطول بكثير ضمن سعتها.
ما الذي يحدد سعر مانع الصواعق؟ يحدد السعر عوامل مثل الفئة (النوع 1/2/3)، وقيم الحماية (Iimp, In, Up)، والتقنية، وعدد الأقطاب، وميزات مثل الصمامة المدمجة. ويجب مقارنة العروض ليس فقط من حيث السعر، بل من حيث شكل الموجة ومستوى الحماية أيضًا.
يكمن الاختيار الصحيح لمانع الصواعق في الإجابة عن ستة أسئلة: هل توجد حماية خارجية من الصواعق في المنشأة؟ ما هو مستوى الحماية؟ ما نوع الشبكة؟ ما فئة تحمّل الموجة للمعدة المراد حمايتها؟ هل يمكن تحقيق التنسيق بين المراحل؟ وهل تستوفي موصلات التوصيل شرط 0.5 متر؟ فالاختيار الذي يتم دون الإجابة عن هذه المحاور الستة يبقى ناقصًا حتى مع استخدام أغلى منتج. فالحماية الخارجية والداخلية من الصواعق والتأريض والتساوي الجهدي نظام واحد؛ ولا يمكن تصميم أي منها بمعزل عن الآخر.
يمكنكم التواصل مع مهندسي مركز الحماية من الصواعق للحصول على خدمات تحليل المخاطر وتصميم المشاريع وتوريد المنتجات والتركيب والقياس وإعداد التقارير. ولطلبات الدعم الفني يمكنكم الكتابة إلى teknik@yilkomer.com.
يلكومر تحمي ما تقدّرونه!
