برق گیرها ( 2 )

برقگير لوله اي :
 

اين نوع برقگير شامل يک فاصله هوايي براي جرقه زدن در فضا و يک فاصله ديگر در درون يک محفظه مخصوص مي باشد که با هم به طور سري قرار دارند . اين نوع برقگير ها به منظور کوتاه کردن زمان عبور جريان هدايت شونده (پرهيز از وقوع اتصال کوتاه) تهيه شده اند . در برقگير لوله اي جريان هدايت شونده پس از يک يا چند پريود در اثر گازي که خود برقگير توليد مي کند از بين مي رود و از اين جهت مي توان آن را برقگير " جرقه خاموش کن " نيز ناميد .
برقگير لوله اي از يک لوله عايقي ( R ) از جنس مواد مصنوعي ( PVC ، فيبر لاستيک سخت ) تشکيل شده است و در داخل آن دو الکترود فلزي تو پر ( E ) و توخالي ( G ) قرار دارند . الکترود G مستقيماً به دکل يا سيم زمين متصل مي شود ولي بين الکترود E و فاز شبکه يک فاصله هوايي وجود دارد . هر گاه اضافه ولتاژي بين فاز و برقگير قرار بگيرد ، فاصله هوايي L و فاصله بين دو الکترود توسط جرقه اتصال کوتاه مي شود و در اثر اين جرقه ، شبکه اتصال زمين مي شود و جريان زيادي از برقگير مي گذرد که سبب بخار شدن قسمتي از سطح داخلي لوله R مي شود . اين گاز فشار داخلي لوله را با وجود اين که سوراخ لوله الکترود انتهايي به خارج راه دارد ، به حدي بالا مي برد که با سرعت زيادي از سوراخ G خارج مي شود . جريان سريع گاز الکترونهاي موجود بين دو الکترود را با خود به خارج حمل مي کند ، جرقه را خنک کرده و در ضمن طول قوس را به حدي زياد مي کند که پيوستگي قوس از بين مي رود و قوس مي شکند و به اين ترتيب پس از يک يا چند پريود ، به علت اين که حامل هاي بارهاي الکتريکي در مسير قوس موجود نيستند جرقه خاموش شده مجدداً روشن نمي شود و براي هميشه خاموش مي ماند . و جريان اتصال کوتاه قطع مي گردد .
از برقگيرهاي لوله اي بيشتر در شبکه هاي با ولتاژ استفاده مي شود . اين نوع برقگيرها قادر نيستند که به نحو مطلوب دامنه جريان هدايت شده را قبل از قطع محدود کنند . قابليت قطع جريان هدايت کننده با فرکانس قدرت ، بستگي به ظرفيت اتصال کوتاه سيستم در نقطه خطا دارد . همچنين ولتاژ جرقه اين نوع برقگيرها بالاتر از برقگيرها يا مقاومت غير خطي است .

برقگير سيليکون کاربيد :
 

تا چندي قبل روش متداول حفاظت در مقابل صاعقه استفاده از برقگيرهاي سيليکون کاربيد ( SiC ) بود . اين برقيگر ها از ترکيب سري فواصل هوايي با مقاومت ساخته مي شوند و برخلاف جرقه گيرها ، پس از عمل کردن آنها ، شبکه قدرت قابليت بازگشت به حالت اوليه را خواهد داشت . زيرا مقاومت مذکور جريان تخليه را کاهش داده و به لحاظ هم فاز بودن تقريبي جريان و ولتاژ پس از به صفر رسيدن شکل موج ولتاژ نامي سيستم ، جريان مجدداً برقرار نمي شود .
مقاومت هاي اين نوع از برقگيرها از نوع غير خطي هستند زيرا از يک طرف بايد آن قدر کوچک شوند که توسط فواصل هوايي قابل قطع باشند و از طرف ديگر در ولتاژ هاي ضربه اي به صورتي باشند که در اثر تخليه جريانهاي ضربه اي زياد ، افت ولتاژ دو سر آنها ( ولتاژ پسماند ) از سطح حفاظتي تجهيزات کمتر شود . معمولاً اين مقاومت ها از نيمه هادي سيليکون کاربيد ( SiC ) ساخته مي شوند که داراي خاصيت مذکور مي باشند .
برقگير سيليکون کاربيد شامل يک مقاومت سيليکون کاربيد با مشخصه غير خطي V – I به صورت سري با يک فاصله هوايي مي باشد . وقتي اضافه ولتاژ از حد ولتاژ جرقه بيشتر شود ، با ايجاد جرقه در دو سر فاصله هوايي ، افزايش امپدانس مسير جرقه از افزايش شديد جريان جلوگيري مي کند . فاصله هوايي جرقه که به آن فاصله جرقه اکتيو گفته مي شود ، طوري طراحي مي گردد که بعد از چند بار جرقه زدن در اثر اضافه ولتاژ ، جرقه مسدود گردد.
برقگيرهاي SiC به هيچ عنوان نبايد تحت اضافه ولتاژهاي با فرکانس قدرت ( شبکه ) عمل کنند . زيرا باعث ايجاد اتصال کوتاه به زمين و عبور انرژي زياد از خود شده و از بين مي روند . برقيگر هاي SiC سطح اضافه ولتاژهاي ناشي از صاعقه و کليد زني را به حد مشخصي کاهش مي دهند که اين حد بستگي به ولتاژ نامي برقگير دارد .
اضافه ولتاژ کليد زني با انرژي بالا که جريان تخليه زيادي را براي مدت طولاني عمل مي کند ، ممکن است باعث سوختن الکترودهاي برقگير شود و لذا اين مسئله باعث محدوديت در کاربرد اين نوع برقيگر ها و هم چنين باعث مي شود که سطح استقامت عايقي ، بالاتر براي تجهيزات انتخاب شود . در چنين حالاتي بايد برقگيرهايي با ولتاژ نامي بالاتر انتخاب شوند تا در اضافه ولتاژهاي ناشي از کليد زني عمل نکنند .
در برقگيرهاي SiC نوع جديد ، براي کاهش تلفات ( افزايش طول عمر و قدرت تحمل انرژي ) برقگير و براي خاموش کردن جرقه در فاصله هوايي پس از حذف موج و در نتيجه قطع جريان ، از روشهاي مغناطيسي استفاده مي شود .
برقيگر SiC با خاموش کن مغناطيسي 3 برابر بيشتر از نوع معمولي آنها قابل تحمل انرژي را دارا مي باشد ، زيرا تلفات جريان متعاقب موج به حداقل مقدار خود مي رسد. اين نوع برقگيرها در شبکه هاي با ولتاژ بالا کاربرد دارند .

برقگيرهاي نوع اکسيد فلزي ( MOV ) :
 

نوع جديد برقگيرها داراي بلوک هايي با مقاومت الکتريکي غير خطي و از جنس اکسيد فلزات مي باشند . اين بلوک ها به MOV مشهور مي باشند . از آنجا که 95 % از مواد تشکيل دهنده بلوک هاي MOV را اکسيد روي ( ZnO ) تشکيل مي دهد ، به آنها برقگيرهاي ZnO نيز گفته مي شود .
اجزاي تشکيل دهنده ZnO شامل اکسيد روي و مقادير کمي از اکسيد ديگر فلزات از قبيل بيسموت ، کبالت ، آنتيموان ، اکسيد منگنز مي باشد . ذرات بسيار ريز اکسيد روي و اکسيد فلزات ديگر پس از فشرده شدن به صورت ديسک و در اندازه هاي معين شکل مي گيرند . سپس اين ديسک ها در درجه حرارت بالا پخته شده و به صورت سراميک در مي آيند اين ديسک ها به صورت سري در محفظه استوانه اي شکل گرفته و برقگير ZnO را تشکيل مي دهند .
بلوک ZnO داراي يک مشخصه ولتاژ – جريان کاملاً غير خطي مي باشد و داراي قابليت بالا براي جذب انرژي موج هستند . دنباله جريان در اين نوع برقگيرها وجود ندارد يعني جريان با کاهش اضافه ولتاژ ضربه اي کاهش مي يابد و با ولتاژ متناوب ( ولتاژ نامي سيستم ) ادامه پيدا نمي کند. از اين رو برقگيرها در عمل کمتر از برقگيرهاي با فاصله هوايي گرم مي شوند و تکرار عملکرد آنها کمتر مشکل ايجاد مي نمايد .
از ديگر مزاياي اين نوع برقگير ها ، سرعت عملکرد در پيشاني موج است . به اين معني تاخيري که در برقگيرهاي با فاصله هوايي وجود دارد ، در اين نوع برقگيرها خيلي کمتر است .
با توجه به عدم وجود فاصله هوايي ، امکان موازي کردن برقگير ZnO وجود دارد به اين ترتيب مي توان تحمل برقگير در مقابل جريانها زياد را افزايش داد . با مقايسه ولتاژ – جريان بلوک هاي SiC و ZnO مشخص مي شود که تحت ولتاژ نامي شبکه، جريان عبوري از بلوک ZnO کمتر از يک ميلي آمپر است . در حالي که اين مقدار براي بلوک هاي SiC به مراتب بيشتر است. برقگيرهاي ZnO ميتوانند اضافه ولتاژهاي با فرکانس قدرت را براي مدت مشخص تحمل کنند و با در نظر گرفتن اين ويژگي حتي در سيستم هاي زمين نشده ( که هنگام اتصال کوتاه يک فاز به زمين ، ولتاژ فازهاي ديگر مي تواند تا برابر افزايش يايد ) مي توان سطح عايقي کمتري را براي اين نوع برقگير ها انتخاب کرد.
يکي از مشکلات برقگيرهاي ZnO ، جريان نشتي در فرکانس قدرت مي باشد . اين جريان در حد ميلي آمپر است ولي ممکن است با تکرار عملکرد برقگير ، لايه هاي عايق بين دانه هاي اکسيد روي سوخته شود و باعث افزايش جريان نشتي گردد.
مسأله ديگر ، تغيير مقاومت بر اثر درجه حرارت است . اين تغيير در جريانهاي کم، بيشتر محسوس است ولي به هر حال با کاهش مقاومت تحت ولتاژ نامي شبکه بر اثر درجه حرارت ، احتمال گرم شدن و کاهش مقاومت و افزايش درجه حرارت وجود دارد .
با وجود اين مشکلات ، اما به خاطر مزاياي زياد برقگيرهاي ZnO نسبت به ديگر برقگيرها ، استفاده از اين برقگيرها متداول شده است و به تدريج جايگزين برقگيرهاي ديگر مي گردد . بعضي از مزاياي برقگيرهاي ZnO عبارتند از :
کارآيي بهتر نسبت به ساير برقگيرها ( بهتر از ساير برقگيرها ، اضافه ولتاژها را کنترل مي کند ) .
پراکندگي کم ولتاژ پسماند و همچنين داراي ولتاژ پسماند خيلي کم .
داراي تاخير زماني خيلي کم .
برگشت طبيعي به وضعيت اوليه يا مدار باز .
داراي مشخصه ولت – جريان خطي تر از برقگير SiC .
داراي سطح حفاظتي خيلي خوب .
داراي جريانهاي نشتي پائين در شرايط کار نامي سيستم ( حداقل تلف توان در شرايط کار عادي ) .
از مهمترين عيب هاي برقگيرهاي ZnO ، قيمت زياد آنها نسبت به ديگر برقگيرهاست و ديگر اين که برقگيرهاي ZnO در سيستم هاي داراي نوسانات ولتاژ قابل ملاحظه ، بيشتر از برقگيرهاي SiC در معرض خطر و آسيب ديدگي قرار مي گيرند .

برقگير قوس طولاني ( LFA ) :
 

نصب برقگير خط بين فاز – دکل به صورت موازي با زنجيره مقره يا به جاي مقره نياز به هزينه سنگيني دارد. لذا بايد به دنبال راهي بود تا بتوان هزينه نصب برقگيرها را کاهش داد و جلوي خروج خطوط بر اثر تخليه اضافه ولتاژهاي ناشي از تخليه جوي بر خط را گرفت .
روش جديد براي حفاظت خطوط انتقال استفاده از يک سطح طولاني جهت هدايت قوس الکتريکي ناشي از تخليه مي باشد.
برقگيرهاي قوس طولاني مي توانند بين هادي و زمين و يا به صورت سري با مقره قرار بگيرند . ساختار اين برقگيرها خيلي ساده بوده و در نتيجه نسبت به ساير برقگيرها خيلي ارزانتر مي باشند . به طوري که قيمت آن در حدود يک دهم قيمت برقگيرهاي ZnO است . يکي ديگر از مزاياي عمده اين برقگيرها عدم جاري شدن جريان با فرکانس شبکه ( PAF ) پس از اتمام تخليه جريان موج گذرا و بروز قوس بر روي مقره مي باشد .
پارامترهاي مهم براي انتخاب برقگير مناسب جهت حفاظت عايقي :
انتخاب برقگيرها با توجه به نوع سيستم ، اهميت و ملاحظات اقتصادي آن صورت مي گيرد که بايد درباره انتخاب يک نوع آن تصميم گرفت ، اين تصميم گيري بايد به گونه اي باشد که احتمال آسيب رساندن به دستگاه مورد حفاظت را به حداقل برساند . و ضمن اينکه برقگير بايد به طور کامل از عهده حفاظت سيستم و تجهيز برآيد ، خود نيز محفوظ بماند .
پارامترهاي مهم در انتخاب برقگير مناسب عبارتند از :
ماکزيمم ولتاژ کار دائم ( MCOV )
ولتاژ نامي ( Ur )
جريان تخليه نامي
ماکزيمم جريان ضربه قابل تحمل
قابليت تحمل جذب انرژي W

ماکزيمم ولتاژ کار دائم ( MCOV ) :
 

از آنجا که برقگير بين فاز و زمين قرار مي گيرد ولتاژ کار دائم روي برقگير به ميزان برابر ولتاژ خط مي باشد . معمولاً براي اين مقدار ضريب اطميناني در نظر گرفته مي شود .
حداقل ضريب اطمينان 05/1 مي باشد .
بنابراين در شبکه 20 کيلوولت ( ماکزيمم ولتاژ شبکه 24 کيلوولت ) حداقل MCOV برابر 55/14 کيلوولت است . مقدار MCOV بر حسب " کيلوولت مؤثر " داده مي شود .
سازندگان برقگير توليدات خود را به مدت 1000 ساعت تحت ولتاژ MCOV 05/1 قرار مي دهند و تلفات برقيگر را در ابتدا و انتهاي اين مدت آزمايش ، اندازه گيري مي کنند درصورتي که تلفات تغيير نکرده باشد صحت عملکرد برقگير تاييد مي شود .

ولتاژ نامي ( Ur ) :
 

مقدار ولتاژ نامي به چند عامل بستگي دارد از جمله :
اضافه ولتاژ موقتي ( TOV ) ناشي از اتصال کوتاه تک فاز به زمين يا قطع بار و در نتيجه افزايش ولتاژ شبکه .
ضريب اتصال زمين ( Ce ) .
زمان قطع شدن خطاهاي اضافه ولتاژ .
با توجه به عوامل مذکور ولتاژ نامي از رابطه تقريبي زير محاسبه مي شود :
Ur = 1.25 MCOV

جريان تخليه نامي :
 

جريان تخليه نامي ، جريان ضربه با زمين پيشاني و زمان پشت است و برقگير بايد به دفعات قادر به تحمل آن باشد .
طبق استاندارد برقگير بايستي 20 موج ضربه در 6 گروه سه پالسه و هر پالس به فاصله زماني 1 دقيقه را تحمل کرده و آسيبي نبيند . برقگيرهاي خطوط توزيع و انتقال با 4 محدوده جريان نامي 5 ، 10 ، 15 ، 20 کيلو آمپر ساخته مي شوند . در سيستم توزيع عموماً برقگير 5 کيلوآمپر استفاده مي شود . اما در مناطقي که تعداد روزهاي رعد و برقي يا تعداد صاعقه در سال زياد باشد برقگيرهاي 10 کيلوآمپر نيز به کار مي برند .
عدد نشان دهنده تعداد صاعقه يا عدد ايزوکرونيک ، NK مي باشد . نقشه هاي ايزوکرونيک براي ايران وجود دارد و مي توان مناطق پر صاعقه را جستجو نمود . مناطقي که داشته باشند ، پر صاعقه محسوب شده و بهتر است در خطوط توزيع هوايي آن مناطق برقگيرهاي 10 کيلوآمپر نصب گردد . برقگيرهاي 10 کيلوآمپر بالاتر از کلاس 1 و همچنين برقگيرهاي 15 و 20 کيلوآمپر در خطوط انتقال به کار مي روند .
ماکزيمم جريانهاي ضربه قابل تحمل :
ماکزييم جريان ضربه با زمان پيشاني 4 ميکروثانيه و زمان پشت موج 10 ميکروثانيه است که برقگير بايستي در حالي که قرص هاي داخل آن تا 60 گرم شده اند يک بار قادر به تحمل آن باشد و سپس به مدت 10 ثانيه ولتاژ نامي و بعد از آن به مدت نيم ساعت ولتاژ MCOV را نيز بايد بتواند تحمل نمايد . و در اثر حرارات تخريب نشود و پايداري حرارتي تضمين گردد .
اين جريان طبق استاندارد IEC براي برقگيرهاي 5 کيلوآمپر به ميزان 65 کيلوآمپر و براي برقگيرهاي 10 کيلوآمپر به ميزان 100 کيلو آمپر تعيين شده است .

انتخاب کلاس برقگير :
 

با داشتن قابليت جذب انرژي بر حسب KJ/Kv نامي و همچنين نسبت Ur Ures / ميتوان تشخيص داد که چه کلاس تخليه اي لازم است و سپس اولين کلاس تخليه بالاتر را انتخاب نمود . براي برقگيرهاي 5 کيلوآمپر و پائين تر کلاس معين نمي شود ولي برقگيرهاي 10 ، 15 و 20 کيلوآمپري را بر حسب قابليت تحمل انرژي دسته بندي مي نمايند . برقگيرهاي سيستم توزيع حداکثر کلاس 1 مي باشد و کلاس بالاتر از 2 مخصوص برقگيرهاي نوع پست و خطوط انتقال است .
استاندارد IEC جريان تخليه کليد زني را براي برقگير 5 کيلوآمپر حداقل 75 آمپر و زمان آن را 1 ميکروثانيه و همچنين براي برقگيرهاي 10 کيلوآمپر کلاس 1 به ميزان 125 آمپر و زمان آن را 2 ميکروثانيه پيشنهاد نموده است .
برقگيرها بر اساس جريان نامي شان طبقه بندي مي شوند ، جريان هاي تخليه نامي برقگيرهاي معمولي طبق استاندارد 1 – 99 IEC عبارتند از 5/1 ، 5/2 ، 5 ، 10 کيلوآمپر .
برقگيرهاي با جريان نامي 10 کيلوآمپر براي پست به کار مي روند و ولتاژ نامي اين برقگيرها از 3 کيلوآمپر به بالاست .
برقگيرهاي با جريان تخليه نامي 5 کيلوآمپر هم براي پست هاي فوق توزيع و هم براي شبکه توزيع به کار مي رود. ولتاژ نامي اين برقگيرها بين 38 – 3 کيلوولت است و مشخصه عملکرد آنها براي تمامي کشورها مناسب مي باشد . سطح حفاظتي اين برقگيرها 10کيلوآمپر است .
برقگيرهاي 5/2 کيلوآمپر نيز براي شبکه توزيع به کار مي رود و ولتاژ نامي آنها از 175 ولت تا 39 کيلوولت است . سطح حفاظتي اين برقگيرها 10 و 5 کيلوآمپر است. برقگيرهاي 5/1 کيلوآمپر فقط براي ولتاژهاي پائين تا حدود 660 ولت به کار مي رود . تجربه نشان داده است که براي ايجاد يک سطح حفاظتي متوسط يا پائين ، برقگيرهاي با مقاومت غيرخطي و با جريان تخليه 10 کيلوآمپر بهترين سطح حفاظتي را تأمين مي کنند .
به عنوان يک قانون کلي بهترين حفاظت با برقگيرهاي 10 کيلوولت بدست مي آيد که براي ولتاژهاي بالاي 100 کيلوولت و يا پست هاي با ولتاژ پائين تر که داراي اهميت و حساسيت زيادي هستند مناسب است .
عواملي که انتخاب برقگير با کلاس بالاتر را توجيه مي کنند :
شدت امواج صاعقه به طور غير معمولي بالا باشد .
وجود امواج ناشي از کليد زني استفاده از برقگيري با جريان تخليه بالاتر را اجتناب ناپذير مي کند .
تاسيساتي با يک خط هوايي ورودي که داراي اهميت زيادي بوده اند ايجاد بهترين حفاظت را توجيه مي کنند خصوصاً در مواردي که حفاظت سيم محافظ غير مؤثر باشد .

انتخاب ولتاژ نامي برقگير :
 

ولتاژ نامي برقگير بر اساس حداکثر ولتاژ فاز به زمين با فرکانس قدرت انتخاب مي شود. ولتاژ نامي برقگير بايد حداقل برابر با حداکثر ولتاژ فاز به زمين انتخاب شود تا مطمئن باشيم که جريان با فرکانس قدرت در برقگير جاري نمي شود . از آنجا که حداکثر ولتاژ فاز به زمين سيستم اغلب به صورت تقريبي معلوم است لذا توصيه مي شود که ولتاژ نامي برقگير معادل و يا به مقدار کمي بالاتر از حداکثر ولتاژ فاز زمين انتخاب شود. استفاده از برقگيرهاي با ولتاژهاي نامي خيلي پائين ممکن است باعث افزايش احتمال بروز اتصالي شود .

عوامل مهم در آسيب ديدگي برقگيرها :
 

عملاً عوامل زيادي در آسيب ديدگي برقگيرها نقش داشته و مي توانند بر کارائي آنها تاثير گذاشته و حتي منجر به ترکيدن برقگيرها شوند . مهمترين عوامل آسيب ديدگي برقگيرها عبارتند از :
نفوذ رطوبت و آلودگي .
اضافه ولتاژهاي گذرا و موقتي .
استفاده نا مناسب از برقگير .
عدم انطباق شرايط بهره برداري با مشخصه برقگير (طراحي غلط) .
عوامل ناشناخته .

تعمير و نگهداري برقگيرها :
 

برقگيرها همانند ساير تجهيزات سيستم نياز به تعمير و نگهداري دارند. و در صورت آسيب ديدن بايد تعمير و يا حتي تعويض شوند تا از حفاظت سيستم بوسيله برقگيرها اطمينان حاصل شوند .
هر چند برقگيرهاي جديد ( ZnO ) به نگهداري کمتري نياز دارند ولي مراقبت هاي زير بايد صورت بگيرد :
معاينات ظاهري
تست هاي الکتريکي

جمع بندي و نتيجه گيري :
 

اضافه ولتاژهاي ناخواسته مهمترين عامل تهديد کننده ايزولاسيون تجهيزات شبکه هاي قدرت مي باشند. در طراحي يک سيستم قدرت ، دستيابي به شبکه اي با قابليت اطمينان بالا و پايدار در برابر اضافه ولتاژهاي اعمالي از جمله صاعقه و سوئيچينگ ، حائز اهميت بوده و رسيدن به اين هدف به دو روش امکان پذير است : يکي ، افزايش استقامت الکتريکي تجهيزات ، به گونه اي که اضافه ولتاژهاي تحميلي هيچ گونه اختلالي در کار سيستم ايجاد نکنند . ديگري ، کاهش و کنترل دامنه اضافه ولتاژهاي ايجاد شده در سيستم ، بوسيله تجهيزات محدود کننده و حفاظتي مثل برقگيرها مي باشد .
افزايش استقامت عايقي تجهيزات شبکه ، اگر چه قابليت اطمينان و پايداري شبکه را افزايش مي دهد ، اما باعث بزرگ شدن طرح و افزايش هزينه اقتصادي نيز مي گردد . لذا مسئله کاهش اضافه ولتاژها و روشهاي آن مطرح مي شود . براي حفاظت تجهيزات فشار قوي در برابر اضافه ولتاژهاي سيستم اغلب از برقگيرها استفاده مي شود . در حال حاضر ، برقگيرهاي ZnO بهترين کارائي براي حفاظت تجهيزات قدرت در برابر اضافه ولتاژها را دارا مي باشند .
هدف اصلي اين تحقيق بررسي برقگيرها و انواع آن در خطوط انتقال و پست هاي فشار قوي به منظور محدود کردن اضافه ولتاژهاي سيستم و حفاظت تجهيزات شبکه بوده است که ما به طور خلاصه به آن پرداختيم .
ارسال توسط کاربر محترم سایت : mashhadizadeh