انواع برقگیر
۱- صاعقه گیر
هدف از نصب صاعقه گیر حفاظت از سیستم‌ها و افراد در برابر صاعقه و ایجاد مسیری مطمئن جهت انتقال جریان عظیم صاعقه به زمین می‌باشد، در این سیستم‌ها راد‌های هوائی وظیفه جذب صاعقه و هادی‌های نزولی وظیفه انتقال جریان را به شبکه ارتینگ به عهده دارند. سیستم صاعقه گیری که به درستی طراحی و نصب شده باشد امنیت جانی افراد و ایمنی تجهیزات را بدنبال خواهد داشت.
صاعقه گیر‌ها به دو دسته کلی تقسیم می‌گردند:
۱-۱- برقگیر غیر فعال (passive)
شامل یک میله نوک تیز ساده می‌باشد که از جنس مس یا استیل است. به صاعقه گیر فرانکلین، صاعقه گیر‌های ژوپیتر، جوجه تیغی و کابل‌های معلق که براساس شکل و خاصیت فیزیکی متضمن تشدید پدیده‌هایی مانند اثر میله نوک تیز (point effect) می‌شوند و در این مسیر هیچ عامل تشدید کننده‌ای غیر از شکل خاص آن‌ها وجود ندارد، صاعقه گیر غیر فعال می‌گویند.
انواع برقگیر‌های مرسوم عبارتند از:
۱- برقگیر میله‌ای
۲- برقگیر با فواصل هوایی
۳ – برقگیر لوله‌ای
۴- برقگیر قوس طولانی (LFA)
۵- برقگیـر با مقاومت غیر خطی
۶- کابل‌های معلق
۷- قفس فارادی
۸- سیستم ترمینال مش
۱-۱-۱- میله‌های ساده فرانکلینی
اولین واحد جذب که توسط فرانکلین بیشنهاد گردید، میله‌های ساده بودند که ضربه مستقیم صاعقه به اندازه طول میله‌ها، دور از ساختمان اتفاق می‌افتاد و شعاع حفاظتی این صاعقه گیر‌های ساده در کلاس‌های حفاظتی براساس تئوری زاویه محاسبه می‌گردید.
کلاس حفاظتی صاعقه:
کلاس حفاظتی عبارتست از تعیین محدوده‌ای که در آن احتمال برخورد صاعقه مستقیم، مطابق با درصد معینی می‌باشد. برای کلاس‌های یک تا چهار به ترتیب ۹۸، ۹۵، ۹۰ و ۸۰ درصد حفاظت در نظر گرفته می‌شود. کلاس یک که بیشترین سطح حفاظتی را دارد، در آن ۹۸ درصد حفاظت در نظر گرفته می‌شود و به ترتیب برای کلاس‌های ۲ و ۳ مقادیر ۹۵ و ۹۰ درصد محاسبه شده است. اما کلاس حفاظتی نکته دیگری را نیز بیان می‌کند و آن توانایی تامین جریان توسط صاعقه است.
۲-۱-۱- برقگیر میله‌ای (جرقه گیر با فواصل هوایی)
ن نوع برقگیر‌ها بصورت دو الکترود یا دو شاخک هستند که متناسب با ولتاژ، در فاصله معین بین هادی و زمین قرار می‌گیرند و در صورت بروز اضافه ولتاژ، بین آن‌ها قوس الکتریکی برقرار می‌شود. این قوس باعث اتصال کوتاه گردیده از اضافه ولتاژ جلوگیری می‌کند، البته باعث اختلال در امر برق رسانی نیز می‌گردد. در شبکه با قدرت کم، با شکل دادن به این شاخک‌ها، پس از مدت نسبتاً کوتاهی قوس خاموش می‌شود و، چون جریان اتصال کوتاه کم بوده، خسارات ناشی از اتصال کوتاه وجود ندارد. در صورت بروز اضافه ولتاژ، در فاصله هوایی بین الکترود‌ها قوس الکتریکی برقرار می‌شود و به این ترتیب از اعمال اضافه ولتاژ به تجهیزات جلوگیری می‌شود. از معایب اصلی برقگیر میله‌ای، عدم توانایی در خاموش نمودن جرقه است و هنگامیکه بر اثر صاعقه جرقه زده شد، این جرقه باقی خواهد ماند تا زمانیکه دستگاه بدون برق گردد. در نتیجه پس از هر بار جرقه، بایستی شبکه بی برق شده و مجدداً برقدار گردد. بطور کلی معایب این نوع برقگیر‌ها در برابر تنها مزیت آن‌ها یعنی ارزان بودنشان، خیلی زیاد بوده و شامل موارد زیر می‌باشد:
۱- تداوم عبور جریان به زمین حتی پس از حذف اضافه ولتاژ (در نتیجه باعث عملکردن وسایل حفاظتی و ایجاد وقفه در سیستم می‌شود)
۲- افت شدید ولتاژ فاز بخاطر اتصال کوتاه شدن فاز در لحظه عبور جریان از جرقه گیر.
۳- ایجاد موج بریده شده که می‌تواند سیم پیچی دستگاه‌ها (ترانسفورماتورها) را تهدید کند.
۴- تحت تأثیر قرار گرفتن عملکرد آن با شکل موج اضافه ولتاژ و همچنین شرایط محیطی (فشار، آلودگی، رطوبت، …)
۵- دارای تأخیر زمانی متناسب با اضافه ولتاژ (عملکرد نامناسب در برابر اضافه ولتاژ‌های با پیشانی تند)
۶- پراکندگی زیاد ولتاژ جرقه (بیش از ۴۰%)
۳-۱-۱- برقگیر لوله‌ای
این نوع برقگیر‌ها شامل یک فاصله هوایی برای جرقه زدن در فضا و یک فاصله دیگر در درون یک محفظه مخصوص می‌باشند که با هم بطور سری قرار دارند. این نوع برقگیر‌ها به منظور کوتاه کردن زمان عبور جریان هدایت شونده (پرهیز از وقوع اتصال کوتاه) تهیه شده اند. در برقگیر لوله‌ای جریان هدایت شونده پس از یک یا چند پریود در اثر گازی که خود برقگیر تولید می‌کند از بین می‌رود و از اینجهت می‌توان آنرا برقگیر «جرقه خاموش کن» نیز نامید.
برقگیر لوله‌ای از یک لوله عایقی (R) از جنس مواد مصنوعی (PVC، فیبر لاستیک سخت) تشکیل شده است و در داخل آن دو الکترود فلزی توپر (E) و تو خالی (G) قرار دارند. الکترود G. مستقیماً به دکل یا سیم زمین متصل می‌شود ولی بین الکترود E. و فاز شبکه یک فاصله هوایی وجود دارد. هرگاه اضافه ولتاژی بین فاز و برقگیر قرار بگیرد، فاصله هوایی L. و فاصله بین دو الکترود توسط جرقه اتصال کوتاه می‌شود و در اثر این جرقه، شبکه اتصال زمین می‌شود و جریان زیادی از برقگیر می‌گذرد که سبب بخار شدن قسمتی از سطح داخلی لوله R. می‌شود. این گاز فشار داخلی را با وجود اینکه سوراخ لوله الکترود انتهایی به خارج راه دارد، بحدی بالا می‌برد که با سرعت زیاد از سوراخ G. خارج می‌شود. جریان سریع گاز، الکترون‌های موجود بین دو الکترود را با خود بخارج حمل می‌کند، جرقه را خنک کرده و در ضمن طول قوس را بحدی زیاد می‌کند که پیوستگی قوس از بین می‌رود و قوس می‌شکند و به این ترتیب پس از یک یا چند پریود، بعلت اینکه حامل‌های بار‌های الکتریکی در مسیر قوس موجود نیستند جرقه خاموش شده مجدداً روشن نمی‌شود و برای همیشه خاموش می‌ماند و جریان اتصال کوتاه قطع می‌گردد. از برقگیر‌های لوله‌ای بیشتر در شبکه‌های با ولتاژ ۱۰ تا ۳۰ کیلوولت استفاده می‌شود. این نوع برقگیر‌ها قادر نیستند که به نحو مطلوب دامنه جریان هدایت شده را قبل از قطع محدود کنند و قابلیت قطع جریان هدایت کننده با فرکانس قدرت، بستگی به ظرفیت اتصال کوتاه سیستم در نقطه خطا دارد. همچنین ولتاژ جرقه این نوع برقگیر‌ها بالاتر از برقگیر‌های با مقاومت غیر خطی است.
۴-۱-۱- برقگیر قوس طولانی (LFA)
نصب برقگیر خط بین فاز – دکل بصورت موازی با زنجیره مقره یا بجای مقره نیاز به هزینه سنگینی دارد؛ لذا باید به دنبال راهی بود تا بتوان هزینه نصب برقگیر‌ها را کاهش داد و جلوی خروج خطوط بر اثر تخلیه اضافه ولتاژ‌های ناشی از تخلیه جوی بر خط را گرفت. روش جدید حفاظت خطوط انتقال استفاده از یک سطح طولانی جهت هدایت قوس الکتریکی ناشی از تخلیه می‌باشد. برقگیر‌های قوس طولانی می‌توانند بین هادی و زمین و یا بصورت سری با مقره قرار بگیرند. ساختار این برقگیر‌ها خیلی ساده بوده و در نتیجه نسبت به سایر برقگیر‌ها ارزانتر می‌باشند. بطوریکه قیمت آن در حدود یکدهم قیمت برقگیر‌های ZnO است. یکی دیگر از مزایای عمده این برقگیر‌ها عدم جاری شدن جریان با فرکانس شبکه (PAF) پس از اتمام تخلیه جریان موج گذرا و بروز قوس بر روی مقره می‌باشد. طول برقگیر‌های LFA از طول مقره‌ای که باید حفاظت شود، بیشتر است.
۵-۱-۱- برقگیـر با مقاومت غیر خطی
همانطور که می‌دانیم این برقگیر‌ها باید همانند یک مقاومت غیر خطی عمل کنند یعنی در برابر ولتاژ نامی شبکه امپدانس بالایی را از خود نشان دهند و در برابر ولتاژ‌های بالاتر از ولتاژ نامی شبکه امپدانس کمی را از خود نشان دهند تا تخلیه صورت گیرد؛ لذا قرص‌های اکسید روی بکار رفته در برقگیر و ارستر‌های امروزی در واقع نقش مقاومت غیر خطی را بازی می‌کنند که دارای جریان نشتی بسیار کمی می‌باشند؛ لذا به روی این قرص‌ها ولتاژ تقسیم می‌گردد.
حال اگر میدان غیر یکنواخت باشد قاعدتاً تقسیم ولتاژ بر روی قرص‌ها یکسان نخواهد بود؛ در این صورت یک قرص و به خصوص قرص‌های بالایی ولتاژ بالاتری را از سایر قرص‌ها متحمل می‌شوند و زودتر آسیب می‌بینند و این امر سبب عملکرد نادرست برقگیر می‌شود لذا اگر بتوانند به طریقی میدان را یکنواخت کنند. تقسیم ولتاژ بین قرص‌ها شکل متعادل تری را به خود می‌گیرد و قاعدتاً عمر قرص‌ها افزایش می‌یابد و عملکرد برقگیر‌ها بهتر می‌گردد. برای این کار از وسیله‌ای به نام کروناگیر یا حلقه کرونا استفاده می‌کنند؛ که در حقیقت هم میدان را به سمت یکنواختی سوق می‌دهد و هم تقسیم ولتاژ را به روی قرص‌ها به حالت متعادلی نزدیک می‌نماید.
حلقه کرونا یا کروناگیر: برقگیر‌ها در قسمت فوقانی خود مجهز به یک وسیله حلقه‌ای شکل هستند که این وسیله به حلقه کرونا یا کروناگیر معروف می‌باشد.
همانطور که می‌دانیم پدیده کرونا تخلیه الکتریکی ناقص در یک میدان غیر یکنواخت می‌باشد. در پست‌های فشار قوی این پدیده بالاخص در محل‌های اتصال هادی‌ها به تجهیزات دیده می‌شود.
۶-۱-۱- سیستم ترمینال سیم هوایی (کابل‌های معلق)
این نوع حفاظت بصورت استفاده از یک یا چند سیم هوایی در بالای ناحیه مورد حفاظت است. این سیم‌ها از طریق دکل‌هایی در دو طرف ناحیه مورد نظر قرار گرفته و از همان طریق نیز به زمین متصل می‌شوند.
جهت نصب باید به این نکات توجه داشت:
– قرار دادن صاعقه گیر بر روی دکل مربوطه
– دو دکل جهت مهار کردن سیم
– استفاده از یک یا چند هادی میانی
– یک گیره تست برای هر هادی میانی جهت اندازه گیری مقاومت زمین
– فاصله هادی میانی از اجسام فلزی باید ۲ متر باشد
– سیستم زمین جداگانه برای هر هادی میانی
– هم پتانسیل سازی چاه‌های ارت
۷-۱-۱- قفس فارادی
با گسترش ابعاد ساختمان‌ها و با توجه به محدودیت‌های میله ساده، قفس فارادی (Faraday Cage) جایگزین میله‌های ساده فرانکلینی شد، امروزه نیز اکثر استاندارد‌های جهانی استفاده از قفس فارادی را بهترین روش می‌دانند. در این روش سعی می‌شود ساختمان را در قفسی از هادی‌های مسی یا فولادی محصور نمود.
۸-۱-۱- سیستم ترمینال مش
این سیستم شامل چندین میله مهار شده و متصل به یکدیگر است که تمامی این میله‌ها توسط هادی بهم وصل شده و به زمین نیز متصل می‌شوند.
جهت نصب باید به نکات زیر توجه داشت:
– چندین میله مهار شده
– یک شبکه متصل شده به میله‌ها
– برای هر میله نیاز به یک هادی میانی است
– هر هادی میانی نیاز به یک چاه ارت جداگانه دارد
– هم پتانسیل سازی سیستم‌های زمین
۲-۱- برقگیر‌های فعال (Active)
برقگیر‌هایی که به واسطه انرژی دریافت شده از منبع خارجی و یا تولید شده بصورت خودکفا، اثر پدیده‌هایی مثل point effect یا Corona Effect را تشدید می‌نماید، تنوع وسیعی دارند. از انواع آن‌ها می‌توان اتمی، بادی (پیزوالکتریک)، خورشیدی، برقی، خازنی و … را نام برد.
وابسته یا خودکفا: از نظر نیاز به انرژی، صاعقه گیر‌های فعال به دو گروه تقسیم می‌شوند. آنهائیکه برای فعال شدن به یک منبع خارجی مثل باتری یا برق شهر محتاج هستند و بدون آن نمی‌توانند کار کنند و گروهی که انرژی را توسط یک مکانیسم داخلی از محیط اطراف دریافت می‌نمایند. نوع اول را وابسته و نوع دوم را خودکفا می‌نامند.
۱-۲-۱-انواع صاعقه گیر‌های خودکفا
– صاعقه گیر‌های اتمی
– صاعقه گیر‌های بادی یا پیزوالکتریک- صاعقه گیر‌های خورشیدی
– صاعقه گیر‌های الکترونیک خازنی – اتمسفریک
امروزه بعلت وجود مشکلات مختلف در صاعقه گیر‌های اتمی، بادی، خورشیدی، بیشتر از صاعقه گیر‌های الکترونیک خازنی (بدلیل استفاده از تکنولوژی روز دنیا) استفاده می‌گردد؛ که به بررسی عملکرد آن‌ها می‌پردازیم.
۲-۲-۱- برقگیر‌های الکترونیک خازنی – اتمسفریک
مکانیسم عملکرد این برقگیر بر اساس وجود پتانسیل الکتریکی اتمسفر طراحی شده و انرژی مورد نیاز خود را بطور طبیعی از میدان الکتریکی اتمسفر دریافت می‌کنند و در صورتی که شرایط جوی فاقد پتانسیل الکتریکی باشد این صاعقه گیر همانند یک برقگیر ساده است و فعالیتی ندارد. واحد حس کننده این صاعقه گیر وقتی انرژی الکتریکی اتمسفر فراتر از حد معینی (مثلاً ۵ کیلو ولت بر متر) می‌رود، واحد شارژ را برای جمع آوری انرژی بکار می‌اندازد. این واحد تا پر شدن خازن‌های یک مدار الکترونیکی بکار ادامه می‌دهد. همین واحد وقتی میزان پتانسیل اتمسفر از حد معینی (نزدیک به وقوع صاعقه مثلاً در حدود ۱۰۰ کیلو ولت بر متر) گذر نماید، واحد شارژ دستور تخلیه خازن‌ها را به الکترود میانی متصل به زمین می‌دهد. اینکار باعث یونیزاسیون هوای اطراف صاعقه گیر خواهد شد. اینکار بصورت متوالی تکرار شده و با افزایش پتانسیل اتمسفر شدت می‌یابد. روش عملکرد این نوع صاعقه گیر بعلت وابستگی مطلق به شرایط جوی منطقه صاعقه خیز، بهترین کارآیی را داراست.
این سیستم درست قبل از حدوث صاعقه محتوی الکتریکی اتمسفر را بطور ناگهانی افزایش داده و این تغییر وضعیت توسط واحد جرقه زن، حس و کنترل می‌شود. صاعقه گیر‌های الکترونیکی انرژی موجود در هوای متلاطم پیش از طوفان را که حدود چندین هزار ولت بر هر متر است جذب و در واحد‌های جرقه زن ذخیره می‌نماید و در نهایت واحد جرقه زن با تخلیه بار الکتریکی خازن‌ها بین الکترود‌های فوقانی و الکترود مرکزی اش هوای اطراف را یونیزه می‌کنند.
چگونگی عملیات یونیزاسیون در نوک صاعقه گیر:
آزاد سازی کنترل شده یون: واحد جرقه زن (TRIGGERING) شرایطی را ایجاد می‌کند تا چشمه جوشانی از یون در اطراف میله نوک تیز فراهم شود. دقت عمل این واحد باید به گونه‌ای کنترل شده باشد که آزاد سازی یون‌ها را درست چند میکرو ثانیه قبل از وقوع تخلیه صاعقه صورت دهد.
حضور حجم وسیع بار‌های الکتریکی در اطراف صاعقه گیر و ازدیاد ناگهانی میدان الکتریکی محیط قبل از صاعقه، باعث می‌شود که زمان تولید کرونا (Corona Effect Triggering) بسیار کوتاه شود.
– صاعقه گیر باید طوری طراحی شده باشد که عملاً حمله‌ای که از نوک برقگیر به ابر می‌رود زودتر از حملاتی باشد که از هر نقطه مرتفع دیگری ممکن است به ابر فرستاده شود.
– مقاومت الکترود زمین صاعقه گیر می‌بایست زیر ۱۰ اهم باشد و پس از اجرا به شبکه هم پتانسیل کل سایت متصل شود.
– در اجرای الکترود زمین هر صاعقه گیر می‌بایست از اقلامی، چون صفحه‌های مسی، مواد کاهنده مقاومت (LOM)، اتصالات جوش انفجاری استفاده نمود.
– صاعقه گیر پس از نصب روی ساختمان، می‌بایست بوسیله هادی‌های میانی Down Conductor از طریق سیم مسی بدون روکش به سیستم زمین متصل گردد.
نام اصلی اینگونه صاعقه گیر‌ها (ESE (Early Streamer Emission می‌باشد. اساس کار اینگونه صاعقه گیر‌ها بدین صورت است که با ایجاد گوی یونیزه شده در اطراف صاعقه گیر، جریانات صاعقه امکان اصابت به محدوده داخلی را نداشته و به جلد خارجی این گوی اصابت می‌کنند.
این صاعقه گیر‌ها دارای مشخصه‌هایی هستند که در هنگام تهیه باید به آن‌ها توجه نمود. یکی از مشخصه‌های مهم در و تاثیرگذار، زمان فعال سازی یا Advanced Time است که با T∆ شناخته می‌شود. عبارتست از زمانی که صاعقه گیر سریعتر از یک برقگیر معمولی عمل می‌کند.
با توجه به اینکه سرعت جریان بالارونده درحدود یک میکروثانیه در متر می‌باشد لذا پارامتر دیگری به نام L∆ مطرح می‌گردد که عبارتست از شعاع گوی یونیزه شونده.
V=∆L / ∆T =۱ m. ⁄ μs→if (∆T=۳۰ μs) → ∆L=۳۰ m. بر اساس مطالب فوق صاعقه گیری با زمان فعال سازی ۳۰ میکروثانیه، دارای شعاع گوی یونیزه شونده ۳۰ متری می‌باشد.
۳-۱- عوامل مهم در آسیب دیدگی برقگیر‌ها
عملاً عوامل زیادی در آسیب دیدگی برقگیر‌ها نقش داشته و می‌توانند بر کارائی آن‌ها تاثیر گذاشته و حتی منجر به ترکیدن برقگیر‌ها شوند. مهمترین عوامل آسیب دیدگی برقگیر‌ها عبارتند از:
۱- نفوذ رطوبت و آلودگی
۲- اضافه ولتاژ‌های گذرا و موقتی
۳- استفاده نا مناسب از برقگیر
۴- عدم انطباق شرایط بهره برداری با مشخصه برقگیر (طراحی غلط)
منبع : برق نیوز
