مه
برقگیر
صفحه‌ی اتصال به زمین و سیم‌های اتصال زمین می‌توانند به خوبی سیستم الکتریکی را در برابر صاعقه محافظت کند، اما در برابر موج‌های ولتاژ گذرای در حال حرکت که ممکن‌است به ترمینال‌ها برسند نمی‌تواند محافظتی ارائه‌کند. برقگیر یا دایورت‌کننده‌های (منحرف‌کننده) موج‌های آنی در برابر این نوع امواج محافظت ارائه‌می‌کنند.
برقگیر یا دایورت‌کننده موج یک دستگاه حافظتی‌است که ولتاژ‌های بالا در سیستم قدرت را به زمین هدایت می‌کند.
شکل24.8
شکل24.8 (1) شکل ساده‌ی دایورت‌کننده موج را نشان می‌دهد. این قطعه از یک شکاف جرقه‌ای سری با مقاومت غیر خطی تشکیل شده‌است. یک انتهای دایورت‌کننده به ترمینال دستگاه تحت محافظت و سر دیگر نیز به صورت بهینه به زمین متصل شده‌است. طول شکاف طوری تنظیم می‌شود که ولتاژ عادی خط نتواند در این شکاف آرکه ایجاد کند، و ولتاژ‌هایی که به طور خطرناکی بالا هستند این عایق هوایی را شکسته و یک آرک (جرقه) ایجاد می‌کنند. یکی از ویژگی‌های مقاومت غیر خطی این‌است که مقاومت آن با افزایش ولتاژ (یا جریان) کاهش پیدا می‌کند و برعکس. از مشخصه‌ی ولت آمپر مقاومت که در شکل 24.8 (2) می‌بینیم این قضیه روشن‌است.
کارکرد برقگیر یا دایورت‌کننده موج تحت شرایط زیر متفاوت‌است:
- در شرایط عادی، برقگیر خارج از خط‌است، یعنی هیچ جریانی را به زمین منتقل نکرده و شکاف هادی نیست.
- به هنگام وجود ولتاژ اضافی، عایق هوایی در شکاف شکست کرده و یک آرک ایجاد‌می‌شود، و مسیر کم مقاومتی برای انتقال موج به زمین ایجاد می‌شود. به این صورت، بار اضافی روی خط به دلیل موج بالا بدون آسیب از برقگیر به زمین منتقل‌می‌شود و دوباره به خط ارسال نمی‌شود.
- باید همچنین به عملکرد مقاومت غیر خطی برقگیر نیز اشاره کرد. وقتی به دلیل ولتاژ اضافی در این شکاف جرقه ایجاد‌می‌شود، آرک یک اتصال کوتاه خواهد‌بود و ممکن‌است در برق گیر جریان توان بالایی ایجاد‌شود. چون مشخصه‌ی مقاومت این‌است که در ولتاژ (یا جریان بالا) مقاومت بالایی ایجاد کند، از اثر اتصال کوتاه جلوگیری‌می‌کند. پس از اتمام موج، مقاومت بالا‌شده و این شکاف را غیر هادی‌می‌کند.
در طراحی برقگیر باید دو چیز را در نظر گرفت. ابتدا، وقتی موج تمام شد، آرک باید از بین برود. اگر آرک از بین نرود، جریان به عبور از مقاومت ادامه خواهد‌داد و ممکن‌است شکاف و مقاومت هر دو از بین‌بروند. دوم، افت I R (که در آن I جریان موج آنی است) در دو سر برقگیر به هنگام عبور جریان آنی نباید از قدرت شکست عایق تجهیزاتی که باید محافظت شود بیشتر باشد.
انواع برقگیرها
در حالت کلی چند نوع برقگیر وجود دارد. تفاوت آن‌ها در جزئیات ساخت‌است، اما عملکرد تمام آن‌ها تقریباً یکسان است و مسیر کوتاهی برای موج آنی تا زمین ارائه‌می‌کند. در ادامه انواع برق‌گیرهای زیر را بحث خواهیم کرد:
- 1- برق گیر شکاف میله‌ای
- 2- برقگیر شاخه‌ای
- 3- برقگیر چند شکافی
- 4- برقگیر از نوع دفعی
- 5- برق گیر از نوع دریچه
برقگیر شکاف میله‌ای
این دایورت‌کننده بسیار ساده و خطی‌است و از دو میله‌ی 1.5 سانتی‌متری تشکیل شده‌است، که با زاویه‌های زیاد خم شده و یک شکاف بین‌آن‌ها وجود‌دارد که در شکل 24.9 نیز نشان داده‌شده‌است. یک میله به مدار متصل‌شده و میله دیگر نیز به زمین وصل‌می‌شود. فاصله بین شکاف و عایق (P) نباید کمتر از یک سوم طول شکاف باشد، بطوریکه آرک نتواند به عایق رسیده و به آن آسیب بزند. در حالت کلی، طول شکاف طوری تنظیم‌می‌شود که شکست در 80 درصد اضافه ولتاژ رخ دهد، که از حالت آبشاری موج‌های با شیب زیادپیش رونده در دو سر عایق جلوگیری‌شود. رشته‌ی عایق‌ها برای خط هوایی برای بوش ترانسفورماتور معمولاً دارای یک شکاف هوایی در دو سر آن است. شکل 24.9 شکاف میله‌ای بوش ترانسفورماتور را نشان می‌دهد.
شکل24.9
تحت شرایط عادی، شکاف غیر هادی باقی می‌ماند. به هنگام ایجاد ولتاژ بالا روی خط، شکاف جرقه زده و جریان آنی به زمین منتقل می‌شود. به این صورت، بار اضافی روی خط به دلیل موج آنی بدون آسیب به زمین هدایت‌می‌شود.
محدودیت‌ها
- پس از اتمام موج، آرک در شکاف توسط ولتاژ تغذیه‌ی عادی حفظ‌می‌شود و باعث‌می‌شود در مدار اتصال کوتاه وجود داشته‌باشد.
- ممکن‌است میله‌ها ذوب‌شده و یا به دلیل گرمای زیاد ایجاد‌شده توسط آرک آسیب ببیند.
- شرایط آب و هوایی (مانند باران، رطوبت، دما و غیره) در عملکرد برق گیر شکاف میله‌ای تأثیرگذار‌است.
- قطبیت موج نیز در عملکرد این نوع برقگیر اثرگذار‌است.
به دلیل محدودیت‌های فوق، برق گیر میله‌ای تنها به عنوان حفاظ پشتیبان در کنار برق‌گیرهای اصلی استفاده‌می‌شود.
برقگیر شاخه‌ای
شکل24.10 برقگیر شکاف شاخه‌ای را نشان‌می‌دهد. این برقگیر از دو میله‌ی فلزی به شکل شاخ A و B تشکیل شده‌است که توسط یک شکاف هوایی کوچک از هم جدا شده‌اند.
این شاخ‌ها طوری ساخته شده‌اند که فاصله بین آن‌ها به سوی بالا به تدریج افزایش پیدا می‌کند. شاخ‌ها بر روی عایق‌های پورسلین نصب شده‌است.
انتهای یکی از شاخ‌ها از طریق مقاومت R و سلف چوک L به خط متصل شده و سر دیگر نیز زمین شده‌است. مقاومت R در محدود کردن عبور جریان کمک‌کننده‌است.
سلف چوک طوری طراحی شده‌است که راکتانس بسیار کمی در فرکانس کم دارد، اما در فرکانسِ گذرا راکتانس بسیار بالایی دارد.
بنابراین، چوک امکان عبور وضعیت گذرا به دستگاه تحت حفاظ را ایجاد می‌کند. شکاف بین دو شاخ طوری تنظیم شده‌است که ولتاژ تغذیه‌ی عادی برای ایجاد آرک بین شکاف کافی نباشد.
شکل24.10
تحت شرایط عادی، این شکاف هادی نیست، یعنی ولتاژ تغذیه عادی برای ایجاد آرک بین این شکاف کافی نیست. به هنگام رخداد ولتاژ زیاد، در دو سر شکاف G جرقه ایجاد می‌شود. هوای گرم شده به دور آرک و اثر مغناطیس آرک باعث می‌شود آرک در شکاف به سوی بالا حرکت کند. آرک به صورت پیوسته به جایگاه 1، 2 و 3 حرکت می‌کند. در گاهی اوقات آرک‌ها (شاید جایگاه 3)، فاصله ممکن‌است آنقدر زیاد نباشد که ولتاژ آرک را حفظ کند. در نتیجه، آرک از بین می‌رود. بار اضافی بر روی خط نیز از طریق برقگیر به زمین منتقل می‌شود.
مزایا
- آرک خود به خود از بین می‌رود. بنابراین، در این نوع برقگیر پس از اتمام موج باعث ایجاد اتصال کوتاه در سیستم نمی‌شود.
- مقاومت سری باعث می‌شود عبور جریان تا مقدار کمی محدودی شود.
محدودیت‌ها
- اثر پل شکاف توسط یک عامل خارجی (برای مثال پرنده) می‌تواند دستگاه را بلااستفاده کند.
- تنظیم شکاف شاخ به احتمال زیاد به دلیل پوسیدگی و یا فرسایش تغییر می‌کند. این باعث می‌شود عملکرد برقگیر تحت تأثیر قرار‌بگیرد.
- زمان عملیات نسبتاً طولانی و در حدود 3 ثانیه است. در تجهیزات محافظ مدرن که عملکرد بسیار سریعی در مدارهای تغذیه‌گر دارند، این زمان بسیار طولانی‌است.
به دلیل محدودیت‌های فوق، این نوع برقگیر قابل اتکا نبوده و تنها می‌توان آن را برای خط دوم دفاع استفاده کرد، مانند برقگیر شکاف هوای میله‌ای.
برقگیر چند شکافی
شکل24.11 برقگیر چند شکافی را نشان می‌دهد. این برقگیر از یک سری سیلندر فلزی (که معمولاً آلیاژ زینک هستند) تشکیل‌شده که از هم عایق هستند، و توسط شکاف‌های هوایی کوچک از هم فاصله دارند.
سیلندر اول (A) به صورت سری به خط متصل شده و دیگری نیز از طریق مقاومت سری به زمین متصل شده‌است. مقاومت سری از آرک برق جلوگیری می‌کند. با اضافه کردن مقاومت سری، درجه‌ی حافظت در برابر موج‌های مسافر کاهش پیدا می‌کند.
برای حل این مسئله، برخی از شکاف‌ها (B تا C در شکل 24.11) توسط مقاومت شانت می‌شوند.
شکل24.11
تحت شرایط عادی، نقطه‌ی B در پتانسیل زمین قرار داشته و ولتاژ تغذیه‌ی عادی نمی‌تواند شکاف‌های سری را بشکند. به هنگام رخداد ولتاژ اضافی، شکست شکاف‌های سریِ A تا B رخ می‌دهد.
جریان سنگین پس از شکست مسیر مستقیم تا زمین را از طریق شکاف‌های شانت B و C انتخاب می‌کند، نه مسیر جایگزین مقاومت شانت.
هنگامی که موج تمام شد، آرک‌های B تا C حذف شده و توانی که از موج جاری بود توسط دو مقاومتی که اکنون سری هستند محدود می‌شود (مقاومت شانت و مقاومت سری).
جریان بسیار کم بوده و آرک A تا B را حفظ نمی‌کند، و شرایط عادی برگردانده می‌شود. این برقگیرها را می‌توان برای سیستم‌هایی که ولتاژ آن بیشتر از 33kV نیست به کار برد.
برقگیر نوع دفعی
این نوع برقگیر همچنین تیوپ محافظ نیز نامیده‌می‌شود و معمولاً در سیستم‌هایی به کار گرفته می‌شود که ولتاژ کاری آن‌ها تا 33kVاست.
شکل 24.12 (1) بخش‌های اصلیِ برقگیر نوع دفعی را نشان می‌دهد. این نوع برقگیر از یک شکاف میله‌ای AA سری با شکاف ثانویه‌ی داخل محفظه فیبر تشکیل شده‌است.
شکاف در تیوپ فیبری توسط دو الکترود تشکیل شده‌است. الکترود بالایی به شکاف میله متصل شده و الکترود پایین نیز به زمین وصل است. یک برقگیر دفعی برای هر خط هادی نصب می‌شود. شکل24.12 (2) نصب برقگیر دفعی بر روی خط هوایی را نشان می‌دهد.
شکل 24.12
وقتی در خط ولتاژ اضافی رخ می‌دهد، شکاف AA سری توسعه پیدا کرده و آرک بین دو الکترود در داخل تیوپ گیر می‌کند. گرمای آرک بخشی از فیبر دیوارها را بخار می‌کند، که باعث می‌شود یک گاز خنثی ایجاد منتشر شود.
در زمان بسیار کوتاه، فشار گاز بیشتر می‌شود و از طریق الکترود پایین به بیرون هدایت می‌شود، الکترود پایین تهی و سطحی‌است.
وقتی گاز به سرعت تیوپ را ترک می‌کند، هوای یونیزه‌ی اطراف آرک را نیز با خود می‌برد. این اثر یون‌زدایی معمولاً آنقدر قوی‌است که آرک در جریان صفر بیرون می‌رود و دوباره ایجاد نمی‌شود.
مزایا
- هزینه زیادی ندارند
- از برق‌گیرهای شکاف میله‌ای بهبودیافته‌ترند، زیرا عبور جریان‌های قوی پربسامد را بلوکه می‌کنند.
- می‌توان به آسانی آن‌ها را نصب کرد.
محدودیت‌ها
- برقگیر نوع دفعی تنها می‌تواند عملیات محدودی انجام دهد، زیرا در هر نوع عملیات کمی از ماده فیبر استفاده می‌شود.
- این نوع برقگیر را نمی‌توان در تجهیزات بسته نصب کرد، علت آن تخلیه‌ی گاز به هنگام عملیات است.
- به دلیل مشخصه‌ی ولت آمپر ضعیف برقگیر، برای محافظت از تجهیزات انفجاری مناسب نیست.
برقگیر نوع دریچه‌ای
برق‌گیرهای نوع دریچه‌ای شامل مقاومت‌های غیر خطی می‌شوند و در سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که ولتاژ بالایی دارند. شکل 24.13 (1) بخش‌های مختلف برقگیر نوع دریچه‌ای را نشان می‌دهد.
این نوع برقگیر از دو قسمت کلی تشکیل شده‌است (1) شکاف‌های جرقه‌ای سری و (2) دیسک‌های مقاومتی غیر خطی (که از موادی مانند تیریت و متروسیل) سری تشکیل شده‌است.
شکل24.13
(1) شکاف جرقه‌ای یک اسمبلی چندگانه‌است که از تعدادی شکاف جرقه‌ی یکسان تشکیل شده‌است و در هر شکاف دو الکترود با فضای شکاف ثابت قرار‌گرفته‌است. توزیع ولتاژ در این شکاف‌ها با استفاده‌از عناصر مقاومتی بیشتر (که به آن مقاومت نمره‌دار گفته می‌شود) خطی می‌شود.
فاصله بین شکاف‌های سری طوری است که ولتاژ مدار عادی را تحمل می‌کند. با این همه، ولتاژ اضافی باعث می‌شغود شکاف بشکند، و باعث می‌شود جریان آنی از طریق مقاومت‌های غیر خطی به زمین متصل شود.
(2) دیسک‌های مقاومت غیر خطی از ترکیب‌های غیر ارگانیک مانند تریت یا متروسیل تشکیل شده‌است. این دیسک‌ها به صورت سری به هم متصل شده‌اند.
مقاومت‌های غیر خطی می‌توانند مقاومت بسیار بالایی برای جریان عبوری به هنگام ولتاژ عادی سیستم ارائه کند، و در جریان‌های اوج بالا نیز مقاومت کمی نشان می‌دهند.
به عبارت دیگر، مقاومت این عناصر غیر خطی با افزایش جریان عبوری از آن کاهش پیدا می‌کند و بالعکس.
کارکرد: تحت شرایط عادی، ولتاژ عادی سیستم برای ایجاد شکاف هوایی کافی نیست. به هنگام رخداد ولتاژ بالا، شکست جرقه‌ی هوایی سری باعث می‌شود جریان از طریق مقاومت غیر خطی به زمین هدایت شود. چون دامنه جریان بسیار بالا است، عناصر غیر خطی مقاومت بسیار بالایی نسبت به عبور موج نشان می‌دهد. نتیجه حاصل این‌است که این موج به سرعت به زمین می‌رود، و دوباره به خط ارسال نمی‌شود. وقتی موج تمام‌شد، مقاومت‌های غیر خطی مقاومت بسیار بالایی نشان‌داده و عبور جریان را متوقف می‌کند.
مزایا
- محافظت بسیار موثری ارائه‌می‌کنند (به ویژه برای ترانسفورماتورها و کابل‌ها)
- با سرعت بسیار بالا و زیر یک ثانیه کار می‌کنند
- نسبت تحریک آنی در آن تقریباً برابر با یک‌است
معایب
- ممکن‌است نتوانند موج‌هایی که پیشرانه با شیب بسیار بالا دارند را بررسی کرده و این موج‌ها به ترمینال‌ها برسد. این نیازمند گام‌های بیشتر برای بررسی موج‌های دارای پیشرانه پُرشیب‌است.
- عملکرد آن‌ها تحت تأثیر ورود رطوبت به محفظه قرار‌دارد. این باعث می‌شود محفظه همیشه حالت آب‌بندی و مهر و موم داشته‌باشد.
کاربردها
بر اساس کاربرد آن‌ها، برق‌گیرهای نوع دریچه‌ای به صورت (1) ایستگاهی و (2) خطی طبقه‌بندی می‌شوند. برق‌گیرهای ایستگاهی معمولاً برای محفافظت تجهیزات مهم در ایستگاه‌های برق استفاده می‌شود و ولتاژ کاری آن‌ها تا 220 kV و بالاتر است. برق‌گیرهای نوع خط نیز برای ایستگاه‌هایی هستند که ولتاژ‌هایی تا 66kV دارند.
مقالات مرتبط:
(برق گیر های اکسید روی) صاعقه گیر و سرج ارستر- برق گیر
صاعقه گیر چیست- ساختار-عملکرد- نصب صاعقه گیر-راه اندازی و طراحی
تفاوت بین باندیگ، گراندیگ و ارتینگ