صاعقه گیر ، ساختار، عملکرد، نصب – راه اندازی و طراحی

07 اردیبهشت صاعقه گیر ، ساختار، عملکرد، نصب – راه اندازی و طراحی

۵ بخش مهم اجرای حفاظت بیرونی ساختمان در مقابل صاعقه

آنالیز ریسک و خطر صاعقه

برای آنالیز ریسک و خطر صاعقه نیاز به در نظر گرفتن عوامل و فاکتورهای زیادی است. در این مقاله ما راجع به حفاظت سازه و ساختمان و ۵ موضوع مهم : برقگیر‌های صاعقه، مدل الکتریکی هندسی صاعقه ، سطح خازنی محیط ها، هادی های پایین رونده و سیستم ارت صحبت می کنیم.

حفاظت نصب، تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی در ساختمان در نظر گرفته نشده است ، و فقط مهم ترین بخش های حفاظت بیرونی سازه یا ساختمان را در مقابل برخورد با صاعقه بررسی می کنیم.

فهرست:

۱-سیستم های حفاظتی ( برقگیرهای صاعقه)

۱-۱ صاعقه گیر  میله‌ای تکی ( صاعقه گیر فرانکلین)

۱-۲ صاعقه گیرهای دارای اسپارک اور (Sparkover)

          ۱-۳ صاعقه گیر به صورت قفس مشی

          ۱-۴  صاعقه گیر به وسیله ی سیم های ارت

۲- مدل الکتروهندسی

۳- مساحت سطح به دام انداختن صاعقه

۴-هادی ها یا سیم های پایین برنده صاعقه

۵-سیستم ارت

۱-سیستم های حفاظتی ( برقگیرهای صاعقه)

هدف این هادی ها که معروف به برق گیر هستند این است که ساختمان را از برخورد مستقیم صاعقه حفاظت کنند. با برخورد  صاعقه به این هادی ها و تخلیه جریان صاعقه به زمین، نصب این برقگیر ها باعث جلوگیری از خسارت ساختمان و ایجاد جریان های گردشی به خاطر برخورد صاعقه می شود

هادی های صاعقه به ۴ دسته تقسیم می شود.

۱-۱ صاعقه گیر  میله‌ای تکی ( صاعقه گیر فرانکلین)

این صاعقه گیر ها بسته به اندازه سازه و هادی های پایین رونده دارای یک سر یا چندین سر است،

این صاعقه گیر ها هم به صورت مستقیم به الکترود ارت ( در فوندانسون) متصل می‌شود و یا بسته به نوع حفاظت و اجرا، به یک الکترود ارت خاص ( الکترود ارت کننده‌ی صاعقه گیر) متصل می شود که خود این الکترود هم به ارت متصل می شود.

۱-۲ صاعقه گیرهای دارای اسپارک اور (Sparkover)

این صاعقه گیر ها نوع توسعه یافته ی صاعقه های میله ای تکی است. این صاعقه گیرها دارای یک اسپارک اول هستند. اسپارک اور یک میدان الکتریکی روی سر برقگیر ایجاد می کند، که باعث می شود صاعقه بهتر جذب شده و کارایی صاعقه گیر را بهبود می بخشد.

چندین صاعقه گیر را می توان روی یک ساختمان نصب کرد. کل این صاعقه گیر باید هم به هم متصل شده و سپس به  الکترود ارت متصل شود.

برای ساختمان های بزرگتر از ۶۰ متر که با یک صاعقه گیر میله ای از نوع اسپارک اور یا معمولی حفاظت می شود، حفاظت سیستم با اجرای  یک حلقه ی فلزی در بالا تکمیل می شود تا ریسک برخورد جرقه های صاعقه های پهلویی و عرضی نیز از بین برود.

۱-۳ صاعقه گیر به صورت قفس مشی

قفس مشی شامل یک شبکه از هادی ها است که بیرون ساختمان و اطراف آن ایجاد می‌شود و کل ساختمان را می‌پوشاند. میله های صاعقه گیر (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 متصل می شود.

تمام هادی ها به هم متصل شده و به وسیله ی هادی های پایین رونده به ارت فوندانسیون متصل می شوند.

۱-۴ صاعقه گیر به وسیله ی سیم های ارت.

این سیستم در بالای ساختمان ها، محل هایی بیرونی که انبار نگهداری وسایل است، بالای خط های انتقال  و … استفاده می شود. مدل الکتروهندسی  کروی به این نوع از برقگیر ها مرتبط می شود.

به خاطر این که نصب هادی های برقگیر ریسک اضافه ولتاژ را شدیدا افزایش می دهد حفاظت سرج ارستر نیز باید استفاده شود. بر اساس استاندارد IEC 60364 یک حفاظت سرج ارستر ولتاژی از نوع کلاس min. Imp 12.5 kA – waveform 10/350 در محل نصب نیاز است

۲- مدل الکتروهندسی

انتخاب و محل نصب صاعقه گیر و هادی ها، نیاز به یک مطالعه‌خاص آن محل دارد. هدف از این کار این است که مطمئن شویم که صاعقه به نقاط مورد دلخواه ما برخورد می کند (منظور همان برقگیر است) و به خود ساختمان برخورد نمی کند.

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

«یکی از این روش‌ها که نام آن «مدل الکتروهدسی» می باشد(مدل کروی مجازی)، مقدار سطح کروی که به صورت تئوری به وسیله‌ی رسانای صاعقه گیر حفاظت می شود را، بر اساس چگالی جریان تخلیه، اولین قوس محاسبه می کند.»

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

فرض می‌شود که نوک صاعقه یک کره ی فرضی با شعاع D‌ را نمایش می دهد.

اولین نقطه ای که نزدیک این کره شود صاعقه در آنجا تخلیه می‌شود: یک درخت، پشت بام، زمین یا صاعقه گیر. با نصب صاعقه گیر، اگر نوک صاعقه گیر یک کره با شعاع D به صورت فرضی رسم کنیم، صاعقه گیر نمی تواند سطح خارج از کره را حفاظت کند و خارج از این سطح ممکن است صاعقه برخورد کند. این قضیه  در شکل ۷ مشخص است. ناحیه هاشور خورده ناحیه ایمن است.

شعاع تئوری D کره بر اساس رابطه‌ی D = 10 × I^2/3 ، محاسبه می شود که D ‌بر حسب متر است و I بر حسب kA

جدول ۱- مقدار شعاع D کره و مقدار جریان صاعقه
(D (m	۱۵	۲۹	۴۶	۹۶	۱۳۵	۲۱۵
(I (kA	۲	۵	۱۰	۳۰	۵۰	۱۰۰

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 نظر گرفته شود.

سطح های حفاظت (IEC 62305)

مدل باید بر اساس نوع دستگاه حفاظتی ( صاعقه گیری میله ای تکی، قفق مشی، سیم های ارت کننده) و سازه ای که می خواهیم حفاظت کنیم، تطابق داده شود.

استاندارد IEC 6235 یک حجم حفاظتی که بستگی به ۴ نوع سطح حفاظتی بر اساس احتمال برخورد صاعقه تعیین می کند.

جدول ۲ حجم جفاظتی بر اساس ۴ سطح حفاظتی
Level	I	II	II	IV
Probability of capture (%)	۹۹	۹۷	۹۱	۸۴
(Min. capture current (kA	۳	۵	۱۰	۱۶
(Max. sparkover distance (m	۲۰	۳۰	۴۵	۶۰

۳- مساحت سطح به دام انداختن صاعقه

وقتی می خواهیم سایتی را حفاظت کنیم که از چندین ساختمان تشکیل شده است و یا این که تعدادی از نقاط یا ساختمان ها از حوضه ی حفاظتی یک صاعقه گیر بیرون می زند. کار کمی پیچیده تر می شود. اول باید یک طرح حفاظتی برای محل رسم شود و با فضاهایی که صاعقه گیر ها می توانند صاعقه را به دام بی‌اندازند مقایسه شوند.

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

روی هم انداختن طرح کلی حفاظتی روی نقشه ی محل کمک می کند 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 دستگاه های استفاده شده در ساختمان ( تجهیزات ارتباطی، کامپیوتر و …)
• خطرات بالقوه‌ی ناشی از وجود و نگهداری موادی که ممکن است باعث انفجار یا آتش سوزی در صورت برخورد صاعقه شوند.

در نظر داشته باشید که به علت تعداد لینک های ارتباطی زیاد در ساختمان 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، ممکن است تداخل در این سیستم ها 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 میدان ها محفاظت می کند
• راه ۲- تجزیه گالونیکی (Galvanic decoupling) که ساختمان را به صورت الکتریکی جدا می کند ( فیبر نوری ها، ترانسهای ایزوله و ..)

طرح حفاظتی طراحی شده باید ساختمان و سازه را از برخورد مستقیم صاعقه حفاظت کند، اما باید بخش هایی از ساختمان یا محل را که در  داخل ساختمان نیستند را نیز در نظر بگیرد زیرا ممکن است صاعقه تاثیرات مخرب نیز در مکان هایی مانند پارکینگ، انباره ها و .. داشته باشد.

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

دقت بیشتر مشخص می کند که در  چراغ های محوطه ی پارکینگ ممکن است 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 صاعقه است.

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

۴-هادی ها یا سیم های پایین برنده صاعقه

این هادی ها اتصال بین صاعقه گیر ( قفس، میله یا سیم) را با الکترود ارت برقرار می کنند. آنها جریان زیادی را باید تحمل کنند و باید حداقل از سیم مسی سایز ۵۰ و یا شمش با سطح مقطع ۵۰ استفاده کنید و کوتاه ترین مسیر را برای اتصال  به الکترود ارت انتخاب کنید.

آن ها نباید نقاط تیز و برآمدگی داشته باشند.

بهتر است تعداد سیم های پایین برنده ی صاعقه را افزایش دهیم که باعث کاهش جریان، حرارت، فشار الکترودینامیکی و اثر سلفی در سیم پایین برنده می شود. سیم های پایین برنده در آخر باید به یک ارت هم پتانسیل و مش شده مناسب متصل شوند.

جریان گردشی صاعقه را در سیم های پایین برنده صاعقه می توان با روش های زیر کمتر کرد:

• افزایش تعداد هادی ها برای تقسیم جریان
• مطمئن شوید که سیم های پایین برنده با سیستم هم بندی در تمام طبقات اتصال دارد و به صورت صحیح وصل شده است.
• ایجاد یک سیستم هم بندی با پتانسیل مساوی که شامل تمام هادی ها و آنهایی که در دسترس نیستند مانند
  • لوله های آب
  • مدارهای حفاظتی
  • فلزها و میلگردها و اسکلت ها چه بیرون و چه داخل بتون
  • قاب ها و پنجره های فلزی و …
• سیم های پایین برنده صاعقه را نزدیک جاهای حساس و تجهیزات حساس قرار ندهید مانند سیستم های ارتباطی و یا محاسباتی

در ساختمان هایی که شامل چندین طبقه هستند، بهتر است سیم های پایین برنده به سیستم هم بندی در هر طبقه متصل شود.

اگر این کار انجام نشود، اختلاف ولتاژ اتفاق افتاده بین سیم پایین برنده و اجزای خازنی در معرض گرفته ی داخل ساختمان ممکن است باعث ایجاد جرقه بین دیوارها و ساختمان شود.

«گردش جریان فرکانس بالای صاعقه ممکن است باعث افزایش شدید ولتاژ در سیم های پایین برنده‌ی صاعقه شود( در حد چند هزار ولت) و این به خاطر افزایش امپدانس فرکانس بالا می باشد.»

۵-سیستم ارت

سیستم ارت یک بخش اساسی در حفاظت صاعقه است: تمام هادی هایی که خودشان به هم متصل شده اند، باید به زمین متصل شوند، و سیستم بایدتوانایی تخلیه جریان صاعقه را داشته باشد. همچنین نباید افزایش ولتاژ شدیدی در خود ارت و زمین اطراف ایجاد شود.

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 می باشد.

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

بعلاوه IEC 62305 بیان می کند که سیم پایین برنده باید به هم بندی سیستم با لینک هم پتانسیل اصلی متصل شود.

«زمانی که امکان پذیر است، بهتر است که تعداد سیم های پایین برنده و نقاط اتصال در هر طبقه را زیاد کنید تا اندازهِ کلی سیستم هم بندی که هم پتانسیل است، افزایش پیدا کند. سیستم ارت 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 سیستم ارت باشد.

باید از ایجادِ سیستم های جدا و غیر مرتبط در  ( کامپیوترها، الکترونیکی ها و ارتباطی ها) جلوگیری کرد. ( منظور این که باید همه ی تجهیزات از یک نقطه برق گرفته و از یک ارت استفاده شود)