صاعقه گیر در تابلو فشار ضعیف

نکات عملی برای نصب دستگاه‌های صاعقه‌گیر در تابلو فشار ضعیف

در یک سیستم الکتریکی، دستگاه‌های محافظت از صاعقه (SPD)(صاعقه‌گیر)  معمولاً در پیکربندیِ تَپ آف[1] (به صورت موازی) بین هادی‌های جریان‌دار و زمین نصب می‌شوند. اصول عملیات SPD مشابه کلید‌است.

نکات عملی برای نصب دستگاه‌های محافظت از صاعقه در پنل ولتاژ پایین

در استفاده‌ی عادی (عدم وجود اضافه ولتاژ): دستگاه محافظت از صاعقه مشابه کلید باز عمل می‌کند.

وقتی اضافه ولتاژ وجود دارد: دستگاه محافظت از صاعقه فعال‌شده و جریان صاعقه را به زمین تخلیه می‌کند. این دستگاه می‌تواند به بخش بسته‌ی کلید متصل‌شده و شبکه‌ی الکتریکی را از طریق سیستم زمینِ هم‌پتانسیل و بخش‌های هادیِ خطرناک را برای مدت زمان کوتاهی اتصال کوتاه کند. این مدت زمان به زمان اضافه ولتاژ محدود‌می‌شود.

از دیدگاه کاربر عملیات SPD دیده نمی‌شود، زیرا تنها کسری از ثانیه بطول می‌انجامد.

وقتی اضافه ولتاژ تخلیه شد، SPD به صورت خودکار به وضعیت عادی بر می‌گردد (کلید باز).

فهرست محتوا

• اصول حفاظت
  1. حالت‌های حفاظت
  2. حفاظت آبشاری
     • ترکیب چند دستگاه حفاظت صاعقه
  3. مکان دستگاه حفاظت
  4. طول تحت محافظت
     • اثرات ولتاژ دوبل
  5. نصب SPDها
     • اتصال SPD
       1. سیستم اتصال و اتصال به زمین
       2. طول اتصال
     • محافظت از تجهیزاتی که به پایان عمر مکانیکی خود رسیده اند
     • هماهنگ سازیِ SPD
     • اصول حفاظت

 حالت‌های حفاظت

دو حالت برای اضافه‌ولتاژیِ صاعقه وجود دارد: حالت مشترک و جریان پسماند

اضافه ولتاژ در صاعقه معمولاً در حالت مشترک و معمولاً در مبدأ تأسیسات الکتریکی رخ می‌دهد. اضافه ولتاژ در حالت جریان پسماند معمولاً در حالت TT رخ داده و بیشتر به تجهیزات حساس آسیب می‌زند (تجهیزات الکترونیکی، کامپیوترها و غیره).

1- حفاظت حالت مشترک بین فاز/ نول و زمین

2- حفاظت فاز/ نول در سیستم اتصال به زمین TT وقتی توجیه‌پذیر است که نول در سمت توزیع کننده به یک اتصال با مقدار کم وصل شده باشد (چند اهم، در حالیکه الکترودهای اتصال به زمین تأسیسات چند ده اهم‌است).

3- حفاظت حالت جریان پسماند بین فاز و نول

مدار بازگشت جریان به احتمال زیاد از طریق نول خواهد بود نه زمین.

ولتاژ حالت جریان پسماند U، بین فاز و نول می‌تواند تا مقدار مجموع ولتاژ‌های پسماند تک تک عناصر دستگاه حفاظت صاعقه افزایش پیدا کند، یعنی دو برابر سطح حفاظت در حالت مشترک.

حفاظت فاز/ نول در سیستم اتصال به زمین TT

اگر هادی‌های A و PE از هم جدا باشند و یا به درستی هم‌پتانسیل نشده باشند، پدیده‌ی مشابهی ممکن‌است در سیستم اتصال به زمین TN-S نیز رخ دهد. در این صورت جریان به احتمال زیاد از هادیِ نول در مسیر بازگشت جاری خواهد شد، نه هادیِ حفاظت و سیستم اتصال (به شاسی).

یک مدل محافظت بهینه از نظر تئوری، که به تمام سیستم‌های اتصال به زمین قابل اعمال‌است را می‌توان تعریف کرد، البته دستگاه‌های حفاظت در برابر صاعقه تقریباً همیشه دو حالت حفاظت مشترک و جریان پسماند را ترکیب می‌کنند (به جز مدل‌های IT یا TN-C).

حتماً باید بررسی شود که دستگاه‌های حفاظت صاعقه‌ی مورد استفاده‌با سیستم اتصال به زمین سازگار‌است.

حفاظت آبشاری

درست همانطور که حفاظت اضافه جریانی باید به قطعاتی با مقادیر مجاز هر سطح از نصب مجهز شود (مبدأ، ثانویه، ترمینال)، و با هم هماهنگ شود، حفاظت در برابر اضافه ولتاژ‌های گذرا نیز با‌استفاده از ترکیب آبشاری چند دستگاه صاعقه‌گیر انجام می‌شود.

معمولاً برای جذب انرژی و محدود کردن اضافه ولتاژ‌های اعمال شده توسط کوپل و پدیده‌ی نوسان فرکانس بالا، دو یا سه سطح دستگاه حفاظت صاعقه مورد نیاز‌است.

مثال زیر بر اساس این فرضیه‌است که در آن تنها 80 درصد انرژی به زمین منتقل می‌شود (80%: مقدار تجربی بر اساس نوع دستگاه صاعقه‌گیر و نصب الکتریکی، ولی همیشه کمتر از 100 درصد).

اصول حفاظت آبشاری همچنین برای کاربردهای کم‌جریان نیز استفاده‌می‌شود (شبکه‌های داده، ارتباطات و تلفن)، که دو سطح اول را در یک دستگاه تجمیع کرده و معمولاً در مبدأ نصب قرار می‌گیرد.

اجزای مبتنی بر شکاف جرقه‌ای برای تخلیه‌ی انرژی به زمین با واریستورها یا دیودها ترکیب‌شده و ولتاژ را به سطوح سازگار با تجهیزات مورد حفاظت تبدیل می‌کند.

محافظت از ترمینال معمولاً با این نوع محافظت مبدأ ترکیب‌می‌شود. محافظت ترمینال نزدیک تجهیزات‌است، البته اگر از دستگاه‌های حفاظت صاعقه آنیِ نزدیک استفاده‌شود.

ترکیب چند دستگاه محافظ صاعقه آنی[2]

برای محدود کردن حداکثریِ اضافه ولتاژی، دستگاه محافظ صاعقه آنی همیشه باید نزدیک تجهیزاتی نصب شود که قصد محافظت از آن را داریم [3]. با این همه، این نوع محافظ تنها از دستگاهی محافظت می‌کند که مستقیماً به آن متصل شده‌است، اما بیشتر از همه، ظرفیت انرژیِ پایین آن اجازه‌ی تخلیه‌ی کل انرژی را نمی‌دهد.

برای انجام این کار، دستگاه محافظ صاعقه آنی در مبدأ قرار می‌گیرد.

همچنین، دستگاه محافظ صاعقه آنی [1] نمی‌تواند به دلیل اینکه امکان عبور انرژی پسماند را فراهم می‌کند از کل تجهیزات محافظت کند، و اینکه صاعقه یک پدیده فرکانس بالا‌است.

با توجه به مقیاس نصب و انواع دیسک‌ها (حساسیت و در معرض بودن تجهیزات، حیاتی بودن پیوستگیِ سرویس)، محافظت از مدار [2] در کنار [1] و [3] ضروری‌است.

محافظت آبشاری

توجه داشته باشید که اولین سطح از دستگاه حفاظت صاعقه آنی (1) باید هرچه ممکن‌است در بالای جریان نصب قرار گیرد، تا هرچه می‌تواند اثرات القایی صاعقه توسط کوپل الکترومغناطیس را کاهش دهد.

صاعقه AC است یا DC؟

 موقعیت دستگاه‌های حفاظت صاعقه آنی

برای محافظت موثر دستگاه‌های حفاظت، باید چند دستگاه حفاظت صاعقه آنی باهم ترکیب شوند.

• 1- SPD اصلی (1)
• 2- SPD مدار (2)
• 3- SPD مجاورت (3)

با توجه به مقیاس (طول خطوط) و حساسیت تجهیزات مورد حفاظت (کامپیوتر، الکترونیک و غیره) ممکن‌است حفاظت بیشتری مورد نیاز باشد. اگر چند دستگاه حفاظت صاعقه آنی نصب شده باشد، باید قوانین هماهنگیِ بسیار دقیقی اعمال شود.

باید توجه داشت که حفاظت کلیت نصب و تجهیزات تنها در صورتی موثر‌است که اگر:

چند سطح SPD نصب شده باشد (آبشاری) تا از حفاظت دستگاه‌هایی که در فاصله‌ی دوری از مبدأ نصب قرار گرفته‌اند اطمینان حاصل شود: برای تجهیزات نصب‌شده در 30 متری یا بیشتر ضروری‌است (IEC 61643-12)، همچنین اگر سطح محافظت بالای SPD اصلی بالاتر از دسته‌ی تجهیزات باشد نیز ضروری‌است (IEC 60364-4-443 و 62305-4).

تمام شبکه‌ها محافظت شوند:

1. 1. شبکه‌های قدرت که ساختمان اصلی و تمام ساختمان‌های ثانویه، سیستم‌های روشنایی خارجی پارک‌های ماشین و غیره را تغذیه می‌کنند.
   2. شبکه‌های ارتباطی: خطوط ورودی و خطوط ساختمان‌های مختلف

 طول مورد حفاظت

بسیار ضروری‌است که طراحی سیستم حفاظت از ولتاژ آنی طول خطوط عرضه کننده‌ی گیرنده‌های مورد حفاظت را مد نظر داشته‌باشد (جدول زیر را ببینید).

در واقع، بیشتر از طولی مشخص، ولتاژ اعمالی به گیرنده ممکن‌است در اثر پدیده‌ی رزونانس بسیار بیشتر از ولتاژ محدودیت مد نظر باشد. مقدار این پدیده مستقیماً به مشخصه‌های نصب (هادی‌ها و سیستم اتصال به شاسی) و مقدار جریان القا‌شده توسط تخلیه‌ی صاعقه بستگی دارد.

دستگاه محافظت از صاعقه آنی (SPD) زمانی به درستی متصل شده‌است که:

تجهیزات تحت حفاظت به صورت هم‌پتانسیل به زمینی متصل باشد که SPD وصل شده‌است.

SPD و حفاظت پشتیبان مربوطه‌ی آن به:

1. 1. شبکه (سیم‌های برق‌دار) و میله‌ی حفاظت اصلی (PE/OEN) بورد متصل شده‌باشد، و طول هادی‌ها هرچه می‌تواند کوتاه‌تر و کمتر از نیم متر باشد.
   2. هادی‌هایی که سطح مقطع آن‌ها برای نیازمندی‌های SPD مناسب باشد (جدول زیر را ببینید) متصل شده‌باشد.

جدول 1. حداکثر طول خط بین SPD و دستگاهی که باید محافظت شود.

* حفاظت توصیه‌شده در نقطه‌ی‌استفاده، اگر فاصله بیشتر از آن‌باشد.

اثر ولتاژ دوبل

بالاتر از یک طول مشخص d، مدار تحت حفاظت توسط دستگاه حفاظت صاعقه آنی، وقتی اندوکتانس و ظرفیت خازنی برابر می‌شوند شروع به رزونانس می‌کند:

Lω = -1 / Cω

در این صورت امپدانس مدار برابر با مقاومت خواهد بود. علی رغم بخش جذب‌شده توسط دستگاه حفاظت صاعقه آنی، جریان I صاعقه پسماند در مدار هنوزهم بالا‌است. افزایش آن به دلیل رزونانس باعث‌می‌شود ولتاژ‌های Ud، Uc و Urm به شدت افزایش پیدا کنند.

تحت این شرایط، ولتاژ اعمالی به گیرنده ممکن‌است دو برابر‌شود.

اثر ولتاژ دوبل

که در آن

C ظرفیت خازنی برای بار

Ld اندوکتانس خط تغذیه‌ی قدرت

Lrm اندوکتانس سیستم اتصال (شاسی)

نصب دستگاه‌های صاعقه‌گیر نباید اثر بدی بر روی پیوستگی سرویس بگذارد، زیرا متضاد با هدف مطلوب خواهد بود. این دستگاه‌ها باید در مبدأ تجهیزات خانگی یا مشابه نصب شوند (سیستم‌های اتصال به زمین TT)، و به ویژه باید با دستگاه‌های جریان پسماند تأخیری نوع S همراه شوند.

توجه! اگر ضربه‌های صاعقه بسیار بالایی وجود داشته باشد (>5kA)، دستگاه‌های جریان پسماند ثانویه نیز ممکن‌است تریپ کنند.

نصب دستگاه‌های صاعقه‌گیر (SPD)

 اتصال SPD

 سیستم اتصال به شاسی یا سیستم اتصال به زمین

بدنه‌های استاندارد از عبارت کلی «دستگاه اتصال به زمین» برای مفهوم سیستم اتصال به شاسی و الکترود زمین استفاده می‌کنند، و تمایزی بین این دو قائل نمی‌شوند. مخالف با این دیدگاه، هیچ ارتباط مستقیمی بین مقدار الکترود اتصال به زمین در فرکانس‌های پایین برای اطمینان از ایمنیِ انسان‌ها، و اثربخشیِ دستگاه محافظ ارائه شده توسط دستگاه‌های حفاظت در برابر صاعقه آنی وجود ندارد.

همانطور که در ادامه نیز نشان داده شده‌است، این نوع حفاظت را می‌توان با نبود الکترود اتصال به زمین نیز فراهم کرد.

امپدانس مدار تخلیه‌ی جریان موازی توسط دستگاه حفاظت صاعقه آنی را می‌توان به دو بخش تقسیم کرد.

بخش اول، الکترود اتصال به زمین توسط هادی‌ها که معمولاً سیم هستند، و مقاومت زمین تشکیل می‌شود. این بخش دارای طبیعت سلفی یا القایی‌است، یعنی اثربخشیِ آن بر اساس فرکانس کاهش پیدا می‌کند، علی رغم ملاحظات سیم‌کشی صاعقه (محدودیت طول 0.5 متر‌است). بخش دوم این امپدانس کمتر قابل مشاهده‌است، اما در فرکانس‌های بالا اهمیت زیادی پیدا می‌کند، زیرا از ظرفیت پراکنده‌ی بین تجهیزات و زمین تشکیل می‌شود.

البته مقادیر نسبیِ هرکدام از این اجزا با توجه به نوع و مقیاس نصب، مکان دستگاه حفاظت صاعقه آنی (اصلی یا مجاورتی) و بر اساس طرح الکترود اتصال به زمین (سیستم اتصال به زمین) متغیر‌است.

با این همه، قبلاً اثبات شده‌است که سهم حفاظت صاعقه آنی ولتاژ از تخلیه‌ی جریان می‌تواند به 50 الی 90 درصد سیستم هم‌پتانسیل برسد، درحالیکه مقدار تخلیه‌ی مستقیم توسط الکترود اتصال به زمین حدود 10 الی 50 درصد‌است. سیستم شاسی برای حفظ ولتاژ مرجع پایین ضروری‌است، که کم و بیش در کل تجهیزات یکسان باقی می‌ماند.

دستگاه‌های محافظت از صاعقه آنی باید برای ارائه‌ی حداکثر بهره‌وری به این سیستم شاسی متصل شوند.

حداقل سطح مقطع مورد نیاز برای هادی‌های ارتباطی، مقدار حداکثر جریان تخلیه مشخصه‌های انتهای طول عمر دستگاه حفاظت را مد نظر قرار می‌دهد.

افزایش این سطح مقطع برای جبران طول اتصال‌هایی که مطابق با قانون 0.5 متر نیستند واقع‌گرایانه نیست. در واقع، در فرکانس بالا، امپدانس هادی‌ها مستقیماً به طول آن‌ها وابسته‌است.

در تابلوبرق‌ها و پنل‌های بزرگ، بهتر‌است امپدانس اتصال با استفاده‌از قطعات هادی فلزی شاسی، صفحات و محفظه‌ها کاهش پیدا کند.

جدول 2. حداقل سطح مقطع هادی‌های اتصال SPD

استفاده از قطعات هادی فلزیِ باز محفظه‌ها به عنوان هادی‌های محافظ توسط استاندارد IEC 60439-1 مجاز‌است، البته تا زمانی که این کار توسط تولیدکننده‌ی مجاز انجام شود.

همیشه بهتر‌است برای اتصال هادی‌های حفاظت به بلوک ترمینال یا کلکتور یک هادی سیمی داشت، که در این صورت اتصال ایجاد شده توسط قطعات هادی به شاسی محفظه را دوبرابر می‌کند.

 طول اتصال

در عمل پیشنهاد می‌شود طول کل مدار دستگاه حفاظت بیشتر از 50 سانتی‌متر نباشد. پیاده سازی این نیازمندی همیشه آسان نیست، اما استفاده‌از قطعات هادیِ آزاد در نزدیکی می‌تواند کمک کند.

طول کل مدار دستگاه حفاظت

* می‌تواند بر روی همان ریل DIN نصب شود. با این همه، اگر هر دو دستگاه به دو ریل DIN جداگانه نصب شوند (SPD زیر حفاظت) بهتر‌است.

تعداد ضربه‌های صاعقه‌ای که دستگاه حفاظت می‌تواند جذب کند، بر اساس مقدار جریان تخلیه کاهش پیدا می‌کند (از 15 ضربه برای هر جریان با مقدار In به یک ضربه با مقدار Imax/Iimp).

قانون 0.5 متر در نظریه، به هنگام ضربه‌ی صاعقه، ولتاژ Ut که گیرنده در معرض آن قرار گرفته‌است برابر‌است با ولتاژ حفاظت Up حفاظت ولتاژ آنی (برای In آن)، اما در عمل مقدار دوم بیشتر است.

در واقع، شیب ولتاژ ایجاد شده توسط امپدانس هادی‌های متصل به دستگاه محافظ صاعقه آنی و دستگاه حفاظت آن نیز به این مقدار اضافه می‌شوند:

Ut = UI₁ + Ud + UI₂ + Up + UI₃

برای مثال، شیب ولتاژ در 1m هادی برای جریان آنی 10kA برای 10us به 1000 ولت می‌رسد.

Δu = L × di / dt

di تغییرات جریان 10000a

dt تغییرات زمان 10us

L اندوکتانس 1 متر هادی = 1us

مقدار Δu که به ولتاژ Up اضافه می‌شود.

بنابراین طول کلی باید هرچه می‌تواند کوتاه باشد. در عمل توصیه می‌شود بیشتر از نیم متر نباشد. در صورت وجود مشکل، می‌توان از هادی‌های پهن و عریض استفاده‌کرد (الیاف عایق، میله‌های عایق انعطاف‌پذیر).

قانون اتصال PSD نیم متر

هادی اتصال زمین حفاظت ولتاژ آنی از نظر تعریف هادیِ PE نباید سبز/زرد باشد.

یک شیوه رایج این است که این نوع تعریف به صورت رایج مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برخی پیکربندی‌ها می‌توانند بین هادی‌های جریان بالا و جریان پایین دستگاه حفاظت صاعقه آنی کوپل ایجاد کنند،

که به احتمال زیاد باعث می‌شود صاعقه در کل تجهیزات توزیع یابد.

پیکربندیِ سیم‌کشی SPD شماره 1

هادی‌های جریان بالا و پایین در ترمینال حفاظت صاعقه آنی ولتاژ با مسیر مشترک متصل شده‌اند.

پیکربندی سیم‌کشی SPD شماره 1

هادی‌های ورودی و خروجی به صورت فیزیکی فاصله زیادی از هم داشته و بر روی یک ترمینال متصل شده‌اند.

پیکربندی سیم‌کشی SPD شماره 2

پیکربندی سیم‌کشی SPD شماره 2

هادی‌های متصل بسیار طولانی هستند، هادی‌های خروجی به صورت فیزیکی از هم جدا هستند.

پیکربندی سیم‌کشی SPD شماره 3

پیکربندی سیم‌کشی SPD شماره 4

هادی‌های متصل تا حد امکان کوتاه بوده و هادی بازگشتی از ترمینال زمین نزدیک هادی‌های دارای برق است.

پیکربندی سیم‌کشی SPD شماره 4

2.2. حفاظت تجهیزاتی که به پایان عمر مکانیکی خود رسیده اند

دستگاه محافظ صاعقه آنی، دستگاهی است که انتهای طول عمر آن نیازمند ملاحظات است. هر بار یک صاعقه ضربه می‌زند اجزای آن فرسایش پیدا می‌کنند.

در انتهای عمر، یک دستگاه داخلی در دستگاه حفاظت صاعقه آنی خود را از تغذیه جدا می‌کند. یک نشانگر (بر روی حفاظت) و یک بازخورد آلارم اختیاری (دستگاه جانبی بازخورد وضعیت) این وضعیت را نشان می‌دهد، که نیازمند تعویض ماژول مربوطه است.

اگر دستگاه حفاظت از صاعقه آنی از ظرفیت محدود خود فراتر رود، ممکن‌است توسط اتصال کوتاه خود را قطع کند. دستگاه حفاظت اتصال کوتاه و اضافه‌باری باید در جریان بالای سری دستگاه حفاظت صاعقه قرار بگیرد (معمولاً به این شاخه‌ی دستگاه حفاظت صاعقه آنی گفته می‌شود).

شکل X – اصول نصب دستگاه‌های حفاظت صاعقه آنی، با حفاظت مربوطه

بر خلاف برخی دیدگاه‌ها، محافظ صاعقه آنی ولتاژ همیشه باید در برابر جریان‌های اضافه‌باری و اتصال کوتاه احتمالی محافظت شود. این قضیه به تمام محافظ‌های صاعقه آنی ولتاژ قابل اعمال است، هم کلاس I و هم کلاس II، صرف نظر از نوع اجزا و تکنولوژی‌های مورد استفاده.

این محافظت باید مطابق با قوانین مجزای معمول ارائه شود.

2.3. هماهنگیِ SPDها

آرایش و هماهنگی چند دستگاه حفاظت در برابر صاعقه آنی به صورت آبشاری نیازمند هماهنگی است، بطوریکه هریک از آن‌ها انرژی را به صورت بهینه جذب کرده و پراکنده شدن ضربه‌های صاعقه در کل تجهیزات را تا حد امکان محدود کند.

هماهنگیِ دستگاه‌های حفاظت صاعقه آنی مفهوم پیچیده‌ای است که باید موضوع مطالعات و تست‌های خاص قرار بگیرد. حداقل فاصله‌ی بین دستگاه‌های حفاظت یا وارد چوک دیکوپلر، توسط تولید کنندگان توصیه نمی‌شود.

دستگاه‌های حفاظت اولیه و ثانویه باید طوری هماهنگ شوند که کل انرژیِ تلف شده (E1+E2) بر اساس ظرفیت دشارژ بین آن‌ها تقسیم شود. فاصله‌ی پیشنهادی d1 به حفاظت‌های صاعقه آنی ولتاژ امکان دی‌کوپل می‌دهد، بنابراین از عبور مستقیم انرژیِ زیاد به دستگاه حفاظت ثانویه و ریسک تخریب آن جلوگیری می‌کند.

این وضعیتی است که به مشخصه‌های هریک از دستگاه‌های حفاظت وابستگی دارد.

شکل X – هماهنگیِ SPDها

دو حفاظت صاعقه آنی ولتاژ یکسان، برای مثال Up=2kV و Imax=70kA را می‌توان بدون ضرورت فاصله‌ی d1 نصب کرد؛ در این حالت انرژی کم و بیش به صورت مساوی بین دو دستگاه حفاظت تقسیم می‌شود. اما دو دستگاه حفاظت متفاوت (برای مثالUp=2kV و Imax=70kA و Up=1.2kV و Imax=15kA) باید حداقل 8 متر از هم فاصله داشته باشند تا از تقاضای زیاد بر روی حفاظت ولتاژ آنی دوم جلوگیری شود.

اگر مشخص نشده باشد، d1_min (بر حسب متر) را 1%

تفاوت بین Up₁ و Up₂ (بر حسب ولت) در نظر بگیرید. برای مثال:

Up₁ = 2.0 kV (2000 V) ; Up₂ = 1.2 kV (1200 V)

⇒ d₁ = 8 m min. (2000 – 1200 = 800 >> 1% of 800 = 8 m)

یک مثال دیگر:

Up₁ = 1.4 kV ; Up₂ = 1.2 kV

⇒ d₁ = 2 m min

قوانین تجربی برای نصب صاعقه‌گیر در سیستم‌های اتصال به زمین مختلف

قوانین نصب برای صاعقه‌گیرهای LV

متون و اسناد بسیاری به موضوع نصب صاعقه‌گیر[4] می‌پردازند: برای مثال در فرانسه، استاندارد NF C 15-531 بر روی قوانین نصب صاعقه‌گیرهای LV تمرکز داشته و استاندارد NF C 15-100 تمام نصب‌های الکتریکیِ LV را پوشش می‌دهد.

قوانین تجربی برای نصب صاعقه‌گیر در سیستم‌های اتصال به زمین مختلف (عکس از: Dehn)

برای ارزیابی ریسک، یک فرمول بر اساس معیارهای علمی به دپارتمان‌های مهندسی و طراحی پیشنهاد شده‌است.

این فرمول مشخصه‌های سایت و محیط را در نظر دارند:

1. چگالیِ صاعقه
2. نوع شبکه‌ی توزیع
3. توپولوژیِ سایت
4. قرار داشتن میله‌های صاعقه‌گیر

انتخاب صاعقه‌گیر به این موارد وابسته است: اهمیت ریسک، مستعد بودن دستگاه‌ها و سیستم اتصال به زمین شبکه‌ی الکتریکی.

از هر سیستمی که استفاده شود، اگر ریسک صاعقه وجود داشته باشد، تمام نصب‌های الکتریکی باید دارای صاعقه‌گیر باشند (شکل 1 را ببینید)، که ترکیب آن‌ها بر اساس نوع سیستم اتصال به زمین متفاوت است.

شکل 1 – انتخاب حالت حفاظت صاعقه‌گیر (مشترک یا تفاضلی) با توجه به سیستم اتصال به زمین تأسیسات الکتریکی بر اساس NF C 14-443

سیستم TT

تأسیسات حفاظت صاعقه در سیستم اتصال به زمین TT

سیستم IT

تأسیسات حفاظت صاعقه در سیستم اتصال به زمین IT

سیستم TN-S

تأسیسات حفاظت صاعقه در سیستم اتصال به زمین TN-S

سیستم TN-C

تأسیسات حفاظت صاعقه در سیستم اتصال به زمین TN-C

دلایل تفاوت‌ها عبارتند از:

• اینکه آیا حالت تفاضلی مد نظر است یا نه
• حداکثر ولتاژ U_c وضعیت ثابت
  • بین هادی‌های جریان‌دار و زمین:
    • U_c> 1.5 U_n  در سیستم‌های اتصال به زمین TT و TN
    • U_c> √3 U_n  در سیستم اتصال به زمین IT
  • بین فاز و نول، U_c> 1.1 U_n ، صرف نظر از سیستم اتصال به زمین مورد استفاده.

یادداشت‌های مهم

1. اتصال به زمین نول از تأثیرگذاری صاعقه آنی بر روی هادی‌های فاز جلوگیری نمی‌کند.
2. محدودکننده‌های صاعقه آنی، که استفاده از آن‌ها در سیستم اتصال به زمین IT ضروری‌است، برای محافظت در برابر صاعقه‌های 50 HZ MV با صاعقه‌گیر جایگزین می‌شوند. زیرا این دو دستگاه دارای کارکرد یکسانی نیستند، و صاعقه‌گیر برای صاعقه‌های آنی ضروری خواهد بود.

پیاده‌سازی صاعقه‌گیر

قوانین مختلفی تعریف شده‌اند (اهمیت اتصال هم پتانسیل، دستگاه‌های حفاظت آبشاری یا شطرنجی، استفاده از دستگاه‌های جریان پسماند) که اعمال آن‌ها گاهی اوقات بر اساس بخش مورد نصب متفاوت است (شخص ثالث، صنعتی یا خانگی).

اکنون در مورد موضوعات زیر بحث می‌کنیم:

• اهمیت اتصال هم پتانسیل
• دستگاه‌های حفاظت آبشاری
• ترکیب دستگاه‌های جریان پسماند و صاعقه‌گیرها

اهمیت اتصال هم پتانسیل

اصول EMC اشاره دارد که تأسیسات LV باید تنها یک اتصال زمین برای بارهای خود داشته باشند.

این اتصال نزدیک مبدأ نصب بوده و صاعقه‌گیر اصلی نیز باید در همین مکان نصب شود

شکل 2 – جایگاه صاعقه‌گیر در تأسیسات LV

که در آن

• برای افزایش بهره‌وری حفاظت، طول کابل‌های L1+L2+L3 باید به هنگام نصب صاعقه‌گیر کاهش پیدا کند.
• U_p – ولتاژ حفاظت جریان پایینِ صاعقه‌گیر اصلی
• U_ps – ولتاژ حفاظت پس از صاعقه‌گیر ثانویه
• * – دستگاه قطع کننده اتصال صاعقه‌گیر در انتهای طول عمر مکانیکی (در اتصال کوتاه)

باید توجه داشت که امپدانس مدار به حداقل برسد

(کاهش اتصال آن به هادی‌های برق‌دار و زمین، و همچنین امپدانس دستگاه قطع اتصال).

به این صورت، اگر صاعقه‌گیر شروع به هدایت کند، بارها حداکثر در معرض ولتاژ حفاظت U_p برابر با ولتاژ پسماند صاعقه‌گیر، به علاوه افت ولتاژ اتصالات آن و دستگاه قطع کننده اتصال قرار خواهند گرفت. بنابراین، اهمیت یک نصب مناسب مطابق با شیوه‌های مناسب کاملاً مشهود است.

یادآوری! یک متر کابل دارای اندوکتانس 1uH است: اعمال فرمول ∆U = L di/dt با صاعقه 8/20 μs و جریان 10kA باعث ایجاد ولتاژ 1000 ولت بر متر می‌شود. بنابراین، به حداقل رسانیِ طول کابل اتصال دهنده‌ی صاعقه‌گیر اهمیت دارد.

دستگاه‌های حفاظت به صورت آبشاری

وقتی صاعقه با دامنه بالایی رخ می‌دهد، اهمیت جریان عبوری از صاعقه‌گیر در اینجاست

که ولتاژ حفاظت ممکن‌است بیشتر از ولتاژ تحمل دستگاه‌های حساس باشد.

بنابراین این دستگاه‌ها باید با استفاده از صاعقه‌گیرهای ثانویه محافظت شوند (شکل 3 را ببینید).

برای اطمینان از اثربخشیِ صاعقه‌گیر‌های ثانویه، آن‌ها باید بیش از 10 متر از صاعقه‌گیر اصلی فاصله داشته باشند. این اتصال بسیار مهم است، زیرا امپدانس کابل بین دو سطح تولید به عنوان یک دیکوپلینگ عمل می‌کند (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده‌است).

شکل 3 – مثال دو صاعقه‌گیر نصب شده در حالت آبشاری

که در آن:

• طول برای صاعقه‌گیرهایی تعریف شده‌است که مجهز به واریستور هستند.
• * دستگاه قطع کننده اتصال صاعقه‌گیر در انتهای طول عمر (در حالت اتصال کوتاه)

باید توجه داشت که تغذیه‌ی بسیاری از دستگاه‌های الکتریکی، به ویژه دستگاه‌های الکترونیکی، توسط واریستورهای متفاوتی محافظت می‌شوند. بنابراین آبشاری‌سازی بین صاعقه‌گیر تأسیسات همچنین مسئول حفاظت از دستگاه‌های حساس است، و نیازمند مطالعه‌ی سطوح حفاظت خواهد بود.

یادداشت‌های مهم

1. وجود صاعقه‌گیر در MV نزدیک آن‌هایی که در LV نصب شده‌است یک حالت دیگر برای نصب آبشاری با استفاده از تفاوت کمان ولتاژ صاعقه‌گیرهای MV و LV، و دیکوپلینگ اجرایی توسط ترانسفورماتور MV/LV است.
2. وقتی دستگاه‌های الکترونیکی شامل فیلتر‌های حالت تفاضلی یا مشترک هستند و نزدیک مبدأ تأسیسات نصب شده‌اند، این فیلترها باید بتوانند تا ولتاژ حفاظت U_p تحمل داشته باشند (شکل 3 را ببینید).

ترکیب و هم‌زیستیِ دستگاه‌های جریان پسماند و صاعقه‌گیرها

در نصب‌هایی که مبدأ آن‌ها مجهز به دستگاه جریان پسماند است (RCD) بهتر است صاعقه‌گیر در جریان بالای دستگاه قرار بگیرد.

• * دستگاه قطع کننده اتصال صاعقه‌گیر در انتهای طول عمرمکانیکی (در اتصال کوتاه)
• ** دستگاه جریان پسماند برای محافظت از انسان‌ها، در اینجا با یک دستگاه قطع کننده اتصال همراه شده‌است.

الف) ساده‌ترین اتصال (توسط EDF در فرانسه ممنوع شده‌است)

شکل 4 الف – ساده‌ترین اتصال برای صاعقه‌گیر بر روی تأسیسات مصرف کننده LV، برای توزیع الکتریکی در سیستم اتصال به زمین TT (در فرانسه توسط EDF ممنوع شده‌است)

با این همه، برخی شرکت‌های توزیع امکان مداخله در این سطح توزیع را فراهم نمی‌کنند. این برای مصرف کنندگان LV در فرانسه است. در این صورت یک RCD انتخاب‌گر یا با تأخیر زمانی برای جلوگیری از جاری شدن جریان از صاعقه‌گیر و تریپ ناخواسته ضروری‌است.

ب) اتصال توصیه شده: همچنین امکان تمایز با RCDهای حساسیت بالا در مسیرهای خروجی وجود دارد.

شکل 4ب- اتصال توصیه شده برای صاعقه‌گیر در تأسیسات مصرف کننده LV، برای توزیع الکتریکی در سیستم اتصال به زمین TT (همچنین امکان تمایز با RCDهای حساسیت بالا در مسیرهای خروجی را فراهم می‌کند)

همچنین، اگر صاعقه‌گیرها باید نزدیک RCDهای حساسیت بالا نصب شوند

(10 یا 30mA)، باید در جریان بالای آن‌ها قرار گیرند.

نتیجه‌گیری

در حوزه‌ی منطقه‌ای، صنعتی و خانگی، نصب صاعقه‌گیر همیشه باید مطابق با نیازمندی‌های زیر باشد.

نیازمندی 1: تمام صاعقه‌گیرها باید دارای یک دستگاه قطع کننده اتصال باشند (وقتی اتصال کوتاه می‌شود انرژی آن تخلیه شود): یک فیوز یا مدارشکن. این دستگاه باید مطابق با صاعقه‌گیر بوده و اتصالات آن (توسط منحنی انفجار یا تریپ مجاز) و همچنین نقطه‌ی نصب آن (ظرفیت شکست) نیز باید تطابق داشته باشد.

به عنوان یک قانون، تولیدکننده‌ها مشخصه‌های دستگاهی که باید برای هر نوع صاعقه‌گیر فراهم شود را مشخص می‌کنند.

نیازمندی 2: اتصالات صاعقه‌گیر به هادی‌های برقدار و از صاعقه‌گیر به اتصال هم پتانسیل اصلی باید تا حد امکان کوتاه باشد: حداکثر مقدار آن 50 سانتی متر است.

نیازمندی 3: کابل‌کشی صاعقه‌گیر نباید در اطراف دستگاه حساس به پدیده الکترومغناطیسی حلقه‌ای ایجاد کند (ساعت‌های الکترونیکی، پروگرامرها و غیره).

هم برای انتخاب اولیه صاعقه‌گیر و هم برای نیازمندی‌های نصب آن، باید به اسناد فنیِ تولیدکننده مراجعه کرد.

لینک مقالات داخلی:

صاعقه‌گیر چیست- ساختار-عملکرد- نصب صاعقه‌گیر-راه اندازی و طراحی