ما هي المتطلبات الخاصة لمفتاح الدائرة الكهروضوئية لأنظمة الطاقة الشمسية؟

حالة ميدانية: عندما أوقف قاطع قياسي تشغيل مصفوفة شمسية

أضاف مبنى تجاري في جنوب إسبانيا مصفوفة شمسية على السطح بقدرة ١٢٠ كيلوواط باستخدام مكونات مورَّدة من مورد كهربائي عام. وبعد ثلاثة أشهر من التشغيل الأولي، انقطع النظام عن العمل أثناء موجة حر. وتتبّع المُركِّب العطل إلى جهاز حماية لحِمَ مغلقًا: فقد تم تركيب قاطع دارة صغير تيار متردد قياسي في مكان كان يتطلب فيه استخدام قاطع دوائر كهروضوئي قاطع دارة كهروضوئي متخصص

ما الذي حدث في سلسلة شمسية على سطح بجهد ٦٠٠ فولت

استخدم المصفوفة سلسلتين متصلتين تحقّقان جهدًا كهربائيًّا مفتوح الدائرة يقارب ٦٠٠ فولت تيار مستمر. عند ذلك الجهد، لا يمكن لمفتاح التيار المتناوب القياسي أن يُطفئ العطل بموثوقية، لأنَّ عبور التيار للصفر — الذي يساعد على إخماد قوس التيار المتناوب — لا يحدث أبدًا. ونتيجة لذلك، ارتفعت حرارة الجهاز، وفقد قدرته على الانقطاع تلقائيًّا، وتعطَّلت حماية السلسلة بأكملها بصمت. ولاحظ مهندسو هونغشين آي أو تي الميدانيون الذين فحصوا الموقع أنَّ صندوق الجمع لم يحتوِ على أي جهاز عزل أو كشف لقوس التيار المستمر مُصنَّف لهذا الغرض.

أدى توقُّف التشغيل إلى خسارة مشغِّل النظام ما يقارب أسبوعين من الإنتاج غير المؤكَّد خلال فترة الذروة الصيفية ذات الأسعار المرتفعة. واستغرق تشخيص العطل ثلاث زيارات ميدانية، لأنَّ مفتاح التيار المتناوب لم يوفِّر أي سجلٍّ للأحداث ولا أي حالة تشغيل عن بُعد. ودفع هذا التجربة المالك إلى اشتراط استخدام أجهزة حماية مُصنَّفة للتيار المستمر ومراقبة أساسية لكل سلسلة كهربائية في جميع الأسطح المستقبلية، وهي ممارسةٌ شائعةٌ في العديد من حالات الفشل عند التحديث، حيث تعامَل المُركِّب الأصلي مع أسلاك الألواح الكهروضوئية كما لو كانت دوائر بناء عادية.

كيف يختلف قوس التيار المستمر عن أعطال التيار المتناوب

يمر التيار المتناوب بالقيمة الصفرية ١٠٠ أو ١٢٠ مرة في الثانية، ما يوفّر للقاطع نافذة طبيعية لإخماد القوس الكهربائي. أما التيار المستمر فلا يحتوي على هذه الوقفة. قاطع دوائر كهروضوئي ويجب أن يُجبر القوس الكهربائي على الدخول إلى غرفةٍ طويلةٍ مبرَّدةٍ ويمتدّ حتى ينطفئ تمامًا. وهذه الفروقة الميكانيكية هي السبب في أن استبدال قطعة مخصصة للتيار المتناوب بقطعة مخصصة للتيار المستمر يشكّل خطرًا أمنيًّا حقيقيًّا، وليس مجرد اختصارٍ بسيط.

تحليل المخاطر: لماذا تحتاج دوائر الطاقة الشمسية إلى حماية خاصة؟

تتميّز دوائر الطاقة الشمسية بملف مخاطر يختلف عن ملف مخاطر توصيلات المباني التقليدية. وفهم هذه المخاطر هو الخطوة الأولى نحو تحديد المواصفات الصحيحة.

التيار العكسي والتغذية العكسية بين السلاسل

عندما تتعطل إحدى السلاسل في مجموعة متوازية أو تتعرّض للتظليل، يمكن للسلاسل السليمة أن تدفع التيار عكسيًّا عبر المسار المعطّل. وفي غياب قاطع مُصنَّف للتيار المستمر قاطع دوائر كهروضوئي أو عزل ديودي، يؤدي هذا التيار العكسي إلى ارتفاع حرارة الموصلات والموصلات (الكونكتورات). وغالبًا ما لا تظهر أي أعراض واضحة للفشل حتى تذوب العزلة.

عطل قوسي لا تكتشفه القواطع القياسية

تتكوَّن قوسات التسلسل عندما يرتخي الموصل أو تتشقَّق السلك نتيجة التمدد والانكماش الحراري. وتستهلك هذه القوسات تيارًا أقل من عتبة تشغيل القاطع، ومع ذلك فإنها تولِّد حرارة كافية لإشعال حريق. ولا يمكن لأي نظام لكشف القوس الخاطئ المُصمَّم للتيار المستمر فقط أن يتعرَّف على خصائص هذه الظاهرة. وتنص المادة ٦٩٠ من قانون الكود الوطني للكهرباء (NEC) صراحةً على ضرورة توفير حماية ضد القوس الخاطئ في أنظمة الطاقة الشمسية في العديد من الحالات.

غالبًا ما يكتشف طاقم العمل الميداني آثار هذه الحوادث بعد أن تكون العزلة قد احترقت بالفعل. وتساعد تقنية التصوير الحراري أثناء التشغيل الأولي، لكن من الأفضل دائمًا منع الحادث بدلًا من اكتشافه بعد وقوعه. ولذلك، فإن تحديد قاطع دوائر الألواح الشمسية المزوَّد بوظيفة كشف القوس الخاطئ المدمجة ينقل نقطة الحماية إلى مصدر القوس نفسه، أي إلى مكان بدايته، بدلًا من الاعتماد على قاطع رئيسي بعيد يحاول اكتشاف تيار صغير مستمر لا يتجاوز أبدًا عتبة التشغيل.

التحليل التقني والمعايير الخاصة بقاطع دوائر الألواح الشمسية

اختيار الجهاز المناسب يتطلَّب قراءة القيم الكهربائية ذات الصلة مع المعايير الواجب تطبيقها معًا.

التقييم الخاص بالتيار المستمر، وعامل ١٫٥٦، ومنطق كشف القوس الخاطئ

مناسب قاطع دوائر كهروضوئي يحمل تصنيف جهد تيار مستمر يفوق أقصى جهد ممكن للسلسلة، وليس قيمتها الاسمية. وتستخدم معظم التصاميم عامل أمان قدره ١,٥٦ بالنسبة لجهد الدائرة المفتوحة لتغطية الزيادات الناتجة عن انخفاض درجة الحرارة. أما الوحدات الحديثة فتضم منطق كشف القوس الكهربائي (AFCI) الذي يأخذ عيّنات من شكل موجة التيار، ويُحدّد التوقيع غير المنتظم للقوس، ثم يفتح الدائرة خلال جزء من الألف من الثانية. وتنشر وحدات هونغسين إيه آي أو تي كلًّا من سعة قطع التيار المستمر المُصنَّفة وزمن استجابة نظام كشف القوس الكهربائي (AFCI)، ليتسنى للمصمِّمين التحقُّق من الهامش الآمن.

آي إي سي ٦٢١٠٩، آي إي سي ٦٠٩٤٧-٢، نِكْ ٦٩٠، يو إل ١٧٤١

يرتكز التحديد على أربع مراجع رئيسية. فمعيار آي إي سي ٦٢١٠٩ يتناول متطلبات السلامة الخاصة بمحوِّلات الطاقة في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. أما معيار آي إي سي ٦٠٩٤٧-٢ فيعرِّف أداء قواطع الدوائر لمعدات التحكم الكهربائية ذات الجهد المنخفض، بما في ذلك الأنواع المصمَّمة للتيار المستمر. وفي أمريكا الشمالية، يسرد معيار يو إل ١٧٤١ المحولات والمعدات المرتبطة بها، بينما تضع المادة ٦٩٠ من قانون الكهرباء الوطني (نيك) القواعد الخاصة بالتركيب. قاطع دوائر كهروضوئي ويجب أن تتضمَّن الوحدات المخصصة للتصدير أدلةً على حصولها على شهادة المعايرة ذات الصلة، بدلًا من وضع علامة تيار متناوب عامة.

تُعَدُّ العلامات وقابِلِيَّة التتبُّع مُهمَّتين بذات القدر الذي تتمتَّع به الاختبارات نفسها. ويُظهر المستند الموثوق النموذج الدقيق، وقدرة قطع التيار المستمر، والهيئة المُصدِّقة. وتُحافظ شركة هونغ شين آي أو تي على سجلٍّ خاصٍّ بكل دفعة، بحيث يُمكن التحقُّق من قاطع دوائر الألواح الشمسية المُركَّب في دولة ما مقابل الملف نفسه بعد سنوات عديدة أثناء مراجعة التأمين أو إعادة البيع.

الاختيار والتفتيش والصيانة العمليَّة

لا تحمي القطع الصحيحة النظام إلا إذا تم اختيارها وتركيبها وصيانتها بدقةٍ وانضباطٍ.

كيفيَّة اختيار قاطع دوائر الألواح الشمسية المناسب

اجعل الجهاز متوافقًا مع أقصى جهد تيار مستمر للسَّلسلة والتيار القصير للنظام، ثم أضف هامش الأمان البالغ ١,٥٦. وتأكد من وجود تصنيف فعلي لقدرة قطع التيار المستمر، وللأسقف الأكبر حجمًا، تأكَّد من وجود وظيفة كاشف القوس الكهربائي المدمجة (AFCI). واشترِ من مورِّدين ينشرون تقارير الاختبار؛ فتوفر شركة هونغ شين آي أو تي وثائق معايير الآي إي سي والآي يو إل مع كل نموذج، مما يمكِّن فرق المشتريات من اجتياز إجراءات الجمارك والتفتيش دون الحاجة إلى إعادة العمل.

الفحوصات التي تحافظ على تشغيل النظام بأمان

افحص صناديق التجميع كل ستة أشهر للبحث عن الدفء أو التغير في اللون أو فك عزم تشديد الطرفيات. وتأكد من أن مفاتيح العزل مُصنَّفة للاستخدام مع التيار المستمر، وأن قاطع دوائر كهروضوئي المفتاح لا يزال يصدر صوت النقر بثبات عند وضع الإيقاف. واستبدل أي وحدة انقطعت أكثر من مرتين بسبب عطل، لأن التلامسات الداخلية تتدهور بعد كل حدث.

احفظ سجلاً من صفحة واحدة لكل مجموعة شمسية يدوّن فيه كل انقطاع، والحالة الجوية، وقراءة التيار وقت الانقطاع. وتشير الاتجاهات في تكرار الانقطاعات إلى تدهور الموصل قبل حدوث العطل الكامل بوقت طويل. أما قاطع الدائرة الكهروضوئية الذي ينقطع مراراً تحت حملٍ متطابقٍ فيتطلب تحليل السبب الجذري، وليس مجرد إعادة تعيينه وأملٌ في عدم تكرار الانقطاع.

الأسئلة الشائعة

سؤال: هل يمكن لقاطع تيار متردد عادي أن يحمي سلسلة شمسية؟

لا يمكن لقاطع الدائرة الكهربائية الصغير العادي للتيار المتناوب أن يُطفئ عطل التيار المستمر بشكلٍ موثوق، لأن التيار المستمر لا يحتوي على تقاطع طبيعي مع الصفر الذي يساعد في إخماد قوس التيار المتناوب. وعند جهد ٦٠٠ فولت تيار مستمر، قد تلتحم نقاط الاتصال معًا وتتعطل وظيفة الحماية. ولذلك، يتطلب الأمر قاطع دوائر مخصص للأنظمة الكهروضوئية، مزوَّد بتصنيف قدرة قطع للتيار المستمر وغرفة لإخماد القوس الكهربائي.

السؤال: ما تصنيف الجهد الذي يجب أن يمتلكه قاطع دوائر الأنظمة الكهروضوئية؟

يجب أن يتجاوز تصنيف الجهاز أقصى جهد مفتوح محتمل للسلسلة، وليس تصنيف اللوحة الاسمي. ويقوم معظم المهندسين بضرب جهد الدائرة المفتوحة عند أدنى درجة حرارة في معامل أمان قدره ١,٥٦، ثم يختارون قاطع دوائر تصنيفه أعلى من الناتج. وهذه الهامش يمنع إجهاد القاطع بشكل زائد خلال صباحات الشتاء حين يبلغ الجهد ذروته.

السؤال: هل حماية القوس الكهربائي إلزامية لأنظمة الطاقة الكهروضوئية؟

في العديد من التثبيتات في أمريكا الشمالية، يشترط معيار NEC المادة 690 وجود حماية دوائر كهربائية ضد القوس الكهربائي في بعض الدوائر المستمرة التيار (dc) الخاصة بالألواح الشمسية. وحتى في الحالات التي لا يُفرض فيها ذلك إلزاميًّا، فإن منطق كاشف القوس الكهربائي (AFCI) يكتشف توقيع التيار غير المنتظم الناتج عن وصلات فضفاضة قبل أن تؤدي إلى اشتعال. ويعمل تحديد قاطع دائرة الألواح الشمسية المزوَّد بتقنية AFCI المدمجة على خفض خطر نشوب الحرائق في الأسطح الواسعة أو الصعبة الوصول إليها.

سؤال: ما مدى تكرار فحص قواطع صندوق الجمع؟

يسمح الفحص البصري والحراري كل ستة أشهر باكتشاف معظم المشكلات في مراحلها المبكرة. وينبغي الانتباه إلى ارتفاع درجة حرارة غلاف الصندوق، أو تغير لون الموصلات، أو شعورك بأن القاطع مرتخيٌّ عند وضعه في وضع الإيقاف. ويجب استبدال أي قاطع دائرة ألواح شمسية قام بقطع تيار عطل أكثر من مرتين، لأن التلامسات الداخلية تفقد قدرتها على قطع التيار بعد حدوث أقواس كهربائية متكرِّرة.

سؤال: أي المعايير تثبت امتثال قاطع دائرة الألواح الشمسية؟

يغطي المعيار الآيزو آي إي سي ٦٠٩٤٧-٢ أداء قواطع الدوائر ذات الجهد المنخفض، بما في ذلك الأنواع المستمرة التيار (دي سي)، بينما يتناول المعيار الآيزو آي إي سي ٦٢١٠٩ سلامة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. وفي الولايات المتحدة، تنطبق معايير «يو إل ١٧٤١» و«المادة ٦٩٠» من قانون الكهرباء الوطني (إن إي سي). ويجب على المورِّدين تقديم شهادات الاختبار المرجعة إلى هذه المعايير بدلًا من وضع علامة موافقة عامة على التيار المتناوب.

سؤال: لماذا نختار مورِّدًا ينشر وثائق كاملة؟

تطلب الجمارك وشركات التأمين ومفتشو الكهرباء بشكل متزايد شهادات قابلة للتتبع. وبمقدور مورِّد مثل «هونغسين آي أو تي» الذي يُصدر تقارير اختبار الآيزو آي إي سي و«يو إل» مع كل قاطع دوائر كهروضوئي أن يمكِّن المُركِّب من اجتياز الفحص دون الحاجة إلى إعادة العمل، كما يوفِّر للمالك النهائي سجلاً صيانةً يمكن الاعتماد عليه قانونيًّا.