همه چیز درباره سیستم صاعقه گیر
در ساختمانهای بلندمرتبه تجاری و مسکونی برای جلوگیری از خطر برخورد صاعقه و ایجاد خسارت می توان از صاعقه گیر استفاده کرد. صاعقه گیر وظیفه کنترل مسیر هدایت صاعقه را بر عهده دارد، کنترل و مهار صاعقه از مهم ترین دغدغه ها در ساختمانهای بلند می باشد.
صاعقه جزء پدیده های متداول طبیعت و یکی از زیباترین و در عین حال خطرناک ترین رخدادهای طبیعی میباشد. در هر ۱۰۰ ثانیه یک تخلیه الکتریکی در آسمان اتفاق می افتد که ۹۰ درصد آن رعد و برق و ۱۰ درصد آن صاعقه است
اولین تأثیر صاعقه آتش سوزی است که باعث خسارت سنگین به لوازم برقی، خطوط تلفن و شبکه های رایانه ای میشود و ضرر مالی برای افراد، شرکتها و سازمانها را به دنبال دارد.
تعريف صاعقه:
صاعقه پدیدهای جوی است که امکان وقوع آن در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی بین یک توده ابر و زمین، موجب تخلیه الکتریکی ناگهانی و ایجاد جرقهای عظیم می شود
انواع صاعقه:
اختلاف پتانسیل الکتریکی بین توده های ابر در اثر مالش باعث ایجاد آذرخش یا صاعقه می شود. صاعقه انواع مختلفی دارد که 90درصد آنها تخلیه الکتریکی بین ابری است. شدت جریان صاعقه بین 10تا 30کیلو آمپر بر میکروثانیه است. بزرگترین جریان ثبت شده تاکنون 20کیلو آمپر بوده است. در اثر تخلیه الکتریکی صاعقه، اضافه ولتاژ در محل تخلیه ایجاد میشود. اضافه ولتاژ عاملی است که می تواند شدید، تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی را به خطر انداخته یا غیرقابل استفاده کند. یکی از عوامل ایجاد اضافه ولتاژ ضربه های مستقیم صاعقه و میدان الکترومغناطیسی آن می باشد
خطرات برخورد صاعقه:
برخورد صاعقه می تواند خطرات جانی برای افراد و موجودات زنده و یا سازه ها و وسایل داخل سازه را داشته باشد
خطرات جانی صاعقه در اثر عوامل زیر اتفاق می افتد:
1- برخورد مستقیم صاعقه
2- ولتاژ گام
3- ولتاژ تماس
4- اثرات جانبی صاعقه
خطرات صاعقه برای سازه ها و وسایل داخل سازه ها:
برخورد صاعقه با سازه ها می تواند منجر به اتفاقات زیر شود، به همین دلیل باید صاعقه را مهار کرد.
1- انفجار یا آتش گرفتن وسایل در اثر گرمای تولیدی صاعقه
2- آتش سوزی و یا انفجار ناشی از گرما در اثر عبور جریان بالا از هادیها و یا قسمت های فلزی
3- ریزش سقف در اثر گرمای ناشی از محل برخورد صاعقه
4- خرابی قسمت های داخلی سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی
با توجه به مطالب فوق ضرورت دارد که ساختمانها و سازه ها برای جلوگیری از خطرات برخورد صاعقه به سیستم های حفاظت در برابر صاعقه مجهز شوند.
برای ایجاد یک حفاظت مناسب، نیاز به مجهز شدن سازه به دو نوع حفاظت است.
١- حفاظت خارجی
۲- حفاظت داخلی
حفاظت خارجی:
منظور از حفاظت خارجی ایجاد شرایط و مسیری برای جلوگیری از برخورد صاعقه به ساختمان یا سازه است. این سیستم حفاظت صاعقه خارجی شامل سه بخش است:
الف) جلوگیری از برخورد مستقیم صاعقه به ساختمان و توسط تأسیسات بیرونی (توسط پایانه هوایی)
ب) هدایت ایمن جریان صاعقه به زمین توسط سیستم هادی نزولی
ج) پراکنده کردن جریان صاعقه در زمین (توسط سیستم پایانه های زمین)
برای جلوگیری از اصابت مستقیم صاعقه سه سیستم کاربرد دارد:
صاعقه گیر
سیستم سیم هوایی
سیستم مش
حفاظت داخلی:
به عبارت دیگر، حفاظت داخلی به مجموعه فعالیتهایی گفته می شود که خطرات ناشی از اضافه ولتاژ صاعقه را در داخل ساختمان مهار می کند. آنچه از سیستم حفاظت داخلی انتظار می رود جلوگیری از خطرات جرقه و اضافه ولتاژ خطرناک در داخل ساختمان با استفاده از همبندی به منظور هم پتانسیل سازی یا جداسازی تجهیزات حساس الکتریکی و الکترونیکی از اجزای سیستم حفاظت صاعقه می باشد
تجهیزات سیستم صاعقه گیر:
هر سیستم صاعقه گیر از ۳ قسمت اصلی زیر تشکیل شده است.
1- میله های صاعقه گیر (برق گیر) محل اصلی برخورد صاعقه به این میله در بالاترین ارتفاع ساختمان است. ٢- هادیهای نزولی مسیر هدایت صاعقه از طریق میله صاعقه گیر و هادی نزولی به زمین است.
۳- شبکه ارتینگ رینگ اطراف ساختمان و چاه زمین صاعقه پس از عبور از هادی های نزولی به شبکه اتصال زمین می رسد و در این اتصال به زمین تخلیه می شود
میله های صاعقه گیر:
صاعقه گیر باید سایر نقاط موجود ساختمان را مورد حفاظت قرار دهد و وظیفه آن، جلوگیری از برخورد صاعقه به ساختمان و تخلیه جریان صاعقه به زمین است
انواع میله های صاعقه گیر:
صاعقه گیرها به طور کلی به دو دسته صاعقه گیرهای غیر فعال و صاعقه گیرهای فعال تقسیم بندی می شوند.
– صاعقه گیرهای غیرفعال:
به صاعقه گیرهایی گفته میشود که هیچ عامل تشدید کننده ای غیر از شکل خاص آنها برای عبور جریان وجود ندارد. صاعقه گیر فرانکلین از مهم ترین انواع این نوع صاعقه گیر است. از این نمونه می توان به صاعقه گیر ژوپیتر و جوجه تیغی نیز اشاره کرد
صاعقه گیر فرانکلین ساده ترین و ابتدایی ترین برق گیر است این صاعقه گیر شامل یک میله ساده نوک تیز بوده و شکل مخروطی از میله های نوک تیز که به فاصله ۴۵ درجه از میله سازه است. در محاسبات عملی برای بالا رفتن اطمینان این زاویه را ۳۵ درجه در نظر می گیرند
صاعقه گیرهای فعال:
به صاعقه گیرهایی گفته میشود که به واسطه انرژی دریافتی از منبع خارجی یا تولید شده به صورت خودکفا هوای اطراف خویش را یونیزه نموده و ایمنی بیشتری را ایجاد می نماید
صاعقه گیرهای فعال از نظر نیاز به انرژی به دو گروه زیر تقسیم بندی می شود:
صاعقه گیرهای وابسته که برای فعال شدن به یک منبع خارجی مانند باتری یا برق شهر نیاز دارند.
صاعقه گیرهای خودکفا برای فعال شدن انرژی را توسط یک مکانیزم داخلی از محیط اطراف دریافت می نمایند این صاعقه گیرها شامل صاعقه گیرهای
1- اتمی
2- بادی یا پیزوالکتریک
3- خورشیدی
4- الکترونیک خازنی – اتمسفریک می باشند.
از بین 4 صاعقه گیر فعال فوق صاعقه گیرهای الکترونیکی بیشترین کاربرد را در ساختمان ها دارد.
صاعقه گیر الکترونیک خازنی – اتمسفریک
شیوه عملکرد این صاعقه گیر براساس وجود پتانسیل الکتریکی اتمسفر طراحی شده و در صورتی که شرایط جوی فاقد پتانسیل الکتریکی باشد، این صاعقه گیر همانند یک صاعقه گیر ساده است و فعالیتی ندارد. واحد حس کننده وقتی انرژی الکتریکی اتمسفر فراتر از حد معینی می رسد، بخش شارژ را برای جمع آوری انرژی به کار می اندازد. عملکرد این نوع صاعقه گیر به علت وابستگی به شرایط جوی صاعقه خیز بهترین کارایی را دارد
نکات مهم در نصب صاعقه گیرها و میله ها تا آنجا که امکان دارد به لبه پشت بام نزدیک باشد.
فلز مناسب برای کاهش خطر خوردگی انتخاب شود (در داخل زمین و خاک از جنس مس و در بیرون آنها از جنس آلومینیوم و رابط آنها اتصال دوفلزی Bimetal باشد).
میله های صاعقه گیر باید دارای سیستم نصب مطمئن باشد.
میله ها باید در مکان هایی نصب شوند که امکان جاری شدن آب روی آن وجود نداشته باشد.
اتصالات نگهدارنده میله به نحوی نصب شود تا میله صاعقه گیر به داخل پشت بام (در اثر گرما) نفوذ نکند.
صاعقه گیرهای فعال از نظر قیمت بسیار گران هستند ولی این صاعقه گیرها همیشه بهترین گزینه نیستند. زیرا در شرایط مساوی محیط اطراف، صاعقه را به سمت خود می خوانند. اگر سیستم حفاظتی مناسب نباشد و طراحی و بازرسی آن درست نباشد، به مفهوم آن است که به استقبال خطر رفته ایم.
– تجهیزات جانبی صاعقه گیر الکترونیکی:
هر صاعقه گیر الکترونیک شامل تجهیزات جانبی زیر می باشد:
١– کنتور صاعقه گیر (شمارشگر):
وظیفه کنتور صاعقه گیر نمایش و ضبط تعداد صاعقه های جذب شده و تخلیه شده می باشد
2- ريموت تستر: وظیفه ريموت تستر آزمایش صحت عملکرد مدارات الکترونیکی داخلی صاعقه گیر از فاصله ۱۰۰ متری قابل کنترل سیستم است
3- بست U – Double : کاربرد این بست اتصال هادی نزولی (تسمه سیم) به دستگاه صاعقه گیر است. جنس این بست فولاد گالوانیزه و دارای محل مخصوص قرار گیری هادی نزولی می باشد
4- بست ابرویی: کاربرد این بست نصب پایه تلسکوپی صاعقه گیر به زیرساخت محل نصب صاعقه گیر میباشد
5- پایه صاعقه گیر: این پایه برای نصب صاعقه گیر بر روی آن برای افزایش ارتفاع) می باشد و جنس این پایه فولاد با روکش گالوانیزه است. همچنین دارای محل مخصوص قرار گیری پایه دستگاه صاعقه گیر بوده و قابلیت نصب به یکدیگر و افزایش طول پایه ها تا ارتفاع ۴ متر را دارد
هادی های نزولی:
هادی های نزولی مسیرهای انتقال جریان صاعقه از محل برخورد آن با میله های صاعقه گیر به نقطه پایانی (اتصال زمین) | هستند. لازم به یادآوری است که استفاده از قسمتهای فلزی سازه به عنوان هادی نزولی با رعایت شرایط مجاز می باشد
شرایط نصب هادی نزولی:
برای نصب هادی های نزولی شرایط زیر باید فراهم شود:
- چند مسیر برای تخلیه جریان صاعقه ایجاد نماید.
- تا حد امکان مسیرها کوتاه و مستقیم باشد.
- نصب هادی در امتداد صاعقه گیرها اجرا شود.
- از حلقه های هم پتانسیل سازی استفاده شود.
به دهانه ناودان یا به ناودان متصل نباشد حتی اگر با لوله PVC پوشانده شده باشد.
- هادی نزولی باید در هر متر با سه بست به سازه متصل شود.
هادی نزولی توسط بست آزمایشی به شبکه الکترودهای مدفون شده در خاک متصل شود.
سیستم زمین:
یکی از مهمترین قسمت های سیستم حفاظت صاعقه سیستم زمین است. با اصابت صاعقه (آذرخش) یا برق به برق گیر انرژی الکتریکی آن به برق گیر منتقل می شود و سیستم هادی میانی وظیفه دارد از یک مسیر مناسب که در طراحی مدنظر بوده آن را به سیستم زمین منتقل کند. کار سیستم ارت به تزریق انرژی صاعقه به زمین منتهی می شود بدون اینکه تخلیه مسیرهای نادرست صورت گیرد. با توجه به توضیح بالا معلوم می شود قسمت زمین سیستم ارت باید به نحوی تخلیه انرژی به زمین را در کمترین زمان انجام میدهد زمین مبنای پتانسیل الکتریکی بوده و مقاومت صفر است ولی به علت وجود لایه های پوسته زمین، در سطح زمین مقاومت آن دقیقا صفر نیست و باید با ایجاد سیستم زمین مناسب مقاومت زمین را به صفر نزدیک کرد تا قابلیت جذب انرژی صاعقه را داشته باشد. پس مهم ترین مؤلفه یک سیستم زمین مقدار مقاومت اهمی است. هر چه این مقدار پایین تر باشد اتصال زمین بهتر است. برای سیستم های قدرت، مقاومت اتصال زمین زیر ۱۰ اهم قابل قبول است ولی برای سیستم های حساس مانند سیستم های مخابراتی معمولا مقاومت زیر ۳ اهم مدنظر است. موارد خاص با توجه به پیشنهاد سازنده دستگاه این مقدار تغییر می یابد.
روشهای طراحی سیستم حفاظت در برابر صاعقه:
برای تعیین محل نصب پایه های صاعقه گیر سه روش زیر وجود دارد.
۱- روش زاویه حفاظتی
۲- روش مش
۳- روش گوی غلتان
روش زاویه حفاظتی:
این روش برای سطوح شیب دار قابل استفاده است. در این سطوح میله های صاعقه گیر نسبت به افق عمودی نصب می شوند به طوری که محدوده حفاظتی مد نظر زاویه حفاظتی برآورده شود. معمولا این روش برای تکمیل روش مش در ساختمان هایی که در سطح هموار برآمدگی دارند استفاده می شود. این روش ساده ترین روش جایابی صاعقه گیر است و برای میله های صاعقه گیر فرانکلین به کار می رود اما به اندازه روش گوی غلتان مؤثر و قابل اطمینان نیست. همچنین این روش برای ساختمان های با ارتفاع بیش از 20متر مناسب نیست
روش مش (قفس فاراده):
در این روش تسمه های مسی را به صورت متقاطع به نحوی بر روی سطح خارجی ساختمان نصب می کنند که فاصله این تسمه های مسی، متناظر با اعداد مرتبط با کلاس حفاظتی است. برای ساختمانهای بلندتر از 60متر، برای 20 درصد دیوارهای بخش بالایی ساختمان نیز این روش اجرا میشود
روش گوی غلتان:
در این روش کرهای فرضی روی سازه غلتانده می شود و قسمتهایی از سازه که گوی با آن محدودتر تماس پیدا می کند، مستعد برخورد صاعقه و نیازمند محافظت تشخیص داده میشود و پایانه های صاعقه گیر در آن مناطق نصب می شود. این روش جامع و در عین حال روشی ساده برای تعیین محل پایانه های صاعقه گیر است
حفاظت ثانویه:
علاوه بر خطرات اشاره شده در بالا برخورد مستقيم صاعقه موجب القای شوکهای الکتریکی در خطوط برق و تغذیه (سیم کشی برق، دربازکن، تلفن، تلویزیون، کامپیوتر و نظایر آن می شود. با توجه به رشد روزافزون استفاده از تجهیزات الکترونیکی در لوازم خانگی، حفاظت وسایل الکتریکی اهمیت بیشتری پیدا می کند. بنابراین برای حفاظت از این سیستم ها و کنترل شوکها، باید از حفاظت کننده های اضافه ولتاژ یعنی برق گیر استفاده کرد. به وسیله ای که دستگاه های الکترونیکی و مخابراتی را در مقابل شوک های ناشی از صاعقه محافظت می کند، سرج ارستر یا SPD ‘ گفته می شود. در این هنگام ایجاد شوک های الکتریکی، جریان اضافه را به زمین منتقل کرده و از آسیب به دستگاه های الکتریکی محافظت می کند.
سرج ارسترها از نظر کلاس حفاظتی به چند دسته تقسیم می شوند:
- ارستر کلاس B:
این ارسترها به عنوان حفاظت اولیه در برابر صاعقه با تحمل جریان 100KA مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع از سرج ارستر به منظور محافظت از دستگاههای الکترونیکی در برابر جریان گذرای ناشی از رعد و برق استفاده می شود و دارای بهره وری و اثربخشی بالایی می باشد. این سرج برای حفاظت از تأسیسات برقی و تجهیزات الکترونیکی در هنگام اضافه ولتاژ و یا جریان رعد و برق مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد و دارای ظرفیت تخلیه بالایی می باشد
- ارستر کلاس C:
این ارسترها برای محافظت در مقابل سوئیچینگ می باشند که به عنوان حفاظت ثانویه در مقابل اضافه ولتاژ عمل می کنند و ولتاژ نشتی از ارسترهای کلاس B را حذف می نمایند و همچنین ولتاژهای ناشی از سوئیچینگ، بر روی شبکه برق قدرت را به زمین منتقل می نماید سرج ارستر کلاسC طوری طراحی شده است که رابط میان هادی سیستم الکتریکی و زمین باشد و میزان اضافه ولتاژ در دستگاه الکتریکی را کاهش دهد. سرج ارستر کلاس C برای محافظت از تجهیزات الکتریکی در هنگام تغییر ولتاژ ناشی از رعد و برق به کار می رود. این سرج ارستر به دلیل آنکه دارای وریستور اکسید فلزی می باشد از ظرفیت تخلیه بالایی برخوردار است.
- ارستر کلاس B + C :
این نوع ارسترها بالاترین حفاظت را در حالت اضافه ولتاژ ناگهانی دارا میباشند و در تابلوسازی، مخابرات، مراکز صنعتی و نظامی مورد استفاده قرار می گیرند. امروزه بیشتر از این ارسترها استفاده میشود.
سرج ارستر کلاس B + C برای حفاظت از سیستمهای الکتریکی در زمان توزیع ولتاژ پایین ناشی از صاعقه و یا سوئیچ داخلی دستگاه های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی این نوع از سرج ارستر آن است که به هنگام تخلیه جریان اضافی گازهای داغ یونیزه صادر نمی کند بنابراین نیاز نیست که از وسایل قابل اشتعال دور نگه داشته شود
- ارستر کلاس D:
جهت تکمیل و مقابله با اضافه ولتاژ از این نوع ارسترها استفاده می گردد. سرج ارستر کلاس Dدر خطوطی که دارای ولتاژ پایین می باشند مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع از سرج ارستر نباید در معرض مستقیم صاعقه قرار گیرد
- ارستر مخابراتی:
این نوع ارسترها برای حفاظت از خطوط کابل های CAF۵ و CAT۶ و همچنین برای حفاظت از دوربین های مداربسته مورد استفاده قرار می گیرد.
- ارستر دوربین:
این ارستر برای محافظت از انواع دوربین های مداربسته، مورد استفاده قرار می گیرد. این ارستر می تواند در صورت وقوع صاعقه در مسیر سیگنال و ارتباط الکتریکی دوربینها، باعث جلوگیری از آسیب به دوربین شود
روش نصب سرج ارستر:
سرج ارسترها، به صورت سری یا موازی در مدار قرار می گیرند. اتصال سری یا موازی بستگی به نوع کاربرد آنها دارد. همیشه سرج ارستر بعد از کلید اصلی و قبل از کلید محافظ جان (RCD) ، از روی ریل تابلوهای توزیع برق واحد قرار می گیرد. اکثر سرج ارسترهای تولید شده توسط شرکتهای معتبر، به صورت ماژولار هستند و از دو قطعه پایه و ماژول حفاظتی تشکیل می شود. ماژول حفاظتی به شکل خشاب مانند از پایه خارج شده یا به آن وارد می شود. هرچند در برخی ظرفیت های ضربه، پایه و ماژول حفاظتی یکپارچه بوده و قابل جداسازی نیستند. طول عمر سرج ارستر بستگی مستقیم به تعداد و قدرت صاعقهها یا ضربات اضافه ولتاژهای حاصل از کلید زنی سوئیچینگ) در شبکه دارد.
سرج ارسترها در انواع تک فاز، فاز و نول، نول، دو فاز، دو فاز و نول، سه فاز و سه فاز و نول تولید می شود که هر یک به اقتضای محل و شرایط، مورد استفاده قرار می گیرد. نکته مهم در این رابطه عدم ارتباط داخلی سرج ارسترها با یکدیگر است. مدار و عملکرد سرج ارسترها کاملا از یکدیگر مستقل است و برخلاف فیوزهای مینیاتوری، کلیدهای اتوماتیک یا موارد مشابه، اختلال در یکی از فازها موجب قطع هر سه فاز نمی شود. در پایه های دوپل و بالاتر، صرفا یک شینه باس بار) مسیرهای خروجی به ارت را به یکدیگر متصل می نماید. این کار فقط به منظور کاهش، و صرفه جویی در مقدار سیم کشی است.
ارزیابی خطر صاعقه بر سازه:
یکی از سؤالاتی که همیشه مطرح می گردد اینست که چه ساختمانهایی نیاز به نصب سیستم صاعقه گیر دارند و چگونه این ساختمانها مشخص می گردند . جهت ارزیابی خطر صاعقه بر سازه موارد زیر مورد نظر می باشد : موقعیت سازه نوع کاربری نوع سازه اسکلت فلزی، بتونی، چوبی، مصالح بنایی و …) ارتفاع سازه تعداد ضربات احتمالی بر سازه معیار ارزیابی نیاز سازه به سیستم حفاظتی، محاسبه ضریب خطر کلی (Po) است . اگر این مقدار ضریب خطر با توجه به محاسبات و فرمولهای ذیل از یک هزارم درصد(۰٫۰۰۰۰۱)، بیشتر یا مساوی باشد سیستم حفاظتی، ضروری به نظر می رسد و اگر نتیجه کمتر از مقدار فوق باشد باید بررسی دقیق از سازه، موقعیت، و مصالح متشکله انجام و سپس تصمیم گیری لازم در خصوص نیاز و یا عدم نیاز به حفاظت اتخاذ گردد. محاسبات ضریب خطر کلی (Po) طبق روابط زیر است :
در فرمول های فوق : Ac:منطقه تجمعی بر حسب متر مربع Ng: چگالی تخلیه صاعقه به زمین (عدد ایزو کرونیک) بر حسب سال بر کیلومتر مربع می باشد که اگر در دسترس نباشد از رابطه زیر قابل محاسبه است
در رابطه فوق (Td) تعداد روزهای توام با صاعقه در سال است که از نقشه های هواشناسی بدست می آید. یک نمونه از این نمودارهای در نمودار شماره 1 کتاب همراه هنرجو آمده است .
H: ارتفاع سازه بر حسب متر طول سازه بر حسب متر
W:عرض سازه بر حسب متر می باشد. ضرایب D، C ، B ، A و E به ترتیب مربوط به کاربری و اهمیت سازه ها، نوع سازه، اثرات منتجه و اجزای داخلی سازه، ضریب عایقی و موقعیت سازه می باشد که از جداول بدست می آید.
