في عالم يعتمد بشكل متزايد على الإلكترونيات الدقيقة والحساسة، لم يعد التيار الكهربائي مجرد طاقة لتشغيل المحركات والمصابيح. إنه شريان الحياة لأجهزة الكمبيوتر والخوادم وأنظمة التحكم الصناعية والمعدات الطبية والأجهزة المنزلية الذكية. هذه الأجهزة شديدة الحساسية للتقلبات الكهربائية، وخاصة الظواهر العابرة ذات الجهد العالي للغاية والتي يمكن أن تدمرها في جزء من الثانية. هنا يأتي دور كوابح زيادة الجهد العابر (Transient Voltage Surge Suppressors – TVSS)، والتي تُعرف أيضًا باسم واقيات زيادة التيار (Surge Protective Devices – SPDs). هذه المقالة ستشرح بالتفصيل ما هي هذه الكوابح، كيف تعمل، أنواعها، وأهميتها في الحماية.
ما هي زيادة الجهد العابر (Transient Voltage Surge)؟
قبل فهم الحل، يجب فهم المشكلة. زيادة الجهد العابر هي طفرة مفاجئة وقصيرة جدًا في الجهد الكهربائي (تستمر من microseconds إلى milliseconds) ولكنها ذات طاقة عالية. يمكن أن يتجاوز جهد هذه الطفرة آلاف الفولتات. المصادر الرئيسية لهذه الزيادات تنقسم إلى فئتين:
- الاضطرابات الخارجية (External Disturbances):
- الصواعق (Lightning Strikes): وهي المصدر الأكثر تدميراً. حتى إذا لم تضرب الصاعقة المبنى مباشرة، يمكن أن يحثّ ضربها خطوط الطاقة أو بيانات القريبة أو الأرض حولها جهدًا عاليًا ينتقل عبر الأسلاك إلى الداخل.
- عمليات التحويل في شبكة الطاقة (Utility Switching): عندما تقوم شركة الكهرباء بإجراء عمليات فصل أو وصل على خطوط الجهد العالي، أو عندما تعود الطاقة بعد انقطاع، فإن ذلك يولد pulsات عابرة تنتقل عبر الشبكة.
- الاضطرابات الداخلية (Internal Disturbances):
- عمليات التحويل داخل المنشأة (Load Switching): تشغيل أو إيقاف الأحمال الحثية الكبيرة مثل مكيفات الهواء والمحركات والمصاعد والمحولات. تطلق هذه الأحمال طاقة مخزنة عند فصلها، مما يسبب زيادات عابرة كبيرة.
- التفريغ الكهروستاتيكي (ESD): شحنات ساكنة تفرغ فجأة في الدائرة.
هذه الزيادات العابرة، وإن كانت قصيرة، تكفي لاختراق العزل الداخلي للمكونات الإلكترونية، وحرقها، أو إضعافها تدريجيًا مما يقصر من عمرها الافتراضي.
ما هو كابح زيادة الجهد العابر (TVSS)؟
كابح زيادة الجهد العابر (TVSS) أو واقي زيادة التيار (SPD) هو جهاز كهربائي مصمم لحماية المعدات الكهربائية والإلكترونية من هذه الزيادات العابرة الخطيرة. يتم تركيبه بالتوازي مع دارة الحمل الذي يحتاج للحماية (على عكس القاطع الذي يتم تركيبه على التوالي). وظيفته الأساسية هي كشف الجهد العالي العابر وتحويله إلى الأرض (Ground)، مما يمنع وصوله إلى المعدات المحمية، مع الحفاظ على استمرارية تدفق التيار العادي.
كيف يعمل TVSS؟ مبدأ “التضحية” من أجل الحماية
يعمل TVSS كمفتاح ذكي حساس للجهد. في الظروف العادية، عندما يكون الجهد ضمن النطاق الطبيعي (مثلاً 220V أو 480V)، يكون له مقاومة عالية جدًا (حالة Circuit Open) ولا يؤثر على الدائرة.
عندما يكتشف وجود جهد عابر يتجاوز مستوى “الجهد المقنن (Voltage Clamping Level)”، فإنه يغير حالته فورًا إلى مقاومة منخفضة جدًا (حالة Short Circuit)، مما يوفر مسارًا منخفض المقاومة للتيار العالي ليتدفق نحو الأرض بدلاً من التوجه إلى المعدات المحمية.
بعد أن تزول موجة الزيادة العابرة، يعود TVSS تلقائيًا إلى حالته الطبيعية ذات المقاومة العالية، منتظرًا الحدث التالي. بعض المكونات داخل TVSS (مثل varistors) “تتضحي” جزءًا من نفسها مع كل حدث، مما يؤدي إلى تآكلها بمرور الوقت.
المكونات الأساسية والتقنيات المستخدمة داخل TVSS
يستخدم TVSS عدة تقنيات ومكونات كهربائية لأداء وظيفته، وأكثرها شيوعًا:
- مقاومات أوكسيد المعادن varistors (MOVs): هي المكون الأكثر شيوعًا. تعمل كمواد أشباه موصلات تقاوم التيار عند الجهد الطبيعي، ولكنها توصل التيار بسرعة فائقة عندما يتجاوز الجهد عتبة معينة. إنها التكنولوجيا الأساسية في معظم واقيات التيار المنزلية والمكتبية. تضعف مع مرور الزمن وبعد كل حدث كبير.
- صمامات تفريغ الغاز (Gas Discharge Tubes – GDTs): تحتوي على غاز خامل بين قطبين. عند وجود جهد عالي كافٍ، يتأين الغاز ويصبح موصلًا ممتازًا، مما يخلق مسارًا إلى الأرض. تتميز بقدرة عالية على تحمل التيار ولكنها أبطأ في الاستجابة من MOVs. غالبًا ما تستخدم في حماية خطوط البيانات والاتصالات أو في المرحلة الأولى من أنظمة الحماية المتدرجة.
- ثنائيات كابحة للجهد (Transient Voltage Suppression Diodes – TVS Diodes): تستجيب بسرعة فائقة (في نطاق Picoseconds) وتوفر clamping دقيقًا للغاية. وهي مثالية لحماية الدوائر الإلكترونية الحساسة للغاية، ولكن سعتها (القدرة على تحمل الطاقة) منخفضة نسبيًا. غالبًا ما تُستخدم داخل المعدات الإلكترونية نفسها كخط دفاع أخير.
غالبًا ما يتم دمج هذه التقنيات في تصميم واحد (Hybrid) للاستفادة من مزايا كل منها.
استراتيجية الحماية المتدرجة (Staged Protection)
تتبع الحماية الفعالة مبدأ “التصفية المتدرجة”. لا يكفي عادةً تركيب واقي تيار واحد عند نقطة واحدة. يتم تقسيم الحماية إلى مراحل:
- الحماية من النوع 1 (Type 1 – Class B): تُركب عند لوحة الخدمة الرئيسية (Main Service Panel) للمبنى. مصممة لتحمل التيار العالي الناتج عن الصواعق المباشرة أو الزيادات الكبيرة من الشبكة. تستخدم غالبًا GDTs أو MOVs كبيرة.
- الحماية من النوع 2 (Type 2 – Class C): تُركب عند لوحات التوزيع الفرعية (Sub-Panels). توفر حماية ثانية، حيث تقوم “بتصفية” ما تبقى من الزيادات التي تجاوزت الحماية من النوع 1. هذه هي النوع الأكثر شيوعًا في التطبيقات التجارية والسكنية.
- الحماية من النوع 3 (Type 3 – Class D): تُركب نقطة الاستخدام (Point-of-Use)، أي على مقابس الحائط مباشرة أو في شكل أجهزة تمديد (مشترك). توفر أدق مستوى من الحماية للمعدات الأكثر حساسية مثل أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون. غالبًا ما تحتوي على TVS Diodes.
هذا التدرج يضمن تفريق الطاقة المدمرة للزيادة العابرة عبر عدة مستويات، مما يضمن وصول جهد “نظيف” وآمن إلى المعدات النهائية.
لماذا تعتبر TVSS ضرورية؟
- حماية الاستثمار: منع التلف الكامل أو التدريجي للمعدات باهظة الثمن.
- منع توقف العمل (Downtime): تلف المعدات يؤدي إلى توقف العمليات، مما يكبد الشركات خسائر فادحة.
- حماية البيانات: منع فقدان البيانات بسبب إعادة تشغيل الأنظمة أو تلف مكونات التخزين.
- سلامة المباني: تقليل خطر نشوب الحرائق الناتجة عن شرر كهربائي بسبب الزيادات العابرة.
الخلاصة
كوابح زيادة الجهد العابر (TVSS) ليست رفاهية، بل هي عنصر أساسي في أي نظام كهربائي حديث. إنها تشكل نظامًا دفاعيًا ذكيًا ومتدرجًا ضد التهديدات غير المرئية ولكنها مدمرة للتيار الكهربائي. من خلال فهم مبدأ عملها وتقنياتها واستراتيجية تركيبها المتدرج، يمكن للمهندسين ومديري المرافق وأصحاب المنازل ضمان موثوقية وأمان واستمرارية عمل أنظمتهم الكهربائية والإلكترونية الحيوية. الاستثمار في نظام TVSS جيد التصميم هو استثمار في الحماية والسلامة والاستقرار على المدى الطويل.
