پنج شنبه , ۲۸ تیر ۱۳۹۷
خانه / مقالات / تجهیزات امنیتی حفاظتی / برق گیرها و نقش آنها در جلوگیری از آسیب‌های ناشی از صاعقه
2881593-photography-landscape-lightning-storm-skyscraper-architecture-building-lights-night-kuwait-city___landscape-nature-wallpapers (1)

برق گیرها و نقش آنها در جلوگیری از آسیب‌های ناشی از صاعقه

قسمت اول

صاعقه یکی از اسرار آمیزترین پدیده‌های خلقت است، که در عین زیبایی بسیار مخرب و در طول تاریخ زندگی انسان، موجب ضرر و زیان مالی و جانی بسیاری شده است. اصولا بشر تا قبل از تجربه شخصی حدوث سانحه، کمتر به دنبال علت وقوع آنها بوده است اما خسارات زیاد و مکرر ناشی از اثرات صاعقه امروز به حدی رسیده است که توجه و راهکارهای جدی را می‌طلبد. در این مقاله بر آنیم تا بررسی انواع صاعقه و خسارات وارده ناشی از آنها به ارائه راهکارهای مختلف جهت جلوگیری از صدمات وارده ناشی از صاعقه بپردازیم، همچنین انواع برق‌گیرها و استاندارهای مختلف آنها را شرح خواهیم داد.

———————————————————————————–

صاعقه از تخلیه الکترواستاتیکی میان ابر و زمین بوجود می‌‌آید. در ابرهایی از نوع کومولونیمبوس که ارتفاع و چندین کیلومتر عرض دارند، طی مراحلی، ذرات آب دارای بار مثبت شده به طوری که بارهای منفی در لایه‌های زیرین و بارهای مثبت در بخش‌های فوقانی ابر متمرکز می‌شوند. در این حالت بارهای مثبت سطح زمین نیز، در زیر سایه ابر مجتمع می‌گردند. با افزایش پتانسل الکتریکی ابر نسبت به زمین یک جریان پیشرو از الکترون‌ها با حرکتی نردبانی سرازیر شده وکانال اولیه صاعقه[۱] را، از ابر به سوی زمین می‌دهد. هوای اطراف این کانال کاملا یونیزه است. این پیکان که گاه طول شاخه‌های آن به پنجاه متر می‌رسد، بار زیادی را در نوک پیکان با خود حمل کرده و موجب افزایش شدت میدان الکتریکی جو و شکست مقاومت عایقی هوا می‌شود. در این حالت سرعت حرکت کانال نزدیک می‌باشد. در این زمان با افزایش شدت میدان الکتریکی، یک جریان الکتریکی بالا رونده از زمین به سوی ابر[۲] پیش می‌رود. پس از اصابت این دو پیکان به یکدیگر، کانال جریان بسته شده و ضربه اصلی اتفاق می‌افتد، بدین ترتیب جهت خنثی شدن بارهای ابر[۳] صاعقه و زمین، جریان بسیار زیادی در مدت کوتاهی در این کانال برقرار می‌شود. صاعقه در انواع مختلف اتفاق می‌افتد که متداول‌ترین آنها از نوع صاعقه منفی نزولی و خطرناک‌ترین آنها نوع مثبت صعودی می‌باشد.

صدمات صاعقه

اصولا بشر تا قبل از تجربه شخصی حدوث سانحه، کمتر به دنبال علت وقوع آنها بوده است اما خسارات زیاد و مکرر ناشی از اثرات اولیه (ضربه‌های مستقیم) و ثانویه (میدان‌های الکترومغناطیسی) صاعقه امروز به حدی رسیده است که توجه و راهکارهای جدی را می‌طلبد. شاید اولین دلیل بروز این حوادث، عدم آگاهی از روش‌های صحیح حفاظت باشد، که داشتن یک صاعقه‌گیر در خارج ساختمان (که تنها از وقوع جرقه و تخریب فیزیکی ساختمان جلوگیری می‌کند) می‌تواند کلیه تجهیزات برقی و الکترونیکی داخل ساختمان را نیز حفاظت نماید، در صورتی که چنین نیست. طی ده سال گذشته استانداردهای جهانی[۴] به ما این امکان را داده‌اند که طراحی‌های مناسبی با رعایت اصول و قوانین انجام دهیم. امروزه وسایل و تجهیزاتی که برای یک زندگی ساده تدارک دیده شده، پر از مدارهای الکترونیکی است.

وسایل خانگی، کامپییوتر، فاکس، بی‌سیم، تلویزیون، تلفن، شبکه‌های اطلاعاتی جهانی، همه و همه از مدارهای الکترونیکی ساخته شده‌اند که گران بوده و تعمیرات‌شان نیز آسان نیست و گاهی از خط خارج شدن آنها مصادف با خسارت‌های غیرقابل جبرانی می‌باشد. عواملی که می‌توانند شدیدا تجهیزات نامبرده بالا یا بطور کلی هر وسیله دیگری را که مدارهای الکترونیکی در آنها به کار رفته باشد به خطر انداخته یا غیر قابل استفاده کنند، عبارتند از:

اضافه ولتاژهای ناشی از تخلیه‌های الکترواستاتیک[۵]

اضافه ولتاژهای ناشی از قطع و وصل مدارات جریان[۶]

اضافه ولتاژهای ناشی از ضربه‌های مستقیم صاعقه و میدان‌های الکترومغناطیسی آن[۷]

صاعقه از سه طریق می‌تواند موجب بروز اضافه ولتاژ در سیستم‌های الکتریکی شود.

  • کوپلاژ مقاومتی:

وقتی که صاعقه به ساختمانی ضربه می‌زند جریانی که به زمین تخلیه می‌شود پتانسیل زمین را در سیستم‌های برق و دیتا، تا چند صد کیلو ولت افزایش می‌دهد. این امر موجب می‌شود بخشی از جریان صاعقه از طریق هادی‌های ورودی و خروجی به ساختمان‌های دیگر منتقل شود.

  • کوپلاژ سلفی:

عبور صاعقه از یک هادی و یا کانال تخلیه، خود ایجاد یک میدان شدید مغناطیسی می‌نماید. وقتی که خطوط میدان، هادی‌های را که تشکیل لوپ داده‌اند قطع کند، در آنها ولتاژی معادل چند کیلوولت القاء می‌شود.

  • کوپلاژ خازنی:

کابل‌ها و هادی‌ها: کانال صاعقه در نزدیکی نقطه تخلیه، یک میدان شدید الکتریکی ایجاد می‌کند مانند خازن و هوا نیز عایق دی‌الکتریک آنها است. بدین صورت علیرغم عدم برخورد صاعقه به ساختمان کابل‌ها تحت یک ولتاژ بالا قرار می‌گیرد.

براساس استانداردهای بین‌المللی (BS, IEC, NFC,… ) جهت حفاظت یک سایت و تجهیزات الکترونیکی و حساس نصب شده در داخل و خارج آن در برابر ضربات مستقیم صاعقه و میدان‌های الکترومغناطیسی شدید ناشی از آن و یا سوئیچینگ، سه مرحله اساسی می‌بایست مورد تامل و بررسی قرار گیرد:

  • نصب واحد جذب (صاعقه‌گیر) جهت حفاظت جلد خارجی ساختمان‌ها و تاسیسات[۸]
  • اجرای سیستم ارتینگ و هم‌پتانسیل سازی[۹]

براساس استانداردهای منطقه‌ای و بین‌المللی[۱۰] استفاده از یک مجموعه واحد الکترود زمین توصیه شده است. بسیاری از آسیب‌هایی که به تجهیزات حساس وارد می‌گردد، ناشی از وجود اختلاف به علت بروز شوک‌های ولتاژ و جریان پتانسیل‌های[۱۱] خطرناک برای سیستم‌هایی است که به نوعی به چند الکترود مجزا متصل هستند. در این شرایط می‌بایست با ایجاد شبکه ارتینگ واحد، در کل سایت، تمامی ساختمان‌ها و تجهیزات حساس موجود در داخل یا خارج آنها را روی یک بستر هم‌پتانسیل قرار داد تا بدین ترتیب از ایجاد هر گونه اختلاف پتانسیل در سایت که باعث آسیب به انسان‌ها و تجهیزات می‌شود جلوگیری نمود.

  • حفاظت تجیهزات الکترونیکی حساس در برابر فراتاخت ولتاژ[۱۲]

امروزه صاعقه و شوک‌های ولتاژ ناشی از آن منشا صدمات به دستگاه‌هایی می شوند که در ساخت آنها، به طور وسیعی از عناصر الکترونیکی استفاده شده است. گفتنی است که تنها بخشی از اضافه ولتاژهای ناگهانی در اثر صاعقه بوده و بخش عمده آنها ناشی از عملیات سوئیچینگ و حوادث تغذیه می‌باشند.

ورود میکروپروسسورها به دایره تکنولوژی، کوچک شدن ساختمان‌ها نیمه هادی‌ها و کاهش فاصله عایقی میان آنها، هر چند که موجب افزایش سرعت در عملیات پردازش اطلاعات و ظرفیت ذخیره‌سازی شده است، اما بر حساسیت و آسیب‌پذیری تجهیزات الکترونیکی نسبت به اضافه ولتاژهای لحظه‌ای، آر‌اف‌ها در مدارات تغذیه، سیگنال، دیتا و Surge Arrester بسیار افزوده است. با نصب سیستم‌های الکترونیکی حساس، این تجهیزات در مقابل شوک‌های ولتاژ ناشی از امواج الکترومغناطیسی شدید محافظت می‌شوند. صاعقه، سوییچینگ و اصولا حوادث سیستم‌های تغذیه از عوامل اصلی بروز میدان‌های الکترو مغناطیسی لحظه‌ای و متعاقبان، فراتاخت‌های ولتاژ بر روی خطوط تغذیه، دیتا، سیگنال و… تجهیزات هستند.

اصول کارکرد و انواع برق‌گیرها:

یک سیستم صاعقه اساساً از سه قسمت اصلی تشکیل شده است که از:

  • آنتن برق‌گیر[۱۳]
  • هادی‌ها[۱۴]
  • الکترود یا سیستم اتصال به زمین[۱۵]

آنتن‌های برق‌گیر:

عبارتند از جسم نوک‌دار با الکترود لوله‌ای در اندازه مشخص و یک پایه که دارای یک زمینه هدایت‌کنندگی می‌باشد. وظیفه آنتن برق‌گیر این است که تخلیه الکتریکی صاعقه را که احتمال دارد در ساختمان تحت حفاظت صورت گیرد، به طرف خود منحرف نموده و به طرف زمین بارهای مربوطه را هدایت می‌نماید. محل نصب انتن برق‌گیر در بلندترین نقطه ساختمان می‌باشد.

هادی‌ها:

که سبب ارتباط الکتریکی آنتن‌های برق‌گیر به زمین و به یکدیگر و نیز به اجسام فلزی مجاور می‌گردد. وظیفه هادی‌ها تخلیه بارهای صاعقه از آنتن برق‌گیر به زمین می‌باشد. هادی‌ها می‌توانند به صورت تسمه‌ای یا کابلی شکل باشند.

الکترود یا سیستم اتصال به زمین:

عبارت است از یک یا چند الکترود منفرد یا مرتبط که بارهای الکتریکی را از آنتن توسط هادی‌های نزولی به زمین منتقل می‌کنند.

dscn1298-760x300

رابط‌ها: رابط‌ها عبارتند از پیوند الکتریکی مابین دو یا بیشتر قسمت‌های سیستم حفاظتی.

اتصالات: عبارتند از هادی‌هایی که به منظور فراهم نمودن اتصال الکتریکی مابین حفاظت صاعقه و قسمت‌های فلزی دیگر و مابین قسمت‌های مختلف اخیر برقرار شده است.

بست‌ها: که جهت محکم نمودن هادی‌ها به ساختمان به کار می‌روند. این بست‌ها برای اندازه‌های مختلف تسمه باید طراحی گردد.

نکات کاربردی:

  • سیستم حفاظت برای سوله‌ها یا بام‌های مسطح: در این سیستم از روشی موسوم به سیستم حفاظت فاراده استفاده می‌نمایند. آنتن برق‌گیر به صورت لوله‌های کوتاهی است با نوک تیز که در چند متری یکدیگر دور تا دور پشت بام یا در خط‌الراس سقف سوله قرار دارند.
  • قطر و ضخامت آنتن برق‌گیر در صورت استفاده از میله باید مطابق با جدولی که ابعاد اجزاء تشکیل دهنده سیستم حفاظت صاعقه را می‌دهد اجرا شود.
  • بام‌های با شیب تند: حداکثر فاصله بین میله‌های برق‌گیر در خط‌الرآس بام‌های با شیب تند ۶ تا ۸ متری باشد.

تذکر: سقف‌ها با شیب ملایم آنهایی هستند که عرض آنها چنانچه مساوی یا کمتر از ۴۰ فوت (۱۲ متر) باشد شیب انها کمتر از یک هشتم، چنانچه متجاوز از ۴۰ فوت (۱۲ متر) باشد، شیب انها کمتر از یک چهارم باشد.

  • سقف با شیب ملایم: چنانچه عرض آنها از ۱۵ متر بیشتر باشد، باید علاوه بر آنکه دارای آنتن‌های اضافی در خط‌الرآس و نقاط لازم دیگر باشند، که فاصله انها از ۱۵ متر تجاوز نکند، دور تا دور آنها نیز آنتن‌هایی به فواصل ۶ تا ۸ متر باید نصب گردد.

فاصله انتن‌های برق‌گیر از انتهای بام یا خط‌الرآس سوله یا تغییر مسیر هر بام باید در حدود ۲ فوت (۶۰ سانتی متر) باشد.

طول آنتن‌ها حداکثر ۱۵۰ و حداقل ۳۰ سانتی‌متر می‌باشند. آنتن‌های برق‌گیر باید در قسمت‌های اساسی و محکم و در بلندترین نقطه ساختمان نصب گردند و سطح مقطع نقطه اتکا حداقل باید با سطح مقطع یکی باشد و طوری باید محکم گردند که احتمال واژگون شدن به وسیله باد را نداشته باشند. آنتن‌های برق‌گیر با ارتفاع متجاوز از ۶۰ سانتی‌متر، باید نگهداری آنها از نقطه‌ای باشد که ارتفاع آن کمتر از ارتفاع نصب انتن نباشد. هواکش، دودکش، مخازن آب و سایر برجستگی‌های دیگر پشت بام که احتمال آسیب ناشی از شوک دارند باید به انها اتصال الکتریکی (به وسیله هادی‌های فرعی، آنها را به هادی اصلی متصل نمود) ایجاد نمود و یا ممکن است به وسیله یک هادی خارجی به یکدیگر متصل و سپس به اسکلت ساختمان وصل شوند که تعداد این اتصالات نباید از تعداد اتصال‌های زمین کمتر باشد.

کلیات:

به منظور حفاظت ساختمان‌های بلند، بناهای تجمعی، بناهای درمانی یا مراقبتی، بناهای صنعتی و سازه‌هایی از قبیل برج‌ها، دودکش‌ها، مناره‌ها، خطوط انتقال نیرو، پالایشگاه‌ها و مانند آن در برابر آذرخش، باید با توجه به ارزیابی خطر صاعقه در طرح و اجرای کلیه بناهای مرتفع و تاسیسات مزبور سیستم‌های حفاظتی در برابر آذرخش (برق‌گیر حفاظتی) متناسب با مورد کاربرد پیش‌بینی و اجرا شود.

ارزیابی میزان خطر آذرخش برای هر بنا یا سازه، بستگی به عواملی همچون نوع بنا یا سازه (برج، مسکونی، تجمعی، درمانی، صنعتی و مانند آن)، ساختار و مصالح به کار رفته در بنا (چوب، آجر، بتن، فولاد و مانند آن)، ارتفاع ساختمان و موقعیت نسبی آن نسبت به بلندی سایر بناها، موقعیت توپوگرافی محل (زمین مسطح، تپه ماهور، کوهستانی)، محتوای تصرف از نظر آتش‌گیری و نیز دفعات رعد و برق در منطقه مورد نظر خواهد داشت.

اصول محافظت ساختمان‌ها و دیگر تاسیسات مورد نظر، در برابر آذرخش بر اساس جذب، هدایت و دفع بار الکتریکی به زمین از طریق مسیر عبور جریان برق جداگانه با حداقل مقاومت و بدون اینکه خطری ایجاد کند استوار می‌باشد، که ممکن است شامل سیستم‌های حفاظت بیرونی و درونی باشد. مسیر مذکور شامل پایانه‌های هوایی، شبکه هادی‌ها از تسمه و یا سیم مسی رابطه و پایانه‌های زمینی یا چاه‌های اتصال زمین می‌باشد. ساده‌ترین نوع بر‌ق‌گیر که در سال ۱۷۵۳ به وسیله بنجامین فرانکلین طرح و ساخته شد میله فرانکلین است.

استاندردها و مشخصات فنی سیستم‌های حفاظتی در برابر صاعقه

به طور کلی برق‌گیرهایی که معمولا برای محافظت خارجی ساختمان‌ها و دیگر تاسیسات یاد شده ممکن است به کار برده شود به قرار زیر است:

الف: برق‌گیر قفس فاراده یا شکلی از آن موسوم به الکترونیک (ESE)

ب: برق‌گیر مولد برق اولیه

برق‌گیر قفس فاراده شامل تعدادی پایانه‌های هوایی (میله‌های برق‌گیر فرانکلین) می‌باشد که بر روی سطوح مرتفع پشت بام ساختمان‌های مختلف و یا در بلندترین قسمت برج و دیگر تاسیسات مشابه نصب و به وسیله شبکه تسمه مسی به یکدیگر مرتبط و از یک و یا چند نقطه مختلف با استفاده از تسمه یا سیم مسی لخت به سیستم پایانه‌های زمینی (شبکه اتصال زمین) مربوط متصل می‌شود. شکل دیگر برق‌گیر قفسه فاراده شامل سیستم پایانه‌های هوایی متشکل از هر ترکیبی از میله‌ها، سیم‌های کشیده شده و شبکه هادی‌ها می باشد.

برق‌گیر الکترونیک شامل یک یا تعدادی پایانه هوایی الکترونیک با ملحقات و اتصالات مربوط می‌باشد، که برحسب مورد ممکن است در مرکز بلندترین قسمت پشت بام، برج، دودکش و دیگر تاسیسات مشابه و یا بر روی سطوح مرتفع ساختمان مورد حفاظت بر روی پایه مربوط نصب و به وسیله تسمه یا سیم مسی لخت به یکدیگر مرتبط و سپس از یک یا چند نقطه مختلف به سیستم پایان‌های زمینی (شبکه اتصال زمین) متصل شود.

شعاع فضای محافظت شده از مرکز هر برق‌گیر الکترونیک بستگی به مدل، ساختمان، ارتفاع نصب و موارد کاربرد آن دارد.

تعاریف:

به طور کلی، سیستم حفاظت در برابر آذرخش مشتمل بر تاسیسات حفاظت بیرونی (ساختمان) و در صورت لزوم تاسیسات حفاظت درونی آن می‌باشد.

سیستم تاسیسات حفاظت بیرونی ساختمان در برابر آذرخش شامل یک یا چند سیستم پایانه هوایی، یک یا چند هادی نزولی و یک یا چند سیستم پایانه زمینی می‌باشد.

سیستم تاسیاست حفاظت درونی ساختمان در برابر آذرخش شامل تمامی تجهیزات و اقداماتی است که اثرات الکترومغناطیسی جریان برق ناشی از آذرخش را درون حجم مورد نظر کاهش می‌دهد.

پایانه هوایی

فوقانی‌ترین بخش یک سیستم حفاظت در برابر آذرخش که در نوع قفس فاراده شامل میله یا لوله نوک تیز (میله و سرمیله یک یا چند شاخه) با اندازه و جنس مشخص، پایه نصب و محل اتصال هادی‌های ارتباطی بوده و در اشکال دیگر قفس فاراده متشکل از هر ترکیبی از میله‌ها، سیم‌های کشیده شده و شبکه هادی‌ها خواهد بود و در برق‌گیرهای الکترونیکی، که در انواع مختلف ساخته می‌شود، به طور کلی شامل میله برق‌گیر، مجموعه یونیزه کننده الکترونیکی، پایه نصب و محل اتصال هادی‌های ارتباطی است.

پایانه زمینی

بخشی از یک سیستم تاسیسات حفاظت بیرونی در برابر آذرخش که ممکن است شامل یک یا چند الکترود میله‌ای، لوله‌ای، تسمه‌ای یا ورق مسی مدفون در زمین باشد که به صورت شبکه بسته یا شعاعی، عمودی یا مایل، یا جاسازی شده در پی‌ها برای هدایت و توزیع برق ناشی از آذرخش به زمین به کار می‌رود.

کلاس حفاظت

طبقه بندی یک سیستم حفاظت در برابر آذرخش که مبین سطح کارایی آن است.

هادی نزولی

بخشی از سیستم تاسیسات حفاظت بیرونی ساختمان در برابر آذرخش که جریان برق آذرخش را از سیستم پایانه هوایی به سیستم پایانه زمینی انتقال می‌دهد.

[۱] downward leader

[۲] upward leader

[۳] return stroke

[۴] Electromagnetic

[۵] Electrostatic Discharge

[۶] Switching Electromagnetic Pulse

[۷] pulse Lightning‐Electromagnetic

[۸] External Lightning Protection System

[۹] Earthing and Equipotentional Bonding

[۱۰] (BS, IEC, NFC, IEEE)

[۱۱] Surge Current and Voltage

[۱۲] Surge Protection

[۱۳] Air termination

[۱۴] Conductor

[۱۵] Earth termination

پیشنهاد برای مطالعه:

best-home-automation-products-new1

جدیدترین گجت‌های هوشمند؛ راهی برای افزایش امنیت منازل

امروزه گجت‌های هوشمند متعددی به منظور جلوگیری از سرقت منازل و افزایش ضریب امنیت خانه‌های …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *