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 ممکن است به ترمینال‌ها برسند نمی‌تواند محافظتی ارائه کند. برقگیر یا دایورت کننده‌های (منحرف کننده) موج های آنی در برابر این نوع امواج محافظت ارائه می‌کنند.

برقگیر یا دایورت کننده موج یک دستگاه حافظتی است که ولتاژ‌های بالا در سیستم قدرت را به زمین هدایت می‌کند.

شکل 24.8

شکل 24.8 (1) شکل ساده‌ی دایورت کننده موج را نشان می‌دهد. این قطعه از یک شکاف جرقه‌ای سری با مقاومت غیر خطی تشکیل شده است. یک انتهای دایورت کننده به ترمینال دستگاه تحت محافظت و سر دیگر نیز به صورت بهینه به زمین متصل شده است. 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 این است 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 روشن است.

کارکرد برقگیر یا دایورت کننده موج تحت شرایط زیر متفاوت است:

در شرایط عادی، برق‌گیر خارج از خط است، 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 ایجاد می‌شود، 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 منتقل می‌شود 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 ایجاد می‌شود، آرک یک اتصال کوتاه خواهد بود و ممکن است در برق گیر جریان توان بالایی ایجاد شود. چون مشخصه‌ی مقاومت این است که در ولتاژ (یا جریان بالا) مقاومت بالایی ایجاد کند، از اثر اتصال کوتاه جلوگیری می‌کند. پس از اتمام موج، مقاومت بالا شده و این شکاف را غیر هادی می‌کند.

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 خواهد داد و ممکن است شکاف و مقاومت هر دو از بین بروند. 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 ساخت است، اما عملکرد تمام آن‌ها تقریباً یکسان است و مسیر کوتاهی برای موج آنی تا زمین ارائه می‌کند. در ادامه انواع برق‌گیرهای زیر را بحث خواهیم کرد:

برق گیر شکاف میله‌ای
برق‌گیر شاخه‌ای
برق‌گیر چند شکافی
برق‌گیر از نوع دفعی
برق گیر از نوع دریچه

برقگیر شکاف میله‌ای

این دایورت کننده بسیار ساده و خطی است و از دو میله‌ی 1.5 سانتی‌متری تشکیل شده است، که با زاویه‌های زیاد خم شده و یک شکاف بین آن‌ها وجود دارد که در شکل 24.9 نیز نشان داده شده است. یک میله به مدار متصل شده و میله دیگر نیز به زمین وصل می‌شود. 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 تنظیم می‌شود که شکست در 80 درصد اضافه ولتاژ رخ دهد، که از حالت آبشاری موج‌های با شیب زیادپیش رونده در دو سر عایق جلوگیری شود. 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.

شکل 24.9

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 هدایت می‌شود.

محدودیت‌ها

پس از اتمام موج، آرک در شکاف توسط ولتاژ تغذیه‌ی عادی حفظ می‌شود و باعث می‌شود در مدار اتصال کوتاه وجود داشته باشد.
ممکن است میله‌ها ذوب شده و یا به دلیل گرمای زیاد ایجاد شده توسط آرک آسیب ببیند.
شرایط آب و هوایی (مانند باران، رطوبت، دما و غیره) در عملکرد برق گیر شکاف میله‌ای تأثیرگذار است.
قطبیت موج نیز در عملکرد این نوع برق‌گیر اثرگذار است.

به دلیل محدودیت‌های فوق، برق گیر میله‌ای تنها به عنوان حفاظ پشتیبان در کنار برق‌گیرهای اصلی استفاده می‌شود.

برقگیر شاخه‌ای

شکل 24.10 برق‌گیر شکاف شاخه‌ای را نشان می‌دهد. این برق‌گیر از دو میله‌ی فلزی به شکل شاخ A و B تشکیل شده است 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 شده است. انتهای یکی از شاخ‌ها از طریق مقاومت R و سلف چوک L به خط متصل شده و سر دیگر نیز زمین شده است. مقاومت R در محدود کردن عبور جریان کمک کننده است. سلف چوک طوری طراحی شده است 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 شده است که ولتاژ تغذیه‌ی عادی برای ایجاد آرک بین شکاف کافی نباشد.

شکل 24.10

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 ممکن است 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 قرار بگیرد.
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 طولانی است.

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

شکل 24.11 برقگیر چند شکافی را نشان می‌دهد. این برق‌گیر از یک سری سیلندر فلزی (که معمولاً آلیاژ زینک هستند) تشکیل شده 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 شده است. 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.

شکل 24.11

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 نامیده می‌شود و معمولاً در سیستم‌هایی به کار گرفته می‌شود که ولتاژ کاری آن‌ها تا 33kV است. 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 شده است. شکاف در تیوپ فیبری توسط دو الکترود تشکیل شده است. الکترود بالایی به شکاف میله متصل شده و الکترود پایین نیز به زمین وصل است. یک برق‌گیر دفعی برای هر خط هادی نصب می‌شود. شکل 24.12 (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 سطحی است. وقتی گاز به سرعت تیوپ را ترک می‌کند، هوای یونیزه‌ی اطراف آرک را نیز با خود می‌برد. این اثر یون‌زدایی معمولاً آنقدر قوی است 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 شده است (1) شکاف‌های جرقه‌ای سری و (2) دیسک‌های مقاومتی غیر خطی (که از موادی مانند تیریت و متروسیل) سری تشکیل شده است.

شکل 24.13

(1) شکاف جرقه‌ای یک اسمبلی چندگانه است که از تعدادی شکاف جرقه‌ی یکسان تشکیل شده است و در هر شکاف دو الکترود با فضای شکاف ثابت قرار گرفته است. توزیع ولتاژ در این شکاف‌ها با استفاده از 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 شده است. 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 این است که این موج به سرعت به زمین می‌رود، و دوباره به خط ارسال نمی‌شود. وقتی موج تمام شد، مقاومت‌های غیر خطی مقاومت بسیار بالایی نشان داده و عبور جریان را متوقف می‌کند.

مزایا

محافظت بسیار موثری ارائه می‌کنند (به ویژه برای ترانسفورماتورها و کابل‌ها)
با سرعت بسیار بالا و زیر یک ثانیه کار می‌کنند
نسبت تحریک آنی در آن تقریباً برابر با یک است

معایب

ممکن است 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 پُرشیب است.
عملکرد آن‌ها تحت تأثیر ورود رطوبت به محفظه قرار دارد. این باعث می‌شود محفظه همیشه حالت آب‌بندی و مهر و موم داشته باشد.

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:

Surge Diverter

برقگیر – انواع برقگیر – کاربرد برقگیر ها – مزایا و معایب انواع برقگیرها