مقدمه
برقگیر از وسایل ایمنی میباشد که برای هدایت موجهای ولتاژ ضربهای به زمین و جلوگیری از ورود آنها به ایستگاههای انتقال و توزیع نیرو بکار میرود و معمولاً در انتهای خط انتقال و در ورودی ترانسها نصب میشود. ولتاژ شکست الکتریکی یک برقگیر بایستی کمتر از ولتاژ شکست الکتریکی ایزولاسیون لایه تجهیزات نصب شده در پست باشد.
صاعقه گیر چگونه عمل می کند؟ و انواع آن کدامند؟
میله های ساده فرانکلینی : اولین واحد جذب که توسط فرانکلین بیشنهاد گردید، میله های ساده بودند که ضربه مستقیم صاعقه به اندازه طول میله ها، دور از ساختمان اتفاق می افتاد و شعاع حفاظتی این صاعقه گیرهای ساده در کلاسهای حفاظتی براساس تئوری زاویه محاسبه می گردید.
قفس فارادی : با گسترش ابعاد ساختمانها و با توجه به محدودیت های میله ساده ، قفس فارادی (Faraday Cage) جایگزین میله های ساده فرانکلینی شد، امروزه نیز اکثر استانداردهای جهانی استفاده از قفس فارادی را بهترین روش میدانند. در این روش سعی می شود ساختمان را در قفسی از هادیهای مسی یا فولادی محصور نمود.
صاعقه گیرهای یونیزه کننده هوا : طراحی و نصب این صاعقه گیر های براساس استاندارد NFC 17-102 انجام می گیرد ریشه این استاندارد نیز همان تئوری گوی غلطان است که در تمامی استاندارد ها از آن استفاده شده است. NFC 17-102 با وارد کردن پارامتر ΔL در فرمول محاسبات، شعاع پوشش افزایش یافته صاعقه گیر را محاسبه می کند.
صاعقه گیر پس از نصب روی ساختمان، می بایست بوسیله هادیهای میانی Down Conductor از طریق سیم مسی بدون روکش به سیستم زمین متصل گردد.
مقاومت الکترود زمین صاعقه گیر می بایست زیر 10 اهم باشد و پس از اجرا به شبکه هم بتانسیل کل سایت متصل شود.
در اجرای الکترود زمین هر صاعقه گیر می بایست از اقلامی چون صفحه های مسی، مواد کاهنده مقاومت (LOM) ، اتصالات جوش انفجاری استفاده نمود.
صاعقه گیر الکترونیکی :
درست قبل از حدوث صاعقه بطور طبیعی محتوی الکتریکی اتمسفر بطور ناگهانی افزایش می یابد. این تغییر وضعیت توسط واحد جرقه زن حس و کنترل می شود 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 می نماید و در نهایت واحد جرقه زن با تخلیه بار الکتریکی خازنها بین الکترودهای فوقانی و الکترود مرکزی اش هوای اطراف را یونیزه می نماید
اصول عملکرد صاعقه گیر الکترونیکی :
آزاد سازی کنترل شده یونها : واحد جرقه زن (TRIGGERING) صاعقه گیرهای الکترونیکی شرایطی را ایجاد می کند تا چشمه جوشانی از یون (کرونا) در اطراف میله نوک تیز فراهم شود. دقت عمل این واحد باید به گونه ای کنترل شده باش که آزاد سازی یونها را درست چند میکرو ثانیه قبل از حدوث و تخلیه صاعقه صورت دهد.
اثر کرونا و واحد جرقه زن : حضور حجم وسیع بارهای الکتریکی در اطراف میله نوک تیز صاعقه گیر پس از یونیزاسیون توسط واحد جرقه زن سبب می شود تا پدیده طبیعی تجمع بارهای الکترونیکی اطراف میله (Corona effect) تقویت و تشدید شود.
تسریع در بروز علمدار حمله زمینی : صاعقه گیرهای الکترونیکی طوری طراحی شده اند که ارسال علمدار حمله زمینی را خیلی زودتر از نقاط هم ارتفاع مشابه همان محدوده به انجام برسانند و این به معنی تشکیل نقطه ترجیهی دریافت صاعقه در منطقه تحت حفاظت با صاعقه گیرهای الکترونیکی نسبت به سایر نقاط می باشد.
سیستم هم پتانسیل :
وجود اختلاف پتانسیل بالا بین دو هادی الکتریکی نزدیک به هم باعث بوجود آمدن قوس الکتریکی می شود که خطر و خسارت ناشی از آن کمتر از صاعقه نیست ، به همین دلیل در ایجاد یک سیستم حفاظتی هم پتانسیل سازی از ارکان کار بوده و بدین مفهوم است که در یک مکان حفاظت شده بایستی تمامی هادی های الکتریکی از قبیل بدنه دستگاه ها، سازه های فلزی، لوله های آب و ... هم پتانسیل باشند زیرا در غیر این صورت این اختلاف پتانسیل باعث تخلیه شدن رعد و برق از مسیرهای نامناسب خواهد شد که احتمالاً خسارت آن کمتر از اصابت مستقیم صاعقه نیست . برای ایجاد سیستم هم پتانسیل بایستی تمامی اجزاء هادی در ساختمان به گونه ای به سیستم زمین مشترک متصل گردند . برای طراحی سیستم حفاظت از سایت های ارتباطی در مقابل رعد وبرق مؤلفه های فراوانی وجود دارد که مواردی در ذیل آمده است :
1- موقعیت جغرافیای سایت ارتباطی ( که به وسیله آن احتمال وقوع رع و برق در آن ناحیه و ضرورت نصب سیستم ارتینگ محاسبه می گردد ) .
2- فاکتور تأثیر سطوح خارجی ساختمان : شکل و ارتفاع یک ساختمان با کاهش یا افزایش احتمال اصابت صاعقه به آن ساختمان مستقیماً در ارتباط است .
3- نوع ساختمان : آجری یا بتونی بودن ساختمان و این که دارای اسکلت فلزی است یا نه ؟
4- ارزش تجهیزات ارتباطی داخل ساختمان : بسته به قیمت تجهیزات می توان مقدار هزینه مطلوب برای ایمنی آن را برآورد نمود .
در حالت کلی برای حفاظت از یک سایت ارتباطی در نظر گرفتن دو نوع حفاظت خارجی و حفاظت داخلی الزامی می باشد .
حفاظت خارجی : حفاظت خارجی سایت ارتباطی را در مقابل اصابت مستقیم رعد و برق محافظت می نماید و از سه قسمت ذیل تشکیل گردیده است .
1- برقگیر
2- هادی میانی
3- سیستم زمین
که هر کدام از موارد فوق دارای انواع محاسبات عدیده ای می باشد که به اختصار شرح داده می شود .
برقگیر :
برقگیر وسیله ای است که در بالاترین نقطه ساختمان نصب گشته و اولین نقطه اصابت رعد و برق می باشد به دلیل این که رعد و برق از کوتاه ترین فاصله بین ابر و زمین تخلیه می گردد . البته از نوک برقگیر نصب شده به زاویه 45 درجه تا سطح افق را مخروط ایمنی می گویند و هر جسمی که در درون مخروط ایمنی قرار گیرد دیگر در معرض اصابت مستقیم صاعقه نخواهد نخواهد بود و به همین دلیل است که دربعضی موارد برای پوشش کل ساختمان سایت از چندین برقگیر به صورت قفس فاراده استفاده می گردد و حتی در استاندارد NFC 17-100 فرانسه برای حفاظت از کارخانجات پتروشیمی و نفت و ... پیشنهاد گردیده که در اطراف ساختمان چهار دکل نصب و هر کدام از آن ها به وسیله سیم از سر به هم وصل شوند تا بدین صورت مخروط ایمنی با ضریب اطمینان بالا حاصل گردد. در حالت کلی می توان نصب برقگیرها را با توپولوژی ساده یا مش (Mesh) نمود .
برقگیر بر دو نوع است :
1- برقگیر غیرفعال ( پسیو )
2- برقگیر فعال ( اکتیو )
برقگیر غیرفعال شامل یک میله ساده نوک تیز است که دقیقاً مخروط ایمنی از نوک آن به فاصله 45 درجه می باشد و در محاسبات عملی برای بالا رفتن اطمینان این زاویه را 35 یا حتی پایین تر در نظر می گیرند . برقگیر فعال با فناوری مختلف ( خازنی ، اتمی و ... ) هوای اطراف خویش را یونیزه می نماید و بدینوسیله ایمنی بیشتری را ایجاد می نماید . این نوع برقگیرها با توجه به توان ایمنی ایجادی به کلاس های 1 ، 2 و 3 تقسیم می گردند.
در برقگیرهای فعال معمولاً سه مؤلفه کلاس حفاظتی ، شعاع حفاظت و ارتفاع برقگیر نسبت به سطح بایستی مورد توجه قرار گیرد. از نظر قیمت نیز برقگیرهای فعال گران تر هستند و می بایست در انتخاب برقگیر دقت نماییم تا مجهز به سیستم هادی میانی مناسب باشد تا برقگیر درست عمل کرده و موجب خسارت نشود.
هادی میانی :
ارتباط بین برقگیر و سیستم زمین توسط هادی میانی انجام می گیرد. با توجه به استاندارد NFCاگر ارتفاع ساختمان از 28 متر بالاتر باشد یا این که طول ساختمان از 2 برابر ارتفاع بزرگ تر باشد بایستی برای اتصال برقگیر به سیستم زمین از هادی میانی استفاده نمود. در مورد قطر هادی نیز استاندارد مصارف خانگی برای هادی میانی سیم 50 مسی و برای مصارف صنعتی سیم های 75 ، 90 ، 120 و ... بسته به مؤلفه محتویات ساختمان می توان استفاده نمود.
یک نکته ضروری در مورد هادی میانی تخلیه جانبی است اگر هنگام نصب اتصالات هادی میانی به اندازه کافی دقت نگردد، امکان ایجاد اتصال کوتاه و تخلیه انرژی از مسیرهای نامناسب وجود دارد که خطر این مسئله می تواند بیشتر از خطر اصابت صاعقه باشد.
برای نصب هادی میانی از بست های مخصوصی استفاده می گردد که معمولاً از جنس مس یا استیل هستند و همچنین منطبق بر استاندارد اروپا فاصله هادی میانی از دیوار بایستی کمتر از یک دهم متر باشد.
سیستم زمین :
یکی از مهم ترین قسمت های سیستم ارتینگ سیستم زمین می باشد آن می باشد به طوری که بعضی سیستم ارت را در این قسمت خلاصه می کنند.
با اصابت رعد و برق به برقگیر انرژی آن به برقگیر منتقل می گردد و سیستم هادی میانی وظیفه دارد بدون تخلیه از مسیرهای نادرست از یک مسیر مناسب که در طراحی مدنظر بوده آن را به سیستم زمین منتقل گرداند و کار سیستم ارت به تزریق انرژی رعد و برق به زمین منتهی می شود.
با توجه به توضیح بالا معلوم می گردد که قسمت زمین سیستم ارت بایستی به نحوی تخلیه انرژی به زمین را در اسرع وقت انجام نماید و می دانید زمین مبداء توان است و دارای مقاومت صفر ، ولی به علت وجود لایه های پوسته زمین، در سطح زمین مقاومت آن دقیقاً صفر نیست و ما با ایجاد سیستم زمین مقاومت زمین را به صفر نزدیک می نماییم تا قابلیت جذب انرژی رعد و برق را داشته باشد. پس مهمترین مؤلفه یک سیستم زمین مقدار مقاومت آن است که هر چه پایین تر باشد بهتر است. برای سیستم های قدرت، مقاومت ارت زیر 10 اهم قابل قبول می باشد ولی برای سیستم های حساس از قبیل سیستم های مخابراتی معمولاً مقاومت زیر 3 اهم مدنظر است که در موارد خاص با توجه به پیشنهاد سازنده دستگاه این مقدار تغییر می یابد.
سیستم زمین به انواع مختلفی از قبیل سیستم چاه، سیستم حلقه و سیستم میله ای ارت تقسیم بندی می شود و با توجه به نوع خاکی که می خواهیم سیستم زمین ایجاد نماییم انتخاب می گردد. مثلاً در جاده های سنگلاخی، میله های ارت که به صورت شبکه ای در زمین فرو می روند برای ایجاد و گسترش سیستم زمین بهترین گزینه است.
سیستم حفاظت داخلی :
حفاظت داخلی سایت ارتباطی را در مقابل عوامل مختلفی از قبیل نوسانات ولتاژ(Over Voltage) و القائات ناشی از اصابت غیرمستقیم رعد و برق(که به شعاع یک کیلومتر از محل اصابت این القائات وجود دارند) محافظت می نماید.
ارسترها تجهیزاتی هستند که کار حفاظت از سیستم های مخابرات و الکترونیک، در برابر نوسانات ناشی از رعد و برق را بر عهده دارند البته نقش ضربه گیرهای ولتاژ را نباید از قلم انداخت.
سیستم حفاظت خارجی مخصوصاً در قسمت انتهای آن قدرت آنی تخلیه انرژی زیاد ایجاد شده از اصابت مستقیم را ندارد و گفته می شود در لحظه اول تنها 50 درصد انرژی تخلیه می گردد و با توجه به هم پتانسیل بودن ساختمان امکان برگشت انرژی به داخل سایت و مورد حمله قرار دادن آن موجود می باشد، با نصب ضربه گیرها این امکان از بین خواهد رفت.
ضربه گیرها در کلاس های حفاظتی مختلف یک، دو، سه و به صورت یک پل، دو پل تا چهار پل موجود است که در محاسبه نصب آن ها جریان گذرنده در محل نصب و مکان نصب مهم می باشد به طور مثال اگر می خواهیم ضربه گیر را در ورودی اصلی برق ساختمان قرار دهیم بهتر است از ضربه گیرهای کلاس یک استفاده نمود.
ارسترهای مختلفی برای محافظت از خطوط تلفن، خطوط آنتن، شبکه های رایانه ای و شبکه های رادیویی فرکانس بالا موجود است که می توان بسته به پورت های ورودی و خروجی و تعیین اهمیت حفاظت نسبت به تهیه آن ها در رنج ها و کلاس های مختلف اقدام نمود. البته بحث در مورد ساختار داخلی ارسترها بسیار مفصل است که در قالب این مقاله نمی گنجد.
هادی میانی (Down Conductor): یکی از سه جزء اساسی سیستم حفاظت در برابر صاعقه بوده و نحوه نصب، مسیر دهی و انتخاب جنس و ابعاد آن در عملکرد صحیح و ایمن سیستم حائز اهمیت است. جنس و ابعاد هادی میانی در صورتی که سیستم حفاظتی پسیو بوده و بر اساس استاندارد IEC 62305 طراحی می شود، از جدول 3 قابل استخراج است(رجوع شود به مبحث صاعقه گیر پسیو).
هر چند می توان در طراحی هر دو نوع سیستم پسیو و اکتیو جنس و ابعاد مجاز هادی میانی را از جدول 3 استخراج نمود، اما به دلیل وجود اندکی تفاوت بهتر است در مورد صاعقه گیر اکتیو از جدول 5 استفاده نمود.
فیلم فارسی آموزش طراحی صاعقه گیر
در مورد محل نصب و انتخاب مسیر هادی میانی نکات مهمی وجود دارند که به بطور خلاصه به آنها اشاره می شود:
1- هادی میانی باید به گونه ای نصب شود که کوتاهترین و مستقیم ترین اتصال به سیستم زمین را داشته باشد.
2- شعاع خمیدگیها و انحناها مطابق با شکل 8 بایستی بیشتر از 1/20 طول خمیدگی باشد یا به عبارتی:
(3)
و در هر شرایطی نباید کمتر از 20 سانتیمتر باشد.
جدول 5 جنس و ابعاد هادی میانی مطابق با NFC 17-102
3- عبور هادی میانی از روی دیواره های کوتاه، حداکثر افزایش ارتفاع 40 سانتیمتری با شیب 45 درجه یا کمتر مجاز می باشد (شکل 8).
4- برای مهار کردن هادی میانی باید در هر یک متر از سه بست استفاده نمود(در فواصل 50 سانتیمتری).
5- برای هر صاعقه گیر اکتیو حداقل دو مسیر هادی میانی مورد نیاز است. در صورتی که ارتفاع سازه محل نصب ESE بیش از 60 متر باشد بایستی از چهار مسیر هادی میانی استفاده نمود. بایستی سعی شود مسیرهای هادی میانی تا حد امکان با یکدیگر فاصله داشته باشند. حداقل فاصله افقی نباید کمتر از 2 متر باشد.
6- برای هر صاعقه گیر پسیو میله ای که بر روی پایه های جداگانه نصب شده باشند، حداقل یک رشته هادی میانی لازم است.
شکل 8 خمیدگی های مجاز هادی میانی
7- در صورتیکه صاعقه گیر پسیو از نوع هادی های سیمی معلق باشد برای هر پایه مهار کننده حداقل یک رشته هادی میانی لازم است.
8- در مورد صاعقه گیر پسیو نوع شبکه ای(مش) برای انتهای هر هادی فرم دهنده شبکه یک مسیر هادی میانی لازم است. این هادیها بایستی با فواصل یکسان در پیرامون سازه نصب شوند. حداقل فواصل نوعی برای هر کلاس حفاظتی مطابق با IEC 62305 در جدول 6 داده شده است.
جدول 6 فواصل نوعی هادی میانی در یک سیستم حفاطتی پسیو
ترمینال تست: برای اینکه بتوان در مواقع لزوم مقاومت ترمینال زمین را سنجیده و LPS را از آن جدا نمود، لازم است که برای هر هادی میانی یک ترمینال تست جدا شونده نصب نمود. ترمینال بایستی طوری باشد که فقط در مواقع مورد لزوم باز شود و در سایر شرایط عادی بسته باشد.
تعیین شعاع حفاظتی به روش پسیو :
بر اساس استاندارد IEC62305 برای تعیین شعاع حفاظتی روشهای مختلفی وجود دارد که مشخصات کلاس حفاظتی ، ارتفاع سازه ، نوع برقگیر ( اکتیو یا پسیو ) در تعیین آن درنظر گرفته می شوند .
روشهای حفاظت ( Protection Methods ) عبارتند از :
مخروط فرانکلین یا روش زاویه ( Angle Method ) : در این روش محدوده ای مخروطی بر اساس جدول و شکل زیر که زاویه راس آن بستگی به ارتفاع سازه دارد ایجاد می شود که محدوده حفاظتی بحساب می آید . همانطور که مشاهده می کنید این روش برای سازه های مرتفع تر از 20 متر برای کلاس یک پاسخگو نیست .
میله های برقگیر باید در بلندترین نقاط ساختمان بنحوی قرار گیرند که گوشه های ساختمان بکلی محافظت شوند . در اینحالت بر اساس ارتفاع نوک برقگیر ، شعاع حفاظتی در پای ساختمان را نتیجه می دهد .
روش گوی غلتان ( Rolling Sphere Method ) : در این روش گوی هایی با شعاع هایی متناظر با کلاس های حفاظتی در نظر گرفته می شود ( این شعاع D عبارتست از فاصله آخرین استپ از لیدر پائین رونده ) که شعاع حفاظتی ، محدوده زیر منحنی نقاط تلاقی کره با نوک برقگیر و زمین می باشد ( احتمال اصابت صاعقه تنها به نقاطی وجود دارد که با کره تلاقی دارند ) .
وقتی که برقگیر پسیو نصب شد ، شعاع حفاظتی بر اساس فرمول زیر محاسبه می گردد
روش قفس فارادی (Mesh Method ) : در این روش تسمه های مسی را بصورت متقاطع به نحوی بر روی سطح خارجی ساختمان نصب می کنند که فاصله این تسمه های مسی ، متناظر با اعداد مرتبط با کلاس حفاظتی است . برای ساختمان های مرتفع تر از 60 متر ، برای 20 درصد دیوارهای بخش بالایی ساختمان نیز این روش اجرا میگردد .
همچنین فاصله بین هادی های میانی از جدول زیر بدست می آید .
هادی های میانی باید هر نیم متر توسط بست به جداره ساختمان محکم شوند .
به منظور جلوگیری از خسارتهای ناشی از اثرات حرارتی عبور جریان صاعقه از هادی میانی طولانی لازم است هر 20 متر بخشی به منظور جبران این اختلاف طول در نظر گرفته شود .
به منظور جلوگیری از صدمات مکانیکی به هادی میانی ، حداقل سطح 20 متر پائینی هادی میانی با پوشش فلزی مکعبی پوشانده شود .
بخش جداشونده ای برای هر هادی میانی در نظر گرفته شود تا بتوان مقاومت هریک از سیستم های ارت را جداگانه اندازه گیری نمود .
مقاومت کمتر از 10 اهم برای سیستم ارت توصیه می گردد .
بمنظور جلوگیری از خوردگی ، بخش متصل کننده بخشهای غیر همجنس سیستم ارت ، توسط اتصالات بیمتال و یا استیل ضدزنگ متصل شوند .
لوح فشرده آموزش طراحی سیستم صاعقه گیر فارسی شامل:
1-آشنایی با تجهیزات برق گیر و صاعقه گیر ، میله فرانکلین و .....
2-آموزش محاسبات صاعقه گیر بر اساس استاندارد BS 6651, NFC17-102 (فارسی با نمونه مساله حل شده)
2- آموزش روش حفاظت از صاعقه (قفس فاراده و ...)
5-نحوه ارت کردن سیستم صاعقه گیر
نرم افزار INDELEC جهت طراحی سیستم برق گیر + آموزش
نمونه طراحی با نرم افزار INDELEC
استاندارد NFC در زمینه طراحی برق گیر + ترجمه فارسی استاندارد NFC
نمونه نقشه های Autocad سیستم حفاظت از صاعقه
پروژه و تحقیق- برقگیر و نحوه طراحی و اجرای آن در سازه ها- در 128 صفحه-docx