كيف يحمي قاطع الدائرة الكهروضوئية الألواح الكهروضوئية من المخاطر الكهربائية؟

الوظائف الأساسية للحماية التي يؤديها قاطع الدائرة الكهروضوئية

الحماية من التيار الزائد والدوائر القصيرة عبر التشغيل الحراري-المغناطيسي

مفتاح الدائرة الكهروضوئية (PV) يحتوي على نظام مزدوج حراري-مغناطيسي، ويمكنه الاستجابة للأحمال الزائدة طويلة المدى والأعطال المفاجئة قصيرة المدى. فعلى سبيل المثال، إذا مر تيار كهربائي كبير جدًا عبر النظام لفترة طويلة، كما في حالة تعرض لوحة شمسية لأشعة شمس ذات شدة عالية جدًا، فإن الجزء الحراري من المفتاح يُفعِّل انقطاع الدائرة عن طريق انحناء وقطع شريط معدني. ومن الجهة الأخرى، يستجيب الجزء المغناطيسي من المفتاح عند حدوث عطلٍ ما، عندما يتجاوز التيار القيم الطبيعية التي صُمِّم النظام لتحملها، وفي هذه الحالة يتجاوز التيار القيمة الطبيعية بثلاثة أضعاف. وعندئذٍ، يُولِّد الملف المغناطيسي قوة جذب مركزية تؤدي إلى فصل تلامسات الدائرة، بحيث لا يسمح بمرور تيارات عطلٍ خطرة عبر العطل. وهذه الاستجابة السريعة تمنع تلف العزل، والتسخين المفرط، ومصادر الاشتعال القريبة من المواد القابلة للاشتعال (بما في ذلك كابلات الأنظمة الكهروضوئية). وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا المفتاح في أنه يختلف عن الفيوزات (ال퓨وزات)، إذ يمكن إعادة تعيينه (إعادة تنشيطه)، أي أنه يمكن إعادة تشغيله وجعله يعمل مجددًا، مما يقلل من وقت توقف النظام في هذا النوع من التركيبات الكهروضوئية. ومن هذا المنظور، تُعد مفاتيح الدوائر الكهروضوئية مفيدةً بشكل خاص في محطات الطاقة الشمسية التجارية الكبيرة النطاق، حيث يكتسب استمرارية تشغيل النظام أهمية بالغة.

قطع تيار العطل المستمر: مخاطر استخدام قواطع التيار المتردد القياسية في أنظمة الطاقة الشمسية

المقاطع القياسية التيار المتناوب ليست فعّالة في تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية لأنها لا تستطيع إخماد قوس التيار المستمر بكفاءة. فالتغذية الكهربائية المتناوبة تعود تلقائيًّا إلى الصفر ١٠٠–١٢٠ مرة في الثانية، ما يؤدي إلى انقطاع القوس الكهربائي. أما في أنظمة التيار المستمر، فلا توجد مثل هذه اللحظات التي ينعدم فيها الجهد (العبور عبر الصفر)، وبالتالي لا يتوقف القوس الكهربائي تلقائيًّا. وفي الواقع، تُظهر الدراسات أن المقاطع القياسية للتيار المتناوب أسوأ من المقاطع المصمَّمة خصيصًا للتيار المستمر من حيث احتمال reignition (إعادة اشتعال) القوس الكهربائي عند حدوث الذروة: إذ تبلغ نسبة إعادة الاشتعال ٧٨٪. وقد ترتفع درجة حرارة القوس المغلق إلى ٦٠٠٠°فهرنهايت — وهي درجة حرارة كافية لإذابة قضبان النحاس الموصلة. ولهذا السبب، لا تكفي المقاطع القياسية للتيار المتناوب في التطبيقات الشمسية؛ بل يلزم استخدام مقاطع مخصصة للتيار المستمر، مثل تلك المزودة بغرف إخماد القوس (Arc Chutes). وتُصمَّم غرف إخماد القوس بحيث لا يتم إخماد القوس الكهربائي فقط بواسطة مبدأ التنافر الكهرومغناطيسي، بل أيضًا لزيادة طول مسار القوس — مما يؤدي إلى تبريده قبل أن يعاود الاشتعال. وهذه مسألة ضرورية لضمان حماية الاستثمار في المشاريع ذات الحجم الكبير على مستوى الشبكة الكهربائية، والتي تعمل عند جهود تتراوح بين ٦٠٠ و١٥٠٠ فولت.

قمع قوس التيار المستمر: كيفية معالجة مشكلة العبور عبر الصفر في دوائر الطاقة الكهروضوئية

كيف تقلل مفاتيح قطع دوائر الطاقة الكهروضوئية من ظاهرة القوس الكهربائي

وبما أن جهد التيار المستمر لا يحتوي على نقطة صفر طبيعية، فإن حدوث عطل يؤدي إلى تشكُّل أقواس كهربائية مستمرة دون انقطاع، وتصل نسبة هذه الأقواس غير المنقطعة إلى ٨٠٪ من حالات الجهد (NREL 2023). ويمكن لهذه الأقواس أن تسخّن الموصلات إلى درجات حرارة تتجاوز ٣٠٠٠ درجة مئوية، ما يشكّل خطرًا كبيرًا لنشوب الحرائق. ولمنع ذلك، تحتوي مفاتيح قطع دوائر الطاقة الكهروضوئية على مكونات تُسمى «مخارج القوس المغناطيسي»، والتي تولّد مجالًا مغناطيسيًّا مضبوطًا للإمساك بالقوس الكهربائي وتمديده وتبريده. ويعتمد فعالية مخرج القوس المغناطيسي على قدرته على تقسيم القوس إلى مقاطع أصغر وإطفائه خلال جزء من جزء من الثانية (بالمillisecond). وهذا يوفّر حماية ضد الانهيارات الحرارية ويضمن السلامة التشغيلية في تطبيقات التيار المستمر عالي الجهد.

اللغز المحيط بأنظمة التيار المستمر عالي الجهد ومفاتيح القطع

مع زيادة جهد نظام التيار المستمر (DC)، تزداد كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) أيضًا، ومع ذلك فإن الطاقة المرتبطة بالقوس الكهربائي الذي قد يحدث تزداد كذلك. فعلى سبيل المثال، يمكن لأنظمة التيار المستمر بجهد ١٥٠٠ فولت أن تُنتج طاقة قوس كهربائي تفوق بـ١٥ مرةً تلك الناتجة عن أنظمة التيار المستمر بجهد ٤٠٠ فولت. وهذا يطرح أمامنا تحديًّا فريدًا. فكلما زادت الكفاءة، احتجنا إلى إزالة العطل بشكل أسرع، واحتاجت الأنظمة التي نُطبِّقها إلى أن تكون أكثر متانةً وصلابةً. وقد أصبحت مفاتيح الدوائر الكهربائية الحديثة الخاصة بالأنظمة الكهروضوئية الآن قادرةً على التخفيف من هذه المشكلات، كما ساهمت عدة ميزات جديدة مرتبطة بالامتثال للمعيار UL 2024، والتي سنناقشها الآن، في تمكين تطوير تقنية مفاتيح الدوائر الكهربائية الكهروضوئية المُعاد تصميمها.

أوقات التشغيل الفائقة السرعة (٣ ملي ثانية أو أقل) والقضاء المصاحب على القوس الكهربائي (من خلال الفجوات بين نقاط تلامس المفتاح، والمصائد المتعددة المراحل للقوس الكهربائي)، وهي مصمَّمة لتحسين عملية إخماد القوس الكهربائي عند قطع الدائرة.

كما تم ضبط إعدادات قطع التيار للمقاطع الكهربائية فيما يتعلق بجهد التيار المستمر وقدرتها على إخماد القوس الكهربائي لتتوافق مع الجهد المستخدم داخل النظام.

ميزة الحماية: أنظمة ٤٠٠ فولت، أنظمة ١٥٠٠ فولت، الفرق الحرج

سرعة القطع: ١٠ مللي ثانية ≤ ٣ مللي ثانية، استجابة أسرع بنسبة ٧٠٪

أقسام حجرة إخماد القوس الكهربائي: من ٨ إلى ١٠ أقسام، ومن ١٥ إلى ٢٠ قسمًا، أي زيادة بنسبة ١٠٠٪ في عدد الأقسام

المسافة بين الملامسين: ١٠ مم، ٢٥ مم، أي زيادة في المسافة بنسبة ١٥٠٪

ستؤدي هذه السمات التصميمية إلى تقليل ظاهرة «القوس الكهربائي غير الخاضع للسيطرة» بشكل كبير أو حتى القضاء عليها تمامًا — وهي حالة عطل تحدث في الأنظمة ذات الجهد العالي وقد تتسبب في استمرار القوس الكهربائي الضار حتى بعد تشغيل القاطع الكهربائي. ولهذا السبب بالتحديد لا يمكن استخدام المقاطع الكهربائية التقليدية المصممة للتيار المتردد في أنظمة الطاقة الشمسية ذات الجهد العالي.

سلامة المستوى الفرعي (String-Level): كيفية تجنّب التيارات العكسية والحرائق في المصفوفات الشمسية المتوازية

الخطر الناجم عن التيار العكسي عند حدوث الظل أو عطل الوحدات الشمسية، وكيفية التحكم في الأعطال المتسلسلة باستخدام مقاطع الدوائر الكهربائية الخاصة بالأنظمة الشمسية.

عندما تحدث ظاهرة التظليل على الألواح الشمسية أو تظهر أعطال في الوحدات في التوصيلات *المتوازية*، تنشأ بعض الظواهر الكهربائية غير المتوقعة. وعند التركيز على سلسلة واحدة متأثرة: فإنها تبدأ في التصرف بطريقة تختلف عن باقي السلاسل. فهي في الأساس تستهلك الطاقة بدلًا من توليدها. ونتيجةً لهذا السلوك تكون خطيرة جدًّا: إذ يؤدي تدفق الطاقة عكسيًّا إلى ما يُعرف بـ«نقطة الحرارة العالية» (*Hot Spot*). وهذه إحدى أخطر الظواهر في أنظمة الطاقة الكهروضوئية، وهي معروفة جيدًا بأنها قد تتسبب في اشتعال مواد العزل الخاصة بالسلسلة المتأثرة ذاتيًّا. وإذا تركت هذه العطلة دون علاج، فقد تؤدي عطلة واحدة في مجموعة من السلاسل إلى أعطال متتالية تشمل السلسلة بأكملها. وقد وثِّق هذا السلوك جيدًا في الأدبيات العلمية. فعلى سبيل المثال، وثَّقت دراسة أجرتها مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) ونُشِرت العام الماضي أن تكاليف النتائج المترتبة على الأعطال غير المُعالَجة في سلاسل الألواح الكهروضوئية قد تصل إلى ثلاثة أضعاف تكاليف الأعطال نفسها. وهذه الدراسة تمثِّل بوضوح مدى السرعة التي يمكن أن تخرج بها الأمور عن السيطرة.

مُقَطِّعات الدائرة الكهروضوئية تُحدِّد المشكلات وتمنع انتشارها من خلال تحديد اتجاه التيار. فإذا تجاوز التيار العكسي ١٠٪ من تصنيف السلسلة، فإن أجهزة الاستشعار المغناطيسية المدمجة الحصرية تفعِّل نفسها خلال جزء من الألف من الثانية وتفصل التيار عن القسم المعطوب مع ترك بقية النظام سليمة. علاوةً على ذلك، تتمتَّع هذه المقاطع بتصاميم وحدوية خاصة تُقطِّع القوس الكهربائي وتحصره خارج المقاطع، مما يمنع تكوُّن بلازما التيار المستمر الخطرة التي قد تتسبَّب في نشوب حريق. وباحتواء المشكلات ضمن سلسلة واحدة فقط، تساعد هذه الأجهزة أنظمة الطاقة الشمسية على تجنُّب الأضرار المكلِّفة للمعدات، والحفاظ على استمرار التشغيل بأمان، والأهم من ذلك كله، منع انتشار الحرائق داخل محطات الطاقة الشمسية الكبيرة.

كاشف التسرب إلى الأرض المدمج وموافقية معيار NEC: تحتوي قواطع الدوائر الكهروضوئية (PV) على أنظمة لكشف التسرب إلى الأرض، والتي تساعد في حماية الأشخاص من التيارات التسريبية الخطرة التي قد تؤدي إلى الصعق الكهربائي أو نشوب حريق. وتراقب هذه الأجهزة الموصلات الداخلية باستمرار، وتُفصِل الدائرة فور تجاوز تيار التسرب إلى الأرض عتبة الـ 6 مللي أمبير المحددة في المادة 690 من معيار NEC. ويمكن لهذه القواطع اكتشاف التسربات إلى الأرض في التيار المستمر (DC) وفصلها، وهي أشد خطورةً من غيرها من أنواع التسربات إلى الأرض. ويحدث التسرب إلى الأرض عندما تتسلل الرطوبة إلى النظام أو عند فشل عزل النظام، مما يؤدي إلى ظهور تسربات إلى الأرض. ولا تستطيع معظم قواطع التيار المتناوب (AC) المنزلية اكتشاف التسرب إلى الأرض بسبب انخفاض حساسيتها وآلية التشغيل الخاصة بها التي لا تسمح بقطع تيار العطل في التيار المستمر. ويجب أن تتوافق الحساسية وقدرة الفصل مع متطلبات قواعد معيار NEC لعام 2020، وبخاصة البند 690.41(ب). وتتفوق القواطع الجديدة للدوائر الكهروضوئية على المتطلبات المذكورة أعلاه بفضل دمجها بين كشف العطل في الزمن الحقيقي ونوع جهاز القطع المغناطيسي المناسب للتيار المستمر. وتوفر هذه المزايا مجتمعةً مع دائرة التأريض المدمجة ذات الموصل الأرضي للمعدات (EGC) منخفضة المقاومة درجةً عاليةً من الموثوقية والسرعة في إزالة الأعطال في العديد من محطات الطاقة الشمسية المنتشرة في أمريكا الشمالية. الأسئلة الشائعة ما الذي يميز قاطع الدائرة الكهروضوئي عن قاطع الدائرة العادي؟ على عكس قواطع التيار المتناوب العادية التي تفتقر إلى القدرة على توفير الحماية من القوس الكهربائي المستمر في التيار المستمر — ما قد يؤدي إلى نشوب حريق أو أضرار جسيمة — فإن قواطع الدوائر الكهروضوئية توفر بالفعل حماية فعّالة من القوس الكهربائي المستمر في التيار المستمر، وبالتالي فهي قادرة على الأداء الناجح في أنظمة الطاقة الشمسية.

ما الدور الوقائي الذي تؤديه حواجز القوس المغناطيسية؟

تُعد حواجز القوس المغناطيسية عنصراً بالغ الأهمية في إطفاء قوس التيار المستمر المستمر وتبريده، ومنع الانفلات الحراري. وهي توفر السلامة والموثوقية لأنظمة الطاقة الشمسية (PV)، حتى عند الجهود العالية مثل ١٥٠٠ فولت.

ماذا تعني أنظمة التيار المستمر ذات الجهد الأعلى؟

تعني أنظمة التيار المستمر ذات الجهد الأعلى كفاءةً أعلى، لكنها تعني أيضاً طاقة قوس أعلى. وهذا يخلق حاجةً لمنحنى انقطاع أسرع وقدرة إطفاء أقوى لتقليل الأضرار والحفاظ على السلامة.

ما وظيفة قواطع دوائر الألواح الكهروضوئية فيما يتعلق بالتيارات العكسية؟

تكتشف قواطع دوائر الألواح الكهروضوئية وجود تيار عكسي، ثم تفتح الدائرة – باستخدام مستشعرات مغناطيسية – فقط في الجزء المتأثر، وبالتالي تمنع حدوث تأثير الدومينو والحريق.

كيف تتوافق هذه القواطع مع معايير NEC؟

لتتوافق مع معايير NEC، صُمّمت قواطع دوائر الألواح الكهروضوئية لتتضمن قواطع دوائر خطأ التأريض التي تتحكم في أخطاء التيار المستمر والتيارات التسريبية وتكشفها، وذلك لمنع الصدمة الكهربائية والحريق.