استاندارد IEC 61643 – تجهیزات حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ گذرا (SPD)

استانداردهای IEC 61643-11 ،IEC 61643-12 و IEC 61643-32 – حفاظت در برابر سرج و اضافه‌ولتاژ گذرا

در سیستم‌های برق فشار ضعیف، یکی از خطرات مهم برای تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی، اضافه‌ولتاژهای گذرا یا Transient Overvoltages است. این اضافه‌ولتاژها ممکن است بر اثر:

صاعقه مستقیم یا غیرمستقیم
القای ناشی از تخلیه‌های جوی
عملیات کلیدزنی در شبکه
قطع و وصل بارهای بزرگ
عملکرد تجهیزات قدرت و الکترونیک قدرت

ایجاد شوند.

برای محدود کردن این تنش‌های ولتاژی و حفاظت از تجهیزات، از تجهیزات حفاظت در برابر سرج یا SPD (Surge Protective Devices) استفاده می‌شود. در این حوزه، سه استاندارد مهم عبارت‌اند از:

IEC 61643-11 – الزامات و آزمون‌های SPDهای متصل به سیستم‌های فشار ضعیف
IEC 61643-12 – اصول انتخاب و کاربرد SPDها در سیستم‌های توزیع فشار ضعیف
IEC 61643-32 – اصول انتخاب و کاربرد SPDها در سمت DC تأسیسات فتوولتائیک

IEC 61643-11 چیست؟

استاندارد IEC 61643-11 به الزامات و آزمون‌های تجهیزات حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ گذرا می‌پردازد؛ یعنی مشخص می‌کند یک SPD که به سیستم برق فشار ضعیف متصل می‌شود، باید چه ویژگی‌هایی داشته باشد و چگونه تست شود.

به بیان ساده، این استاندارد پاسخ می‌دهد که:

SPD از نظر عملکرد الکتریکی چگونه ارزیابی می‌شود؟
چه آزمون‌هایی باید بگذراند؟
مشخصات نامی آن چگونه تعریف می‌شود؟
تحت چه شرایطی می‌توان آن را برای کاربرد در شبکه LV مناسب دانست؟

این بخش بیشتر یک استاندارد محصول است.

موضوعات اصلی در IEC 61643-11

1) تعریف پارامترهای نامی SPD

در این استاندارد، پارامترهای کلیدی SPD تعریف می‌شوند، مانند:

$U_c$ : حداکثر ولتاژ کار دائم
$U_p$ : سطح حفاظت ولتاژی
$I_n$ : جریان تخلیه نامی
$I_{max}$ : حداکثر جریان تخلیه
$I_{imp}$ : جریان ضربه‌ای برای SPDهای نوع 1
توانایی تحمل اضافه‌ولتاژ موقت
رفتار در شرایط خطا و ایمنی عملکرد

2) آزمون‌های عملکردی و ایمنی

IEC 61643-11 مجموعه‌ای از آزمون‌ها را برای بررسی عملکرد SPD تعریف می‌کند، مانند:

آزمون تخلیه جریان ضربه‌ای
آزمون اضافه‌ولتاژ گذرا
آزمون پایداری حرارتی
آزمون رفتار در خطا
آزمون تحمل اتصال کوتاه یا تجهیزات پشتیبان حفاظتی
آزمون تعیین سطح حفاظت ولتاژی
آزمون‌های مرتبط با ایمنی و عدم ایجاد خطر آتش‌سوزی یا انفجار

3) طبقه‌بندی SPD

در عمل، SPDها معمولاً بر اساس محل نصب و نوع موج آزمون به دسته‌هایی مانند زیر شناخته می‌شوند:

Type 1: برای تخلیه جریان‌های شدید ناشی از صاعقه، معمولاً در ورودی تأسیسات
Type 2: برای حفاظت در برابر سرج‌های القایی و کلیدزنی، معمولاً در تابلوهای توزیع
Type 3: برای حفاظت نزدیک تجهیزات حساس

IEC 61643-11 چارچوب ارزیابی این تجهیزات را فراهم می‌کند.

IEC 61643-12 چیست؟

استاندارد IEC 61643-12 یک استاندارد کاربردی است، نه صرفاً محصول. این بخش به مهندسان می‌گوید که SPD مناسب را چگونه انتخاب و در کجا نصب کنند.

به بیان دیگر:

IEC 61643-11 می‌گوید SPD چگونه باید ساخته و تست شود
IEC 61643-12 می‌گوید این SPD را در پروژه واقعی چگونه باید انتخاب و استفاده کرد

موضوعات مهم در IEC 61643-12

1) انتخاب SPD بر اساس ساختار شبکه

انتخاب SPD به نوع سیستم توزیع وابسته است، مانند:

TN-S
TN-C
TN-C-S
TT
IT

نوع آرایش هادی‌های فاز، نول و ارت روی انتخاب تعداد پل‌های SPD، نحوه اتصال و سطح حفاظت مؤثر تأثیر مستقیم دارد.

2) محل نصب SPD

این استاندارد راهنمایی می‌کند که SPD در چه نقاطی باید نصب شود، از جمله:

ورودی اصلی ساختمان یا تأسیسات
تابلوهای فرعی
نزدیک تجهیزات حساس
در مرز بین نواحی مختلف حفاظتی در برابر صاعقه

3) هماهنگی بین SPDها

در بسیاری از پروژه‌ها فقط یک SPD کافی نیست و باید چند SPD در سطوح مختلف نصب شوند. IEC 61643-12 موضوع Coordination بین SPDها را مطرح می‌کند؛ یعنی:

SPD بالادست و پایین‌دست چگونه با هم کار کنند
انرژی سرج چگونه بین مراحل حفاظتی تقسیم شود
چگونه از عملکرد نامناسب یا استهلاک زودهنگام SPD جلوگیری شود

4) حفاظت پشتیبان و فیوز/کلید مناسب

SPD باید با تجهیزات حفاظتی مناسب مانند فیوز یا کلید حفاظتی هماهنگ باشد تا در صورت بروز خطا، خطرات ثانویه ایجاد نشود. این استاندارد درباره انتخاب حفاظت پشتیبان نیز راهنمایی می‌دهد.

5) اثر طول سیم‌ها و سطح حفاظت واقعی

یکی از نکات بسیار مهم در عملکرد SPD این است که فقط مشخصات روی کاغذ کافی نیست. طول هادی‌های اتصال، نحوه سیم‌کشی، حلقه‌های القایی و محل نصب می‌توانند سطح حفاظت واقعی را بدتر کنند. IEC 61643-12 به این موضوعات اجرایی توجه ویژه دارد.

IEC 61643-32 چیست؟

استاندارد IEC 61643-32 به انتخاب و اصول کاربرد SPD در سمت DC تأسیسات فتوولتائیک اختصاص دارد.

در نیروگاه‌ها و سیستم‌های خورشیدی، سمت DC به دلایل مختلف در معرض اضافه‌ولتاژهای خطرناک قرار دارد، از جمله:

صاعقه مستقیم یا غیرمستقیم
کابل‌کشی‌های طولانی بین رشته‌ها و اینورتر
محیط‌های باز و گسترده
اختلاف پتانسیل‌های ناشی از زمین و القا
کلیدزنی و عملکرد اینورتر

از آنجا که رفتار سیستم‌های DC خورشیدی با شبکه AC معمولی متفاوت است، انتخاب SPD برای آن‌ها نیازمند ملاحظات خاص است و IEC 61643-32 دقیقاً همین راهنمایی را ارائه می‌دهد.

چرا SPD در سمت DC نیروگاه خورشیدی مهم است؟

در سیستم PV، تجهیزات حساسی مانند:

ماژول‌ها
استرینگ باکس‌ها
کمباینر باکس‌ها
اینورترها
سیستم‌های مانیتورینگ

ممکن است در اثر سرج دچار آسیب شوند. خرابی SPD یا انتخاب اشتباه آن نیز می‌تواند منجر به:

از کار افتادن اینورتر
آسیب عایقی در سمت DC
ایجاد قوس DC
هزینه‌های تعمیر بالا
توقف تولید انرژی

شود.

موضوعات مهم در IEC 61643-32

1) انتخاب SPD متناسب با ولتاژ DC سیستم

در سیستم‌های PV باید SPD بر اساس حداکثر ولتاژ مدار باز، شرایط دمایی، تعداد ماژول‌های سری و وضعیت بهره‌برداری انتخاب شود. انتخاب نادرست $U_c$ در سمت DC می‌تواند باعث عملکرد نامناسب یا تخریب SPD شود.

2) توجه به ساختار آرایش سیستم PV

نوع زمین‌کردن و آرایش سمت DC، مانند:

سیستم‌های شناور
سیستم‌های زمین‌شده
طراحی اینورتر
طول کابل‌های استرینگ

روی نوع SPD و روش نصب آن تأثیر دارد.

3) محل نصب SPD در سیستم خورشیدی

IEC 61643-32 راهنمایی می‌کند SPD در چه نقاطی نصب شود، مانند:

نزدیک اینورتر
داخل استرینگ باکس یا کمباینر باکس
در ورودی/خروجی بخش‌های مختلف سیستم
در نقاطی که طول کابل زیاد است یا ریسک القای صاعقه بیشتر است

4) هماهنگی SPD سمت DC و AC

در یک تأسیسات خورشیدی، فقط سمت DC مهم نیست. باید بین SPDهای نصب‌شده در سمت DC و SPDهای سمت AC نیز هماهنگی وجود داشته باشد تا کل مسیر انرژی و تجهیزات به‌درستی حفاظت شوند.

5) ملاحظات خاص DC

در سیستم DC، برخلاف AC، عبور از صفر طبیعی وجود ندارد و قطع جریان یا مهار قوس سخت‌تر است. به همین دلیل، SPDهای مخصوص PV باید متناسب با شرایط DC انتخاب شوند و نباید هر SPD فشار ضعیفی را برای سمت DC خورشیدی مناسب فرض کرد.

تفاوت سه استاندارد IEC 61643-11 ،61643-12 و 61643-32

استاندارد	موضوع	نقش اصلی
IEC 61643-11	الزامات و آزمون SPD	استاندارد محصول و تست
IEC 61643-12	انتخاب و کاربرد SPD در سیستم‌های LV	راهنمای مهندسی و کاربرد
IEC 61643-32	انتخاب و کاربرد SPD در سمت DC سیستم‌های PV	راهنمای تخصصی برای خورشیدی

به‌صورت خلاصه:

IEC 61643-11 می‌گوید SPD خوب چگونه تعریف و آزمایش می‌شود
IEC 61643-12 می‌گوید SPD را در شبکه فشار ضعیف چگونه انتخاب و نصب کنیم
IEC 61643-32 می‌گوید SPD را در سمت DC نیروگاه خورشیدی چگونه انتخاب و به‌کار ببریم

کاربرد این استانداردها در پروژه‌های واقعی

این سه استاندارد در پروژه‌های مختلف کاربرد مستقیم دارند، از جمله:

ساختمان‌های مسکونی و تجاری
کارخانه‌ها و سایت‌های صنعتی
بیمارستان‌ها و مراکز داده
ایستگاه‌های مخابراتی
تابلوهای اصلی و فرعی فشار ضعیف
نیروگاه‌های خورشیدی و سیستم‌های پشت‌بامی PV
سایت‌هایی با ریسک بالای صاعقه یا کابل‌کشی طولانی

در مشخصات فنی پروژه‌ها، معمولاً هم استاندارد محصول SPD و هم اصول انتخاب و کاربرد باید باهم در نظر گرفته شوند؛ چون داشتن یک SPD دارای تست معتبر، بدون انتخاب و نصب صحیح، حفاظت مؤثر ایجاد نمی‌کند.

نکات مهم در انتخاب SPD

فقط به Type 1 / Type 2 / Type 3 اکتفا نکنید؛ پارامترهایی مثل $U_c$ ، $U_p$ ، $I_n$ ، $I_{max}$ و $I_{imp}$ نیز بسیار مهم هستند.
نوع سیستم ارتینگ و ساختار شبکه را حتماً در نظر بگیرید.
طول سیم‌های اتصال SPD باید تا حد امکان کوتاه باشد.
هماهنگی بین SPD ورودی، تابلوهای فرعی و تجهیزات نهایی اهمیت زیادی دارد.
برای سیستم‌های PV، حتماً از SPD مخصوص سمت DC خورشیدی استفاده شود.
انتخاب SPD باید با سطح ریسک، وجود سیستم حفاظت در برابر صاعقه و مکان نصب هماهنگ باشد.

جمع‌بندی

استانداردهای IEC 61643-11، IEC 61643-12 و IEC 61643-32 ستون اصلی طراحی و استفاده از تجهیزات حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ گذرا (SPD) در سیستم‌های فشار ضعیف و خورشیدی هستند.

IEC 61643-11 الزامات فنی و آزمون‌های SPD را تعریف می‌کند.
IEC 61643-12 اصول انتخاب، نصب و کاربرد SPD در سیستم‌های توزیع فشار ضعیف را توضیح می‌دهد.
IEC 61643-32 راهنمای تخصصی انتخاب و کاربرد SPD در سمت DC تأسیسات فتوولتائیک را ارائه می‌دهد.

استفاده صحیح از این استانداردها باعث می‌شود تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی در برابر سرج‌های ناشی از صاعقه و کلیدزنی بهتر محافظت شوند و قابلیت اطمینان سیستم‌های برق و خورشیدی به‌طور چشمگیری افزایش یابد.