การป้องกันไฟกระชาก AC และ DC: อะไรคือความแตกต่าง?

การป้องกันไฟกระชากเป็นพื้นฐานของความปลอดภัยและระยะเวลาทำงานของระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ การเลือกสิ่งที่ถูกต้อง อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) เริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจว่าระบบ AC และ DC มีพฤติกรรมแตกต่างกันอย่างไรภายใต้ภาวะชั่วคราว โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสูญพันธุ์ของส่วนโค้ง (AC เป็นศูนย์ข้ามกับ DC ไม่มีการข้ามเป็นศูนย์) และการออกแบบส่วนประกอบ (MOV แบบสองทิศทางเทียบกับทิศทางเดียว) คู่มือนี้จะอธิบายความแตกต่างระหว่าง AC SPD และ DC SPD แมปมาตรฐาน IEC/UL ที่ใช้ และแสดงวิธีเลือก SPD ที่ตรงกับความต้องการในการใช้งานและการปฏิบัติตามข้อกำหนดของคุณ.

1. บทนำ

แรงดันไฟฟ้าเกินชั่วคราวหรือที่เรียกว่าไฟกระชาก เป็นแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในระยะเวลาสั้นๆ ซึ่งสามารถสร้างความเสียหายหรือทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนได้ ไฟกระชากเหล่านี้อาจเกิดจากฟ้าผ่า การสลับกริด การสลับโหลดขนาดใหญ่ หรือการสตาร์ทอุปกรณ์แบบเหนี่ยวนำ อุปกรณ์ SPD หรือที่เรียกว่าเครื่องป้องกันไฟกระชากหรือเครื่องป้องกันไฟกระชาก ได้รับการออกแบบมาเพื่อตรวจจับและเปลี่ยนทิศทางของไฟกระชากเหล่านี้ก่อนที่จะไปถึงอุปกรณ์ป้องกัน.

แต่การกระชากหรือ SPD ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นเท่ากันทั้งหมด ระบบ AC (ไฟฟ้ากระแสสลับ) และ DC (ไฟฟ้ากระแสตรง) แสดงพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันมาก และด้วยเหตุนี้ จึงต้องมีวิธีป้องกันไฟกระชากที่แตกต่างกัน ต่อ IEC 61643-11/-31, SPD จะจำกัดแรงดันไฟกระชากและเปลี่ยนกระแสไฟกระชากภายในนาโนวินาที เพื่อปกป้องอุปกรณ์ดาวน์สตรีม.

2. การป้องกันไฟกระชากไฟ AC คืออะไร?

การป้องกันไฟกระชากไฟฟ้ากระแสสลับ ได้รับการออกแบบมาสำหรับระบบไฟฟ้าที่แรงดันไฟฟ้าสลับทิศทางเป็นระยะๆ โดยทั่วไปที่ 50Hz หรือ 60Hz ระบบเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในบ้านพักอาศัย อาคารพาณิชย์ โรงงาน และเครือข่ายระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ตาม IEC 61643-11, AC SPD แบ่งออกเป็นประเภท 1, ประเภท 2 และประเภท 3 ซึ่งแต่ละประเภทมีไว้สำหรับจุดติดตั้งที่แตกต่างกันภายในระบบจำหน่าย.

ลักษณะสำคัญของ AC SPD

• ทำงานภายในแรงดันไฟฟ้ากริดทั่วไป เช่น 115V, 230V, 400V และสูงถึง 690V AC.

• การทำงานแบบสองทิศทางเพื่อจัดการการเปลี่ยนขั้วของคลื่นไซน์ AC.

• การสูญพันธุ์ของอาร์กผ่านการตัดกันเป็นศูนย์ตามธรรมชาติของรูปคลื่น AC ซึ่งทำให้การตัดการเชื่อมต่อปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้น.

• MOV ที่ใช้กันทั่วไป (วาริสเตอร์ของโลหะออกไซด์) เพื่อดูดซับพลังงานไฟกระชาก; ใน SPD ประเภท 1 MOV มักจะรวมกับ GDT (ท่อระบายแก๊ส) หรือห้องโค้งเพื่อทนต่อแรงกระตุ้นฟ้าผ่าพลังงานสูง (รูปคลื่น 10/350 µs).

• ต้องมีการประสานงานกับการป้องกันต้นทาง (MCB หรือฟิวส์) แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดคือรักษาความยาวสาย SPD ให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยอุดมคติแล้ว <0.5 ม. เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าตกค้าง.

ประเภท SPD สำหรับการใช้งาน AC

• ประเภทที่ 1 SPD – ติดตั้งบริเวณทางเข้าบริการ ทนทานต่อกระแสฟ้าผ่าโดยตรง (Iimp 10/350 µs).

• ประเภทที่ 2 SPD – ติดตั้งที่แผงกระจายสินค้า ป้องกันไฟกระชากและฟ้าผ่าทางอ้อม (In/Imax 8/20 µs).

• ประเภทที่ 3 SPD – ติดตั้งใกล้กับอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน ให้การป้องกันไฟกระชากตกค้างได้ดี.

แอปพลิเคชันทั่วไป

• แผงทางเข้าบริการหลัก (แบบที่ 1)

• แผงจำหน่ายอาคาร (แบบที่ 2)

• แผงควบคุมในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม (ประเภท 2)

• การป้องกันจุดใช้งานหรือระดับซ็อกเก็ตสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความละเอียดอ่อน (ประเภท 3)

ตัวอย่างจาก ผลิตภัณฑ์ Britec AC SPD พิสัย

• BR-50GR (แบบที่ 1): อัตราสำหรับ Uc 275/320/440 V โดยมี Iimp สูงถึง 25 kA (10/350 µs) เหมาะสำหรับการป้องกันฟ้าผ่าทางเข้าบริการในระบบ TN/TT.

• BR-12.5M (ไฮบริดประเภท 1+2): รองรับทั้งแรงกระตุ้นฟ้าผ่าและไฟกระชาก ทำให้เหมาะสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม.

• BR-40 และ BR-30FU (ประเภท 2): อัตราสำหรับ Uc 275 V โดยมี In 20 kA / Imax 40 kA (8/20 µs); BR-30FU รวมฟิวส์สำรอง ทำให้การติดตั้งง่ายขึ้นและปรับปรุงความปลอดภัย.

• BR-230/BR275-6 (แบบที่ 3): ออกแบบมาเพื่อการปกป้องอุปกรณ์ปลายทาง โดยมีแรงดันตกค้างต่ำ (สูงถึง ≤ 1.5 kV).

3. การป้องกันไฟกระชาก DC คืออะไร?

การป้องกันไฟกระชากกระแสตรง ได้รับการออกแบบมาสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งกระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียวโดยไม่มีการตัดกันเป็นศูนย์ตามธรรมชาติ ต่างจากระบบ AC ที่ได้รับประโยชน์จากการพลิกกลับของแรงดันไฟฟ้าเป็นระยะ ระบบ DC นำเสนอความท้าทายทางวิศวกรรมที่ไม่เหมือนใคร: ส่วนโค้งไม่สามารถดับไฟได้เอง ซึ่งหมายความว่า DC SPD ต้องการการชุบอาร์คที่แข็งแกร่ง การตัดการเชื่อมต่อด้วยความร้อน และกลไกการปลดปล่อยทางกล เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยและป้องกันการเคลื่อนตัวของความร้อน.

คุณสมบัติที่สำคัญของ DC SPD

• การให้คะแนนแรงดันไฟฟ้า: ออกแบบโดยทั่วไปสำหรับ 500 Vdc ถึง 1500 Vdc ครอบคลุมอาร์เรย์ PV พลังงานแสงอาทิตย์ ระบบจัดเก็บแบตเตอรี่ (BESS) และเครือข่ายการชาร์จเร็ว DC.

• การเลือก MOV แบบทิศทางเดียว: เพื่อรองรับขั้วไฟฟ้ากระแสตรง DC SPD ใช้ MOV แบบทิศทางเดียว เพื่อให้แน่ใจว่าการจับยึดไฟกระชากถูกต้องสำหรับการไหลของกระแสทางเดียว.

• การปราบปรามส่วนโค้ง: เนื่องจาก DC ขาดการข้ามศูนย์ DC SPD จึงรวมระบบตัดการเชื่อมต่อความร้อนที่ออกฤทธิ์เร็ว ท่อระบายก๊าซ (GDT) หรือห้องอาร์คเพื่อตัดกระแสไฟฟ้าลัดอย่างปลอดภัย.

• การจัดการไฟกระชากสูง: สร้างขึ้นเพื่อดูดซับไฟกระชากพลังงานสูงด้วยพิกัด In/Imax สูงถึง 20–40 kA (8/20 µs) และอุปกรณ์ประเภท 1+2 ที่ได้รับพิกัดสำหรับแรงกระตุ้นฟ้าผ่า Iimp.

• การปฏิบัติตามและการรับรอง:

  • ต้องเป็นไปตาม IEC 61643-31 (สำหรับ PV DC SPD) หรือ มาตรฐาน UL 1449 (สำหรับระบบ DC ในอเมริกาเหนือ สูงถึง 1500 Vdc).

  • ผลิตภัณฑ์อาจมีใบรับรอง TÜV, CB หรือ UL เพิ่มเติมสำหรับการปฏิบัติตามข้อกำหนดของกริดและการตรวจสอบความปลอดภัย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโครงการหรือข้อกำหนดของภูมิภาค.

การใช้งานทั่วไปของการป้องกันไฟกระชาก DC

• อาร์เรย์ Solar PV (การป้องกันกล่องสตริงหรือตัวรวม โดยทั่วไปคือ 1000 Vdc หรือ 1500 Vdc).

• ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) สำหรับโซลูชันระดับกริดหรือไมโครกริด.

• สถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (EV) โดยเฉพาะระบบชาร์จเร็ว DC.

• เสาโทรคมนาคมและระบบพลังงานหมุนเวียน (ตัวแปลงกังหันลม เครือข่าย DC แบบไฮบริด).

ตัวอย่างจาก DC SPD ของ Britec พิสัย

• BRPV3-1000 (ประเภท 1+2 DC SPD)

  • อัตราแรงดันไฟฟ้า: Uc = 1,000 Vdc

  • กระแสไฟขาออกที่กำหนด: ใน = 20 kA

  • กระแสคายประจุสูงสุด: Imax = 40 kA (8/20 µs)

  • ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า: สูงสุด ≤ 3.8 kV

  • คุณสมบัติ: ตัวตัดการเชื่อมต่อความร้อน + การส่งสัญญาณระยะไกลสำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์.

• BRPV3-1500 (ประเภท 1+2 DC SPD)

  • อัตราแรงดันไฟฟ้า: Uc = 1500 Vdc

  • กระแสไฟขาออกที่กำหนด: ใน = 20 kA

  • กระแสคายประจุสูงสุด: Imax = 40 kA

  • ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า: สูงสุด ≤ 4.5 kV

  • คุณสมบัติ: การออกแบบห้องโค้ง + ระบบตัดความร้อน ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ในโรงงาน PV และโครงสร้างพื้นฐานของ EV.

4. การป้องกันไฟกระชาก AC และ DC แตกต่างกันอย่างไร

แม้ว่า AC SPD และ DC SPD จะดูคล้ายกันตั้งแต่แรกเห็น แต่หลักการออกแบบ มาตรฐาน และข้อกำหนดในการใช้งานนั้นแตกต่างกันมาก ตารางด้านล่างสรุปความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง AC SPD และ DC SPD:

4.1 ลักษณะกระแสไฟฟ้า: AC กับ DC

ไฟฟ้ากระแสสลับกลับทิศทางเป็นระยะ (คลื่นไซน์) ทำให้มีจุดข้ามศูนย์ตามธรรมชาติ กระแสตรงไหลในทิศทางเดียวอย่างต่อเนื่อง (รูปคลื่นแบน) ทำให้การดับส่วนโค้งมีความท้าทายมากขึ้น.

นัย:

AC SPD ได้รับประโยชน์จาก Zero-Crossing สำหรับการหยุดชะงักของส่วนโค้ง ในขณะที่ DC SPD ต้องการกลไกการปราบปรามส่วนโค้งที่แข็งแกร่งกว่าเนื่องจากลักษณะของรูปคลื่น.

4.2 รูปคลื่นไฟกระชาก

• ไฟกระชากกระแสสลับมักจะมีรูปคลื่นไซนูซอยด์ที่นุ่มนวลกว่า.
• ไฟกระชาก DC จะสั้นลง เร็วขึ้น และฉับพลันมากขึ้นเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าด้านบนเรียบ

ความต้องการเวลาตอบสนอง:

โดยทั่วไป DC SPD ต้องการเวลาตอบสนองที่เร็วกว่า (≤25ns) เพื่อป้องกันภาวะชั่วคราวที่รวดเร็ว.

4.3 หลักการออกแบบและการทำงานของ SPD

• เอซีเอสพีดี: ออกแบบมาสำหรับขั้วแรงดันไฟฟ้าแบบสมมาตรและอินพุตคลื่นไซน์
• กระแสตรง SPD: สร้างขึ้นสำหรับวงจรที่ไวต่อขั้วและการไหลของกระแสในทิศทางเดียว

เทคโนโลยีที่ใช้: อุปกรณ์ SPD ทั้ง AC และ DC มักใช้ MOV (วาริสเตอร์ของโลหะออกไซด์) การตัดการเชื่อมต่อความร้อน และบางครั้ง GDT (ท่อระบายก๊าซ) หากต้องการทำความเข้าใจว่าส่วนประกอบเหล่านี้ทำงานอย่างไรภายในอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก โปรดดูคำแนะนำโดยละเอียดของเราที่ SPD ทำงานอย่างไร.

4.4 อัตราแรงดันไฟฟ้าและความจุไฟกระชาก

• AC SPD: ช่วงตั้งแต่ 115V ถึง 600V
• DC SPD: ช่วงตั้งแต่ 500V ถึง 1500V

ตัวอย่าง:

DC SPD FLY1-40PV รองรับกระแสไฟสูงสุด 40kA; AC SPD USP2 มีช่วงสูงถึง 120kA ขึ้นอยู่กับรุ่น.

4.5 สภาพแวดล้อมการใช้งาน

• เอซีเอสพีดี: สำนักงาน บ้าน HVAC แผงควบคุม
• กระแสตรง SPD: พลังงานทดแทน โทรคมนาคมกลางแจ้ง ระบบขนส่ง

ความอดทนต่อสิ่งแวดล้อม:

โดยปกติแล้ว DC SPD จะรองรับช่วงอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ที่กว้างขึ้นเนื่องจากการใช้งานกลางแจ้ง.

4.6 การดับอาร์ค

• เครื่องปรับอากาศ: ส่วนโค้งจะดับลงตามธรรมชาติเมื่อถึงจุดศูนย์
• กระแสตรง: จำเป็นต้องมีการดับอาร์กเชิงกล/ความร้อนเนื่องจากขาดการกลับขั้ว.

ทำไมมันถึงสำคัญ:

การปราบปรามส่วนโค้งที่ไม่เพียงพอในอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากกระแสตรงสามารถนำไปสู่การหนีความร้อนและเพลิงไหม้ได้.

4.7 มาตรฐาน การทดสอบ และการรับรอง

• มาตรฐาน AC SPD: UL 1449, IEC 61643-11 (ประเภท 1, 2, 3)
• มาตรฐาน DC SPD: EN 50539-11, IEC 61643-31, UL 1449 (โฟกัส PV, BESS, EV)

ตัวอย่าง:

ระดับการป้องกันไฟกระชากจะต้องได้รับการตรวจสอบผ่านฉลาก SPD ที่ได้รับการรับรองจาก TUV เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของโครงข่ายไฟฟ้า.

5. วิธีเลือก SPD ที่เหมาะสม

การเลือกอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) ที่ถูกต้องไม่เพียงแต่เกี่ยวกับพิกัดแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงตำแหน่งการติดตั้ง การประสานงานในการป้องกัน และการปฏิบัติตามมาตรฐานสากลอีกด้วย นี่คือปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา:

1. จับคู่ SPD กับแรงดันไฟฟ้าของระบบของคุณ

• ระบบไฟฟ้ากระแสสลับ (IEC 61643-11 / UL 1449)

  • 230/400 V (กริด TN/TT): เลือก ยูซี 275 โวลต์ โมเดล.

  • ตัวอย่าง: Britec BR-40/30FU – ประเภท 2 SPD, Uc 275 V, ใน 20 kA, Imax 40 kA พร้อมฟิวส์ในตัวสำหรับการป้องกันการสำรองข้อมูล.

• ระบบ PV กระแสตรง (IEC 61643-31 / UL 1449 ≤1500 Vdc)

  • อาร์เรย์ 600 Vdc, 1000 Vdc หรือ 1500 Vdc: เลือกพิกัด DC Uc ที่ตรงกัน.

  • ตัวอย่าง: Britec BRPV3-1000 (ยูซี 1,000 Vdc) หรือ BRPV3-1500 (ยูซี 1500 Vdc) – ประเภท 1+2 DC SPD สำหรับกล่องรวม PV และอินเวอร์เตอร์.

เคล็ดลับ: ตรวจสอบเสมอว่า Uc ของ SPD (แรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่อเนื่อง) คือ ≥ 1.2 × แรงดันไฟฟ้าของระบบที่กำหนดเพื่อหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพก่อนวัยอันควร.

2. ใช้ระดับการป้องกันที่เหมาะสม (ประเภท) กับแต่ละระดับการติดตั้ง

• ประเภท 1 (กระแสฟ้าผ่า 10/350 µs)

  • ติดตั้งบริเวณทางเข้าบริการ/จุดจำหน่ายหลัก.

  • รองรับกระแสฟ้าผ่าโดยตรง.

  • ตัวอย่าง: BR-12.5M แบบ 1+2 SPD, Iimp 12.5 kA.

• ประเภท 2 (ไฟกระชากสลับ 8/20 µs)

  • ติดตั้งที่แผงจำหน่ายพื้น.

  • ป้องกันไฟกระชากและกระแสฟ้าผ่าตกค้าง.

  • ตัวอย่าง: BR-40/30FU ประเภท 2 SPD (พร้อมตัวตัดการเชื่อมต่อในตัว).

• แบบที่ 3 (จุดใช้งาน)

  • ติดตั้งใกล้กับอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน (คอมพิวเตอร์ เซิร์ฟเวอร์ อุปกรณ์ทางการแพทย์).

  • ป้องกันไฟกระชากตกค้างที่ไม่ได้ถูกยึดโดย SPD อัปสตรีม.

กฎทางวิศวกรรม: หากความยาวสายเคเบิลระหว่างการป้องกันสองขั้นคือ -10 ม. ติดตั้ง SPD เพิ่มเติมที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อให้แน่ใจว่ามีการประสานงานกัน.

3. ตรวจสอบการประสานงานกับเบรกเกอร์และฟิวส์

• SPD จะต้องประสานงานกับฟิวส์อัพสตรีม MCB/RCB/สำรอง.

• บางรุ่นเช่น ไบรเทค BR-40/30FU, ผสานรวมตัวตัดการเชื่อมต่อความร้อนและการป้องกันสำรอง ช่วยลดพื้นที่และต้นทุน.

4. การปฏิบัติตามมาตรฐาน

• AC SPD: IEC 61643-11, UL 1449

• PV DC SPD: IEC 61643-31, UL 1449 (≤1500Vdc)

ตรวจสอบให้แน่ใจเสมอว่า SPD มีใบรับรองการทดสอบ CE, UL หรือ IEC ที่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโครงการระดับนานาชาติ.

คีย์ Takeaway

การเลือก SPD ที่เหมาะสมหมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่ตรงกัน การเลือกประเภทที่ถูกต้องตามระดับการติดตั้ง การรับรองการประสานงานที่เหมาะสม และการปฏิบัติตามมาตรฐาน IEC/UL.

กับ ผลงานของ Britec (BR-12.5M, BR-40/30FU, BRPV3-1000, BRPV3-1500), คุณสามารถครอบคลุมการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ในที่พักอาศัย เชิงพาณิชย์ อุตสาหกรรม และ PV ด้วยการป้องกันไฟกระชากประสิทธิภาพสูงที่ผ่านการรับรอง.

6. บทสรุป

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก AC และ DC อาจดูคล้ายกัน แต่ให้บริการระบบที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน AC SPD ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานคลื่นไซน์ในอาคารและโครงข่ายไฟฟ้า DC SPD ได้รับการปรับแต่งสำหรับรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าแบบแบนในโครงสร้างพื้นฐานไฟฟ้ากระแสตรงที่หมุนเวียนและไฟฟ้าแรงสูง.

การเลือก SPD ที่ถูกต้องถือเป็นสิ่งสำคัญในการปกป้องอุปกรณ์และรักษาการปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัย.

เพื่อให้มั่นใจถึงการปกป้องสูงสุด:

• จับคู่ประเภท SPD กับระบบปัจจุบันเสมอ (AC หรือ DC)
• พิจารณาอัตราแรงดันไฟฟ้า คุณลักษณะของรูปคลื่น และความสามารถในการดูดซับพลังงานที่ต้องการ.
• เลือกผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการรับรอง (TUV, UL, CE) ที่มีระดับการป้องกันไฟกระชากที่เหมาะสม.

ต้องการความช่วยเหลือในการเลือก SPD ของคุณหรือไม่? ติดต่อผู้เชี่ยวชาญด้านไฟฟ้าหรือผู้ให้บริการป้องกันไฟกระชากที่ผ่านการรับรองเพื่อค้นหาระบบป้องกันไฟกระชาก DC หรือโซลูชันป้องกันไฟกระชาก AC ที่เหมาะสมสำหรับระบบของคุณ.