صاعقه‌گیر ساختار و عملکرد آن

در این مقاله قصد داریم به صاعقه‌گیر، ساختار، عملکرد، نحوه طراحی و نصب آن بپردازیم.

فهرست مطالب

• ۱-سیستم‌های حفاظتی ( برقگیرهای صاعقه)
• ۲- مدل الکتروهندسی
• ۳- مساحت سطح به دام انداختن صاعقه
• ۴-هادی‌ها یا سیم‌های پایین‌برنده صاعقه
• ۵-سیستم‌ارت

————————————————–

مقدمه

برای آنالیز ریسک و خطر صاعقه نیاز به در نظر گرفتن عوامل و فاکتورهای زیادی‌است.

در این مقاله ما راجع به حفاظت سازه و ساختمان و ۵ موضوع مهم :

صاعقه‌گیر، مدل الکتریکی هندسی صاعقه، سطح خازنی محیط‌ها، هادی‌های پایین رونده و سیستم‌ارت صحبت می‌کنیم.

حفاظت نصب، تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی درساختمان در نظر گرفته‌نشده‌است، و فقط مهم ترین بخش‌های حفاظت بیرونی سازه یاساختمان را در مقابل برخوردبا صاعقه بررسی می‌کنیم.

————————————————–

۱- سیستم‌های حفاظتی ( برقگیرهای صاعقه)

هدف این هادی‌ها که معروف به برق گیر هستند این‌است که‌ساختمان را از برخورد مستقیم صاعقه حفاظت کنند.

بابرخورد صاعقه به این هادی‌ها و تخلیه جریان صاعقه به زمین، نصب این برقگیرها باعث جلوگیری از خسارت‌ساختمان و ایجاد جریان‌های گردشی به خاطربرخورد صاعقه مییشود.

هادی‌های صاعقه به ۴ دسته تقسیم می‌شود.

مقالات مرتبط:

اجرای ارت – ارتینگ و چاه ارت

تفاوتهای بین bounding grounding eathing

تفاوت بین باندیگ، گراندیگ و ارتینگ

۱-۱ صاعقه‌گیر  میله‌ای تکی ( صاعقه‌گیر فرانکلین)

این صاعقه‌گیرها بسته به اندازه سازه و هادی‌های پایین رونده دارای یک سر یا چندین سراست، این صاعقه‌گیرها هم به‌صورت مستقیم به الکترود ارت ( در فوندانسون) متصل‌می‌شود و یا بسته به نوع حفاظت و اجرا، به یک الکترود ارت خاص ( الکترود ارت کننده‌ی صاعقه‌گیر) متصل‌مییشود که خود این الکترود هم به ارت متصل‌می‌شود.

۱-۲ صاعقه‌گیرهای دارای اسپارک اور (Sparkover)

این صاعقه‌گیرها نوع توسعه یافته ی صاعقه‌های میله ای تکی‌است. این صاعقه‌گیرها دارای یک اسپارک اول هستند.

اسپارک اور یک میدان الکتریکی روی سر برقگیر ایجاد می‌کند، که باعث مییشود صاعقه بهتر جذب شده و کارایی صاعقه‌گیر را بهبود می‌بخشد.

چندین صاعقه‌گیر را می‌توان روی یک‌ساختمان نصب کرد. کل این صاعقه‌گیر باید هم به هم متصل شده و سپس به  الکترود ارت متصل شود.

برای ساختمان‌های بزرگتر از ۶۰ متر که با یک صاعقه‌گیر میله ای از نوع اسپارک اور یا معمولی حفاظت می‌شود،حفاظت‌سیستم با اجرای  یک حلقه ی فلزی در بالا تکمیل مییشود تا ریسک برخوردجرقه های صاعقه‌های پهلویی و عرضی نیز از بین برود.

۱-۳ صاعقه‌گیر به‌صورت قفس مشی

قفس مشی شامل یک شبکه از هادی‌هااست که بیرون‌ساختمان و اطراف آن ایجاد می‌شود و کل‌ساختمان را می‌پوشاند.

میله‌های صاعقه‌گیر (۰.۳ تا ۰.۵ متر ارتفاع) به این شبکه ی مسی در فواصل معین روی سقف و نقاط نوک تیز مانند دودکش یا ناودان متصل‌می‌شود.

تمام هادی‌ها به هم متصل‌شده و به وسیله ی هادی‌های پایین رونده به ارت فوندانسیون متصل‌می‌شوند.

۱-۴  صاعقه‌گیر به وسیله ی سیم‌های ارت

این سیستم در بالای‌ساختمان‌ها، محل‌هایی بیرونی که انبار نگهداری وسایل‌است، بالای خط های انتقال  و … استفاده‌می‌شود.

مدل الکتروهندسی کروی به این نوع از برقگیرها مرتبط‌میشود.

به خاطر این که نصب هادی‌های برقگیر ریسک اضافه ولتاژ را شدیدا افزایش می‌دهد حفاظت سرج ارستر نیز می‌بایست استفاده‌شود.

بر اساس استاندارد IEC 60364 یک حفاظت سرج ارستر ولتاژی از نوع کلاس min. Imp 12.5 kA – waveform 10/350 در محل نصب نیازاست.

————————————————–

۲- مدل الکتروهندسی

انتخاب و محل نصب صاعقه‌گیر و هادی‌ها، نیاز به یک مطالعه‌خاص آن محل‌دارد. هدف از این کار این‌است که مطمئن‌شویم که صاعقه به نقاط مورد دلخواه ما برخوردمی‌کند (منظور همان برقگیراست) و به خودساختمان برخوردنمی‌کند.

بسته به نوع برقگیر و نوع اجرا روش‌های متعددی برای انجام این کار وجود دارد، (استاندارد IEC62305 را ملاحظه کنید)

«یکی از این روش‌ها که نام آن «مدل الکتروهدسی» می‌باشد(مدل کروی مجازی)، مقدار سطح کروی که‌به‌صورت تئوری به وسیله‌ی رسانای صاعقه‌گیر حفاظت‌می‌شود را، بر اساس چگالی جریان تخلیه، اولین قوس محاسبه می‌کند.»

هر جقدر این جریان بیشتر باشد، شانس گرفتن صاعقه و سطح حفاظتی بیشتر می‌شود.

فرض مییشود که نوک صاعقه یک کره ی فرضی با شعاع D‌ را نمایش‌می‌دهد.

اولین نقطه ای که نزدیک این کره شود صاعقه در آنجا تخلیه‌می‌شود: یک درخت، پشت بام، زمین یا صاعقه‌گیر.

با نصب صاعقه‌گیر، اگر نوک صاعقه‌گیر یک کره با شعاع D به‌صورت فرضی رسم کنیم، صاعقه‌گیر نمی‌تواند سطح خارج از کره را حفاظت‌کند و خارج از این سطح ممکن‌است صاعقه برخوردکند.

این قضیه  در شکل ۷ مشخص‌است. ناحیه هاشور خورده ناحیه ایمن‌است.

شعاع تئوری D کره بر اساس رابطه‌ی D = 10 × I^2/3 ، محاسبه می‌یشود که D ‌بر حسب متراست و I بر حسب kA

برای بهینه ترین حالت حفاظت با در نظر گرفتن کمترین جریان صاعقه(سطح حفاظت I) یک کره ی ۲۰ متری (I = 2.8 kA) در نظرگرفته‌شود.

سطح های حفاظت (IEC 62305)

مدل می‌بایست بر اساس نوع دستگاه حفاظتی ( صاعقه‌گیری میله ای تکی، قفق مشی، سیم‌های ارت‌کننده) و سازه ای که می‌خواهیم حفاظت‌کنیم، تطابق‌داده‌شود.

استاندارد IEC 6235 یک حجم حفاظتی که بستگی به ۴ نوع سطح حفاظتی بر اساس احتمال برخوردصاعقه تعیین‎‌می‌کند.

 

————————————————–

۳- مساحت سطح به دام انداختن صاعقه

وقتی می‌خواهیم سایتی را حفاظت کنیم که از چندین‌ساختمان تشکیل شده‌است و یا این که تعدادی از نقاط یاساختمان‌ها از حوضه ی حفاظتی یک صاعقه‌گیر بیرون می‌زند.

کار کمی پیچیده تر مییشود. اول باید یک طرح حفاظتی برای محل رسم شود و با فضاهایی که صاعقه‌گیرها می‌توانند صاعقه را به دام بی‌اندازند مقایسه شوند.

«زمانی که یک محل یا سایت از چندین ساختمان با ارتفاع مختلف ساخته شده‌است ،کامل پوشش دادن سطح این فضا در مقابل صاعقه مشکل تر می‌باشد .»

روی هم انداختن طرح کلی حفاظتی روی نقشه ی محل کمک می‌کند تا نقاطی که تحت پوشش نیست را ببینیم، خیلی مهم است که نکات زیر را هم در نظر بگیریم:

• در نظر گرفتن نقاط مهم صاعقه خور مانند ( برجها، دودکش ها، آنتن‌ّها و …) در محاسبه ی احتمال برخورد صاعقه
• حساسیت دستگاه‌های استفاده شده درساختمان ( تجهیزات ارتباطی، کامپیوتر و …)
• خطرات بالقوه‌ی ناشی از وجود و نگهداری موادی که ممکن‌است باعث انفجار یا آتش سوزی در صورت برخورد صاعقه شوند.

در نظر داشته باشید که به علت تعداد لینک‌های ارتباطی زیاد درساختمان مانند ( کامپیوتر‌ها، شبکه‌ها، سیستم مانیتورینگ، دوربین ها، و سیسم ها برقی ) به خاطر گرادیانت ولتاژ ایجاد شده در زمین و یا تاثیر میدان مغناطیسی صاعقه، ممکن‌است تداخل در این سیستم‌ها به وجود بیاید.

۲ راه برای حفاظت این ارتباط‌ ها وجود دارد:

• راه ۱- شیلد کردن و یا استفاده از قفس فارادی که از تداخل این میدان‌ها محفاظت می‌کند.
• راه ۲- تجزیه گالونیکی (Galvanic decoupling) که‌ساختمان رابه‌صورت الکتریکی جدا می‌کند ( فیبر نوری ها، ترانسهای ایزوله و ..).

طرح حفاظتی طراحی‌شده  می‌بایست ساختمان و سازه را از برخورد مستقیم صاعقه حفاظت‌کند،اما باید بخش‌هایی از ساختمان یا محل را که در داخل‌ ساختمان نیستند را نیز در نظر بگیرد زیرا ممکن‌است صاعقه تاثیرات مخرب نیز در مکان‌هایی مانند پارکینگ، انباره‌ها و .. داشته‌باشد.

در این سازه ی فرضی ما محل‌های حساس را مشاهده‌می‌کنیم : محل ساخت(manufacturing)، نگه داری(storage)، و پروسه(processing ) به وسیله ی صاعقه‌گیر و یا مش کاملا محافظت شده اند اما ۲ محل حفاظت نشده اند، محل پذیرش و پارکینگ.

دقت بیشتر مشخص می‌کند که در  چراغ‌های محوطه ی پارکینگ ممکن‌است صاعقه برخورد کند و صاعقه را به سازه انتقال دهد و همچنین بخش پذیرش(reception area) که محل تلفن خانه می باش یک مکان مناسب برای برخورد صاعقه‌است.

«ایسگاه پمپ (The pumping station) به‌صورت تئوری به خاطر ارتفاع زیاد سلو به وسیله ی برقگیر سیلو حفاظت شده‌است. ولی نباید فراموش کنیم که ممکن از از پهلو و بغل صاعقه برخوردکند.»

————————————————–

۴- هادی‌ها یا سیم‌های پایین‌برنده صاعقه

این هادی‌ها اتصال بین صاعقه‌گیر ( قفس، میله یا سیم) را با الکترود ارت برقرار می‌کنند. آنها جریان زیادی را می‌بایست تحمل کنند و باید حداقل از سیم مسی سایز ۵۰ و یا شمش با سطح مقطع ۵۰ استفاده‌کنید و کوتاه ترین مسیر را برای اتصال  به الکترود ارت انتخاب کنید.

آن ها نباید نقاط تیز و برآمدگی داشته‌باشند.

بهتراست تعداد سیم‌های پایین‌برنده ی صاعقه را افزایش دهیم که باعث کاهش جریان، حرارت، فشار الکترودینامیکی و اثر سلفی در سیم پایین‌برنده مییشود. سیم‌های پایین‌برنده در آخر می‌بایست به یک ارت هم پتانسیل و مش شده مناسب متصل شوند.

جریان گردشی صاعقه را در سیم‌های پایین‌برنده صاعقه می‌توان با روش‌های زیر کمترکرد:

• افزایش تعداد هادی‌ها برای تقسیم جریان
• مطمئن شوید که سیم‌های پایین‌برنده با سیستم هم بندی در تمام طبقات اتصال دارد وبه‌صورت صحیح وصل شده‌است.
• ایجاد یک سیستم هم بندی با پتانسیل مساوی که شامل تمام هادی‌ها و آنهایی که در دسترس نیستند مانند:
  • لوله‌های آب
  • مدارهای حفاظتی
  • فلزها و میلگردها و اسکلت‌ها چه بیرون و چه داخل بتون
  • قاب ها و پنجره‌های فلزی و …
• سیم‌های پایین‌برنده صاعقه را نزدیک جاهای حساس و تجهیزات حساس قرار ندهید مانند سیستم‌های ارتباطی و یا محاسباتی

 

درساختمان‌هایی که شامل چندین طبقه هستند، بهتراست سیم‌های پایین‌برنده به سیستم هم بندی در هر طبقه متصل‌شود.

اگر این کار انجام‌نشود، اختلاف ولتاژ اتفاق افتاده بین سیم پایین‌برنده و اجزای خازنی در معرض گرفته ی داخل‌ساختمان ممکن‌است باعث ایجاد جرقه بین دیوارها و ساختمان‌شود.

«گردش جریان فرکانس بالای صاعقه ممکن‌است باعث افزایش شدید ولتاژ در سیم‌های پایین‌برنده‌ی صاعقه شود( در حد چند هزار ولت) و این به خاطر افزایش امپدانس فرکانس بالا می‌باشد.»

————————————————–

۵- سیستم‌ارت

سیستم‌ارت یک بخش اساسی در حفاظت صاعقه‌است: تمام هادی‌هایی که خودشان به هم متصل‌شده‌اند،باید به زمین متصل‌شوند، و سیستم می‌بایستتوانایی تخلیه جریان صاعقه را داشته‌باشد. همچنین نباید افزایش ولتاژ شدیدی در خود ارت و زمین اطراف ایجادشود.

اگرچه ارت باید مقامت کم (< 10 Ω) داشته باشد در کل مقاومتِ فرکانس پایین الکترود ارت از شکل و اندازه ی آن اهمیتِ کمتری دارد زیرا مهمترین بخش، تخلیه جریانِ فرکانس بالا می‌باشد.

«به‌صورت یک قانون کلی، هر سیم پایین‌برنده صاعقه باید در نهایت به الکترودِ ارت متصل شود که این الکترود حداقل شامل ۳ هادی به‌صورت چنگکی که حداقل نیم متر زیر زمین است،متصل شود و یا می‌توان از میله های ارت که‌به‌صورت مثلثی شکل هستند استفاده کرد و سیم پایین‌برنده را به آن متصل‌کرد.»

بعلاوه IEC 62305 بیان می‌کند که سیم پایین‌برنده می‌بایست به هم بندی سیستم با لینک هم پتانسیل اصلی متصل‌شود.

«زمانی که امکان پذیراست، بهتر است که تعداد سیم‌های پایین‌برنده و نقاط اتصال در هر طبقه را زیاد کنید تا اندازهِ کلی سیستم هم بندی که هم پتانسیل‌است، افزایش پیدا کند.

سیستم‌ارت باید حتما توانایی تخلیه جریان صاعقه را داشته باشد تا مقدارِ افزایش ولتاژ در سیستم هم بندی تا حد ممکن کم شود.»

فقط باید یک سیستم‌ارت باشد.

باید از ایجادِ سیستم‌های جدا و غیر مرتبط در  ( کامپیوترها، الکترونیکی‌ها و ارتباطی‌ها) جلوگیری‌کرد. ( منظور این که می‌بایست همه‌ی تجهیزات از یک نقطه برق‌گرفته و از یک ارت استفاده‌شود)

 

مقاله مرتبط:

واحدها و سیستم‌های حفاظت الکتریکی

حفاظت خطای زمین ژنراتور (حفاظت ارت فالت ژنراتور)

مقدار نامی بهینه مقاومت زمین (NGR) در ولتاژ متوسط در نیروگاه های تولید توان