الحماية من الإفراط في التحميل الكهربائي أمر بالغ الأهمية في شحن الكهرباء ذات الطاقة العالية. ويتم استخدام شاحن 7 كيلوواط 32A EV آليات حماية زائدة ومتوافقة مع المعايير لمنع فشل كارثي أثناء التشغيل.
تعمل القواطع الكهربائية والصمامات كوسيلة وقائية رئيسية ضد مرور تيار كهربائي كبير جدًا عبر الأنظمة الكهربائية. فهي تقوم بقطع التيار فورًا تقريبًا بمجرد تجاوز حدود معينة. وفي الواقع، تعمل القواطع الحرارية المغناطيسية بطريقتين مختلفتين: فالجزء المغناطيسي يستجيب بسرعة كبيرة عند حدوث دوائر قصر مفاجئة، حيث يرتفع التيار إلى ما لا يقل عن ثلاثة أضعاف القيمة المعتادة. في المقابل، يعمل الجانب الحراري بشكل أبطأ ولكنه يتعامل مع الحالات التي يتدفق فيها تيار زائد بشكل مستمر. وعند التعامل مع شاحن بسعة 32 أمبير على سبيل المثال، يوصي معظم الخبراء باستخدام دوائر بسعة 40 أمبير بدلًا من ذلك. ويتم ذلك تماشيًا مع إرشادات IEC 60364-5-52 التي تنص بشكل أساسي على ضرورة ترك هامش أمان لاستيعاب التقلبات الطبيعية. ولكن إذا لم تُتخذ هذه التدابير الوقائية، فقد تسخن الأسلاك بسرعة كبيرة. وتبدأ العوازل بالتحلل بعد دقائق قليلة فقط من مرور تيار زائد، مما يؤدي إلى مشكلات خطيرة على المدى الطويل.
اتباع معايير IEC 61851 يعني تحقيق استجابات السلامة بشكل دقيق على نطاق واسع. ما تقوم به المعايير فعليًا هو تحديد نقاط قطع محددة عند حوالي 110 إلى 125 بالمئة من مستويات التيار العادية. خذ شاحنًا بقدرة 32 أمبير كمثال توضيحي هنا. يجب أن تعمل قواطع الدوائر قبل الوصول إلى 41 أمبير عند وجود استهلاك مستمر للطاقة، وبما لا يتجاوز حدود زمنية معينة. يعمل هذا الحماية لكل من معدات الشحن نفسها وأنظمة إدارة بطاريات المركبات الكهربائية الحساسة التي يمكن أن تتضرر بسهولة. بدأ معظم المصنّعين اليوم باستخدام ما يُعرف بمراقبة التيار ذات المرحلتين. وهذا يساعد في التمييز بين الزيادات اللحظية في الطلب على الطاقة، مثلما يحدث عندما تستبدل السيارات المعلومات أثناء التشغيل، وبين المشكلات الحقيقية التي يستمر فيها تدفق كمية كبيرة جدًا من الكهرباء عبر النظام لفترات طويلة.
| معلمة الحماية | متطلبات IEC 61851 | الغرض |
|---|---|---|
| استجابة الحمل الزائد | 125% من التيار المقنن | منع تدهور الموصلات |
| قطع القصر الكهربائي | 5 مللي ثانية عند ≥300% من التيار | التخلص من مخاطر القوس الكهربائي |
| التحمل المستمر | +5% استقرار التيار | ضمان توصيل آمن ومستمر بقدرة 7 كيلوواط |
يتطلب الشحن في الوضع 3 تدفق تيار كهربائي مستمر بقيمة 32 أمبير عبر معدات شحن المركبات الكهربائية (EV) لفترات طويلة، وهو ما يفوق بكثير ما تم بناؤه عادةً في أنظمة الكهرباء المنزلية. إن قياس التيار بدقة تبلغ حوالي ±0.5% أمر ضروري هنا، ويتم ذلك عادةً باستخدام أجهزة استشعار تأثير هول التي تمكن المشغلين من مراقبة الظروف في الوقت الفعلي مع عزل تقلبات الشبكة المزعجة. إذا لم تُحقق هذه الدقة، فقد يؤدي مجرد تيار زائد بقيمة 2 أمبير يستمر نصف ساعة فقط إلى ارتفاع درجة حرارة الكابلات بما يقارب 40 درجة مئوية وفقًا لمعايير السلامة الكهربائية البريطانية 'Electrical Safety First'، مما قد يؤدي إلى ذوبان طبقات العزل. إن إجراء هذه القياسات بشكل دقيق هو ما يصنع الفرق في الحفاظ على إخراج ثابت بقدرة 7 كيلوواط دون المساس بالسلامة أو تقصير عمر المعدات على المدى الطويل.
تحافظ أجهزة القياس الحرارية من نوع NTC، التي تعني معامل درجة الحرارة السلبي، على مراقبة درجات الحرارة الداخلية، خاصة حول وحدات الإلكترونيات الكهربائية والموصلات حيث يميل الحرارة إلى التراكم. يقوم النظام بمراقبة دقيقة عندما تبدأ المكونات بالتسخين أكثر من اللازم، عادةً فوق حوالي 85 درجة مئوية. عند هذه النقطة، تتدخل المستشعرات وتوقف عملية الشحن فورًا. وهذا يختلف عن وجود مستشعر واحد فقط في مكان ما، لأن وجود نقاط متعددة عبر النظام يسمح باكتشاف مناطق الحرارة العالية قبل أن تتحول إلى مشكلات. ويختبر المصنعون جميع ميزات الأمان هذه وفقًا للمعايير المحددة من قبل IEC 62955 لسيناريوهات الانطلاق الحراري غير الخاضع للسيطرة، للتأكد من أن كل شيء يعمل بشكل صحيح في ظروف العالم الحقيقي.
وفقًا للمعيار EN 61851-1 الملحق D، فإن معظم الشواحن الحديثة تقوم بتقليل إخراجها إلى حوالي 28 أمبير بمجرد أن تتجاوز درجة الحرارة المحيطة 35 درجة مئوية. ويشير ذلك إلى انخفاض يبلغ نحو 12.5٪، مما يحافظ على التشغيل الآمن داخل الجهاز. ما السبب وراء هذا التعديل المدمج؟ في الواقع، يساعد ذلك في مكافحة تراكم الحرارة بمرور الوقت. وما الذي يعنيه ذلك عمليًا؟ أجهزة أكثر دوامًا! تشير بعض الدراسات إلى أن المنتجات قد تدوم حوالي 30٪ أطول عند تفعيل هذه الميزة. كما أنها تمنع مواد العزل من التلف المبكر. وتقوم محطات الشحن الحديثة حاليًا بإجراء جميع هذه الحسابات فور حدوثها من خلال برامج خاصة وآليات تحكم تم تطويرها خصيصًا لأغراض إدارة الحرارة.
تلعب أجهزة كشف التيار المتبقي (RCDs) دورًا حيويًا في منع الصدمات الكهربائية في شواحن المركبات الكهربائية البالغة 7 كيلو واط و32 أمبير. بينما تستطيع النماذج القياسية من النوع A اكتشاف تيارات التسرب المتناوبة العادية، إلا أننا نحتاج إلى شيء أفضل عند التعامل مع المركبات الكهربائية. وهنا يظهر دور أجهزة RCDs من النوع B، لأنها قادرة على اكتشاف أعطال التيار المستمر المتقطعة التي تحدث داخل محولات الطاقة الخاصة بالمركبات الكهربائية. ويُلزم معيار IEC 61851 بهذه الخاصية، لأنه إذا تم تجاهل تسرب التيار المستمر الذي يتجاوز 6 ملي أمبير، فإن ذلك يشكل خطرًا جسيمًا من الصعق الكهربائي. أصبح معظم الشواحن الأحدث بقدرة 7 كيلو واط يحتوي الآن على حماية من النوع B مدمجة كتجهيز قياسي، ما يعني عدم الحاجة إلى طبقات أمان إضافية بعد الآن، ويحصل المستخدمون على حماية مستمرة طوال ساعة كاملة من الشحن بتيار 32 أمبير دون القلق من وجود فجوات في التغطية الأمنية.
إن فحص نظام التأريض بانتظام يمنع تراكم الكهرباء الخطرة في غلاف المعدات. تقوم أجهزة مراقبة استمرارية التأريض الحديثة بقياس مقاومة السلك مئات المرات كل ثانية بناءً على تقنية الميكرؤومتر. وسوف تُوقف هذه الأنظمة العمليات تلقائيًا إذا زادت المقاومة عن 0.3 أوم وفقًا للمواصفات القياسية EN 50620. ويمكن للنماذج الأفضل اكتشاف مشكلات العزل قبل أن تتفاقم، حيث تستطيع كشف الانخفاضات تحت 1 ميغا أوم باستجابة أسرع من جزء من ألف من الثانية. ويُعد ذلك أمرًا بالغ الأهمية في الأنظمة التي تعمل عند 32 أمبير حيث تصل مستويات الطاقة إلى 7 كيلوواط دون انقطاع. وتقوم البرمجيات الذكية بمقارنة التغيرات في الجهد خارج النطاق الطبيعي (+/- 10%) مع أنماط التسرب المعروفة بشكل مستمر. ويساعد هذا في تجنب الإنذارات الكاذبة مع الاستمرار في الحماية من أدنى أعطال القوس الكهربائي حتى تيار يبلغ 5 ملي أمبير فقط.
تحتوي أنظمة المايكروبروسيسور الموجودة داخل شواحن اليوم ذات القدرة 7 كيلوواط و32 أمبير على فحص مستمر لمستويات التيار والجهد، حيث تقوم بأخذ عينات منها 1000 مرة في الثانية من خلال أجهزة الاستشعار تأثير هول التي كنا نتحدث عنها. وعندما يخرج شيء عن المسار المطلوب - مثل حدوث قفز مفاجئ أعلى أو أقل من ±5٪ من تصنيف 32 أمبير، أو إذا انخفض الجهد إلى أقل من 207 فولت في الأنظمة القياسية البالغة 230 فولت - فإن هذه الأنظمة الذكية تكتشف ذلك وتتفاعل خلال 100 ميلي ثانية فقط. هذا النوع من الاستجابة السريعة يتفوق بشكل كبير على المرحلات الميكانيكية القديمة، ويمنع التفاعلات الخطيرة قبل أن تبدأ. كما تؤكد الاختبارات الواقعية هذا أيضًا؛ وفقًا لتقارير اللجنة الدولية الكهروتقنية (IEC) الصادرة العام الماضي، فإن التصاميم سريعة التفاعل قلّلت حرائق الكابلات الكهربائية بنسبة تقارب 94٪. والأمر يصبح أفضل لأن تقنية التعرف على الأنماط تمكّن هذه الشواحن من اكتشاف المشكلات في وقت أبكر، حيث تلتقط العلامات الدالة على مشكلات القوس الكهربائي وأرضيات التوصيل قبل أن تتحول إلى مخاطر أمان خطيرة.
| معلمة المراقبة | حد الاكتشاف | إجراء الاستجابة |
|---|---|---|
| تقلب التيار | ±5٪ من تصنيف 32 أمبير | حدّ current |
| تغير الجهد | ±10٪ من القيمة الاسمية | إيقاف الشحن مؤقتًا |
| بصمات القوس الكهربائي | 8 مللي أمبير جذر المتوسط التربيعي | إيقاف فوري |
يتم إيقاف عملية الشحن تلقائيًا كلما تم تجاوز حدود مهمة. عندما تنخفض مقاومة العزل عن 1 ميجا أوم، فهذا عادةً ما يعني دخول الماء من مكان ما أو بدء تآكل الأجزاء، مما قد يؤدي إلى صدمات كهربائية خطرة. إذا ارتفعت أو انخفضت الفولتية بشكل كبير عن المستويات الطبيعية، مثل الارتفاع فوق 253 فولت أو الانخفاض دون 207 فولت، فإن النظام يُغلق تمامًا لحماية كل من الشاحن وأنظمة السيارة الإلكترونية. هذان الطريقتان الرئيسيتان لاكتشاف المشاكل تتبعان المعايير الصناعية التي حددتها IEC 62196، وأظهرت اختبارات واقعية في عام 2024 أنها منعت المخاطر بنسبة 96 بالمئة تقريبًا. في كل مرة يبدأ فيها شخص ما الشحن، تقوم اختبارات خاصة بالتحقق من كفاءة التأريض من خلال إرسال إشارات جهد صغيرة أقل من 12 فولت. ويواصل النظام التحقق من المقاومة باستمرار أثناء التشغيل، وسوف يقطع التيار فورًا إذا بدت أي حالة غير آمنة. وتقوم دوائر خاصة بالتحقق من مستويات الفولتية كل 20 مillisecond لمنع ارتفاع درجة الحرارة عند حدوث قفزات مفاجئة في الفولتية.
لقد وضعت هيئة المعايير الدولية قواعد تتعلق بالسلامة الكهربائية، مع التركيز بشكل خاص على معايير مثل IEC 60364-5-52 لعام 2019 وBS 7671:2018. تنص هذه الإرشادات أساسًا على أنه عند التعامل مع الأحمال المستمرة، يجب الالتزام بقاعدة تخفيض السعة إلى 80%. وهذا يعني أنه إذا أراد شخص ما تركيب شاحن مركبة كهربائية بسعة 32 أمبير، فإنه يحتاج فعليًا إلى دارة مخصصة بسعة 40 أمبير فقط لهذا الغرض. عندما يقوم المهندسون بتشغيل نماذج تحليل حراري لهذه الأنظمة، تكون النتائج واضحة جدًا. فإذا تم تشغيل كابلات نحاسية بمساحة مقطع 6 مم² بالقدرة الكاملة البالغة 32 أمبير دون ترك هامش إضافي، فقد ترتفع درجات الحرارة بأكثر من 15 درجة مئوية. وعلى المدى الطويل، يؤدي هذا التراكم للحرارة إلى ضرر كبير في عزل الكابلات. قبل الشروع في أي عمل صيانة أو تعديل، يجب على الفنين الكهربائيين دائمًا التحقق من المساحة المتبقية المتاحة في لوحة التوزيع الرئيسية. وقد يؤدي تخطي هذه الخطوة إلى حدوث مشكلات عديدة لاحقًا، مثل تكرار انقطاع الدارات، وتلف تدريجي في موصلات الأسلاك، وفي أسوأ الأحوال، عدم اجتياز الفحوصات الإلزامية للامتثال أثناء التفتيش.
وفقًا لمعايير EN 50620:2017، يجب أن تتضمن المعدات أجهزة مراقبة للتيار المتبقي (RCMs) قادرة على اكتشاف التغيرات الصغيرة بقدر ±30 ملي أمبير. كما يُلزم المعيار بأنظمة استقرار الجهد في الوقت الفعلي تحافظ على استقرار إخراج الطاقة ضمن نسبة عشرة بالمئة من المستويات الطبيعية أثناء عمليات الشحن. بالنسبة للتطبيقات المتقدمة، يمكن لمفاتيح التيار المتبقي المزودة بحماية من زيادة التيار (RCBOs) اكتشاف مسارات التسرب الناشئة حتى عندما تتطور بمعدل أقل من ثلاثة ملي أمبير في الثانية. وعندما تنخفض مقاومة العزل إلى ما دون ميغا أوم واحد، تتدخل أنظمة المراقبة وتوقف العمليات خلال أكثر بقليل من مائة ميلي ثانية. تسهم هذه الميزات الأمنية المدمجة معًا في الوقاية من المواقف الخطرة مثل الصدمات الكهربائية والحرائق المحتملة أثناء تقلبات التيار في الشبكة. ما يجعل هذا الأسلوب ذكيًا بشكل خاص هو تجنبه لتكرار الوظائف التي تمتلكها بالفعل أجهزة التيار المتبقي من النوع B والأنظمة المنفصلة لمراقبة الحرارة، مما يخلق تصميم نظام شامل أكثر كفاءة.
متطلبات الامتثال الرئيسية:
| ميزة الأمان | عتبة | زمن الاستجابة |
|---|---|---|
| استقرار الجهد | ±10% تذبذب | <200 مللي ثانية |
| مقاومة العزل | <1 مΩ | <100ms |
| كشف التسرب الأرضي | عدم توازن بمقدار 30 مللي أمبير | <300 مللي ثانية |
يُوصى باستخدام دارة 40 أمبير لشاحن 32 أمبير لتوفير هامش احتياطي للتقلبات الطبيعية في التيار ومنع ارتفاع درجة الحرارة.
يمكن لقواطع التسرب من النوع B الكشف عن تسرب التيار المستمر المتذبذب الذي لا يمكن لقواطع التسرب القياسية من النوع A الكشف عنه، مما يوفر حماية محسّنة من مخاطر الصعق الكهربائي في تطبيقات شحن المركبات الكهربائية.
تُخفض مخرجات الشحن عندما ترتفع درجات الحرارة المحيطة فوق 35°م وفقًا للمرفق D من المعيار EN 61851-1، مما يساعد على منع ارتفاع درجة الحرارة ويُطيل عمر المعدات.
يحدث الإيقاف التلقائي عند اكتشاف حدود حرجة، مثل انخفاض مقاومة العزل إلى أقل من 1 ميجا أوم أو حدوث تقلبات جهد كبيرة، لضمان السلامة لكل من المركبة والشاحن.
EN
