ما هي مبادئ تصميم أنظمة توزيع الجهد المنخفض؟

اكتشف مهندس كهربائي في مصنع لمعالجة الأغذية أن انقطاعًا واحدًا ناتجًا عن تحميل زائد على قاطع تغذية قد انتشر عبر أنظمة الحماية الواقعة في الجهة العليا، ما أدى إلى إيقاف خط التعبئة بالكامل — وليس بسبب وقوع عطل كارثي، بل لأن دراسة تنسيق أنظمة الحماية لم تُجرَ أثناء التصميم الأصلي لتوزيع الجهد المنخفض. وتخطّت الخسائر الناتجة عن توقُّف الإنتاج لمدة أربع ساعات تكلفة إجراء دراسة تنسيق صحيحة بعِشْرِ مرّاتٍ. وقد لا يكون تصميم نظام توزيع الجهد المنخفض ظاهرًا للمقيمين في المبنى أو لمدراء الإنتاج، لكن عند فشله، فإن العواقب تنتشر تدريجيًّا عبر كل الأنظمة التي تعتمد على الطاقة الكهربائية.

مبدأ التصميم الأساسي

حساب الأحمال وعوامل التنوّع

يبدأ كل تصميم لتوزيع الجهد المنخفض برنامج تحميل دقيق قائمة موثقة لكل دائرة، وعبئها المتصل بالكيلوواط أو الكيلو فولت آمبر، وخصائص تشغيلها المتوقعة. يتم توازن الأحمال الثلاثية المراحل مثل المحركات ومضغوطات HVAC وعناصر التدفئة الصناعية عبر المراحل للحد من عدم التوازن بين التيار المحايد والجهد. يتم توزيع الأحمال في مرحلة واحدة دوائر الإضاءة، وعلاء الراحة، ومعدات المكتب على المراحل الثلاث مع عدم التوازن المستهدف أقل من 15 في المائة بين المرحلة الأكثر و أقل حمولة. عوامل التنوع تعترف بأن جميع الأحمال المتصلة لا تعمل في وقت واحد في القياس الكامل. قد يكون عامل تنوع حمولة الإضاءة في مبنى تجاري 0.9 ، بينما قد تطبق دوائر منافذ المفاتيح في المناطق المكتبية 0.3 إلى 0.5 ، مما يعكس حقيقة أن جزءًا صغيرًا فقط من الحاويات يخدم المعدات النشطة في أي وقت معين. يمنع تطبيق عوامل التنوع المناسبة من زيادة حجم المحولات والشرائط الرئيسية والإصدارات الصاعدة من التحولات زيادة الحجم الذي يضيف التكلفة ويزيد من البصمة المادية ، وقد يقلل في الواقع من كفاءة الطاقة لأن المحولات تعمل

تنسيق الحماية والانتقائية

التنسيق الانتقائي يعني أنه عند حدوث عطل، فإن جهاز الحماية الوحيد الذي يعمل هو الجهاز الواقع مباشرةً قبل موضع العطل في اتجاه التيار — أي أن القاطع المغذّي للدارة المعطوبة ينفصل، بينما تبقى جميع القواطع الواقعة قبله في اتجاه التيار مغلقة. ولتحقيق ذلك، يتطلب الأمر إجراء دراسة تنسيق تُرسَم فيها منحنيات الخصائص الزمنية-التيارية لكل أجهزة الحماية في التسلسل التوزيعي، بدءاً من القاطع الرئيسي الداخل ووصولاً إلى القواطع النهائية. وفي حالة قواطع التشكيل المصبوب المستخدمة في لوحات التوزيع ذات الجهد المنخفض، يُحقَّق التنسيق عادةً باختيار قواطع ذات إعدادات انفصال فورية مختلفة، أو بإدخال تأخيرات زمنية في القواطع الواقعة قبلها في اتجاه التيار. أما في تصاميم اللوحات القابلة للسحب مثل لوحات MNS أو GCS من نوع الجهد المنخفض، فيمكن تهيئة القواطع بوحدات انفصال إلكترونية توفر إعدادات قابلة للضبط للحماية طويلة المدى وقصيرة المدى والفورية — وهذه المرونة تبسّط عملية التنسيق مقارنةً بوحدات الانفصال الحرارية-المغناطيسية الثابتة. ويجب إيلاء اهتمام خاص لحماية الأرض في تصميم أنظمة التوزيع ذات الجهد المنخفض. فقد لا يُولِّد عطل الأرض على خط تغذية بسعة ٤٠٠ أمبير تياراً كافياً لتفعيل حماية الزائد في الطور، ما يسمح ببقاء العطل دون اكتشاف. أما أجهزة التحكم في عطل الأرض المخصصة، أو القواطع المزوَّدة بحماية مدمجة ضد عطل الأرض، فهي توفر الحساسية اللازمة للكشف عن هذه الحالات الخطرة وإزالتها.

الشريط الناقل والإدارة الحرارية

يَحمِلُ نظام الحافلة الرئيسية داخل تجميعة معدات التوزيع ذات الجهد المنخفض التيار الكلي المُحمَّل من جميع الدوائر الفرعية المتصلة. ويتم اختيار مساحة المقطع العرضي للحافلة استنادًا إلى تصنيف التيار المستمر، وقدرتها على تحمل التيارات القصيرة، وحدود ارتفاع درجة الحرارة المحددة في معيار الآي إي سي ٦١٤٣٩ أو ما يعادله من المعايير. وتُستخدم حافلات النحاس كمعيار في معظم التطبيقات، بينما تُستخدَم حافلات الألومنيوم في الحالات التي تكون فيها خفة الوزن والتكلفة عاملين رئيسيين، شريطة استخدام وصلات ثنائية الفلزات لمنع التآكل الغلفاني عند نقاط الانتقال. ويؤثر إدارة الحرارة داخل غلاف معدات التوزيع تأثيرًا مباشرًا على أداء الحافلات ومفاتيح التشغيل. وتكون التبريد بالحمل الحراري الطبيعي عبر فتحات التهوية كافيةً في معظم التركيبات، لكن التجميعات المركَّبة في بيئات ذات درجات حرارة محيطة مرتفعة أو التي تعمل باستمرار قرب تصنيفها الأقصى للتيار قد تتطلب تبريدًا إجباريًّا. أما حد ارتفاع درجة الحرارة القياسي للوصلات الحافلية فهو ٧٠ كلفن فوق درجة الحرارة المحيطة بالنسبة للنحاس العاري، و٦٥ كلفن بالنسبة للوصلات المطلية بالقصدير — وبتجاوز هذه الحدود يتسارع أكسدة المواد، وتزداد مقاومة التلامس، مما يُحدث دورة تدهور ذاتية التعزيز.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين أجهزة التوزيع المنخفضة الجهد الثابتة والقابلة للسحب؟

تتميز أجهزة التوزيع الثابتة بوجود قواطع الدائرة المثبتة بشكل دائم على نظام الحافلات، ما يستلزم إيقاف التغذية الكهربائية لإعادة تركيبها. أما التصاميم القابلة للسحب فتثبّت القواطع على عربات يمكن سحبها خارج الجهاز لإجراء الصيانة دون الحاجة إلى إيقاف التغذية عن لوحة التوزيع بأكملها، مما يقلل من وقت التوقف أثناء استبدال القاطع أو إجراء الاختبارات.

كيف تُحدد درجة تحمل لوحة توزيع الجهد المنخفض لتيار القصر؟

يجب أن تكون درجة تحمل لوحة التوزيع لتيار القصر أعلى من أقصى قيمة متوقعة لتيار القصر عند نقطة تركيبها. وتتراوح القيم النموذجية عادةً بين ٢٥ كيلوأمبير و١٠٠ كيلوأمبير لمدة ثانية واحدة، ويتم احتسابها استنادًا إلى مقاومة المحول، ومقاومة الكابلات الواصلة من مصدر التغذية، ومقدار التيار المساهم من الأحمال الدوارة المتصلة.

أي المعايير تنطبق على تصميم أجهزة التوزيع المنخفضة الجهد؟

يُنظِّم معيار الآي إي سي 61439 تجميعات أجهزة التحكم والتبديل ذات الجهد المنخفض، ويشمل الاختبار النموذجي والتحقق الروتيني. وتتناول أجزاؤه المحددة لوحات التوزيع للمُشغِّلين، وأجهزة التبديل الكهربائية للجهد العالي للمُتخصِّصين، وأنظمة القنوات الحاملة للقضبان الموصلة. أما معيار الآي إي سي 60947 فيشمل الأجهزة الفردية للتبديل والحماية.

كيف يؤثر خطر انفجار القوس الكهربائي على تصميم أنظمة التوزيع ذات الجهد المنخفض؟

تحسب دراسات انفجار القوس الكهربائي الطاقة الساقطة عند كل نقطة في نظام التوزيع، ما يساعد في تحديد معدات الحماية الشخصية المناسبة ويؤثر في قرارات التصميم مثل سحب القواطع القابلة للسحب عن بُعد، وتصنيع أجهزة التبديل المقاومة للقوس الكهربائي، والربط الانتقائي بالمنطقة لتقليل زمن إطفاء القوس.

ما الدور الذي تؤديه الموصلات المحايدة والأرضية في تصميم النظام؟

يحمِل الموصل المحايد تيار الإرجاع غير المتوازن ثلاثي الطور ويجب تحديد مقاسه وفقًا لذلك — وفي الأنظمة التي تحتوي على أحمال ترددية كبيرة ناتجة عن المعدات الإلكترونية، قد يحمل الموصل المحايد تيارًا يفوق التيار في الموصلات الطورية، ما يستدعي زيادة مقاسه. أما موصل الأرض الحامي فيوفّر مسار إرجاع تيار العطل ويجب تحديد مقاسه ليتحمل التيار الافتراضي للعطل لمدة زمنية كافية لتشغيل أجهزة الحماية.

كم مرة يجب مراجعة دراسات تنسيق الحماية؟

يجب مراجعة دراسات التنسيق كلما أُضيفت أو أُزيلت أحمالٌ كبيرة، أو عند تغيُّر خصائص مصدر التغذية من شركة الكهرباء، أو على فترات لا تتجاوز خمس سنوات. كما أن تغيُّرات إعدادات أجهزة الحماية في الجهة العليا من قِبل شركة الكهرباء، وتدهور عزل الكابلات مع مرور الزمن، واستبدال المعدات بأخرى تختلف خصائصها، كلُّ ذلك يؤثر في صحة تحليل التنسيق الأصلي.