صاعقه گیر (برق گیر) بر اساس استاندارد فرانسه
سازوکار صاعقه
در وضعیت عادی اتمسفر زمین بار (الکتریسته ساکن) حدود 100 ولت بر متر (ارتفاع) را دارا است. در هنگامی که این سیستم ابر به وجود آمد، بار ساکن اتمسفر زمین افزایش می یابد و به 15 تا 20 کیلوولت بر متر می رسد. همچنین حرکت ابر باردار باعث حرکت بار مثبت زمین می گردد. این انتقال بار تا آن جا ادامه پیدا می کند که شدت بار در اتمسفر بین 15 تا 20 کیلو ولت بر متر برسد. در این حالت به شدت احتمال تخلیه بین دو بار مثبت ابر و منفی زمین افزایش می یابد. تا این که در محلی با شرایط بهتر (فاصله ی کم تر یا شدت بار بیش تر) تخلیه ی الکتریکی انجام می پذیرد.
در این حالت بار منفی ابر به سمت بار مثبت زمین انتقال یافته در سطح زمینه یا هادی که به زمین متنصل است، تخلیه انجام می پذیرد. بر طبق برآوردها حدود 96% از صاعقه ها بین ابر و زمین انجام می پذیرد و 4% مابقی بین ابر با ابر و یا در داخل خود ابر انجام می پذیرد.
محل صاعقه
آثار صاعقه
از جمله آثار صاعقه می توان موارد زیر را نام برد:
1- نور شدید در هنگام تخلیه
2- صدای شدید به علت تخلیه بارها و ایجاد فشار هوای بسیار زیاد که اثرات آن تا 10 کیلومتر قابل شنیدن است.
3-اثر حرارتی به علت وجود جریان بالا و یونیزاسیون اتمسفر که در بعضی موارد باعث ایجاد حریق می گردد.
4- اثر الکترودینامیک: عبور جریان بالا از هادی های مجاور باعث ایجاد نیروی شدید بین آن ها می شود که احتمال تخریب هادی ها یا مواد نگهدارنده ی بین آن ها را باعث می گردد.
5- اثر الکتروشیمیایی: در اثر عبور جریان از هوا و زمین به وجود می آید.
6- اثر القائی: در اثر عبور جریان اثر هادی ها به وجود می آید.
7- اثر برق گرفتگی: در اثر عبور جریان از بدن اشخاص با حیوانات به صورت مستقیم یا غیر مستقیم (ولتاژ قدم) به وجود می آید.
آثار مستقیم و غیر مستقیم صاعقه بر ساختمان ها
حفاظت ساختمان در مقابل برخورد صاعقه (اثر مستقیم)
الف – برق گیر ساده میله ای SIMPLE ROD LIGHTNING CONDUCTORS (SRL):
1- میله ی اصلی ودنباله ی آن
2- یک یا چند هادی پایین رونده
3- کلمپ تست که به انتهای هادی پایین رونده وصل است و ادامه ی آن به سیستم زمین واردمی شود.
4- نوار حفاظتی که به کلمپ تست وصل، حداقل 2 متر روی زمین کشیده و به زمین وارد می شود.
5- وسایل هم پتانسیل کننده (یا هم بندی) بین سیستم برق گیر و سیستم ارت اصلی ساختمان.
ب: سیستم برق گیر ESE (گسیل دهنده ی بار به طرف صاعقه)
زمان برخورد به وسیله ی رابطه ی زیر تعریف می شود. این رابطه بر اساس فاصله ی بین بارها (محل برخورد و نوک برق گیر) و سرعت حرکت بار پیشروی استاتیکی تعریف شده است. در عمل مقدار در آزمایشگاه ر اساس استاندارد NFC17-102 اندازه گیری می شود.
زمان اصابت یا برخورد صاعقه با بار پیشرو است که معمولاً درآزمایشگاه اندازه گیری می شود.
مسافتی که بار پیشرو به سمت بالا حرکت می کند.
V سرعت حرکت بار پیشرو به طرف بالا که معمولاً یک متر بر میکروثانیه است.
از فرمول بالا می توان نتیجه گرفت که فاصله ی برخورد صاعقه تا برق گیر بستگی به دو عامل سرعت حرکت بار و زمان برخورد دارد. در عمل هر چقدر L بزرگ تر باشد، محل برخورد از محل مورد حفاظت دورتر و حفاظت کامل تر است (یعنی محل مورد حفاظت از اثرات صاعقه درامان است).
صاعقه گیرPULSAR مخصوص نصب در ساختمان های مرکزی، سایت ها، مراکز صنعتی، تاریخی و زمین های بازی روباز است. معمولاً با نصب این سیستم برق گیر اطمینان و قدرت عملکرد بسیار زیاد می شود.
قسمت های مختلف صاعقه گیر ESE
ب: یک یا چند هادی پایین رونده
ج: کلمپ تست که به ازای هر هادی پایین رونده یک عدد جداگانه نصب می شود.
د: قسمت های محافظ هادی که حداقل 2 متر بر روی زمین نصب می شود.
ر: الکترودهای زمین که مخصوص پخش جریان صاعقه بر روی زمین هستند.
ز: اتصالات هم پتانسیل کننده با هم بندی های اصلی زمین که به صورت قابل نصب و جدا شونده هستند.
ج) شبکه بندی قفسه ای MESH CAGES
یکی از ساده ترین و کامل ترین راه های حفاظت ساختمان در مقابل صاعقه، شبکه بندی قفسه ای است. در این سیستم پشت بام و بلندترین قسمت هر ساختمان تحت سیم بندی موسوم به قفسه ای (شبکه ای) قرار می گیرد و به تعداد مشخص هادی پایین رونده در اطراف آن نصب می گردد. در این حالت ساختمان و تمام اجزاء هادی های آن از خطر صاعقه و امواج الکترومگنتیک آن در امان هستند.
علت استفاده از هادی های پایین رونده به خاطر تقسیم جریان صاعقه و کاهش آثار آن است. (شکل 4)
اجزای سیستم
2- شبکه بندی قفسه ای (مش)
3- هادی های پایین رونده
4- شکبه ی زمین (سیستم زمین)
5- اتصالات هم بندی و هم پتانسیل کننده و سیستم تست که قابل مونتاژ است.
د) برق گیر با سیستم سیم هوایی STRETCH
در این سیستم از یک یا چند سیستم هوایی که بر فراز تجهیزات کشیده می شود و دو طرف آن به شبکه زمین وصل است استفاده می شود. در استفاده از این مدل که بیش تر بر روی تجهیزات پست برق و دکل های انتقال برق فشار قوی استفاده می شود، مقاومت سیم هوایی، استقامت مکانیکی در مقابل کشش و عبور جریان صاعقه و ارتفاع سیستم از زمین مورد بحث خواهد بود. معمولاً تمامی برق گیرها باید قابلیت جذب جریان تا 65 کیلوآمپر را داشته باشند.
حفاظت در مقابل اثرات غیر مستقیم صاعقه:
عیوب مربوطه به عدم هم بندی Equipotential Bounding Defects
ابتدا تمامی تجهیزات یک ساختمان به وسیله ی هم بندی و سیستم حفاظت در مقابل ضربه SUREGE ARRESTER به یک شبکه ی ارت داخلی وصل و درانتهای شبکه به وسیله قسمت هم پتانسیل کننده به شبکه ی صاعقه گیر وصل می گردند.
فصل سوم
1- ارزیابی ریسک صاعقه
2- انتخاب سطح حفاظت و تجهیزات
3- انتخاب تجهیز یا تجهیزات جهت حفاظت
ارزیابی ریسک صاعقه
شبکه بندی به صورت مش یا قفسه ای MESHED CAGES
الف: نصب یک چند ضلعی (معمولاً 4 ضلعی) در پیرامون سقف ساختمان (محیط سقف)
ب: اضافه نمودن هادی های متقاطع به شبکه ی اولیه جهت اضافه شدن مش بندی
ج: عبور الزامی هادی از هر برآمدگی در سقف. یعنی از هر قسمت که ارتفاع مجزا از سقف دارد، سیستم شبکه به صورت کامل انجام پذیرد و سپس به شبکه ی اصلی متصل شود.
د: شاخک های عمودی (Air Terminal) باید در مرتفع ترین و آسیب پذیرترین نقاط و گوشه ها و نزدیک تجهیزات جانبی نصب گردند.
ترتیب و فواصل: فاصله ی 2 ترمینال (شاخک) 30 سانتی متری از 10 متر بیش تر نباشد.
فاصله ی 2 ترمینال (شاخک) 50 سانتی متری از 15 متر بیش تر نباشد.
شاخک (strike air terminal) خارج از چند ضلعی قرار نگرفته و در داخل چند ضلعی باشد.
هادی های پایین رو
حالت های خاص
الف: نصف عرض ساختمان بیش از ارتفاع ساختمان باشد. B>A دو هادی پایین رو (منظور از نصف عرض ساختمان فاصله ی لبه ی ساختمان تا میله ی برق گیر است).
ب: ارتفاع ساختمان معمولی بیش از 28 متر و یا در دودکش ها یا ساختمان های صنعتی بیش از 40 متر باشد.
هادی های ساده (برق گیرهای ساده SRL)
هادی های برق گیر (صاعقه گیر) SRC و ESE
جهت افزایش طول صاعقه گیر، استفاده از میله ی واسطه با جنس مخصوص لازم است. شرکت هلیتا واسطه ی صاعقه گیرهای میله ای در طول های کلی 75/5 و 5/7 متر را جهت افزایش طول صاعقه گیر به بازار ارائه داده است. این میله ها از جنس فولاد ضد زنگ هستند.
در زمین های ورزشی، استخرها و کمپینگ می توان از سیستم ESE استفاده نمود. جهت محاسبه ی ریسک و سطح پوشش استفاده، از نرم افزار Helita استفاده می شود. همچنین تمهیدات ویژه ای جهت نصب برق گیر در نزدیکی دودکش های فلزی و تجهیزات دیگر در نظر گرفته می شود. در صورتی که هوای محل نصب دارای گازهای خورنده یا دودهای اسیدی – کربنی باشد، باید فاصله ی مناسب نصب در نظر گرفته شود. فاصله ی 50 سانتی متر از تجهیزات فلزی مانند دودکش فاصله ی مناسبی است.
در ساختمان هایی که بیش از یک صاعقه گیر میله ای (ESE یا SRC) در پشت بام آن ها نصب شده باشد و در صورتی که مانع بیش از 5/1 ارتفاع بین آن ها نباشد، باید تمامی صاعقه گیرها به یکدیگر متصل شوند. در صورتی که بین هر کدام از آن ها مانع بلندتر از 5/1 متر باشد، نباید به یکدیگر متصل گردند.
در انتخاب هادی های مربوط به صاعقه گیر، چه هادی شبکه بندی و یا پایین رو، استفاده از سطح مقطع کم تر از 3×30 میلی متر و استفاده از هادی های گوشه دار و نوک دار ممنوع است.
آنتن های تلویزیون و رادیو
الف: سر برق گیر حداقل 2 متر از بلندترین نقطه ی آنتن بلندتر باشد.
ب: کابل کواکسیال آنتن به صورت مستقیم از کنار هادی برق گیر به طرف پایین رفته باشد و به آن هادی محکم شده باشد.
ج: نیاز به اتصالات مشترک مرسوم به guging ندارد.
د: هادی پایین رو به میله با کلمپ ثابت شده باشد.
این روش باعث کاهش هزینه ی نصب صاعقه گیر نیز می شود.
اتصالات
کوپلینگ تست
هادی های حفاظتی
هم بندی اتصالات Equipotential Bonding
برآورد اجمالی:
الف: برقراری یک اتصال دائمی بین شبکه ی برق گیر و شبکه ی فلزی ساختمان (هادی های ساختمان)
ب: ایجاد یک فاصله ی ایمن بین هادی های صاعقه گیر و تمامی تجهیزات در معرض تخلیه
فاصله ی ایمن فاصله ای است که در صورت ایجاد صاعقه در شبکه های برق گیر، بین این شبکه و هادی های موجود در ساختمان که نزدیک شبکه ی برق گیر هستند، هیچ گونه تخلیه ی الکتریکی به وجود نیاید.
این مهم با افزایش قدرت عایقی تجهیزات و تغییر مسیر هادی ها در هنگام نصب ممکن می گردد که البته روش هزینه بر و پر کاری است. بنابراین از روش هم پتانسیل کردن بیش تر استقبال می گردد. روش ایجاد فاصله ی ایمنی فقط در مواردی مانند لوله گاز، منابع نفت و گاز و ... کاربرد دارد که تجهیزات به سبب احتمال انفجار، ترکیدگی و ریسک خطر بالا، قادر به هم بندی نباشند.
محاسبات فاصله ی ایمنی: S(m)=n.kj.L/km
N: ضریب که بستگی به تعداد هادی های پایین رو (در سیستم ESE) قبل از اتصال به یکدیگر دارد و مقدار آن:
برای یک هادی پایین رو n=1
برای دو هادی پایین رو n=0.6
برای سه یا بیش تر هادی پایین رو n=0.4
Ki: ضریب، بستگی به لول (سطح) حفاظتی دارد.
جهت سطح حفاظتی یک (حفاظت بالا) مانند خازن سوخت، ساختمان های مهم Ki=0.1
جهت سطح حفاظتی دو (حفاظت خوب) بناهای تاریخی وساختمان های پر جمعیت Ki=0.075
جدول 2: فاصله مش
اندازه مش |
PROTECTION LEVEL |
5×5 |
I |
فواصل بین هادی ها |
PROTECTION LEVEL |
10 |
I |
Km: ضریب مواد بین دو سیستم برق گیر و تجهیز.
وجود هوا بین دو سیستم Km=1
وجود جامدات بین دو سیستم Km=0.52
L : فاصله ی عمودی بین نقطه ایی که اندازه گیری انجام می شود (کلپ تست) و نزدیک ترین نقطه (هادی) تجهیز.
S: برای لوله های گاز 3 متر در نظر گرفته می شود.
مثال: در یک ساختمان با درجه ی حفاظت یک (سطح حفاظت بالا) با ارتفاع 30 متر سیستم برق گیر نصب شده است (نوع ESE).
سوال یک: سیستم تهویه ی هوا در پشت بام ساختمان نصب شده است. در صورتی که 3 متر با شبکه ی برق گیر فاصله داشته باشد، چرااین فاصله ایمن است؟ مقدار L برابر 25 متر در نظر گرفته شود.
جواب:
چون 92/1 متر از 3 متر کم تر است این سیستم در فاصله ی ایمن قرار دارد. از نرم افزار هلیتا می توان فاصله ی ایمن را محاسبه نمود.
هم بندی شبکه ی فلزی تجهیزات جانبی
راه دوم حفاظت تجهیزات جانبی ساختمان مانند سازه ی فلزی، لوله ها، سیستم هواساز و هم بندی آن ها و هم پتانسیل کردن با شبکه ی صاعقه گیر است. این حالت وقتی لازم است که نتوان فاصله ی S حفاظتی را در مورد این تجهیزات یا سیستم زمین آن ها رعایت نمود.
جهت هم پتانسیل کردن این تجهیزات، نیاز به هادی های مطمئن و دائمی با محاسبات سطح مقطع و مقاومت وجود دارد. تمامی تجهیزات قابل هم بندی مانند خطوط شبکه ی مخابراتی، اطلاعات، سازه ی فلزی، لوله های آب، گاز و غیره به وسیله ی هادی های مطمئن که حداقل سطح مقطع آن 16 است متصل و توسط هادی های پایین رو که به دیوار محکم شده اند، به جعبه ی هم بندی موسوم به Equipotential Box و از آنجا به آخرین نقطه ی یک شبکه ی برق گیر (قبل از ورود به الکترودهای زمین) که کلمپ تست نامیده می شود، وارد می شود. این اتصال که موسوم به هم بندی اضافه است، باید قابل باز نمودن جهت تست های خاص، و محل و ارتفاع آن مناسب جهت بازدیدهای دائمی باشد. با این عمل تمامی تجهیزات یاد شده از خطر جرقه ناشی از صاعقه (Flash Point) محفوظ می مانند. اما با این عمل می باید سیستم های حساس مانند کامپیوتر، شبکه ی IT و شبکه ی مخابراتی به همراه تجهیزات مربوطه توسط surge arrester محافظت گردد. (شکل 7)
بررسی سیستم زمین صاعقه گیر SYSTEM EARTH TERMINATION :
هر سیستم زمین مربوط به صاعقه گیر در سه قسمت بررسی شده است:
الف: در فرانسه و اکثر کشورهای پیشرفته ی دنیا، مقاومت حداکثر 10 اهم جهت سیستم زمین هر صاعقه گیر پیشنهاد می شود. اندازه گیری این مقدار با باز کردن کلمپ تست و اندازه گیری مقاومت الکترودهای زمین به روش های 2 سیمه و 4 سیمه انجام پذیر است. در صورتی که مقاومت 10 اهم مورد نیاز در این قسمت حاصل نگردد، استاندارد پیشنهاد افزایش طول الکترودهای زمین، نصب میله های ارت در خاتمه هادی های زمین الکترودها و استفاده از الکترولیت های مجاز مانند سولفات ها، بنتونیت و غیره را داده است.
افزایش طول هادی زمین (الکترودها) تا 100 متر یعنی هر هادی تا 20 متر نیز مجاز است.
ب: توانایی هدایت جریان
ج: هم بندی اضافه (هم پتانسیل کردن)
بازرسی های سیستم صاعقه گیر: تمامی اجزای یک برق گیر از میله تا سیستم زمین نیاز به بازرسی های دوره ای و اندازه گیری مقاومت دارند. فرایند تست و بازرسی به شرح زیر است:
سیستم حفاظت با سطح بالا (لول یک) سالیانه؛
سیستم حفاظت با سطح خوب (لول دو) دو ساله؛ و
سیستم حفاظت با سطح معمول سه ساله.
در ضمن پس از هرگونه تعمیرات ساختمان یا اصابت صاعقه بر سیستم، باید بازرسی و تست ها مجدداً انجام پذیرد.
انواع الکترودهای زمین در سیستم صاعقه گیر
1- الکترودهای سه گانه (پنجه اردکی): در این سیستم سه شمش مسی با ابعاد 2×30 میلی متر به صورت پنجه اردک است. هر کدام از شمش ها فاصله ی 45 درجه با شمش وسطی دارند و (حداکثر) طول کل شمش ها 25 متر است و به سه قسمت – یکی از شمش ها حدود 2 متر بلندتر است – تقسیم می شوند.
دو شمش کناری با زاویه ی 45 درجه به شمش وسط در انتها با استفاده از کلمپ مسی یا کدولد وصل می گردند. شمش وسط پس از ارتباط با شمش دیگر به طرف نقطه ی تست ادامه می یابد (شکل 8). طول الکترودهای زمین بستگی به مقاومت زمین دارند و از 6 متر به بالا ادامه می یابند.
2- میله های ارت: در صورتی که جغرافیای ساختمان اجازه ی استفاده از شبکه ی پنجه اردکی را ندهد، می توان از سیستم مثلث متساوی الاضلاع با طول هر ضلع 2 متر که میله ی ارت به انتهای هر زاویه متصل شده است، استفاده نمود. طول میله ی ارت 2 متر است. هر میله با زاویه ی مربوطه کلمپ یا جوش کدولد می گردد (شکل 9).
3- سیستم ترکیبی: در صورتی که عمل الکترودهای زمین دارای وسعت باشد، می توان جهت کاهش مقاومت زمین از ترکیب شبکه ی پنجه اردکی و میله ارت (در انتها) استفاده نمود (شکل 10).
شبکه ی زمین در صاعقه گیر شبکه ای (شبکه قفسه ای)
1- شبکه ی ارت پنجه اردکی: اتصالات به وسیله ی 3 تسمه ی مسی 2×30 میلی متر که یکی از تسمه ها بزرگ تر است و دو عدد دیگر با زاویه ی 45 درجه در انتها به شمش اصل جوش کدولد و یا کلمپ می گردند، صورت می پذیرد. طول مفید هر یک از هادی ها 2 متر و در عمق 60 تا 80 سانتی متری زمین دفن می گردند.
2- میله های ارت: در این حالت میله های ارت به صورت عمودی به طول 2 متردر داخل زمین کوبیده می شوند. فاصله ی آن ها 2 متر از یکدیگر و فاصله از پی یک تا 5/1 متر است. این دو میله به وسیله ی شمش مسی 2×30 به یکدیگر کلمپ و یا جوش داده می شوند (شکل 11).
علت تفاوت شبکه ی زمین در دو سیستم صاعقه گیر ESE و شبکه ی قفسه ای به خاطر احتمال جذب صاعقه ی آن ها است.
تجهیزات سیستم ارت
هنگامی که دریک ساختمان سیستم زمین جهت تجهیزات برق نصب می گردد، می توان سیستم برق گیر را در نقطه ی خاص به نام کلمپ هم بندی ولتاژ به این سیستم وصل نمود. این نقطه ی اتصال نزدیک ترین نقطه ی به هادی پایین رو است. در صورتی که امکان وصل این قسمت نباشد، می توان سیستم برق گیر را مستقیم به هادی زمین وصل نمود. اما اتصال باید به طریقی باشد که جریان القائی صاعقه بر روی کابل های برق اثر گذار نباشد. در اتصال به نقطه ی هم پتانسیل (هم بندی اضافه) باید بتوان نقطه ی اتصال را جهت تست مقاومت اهمی و جریان جدا نمود. همچنین نقاط قابل دید و تست دوره ای باشند.
فواصل مجاز بین هادی های سیستم صاعقه گیرو انشعابات برق، آب، گاز زیرزمین:
بر طبق استاندارد NFC فواصل مجاز بین تمامی هادی های شبکه ی صاعقه گیر و سیستم انشعاب برق و آب و گاز و کابل های زیرزمینی بر طبق جدول وجود داشته باشد. این فواصل برای تمامی اجزای فلزی صادق است و اجزای غیر فلزی را شامل نمی شود (جدول 4)
ارزیابی ریسک (احتمال) برخورد صاعقه
1. ارزیابی ریسک صاعقه
2. بررسی سطح حفاظت
3. بررسی شیوه ی حفاظت
بررسی ریسک صاعقه (احتمال برخورد صاعقه به ساختمان)
1- تعداد مورد انتظار برخورد صاعقه با برق گیر که به Ng شناخته می شوند.
که در این فرمول:
Ng: حداکثر تعداد صاعقه هایی است که به واحد سطح در این منطقه برخورد می کند (تعداد صاعقه / کیلومتر مربع / سال)؛ و Ngman=2Ng
که می توان آن را به صورت زیر محاسبه نمود:
الف: استفاده از نقشه ی منطقه ی جغرافیائی
ب: استفاده از سطح ایزوکرونیک موج به Nk
که تقریباً برابر Nk/10 می شود.
محاسبه ی سطح (ایزوله) ساختمان بر حسب مترمربع Ae
از نرم افزار ارائه شده توسط شرکت هلیتا محاسبات ریسک حریق ارائه شده است. همچنین این محاسبات در مجموعه های دیگر توسط سازندگان معروف ارائه گردیده است. شرکت فرس Furse نیز مجموعه محاسباتی خود را با توجه به ساختمان ارائه کرده است.
بررسی تعداد قابل انتظار برخورد صاعقه به ساختمان NC: (تعداد قابل تحمل صاعقه)
در بررسی احتمال برخورد صاعقه از فرمول زیر استفاده می شود.
: ضریب که بستگی به نوع ساختمان دارد.
: ضریب که بستگی به اجزاء ساختمان دارد.
: ضریب که بستگی به تجهیزات داخل ساختمان دارد.
: ضریب که بستگی به آثار و نتیجه ی برخورد و صاعقه به ساختمان دارد.
همچنین از طریق نرم افزار قابل محاسبه است.
سطح حفاظتی PROTECTION LEVEL :
اگر کوچک تر یا مساوی باشد، در نتیجه نیاز به اجباری کردن نصب برق گیر نیست.
اگر بزرگ تر از باشد،نیاز به سیستم صاعقه گیر با سطح حفاظتی است.
مقادیر سطح حفاظتی، شعاع حفاظت برق گیر را مشخص می کند. فاصله ی ایمنی و پریود تعمیرات نیز توسط این سطح مشخص می گردد.
در بررسی نقشه مربوط به تعداد صاعقه در ایران بین صفر تا یک صاعقه (یک صاعقه /سال/ کیلومتر مربع) را می توان انتظار داشت.
پي نوشت ها :
1- کارشناس برق – قدرت، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد، عضو گروه تخصصی برق سازمان.