עקרון הגנת נחשולי מתח עבור החלפת ספקי כוח
התקן מגן נחשולי מתח (SPD), הידוע גם בשם מגן נחשולי מתח, הוא התקן מגן לא ליניארי המשמש להגבלת מתח יתר חולף ולהנחות זרם נחשולי פריקה במערכות חיות, ומשמש להגנה על מכשירים חשמליים בעלי רמות מתח נמוכות או מערכות אלקטרוניות. מוגן מפני פגיעות ברק ופולסים אלקטרומגנטיים של ברק או נזקי מתח הפעלה. בשנים האחרונות התפתחו במהירות מערכות מידע אלקטרוניות (כגון טלוויזיה, טלפון, תקשורת, רשת מחשבים ועוד) ומספר רב של מכשירי מידע אלקטרוניים צצו והפכו פופולריים. מערכות וציוד כאלה הם לרוב יקרים וחשובים, ומתח העבודה ורמת המתח שלהם נמוכים מאוד, ולכן הם פגיעים ביותר לפולסים אלקטרומגנטיים של ברק. לכן, SPD נדרש להגנת מתח.
בשל התקנים השונים שמדינות שונות עוקבות אחריהם, מפרטי המוצר אינם מאוחדים, וגם לזיהוי הפרמטרים יש דגש משלו, שהוא נחות בהרבה ממפרטי מוצרי חשמל אחרים, מה שמביא אי נוחות רבה לתכנון ולבחירה. בתכנון הנדסי ניתן לחלק את המותגים הנפוצים למוצרים ביתיים, מוצרים אירופאים ומוצרים אמריקאים לפי מקום המוצא. הגדרות הפרמטרים של מוצרים מקומיים הן כאוטיות, עם מפרטים שונים ולחץ שיורי גבוה. חלק מהגדרות הדגם של מוצרים סטנדרטיים מחקים מוצרים אירופיים, וחלק עוקבות אחר פרמטרי הכיול הלאומיים. רוב המוצרים מסומנים ב-In ו-Imax. מכיוון שלמוצרים ביתיים יש דרישות נמוכות יחסית לאתרי יישומים, ציוני בנייה נמוכים וציוד גדול עומד בערכי מתח, ניתן להקל על כמה דרישות פרמטרים.
מוצרים אירופאים מסמנים בדרך כלל את זרם הפריקה המרבי, וגם דגם המוצר נקבע לפי פרמטר זה. לדוגמה, XXX65 ו-XXX40 של מותג אירופאי מפורסם, הערכים 65 ו-40 הם Imax. עם זאת, התקן הסיני קובע בבירור שיש להשתמש בזרם הפריקה הנומינלי In לבחירת סוג, שזה מצב מביך שנתקל בו בתכנון הנדסי כיום. לאחר בדיקת מידע המוצר, ערך In של XX65 אינו עולה על 20kA, וערך In של XX40 אינו עולה על 15kA. על פי הערך המומלץ של GB50343, שני מוצרים אלה יכולים לשמש רק להגנה ברמה השלישית של מסוף הציוד, אך בתכנון בפועל, הם מותקנים ברמה הראשונה והשנייה, מה שכמובן אינו עולה בקנה אחד עם פרמטרי הבחירה של התקן הלאומי, והמתח השיורי גבוה יותר, דגמים רגילים בדרך כלל עולים על 1200V, ברגע שסביבת החיווט אינה טובה, קל לחרוג מערך המתח של הציוד. בדרך כלל, ערך Uc של מוצרים אירופיים קטן, ומתח הקו מסומן בצורה אופורטוניסטית, כך שקל להטעות בעת בחירת דגם.
איך SPDs עובדים
מגן הנחשולים מתאים להגנה על אספקת חשמל 220/380V במתח נמוך. זהו רכיב לא ליניארי. על פי תקן חברת החשמל, מגן הנחשולים הוא מכשיר המדכא בעיקר את מתח יתר וזרם יתר של הקו המוליך. מגן הנחשולים ממלא תפקיד מגן. הדרישה הבסיסית היא שהוא חייב לעמוד בזרם הברק שצפוי לעבור דרכו, ובאמצעות מתח ההידוק המקסימלי של הנחשול, הוא יכול לכבות ביעילות את הזרימה הרציפה בתדר ההספק שנוצר לאחר שזרם הברק עובר, ולמנוע את הזרם המיידי. נחשול לתוך קו החשמל וקו העברת האות. מתח היתר מוגבל בטווח המתח שהציוד או המערכת יכולים לעמוד בו, או שזרם הברק החזק דולף לקרקע כדי להגן על הציוד או המערכת המוגנים מפני נזק עקב פגיעות.
הסוג והמבנה של מגיני מתח משתנים בהתאם למטרות שונות, אך כלול לפחות אלמנט מגביל מתח לא ליניארי אחד. מגיני מתח נפוץ כוללים MOV (Metal Oxide Varistor) וצינורות פריקת גז. נחשולי מתח מכילים אנרגיה רבה ואי אפשר לעצור אותם. מסיבה זו, האסטרטגיה להגנה על ציוד חשמלי רגיש מפני נזקים מנחשולי מתח היא להרחיק את הנחשול מהציוד ואל האדמה.
מגן הנחשולים MOV מורכב משלושה חלקים: האמצעי הוא חומר תחמוצת מתכת, ושני מוליכים למחצה מחוברים לחשמל ולהארקה. כאשר מתרחש גל, ה-MOV פועל מיד, וזמן התגובה הוא 1 עד 3 ננו-שניות. ה-"V" ב-MOV הוא ריאוסטט. ברגע התגובה, ההתנגדות של ה-MOV יורדת מהערך המקסימלי לכמעט אפס אוהם, וזרם היתר זורם לאדמה דרך ה-MOV. הציוד החשמלי המוגן ממשיך לפעול תחת מתח עבודה רגיל. לאלמנטים המוליכים למחצה שלו יש את התכונה של שינוי התנגדות עם שינויים במתח. כאשר המתח נמוך מערך מסוים, תנועת האלקטרונים במוליך למחצה יוצרת התנגדות גבוהה. לעומת זאת, כאשר המתח עולה על הערך הספציפי הזה, תנועת האלקטרונים משתנה וההתנגדות של המוליך למחצה יורדת קרוב לאפס אוהם. המתח תקין, ומגן הנחשולים MOV אינו פעיל, דבר שאינו משפיע על קו החשמל.
אינדיקטורים של היתרונות והחסרונות של מגן נחשול MOV: (1) מתח הידוק: מציין את ערך המתח שיגרום ל-MOV להתחבר לאדמה. ככל שמתח ההידוק נמוך יותר, כך ביצועי ההגנה טובים יותר. (2) יכולת ספיגה/פיזור אנרגיה: ערך נומינלי זה מציין כמה אנרגיה יכול מגן הנחשולים לספוג לפני שהוא נשרף, בג'אול. ככל שהערך גבוה יותר, כך ביצועי ההגנה טובים יותר. (3) זמן תגובה: מגיני נחשולי מתח אינם מתנתקים מיד, יש להם עיכוב קל בתגובה לנחשול.
התקן נפוץ נוסף להגנה מפני נחשולי מתח הוא צינור פריקת גז. צינורות פריקת גז אלה עושים את אותו הדבר כמו MOVs, הם מעבירים זרם עודף מחיים לאדמה על ידי שימוש בגז אינרטי כמוליך בין שני החוטים. כאשר המתח נמצא בטווח מסוים, הרכב הגז קובע כי מדובר במוליך גרוע. אם המתח עולה מעבר לטווח זה, הזרם יהיה חזק מספיק כדי ליינן את הגז, מה שהופך את צינור פריקת הגז למוליך טוב מאוד. הוא מוליך זרם לאדמה עד שהמתח חוזר לרמות נורמליות, ואז הופך שוב למוליך גרוע.
(1) SPD קו מתח
מכיוון שאנרגיה של פגיעות ברק גדולה מאוד, יש צורך לשחרר את האנרגיה של פגיעות ברק לקרקע צעד אחר צעד בשיטת הפריקה ההיררכית. באזור ללא הגנה מפני ברקים ישירים (LPZ0A) או במפגש של אזור הגנת ברקים ישיר (LPZ0B) ואזור ההגנה הראשון (LPZ1), התקן מגן מתח או מגן נחשולי מתח מגביל שעבר את מבחן הסיווג Class I בתור הראשון. רמת ההגנה הראשונה היא פריקת זרם הברק הישיר, או כאשר קו הולכת הכוח נפגע ישירות מברק, הוא יפרוק את האנרגיה העצומה המתנהלת. התקן מגן נחשולי מתח מגביל בצומת של כל חטיבה (כולל אזור LPZ1) לאחר אזור ההגנה הראשון, כרמת הגנה שנייה, שלישית או גבוהה יותר. המגן ברמה השנייה הוא התקן הגנה למתח השיורי של המגן ברמה הקודמת ולפגיעת ברק המושרה באזור. כאשר מתרחשת קליטת אנרגיה גדולה של מכת ברק במפלס הקדמי, עדיין יש חלק די גדול עבור הציוד או המגן ברמה השלישית. האנרגיה תועבר וצריכה להיספג עוד יותר על ידי המגן ברמה השנייה. במקביל, קו התמסורת העובר דרך התקן ההגנה מפני ברקים ברמה הראשונה יגרום גם לקרינת פולס אלקטרומגנטי של ברק. כאשר הקו ארוך מספיק, האנרגיה של הברק המושרה הופכת גדולה מספיק, מה שמצריך מגן ברמה שנייה כדי לפרוק עוד יותר את אנרגיית הברק. המגן ברמה השלישית מגן על שארית אנרגיית הברק העוברת דרך המגן ברמה השנייה. על פי רמת מתח העמידות של הציוד המוגן, אם הגנת ברקים דו-מפלסית יכולה להגביל את המתח הנמוך מרמת מתח העמידות של הציוד, נדרשות רק שתי רמות הגנה; אם רמת המתח של הציוד נמוכה, ארבע רמות או אפילו יותר רמות של הגנה.
קו אות SPD
עם היישום הרחב של מערכות מידע, בשל המספר הרב של קווי רשת ורמת המתח הנמוכה של ציוד אלקטרוני, פגיעות ברק מזיקות יותר ויותר למערכות המידע. נזקי הברק למערכת המידע נגרמת בעיקר מהדופק האלקטרומגנטי של הברק, לרבות גל מתח-יתר הברק המוליך לאורך הקו, מתקפת הנגד הפוטנציאלית הגבוהה שנוצרת מזרם הברק על חוט ההארקה, ההשראה האלקטרוסטטית וההשראה האלקטרומגנטית של הברק. שדה אלקרומגנטי. אמצעי ההגנה עבור פולסים אלקטרומגנטיים כוללים יירוט, shunting, חיבור שווי פוטנציאל, מיגון, הארקה וחיווט סביר. התקנת SPD על קו האות היא אמצעי חשוב למערכת המידע למניעת פולסים אלקטרומגנטיים. זה יכול לשחק בו זמנית את התפקיד של יירוט, shunting וחיבור שווי פוטנציאל. יש לחבר את קו האות SPD ליציאת האות של הציוד המוגן. מסוף הפלט שלו מחובר ליציאה של הציוד המוגן, שניתן לחלק לחיבור טורי וחיבור מקבילי, ומותקן בדרך כלל בסדרה על קו האות. לכן, בעת בחירת אות SPD, יש לבחור SPD עם אובדן הכנסה קטן יותר.
