صاعقه گیرها

آشنایی باصاعقه گیرها

جهان ما پر از شگفتي هاست برخي از اين گونه علاوه بر شگفتي هايشان بالقوه حادثه آفرين و مصيبت بارند كه براي سلامت محيط زيست و انسانها بسيار خطرناك مي باشند (آذرخش، زلزله، سيل) آدميان براي مبارزه با اين گونه موارد و مصون ماندن از آن براي ادامه حيات طي ساليان دراز گذشته راههاي متفاوتي را پيموده اند وعلم مبارزه و رويارويي با آن را آموخته اند و تجربه كرده اند و ياد گرفته اند كه چگونه با آن روبه رو شوند و برآن غلبه كنند تا زنده باشند و زندگي كنند.
آذرخش و ماهيت آن

مورد ويژه اي كه ما خواهان شناسايي و بررسي علل به وجود آمدن آن هستيم آذرخش (صاعقه) مي باشد كه اين پديده جالب الكتريكي نيز به نوبه خود در صورت نداشتن شناخت كافي از روشهاي حفاظتي آن باعث خسارات هاي جانبي و مالي زياد و جبران ناپذير خواهد شد.
در مواقعي از سال تغيير و تحولات جوي باعث به وجود آمدن توده ابرهاي باردار و بزرگي كه به ابرهاي سنداني شكل از نوع (cumulonimbus) معروف هستند تشكيل مي شوند كه در بعضي مواقع پهناي آن به ۲۰ كيلومتر و با گستردگي چندين ده كيلومتر مي رسد، بر اثر جابجايي دروني در بالاي اين توده بزرگ ابر كريستال هاي يخ با بهارهاي مثبت و در پايين آن ذرات آب با بار منفي

تشكيل مي شوند.
اين ابرهاي باردار در حركت خود يا به ابرهاي ديگري برخورد كرده و بارهاي الكترواستاتيكي خود را تخليه مي كنند كه باعث به وجود آمدن تندر (رعد وبرق، آسمان غرنبه) مي شوند.
اين ابرها در حين گذار خود براي تخليه بار خود با ولتاژهاي بالاي (حدود ۲۰ كيلووات/ مترمربع) تخليه اي بين نقاط مرتفع زمين (كوه ها- ساختمان هاي بلند- سازه هاي فلزي مرتفع- دكل هاي مخابراتي و تلويزيوني- مخزنهاي بزرگ سوختي و شيميايي- انبارهاي مواد منفجره و آتش زا) انجام مي دهند كه اين عمل تخليه الكتريكي آذرخش نام دارد و اين پديده شگفت طبيعي است كه اثرات زيان بار و مخربي را در صورت تجهيز نبودن اين گونه تاسيسات به سيستمهاي حفاظتي در برداشته، همچنين اثرات بعدي آن باعث خسارات فراوان ديگري خواهند شد.

روش هاي رويارويي با آذرخش و پيدايش صاعقه گير
انسانهاي نخستين در هنگام وقوع حادثه به ناچار راه گريز در پيش گرفته، دوراني بعد براي رهايي از اين مصائب به نيايش و نذورات متوسل مي شدند، اما وقتي انسانها دريافتند كه با تكيه برخرد و تجربه خويش مي توانند بر مشكلات پيروز شوند، توانايي يافتند برآن غلبه نمايند و در بسياري از موارد آنان را به خدمت گيرند.
در همين راستا براي مقابله با آذرخش ميله هاي ساده برق گير كشف و ابداع گرديده اند كه قديمي ترين نوع آن ميله هاي ساده ايست كه راس گنبدها و منارها در ايران خودمان مورد استفاده براي ايمني ساختمان قرار گرفته اند (ميدان نقش جهان- اصفهان)- در قرون ۱۷ و ۱۸ براي يافتن راه هاي جلوگيري از صدمات و خسارات صاعقه كوشش هاي زيادي به عمل آمده است كه در آن رابطه كوشش هاي چشمگير بنجامين فرانكلين و دالي بارد است كه موجب كشف و ابداع صاعقه گيرهاي جديد گرديد.
انواع صاعقه گيرهايي كه مورد استفاده قرار گرفته اند عبارتند از :

۱- صاعقه گيرهاي ابتدايي قرون گذشته
۲- صاعقه گيرهاي فرانكليني
۳- صاعقه گيرهاي اتمي
۴- صافه گيرهاي بادي (پيزو الكتريك)
۵- صاعقه گيرهاي الكتروخازني
ESE (Early Screamer Emission)
شيوه عملكرد صاعقه گيرهاي جديد براساس نيروي الكتريسيته بوجود آمده در شرايط جوي بويژه قبل از اصابت مستقيم صاعقه مي باشد كه نسل نوين و تكامل يافته ترين آنهاست.
در ميان صاعقه گيرهاي ساخته شده كنوني كه براي حفاظت جلد خارجي ساختمانها به كار مي روند اين صاعقه گيري بهتر است كه
۱- شعاع پوشش حفاظتي بيشتر نسبت به نوع مشابه خود به خاطر كيفيت و تكنولوژي پيشرفته تر و برتر خود داشته.
۲- شرايط راحت تري براي نصب داشته.
۳- و توانسته باشد از استانداردهاي لازم عملي بهره گيري كرده و داراي استانداردهاي جهاني خاص خود باشد.

اجزاي تشكيل دهنده سيستم حفاظتي در برابر آذرخش
۱- صاعقه گير ۲- هادي مياني ۳- سيستم ارت
۱- صاعقه گير : كه شامل ميله يكپارچه (فولادي ضدزنگ) با نوك تيز بوده و در قسمت مياني اين خازن ها وجود دارند كه در موقعيت شرايط جوي بوجود آمده باعث پاسخگويي سريع تر به صاعقه مي شوند و در محفظه اي دايره شكل ضدآب قرار دارند.
۲- هادي مياني : جريان حاصل از صاعقه را به سيستم ارت مي رساند و طبق استاندارد NFC 17-102 تسمه اي مسي به اندازه هاي ۲۰*۳ ميلي متر مي باشد.
۳- سيستم ارتينگ يا چاه ارت : كه مقاومت آن بايد كمتر از ده اهم باشد.

مزايا و مشخصات فني عقه گير الكترونيكي خازني اینجسکو فرانسه (INGESCO)
1- دارا بودن بالاترين شعاع ضريب پوشش (۱۵۰ متر) نسبت به كليه صاعقه گيرهاي الكترونيك خازني ديگر
۲- صاعقه گير الكترونيك خازني INGESCO
3- تنها صاعقه گيري است كه مطابق با دو استاندارد جهاني
NFC 17-102 ‌و UNF 21186
تست و گواهي لازم را اخذ نموده است.
۴- تست صاعقه گيرهاي الكترونيك خازني INGESCO
توسط معتبرترين لابراتورها و كمپانيهاي اروپا مانند :
TYCO (سازمان حفاظت از حريق اروپا)
EDF (سازمان استاندارد فرانسه)
TELECOME (بزرگترين توليدكننده تجهيزات مخابراتي اروپا)
L.C.O.E (بزرگترين توليدكننده تجهيزات مخابراتي اروپا) انجام گرفته است.
۴- دارا بودن جداره خارجي تمام استيل كه باعث مقاومت دستگاه در برابر عوامل فرسايش مانند : باد و آفتاب و…) مي شود.
۵- داراي نوك فولادي ضدزنگ
۶- دو سال گارانتي دستگاه
۴- ۱۵ سال خدمات پس از فروش

 

نگهداري در برابر اثرات مخرب آذرخش و پي آمدهاي آن Lightning ProtectiSystem – LPS
1- نگهداري بيروني ۲- نگهداري دروني
نگهداري بيروني : منظور از نگهداري بيروني، حفظ ساختمانها و دكل ها و انسانها و حيوانات و اشياي آنها در مقابل ضربه مستقيم صاعقه كه باعث آتش سوزي و تخريب مي گردند كه براي محافظت آنان از صاعقه گير استفاده مي شود.
نگهداري دروني : چون اكثر تاسيسات امروزي داراي سيستم هاي برق و الكترونيك در داخل ساختمان مي باشد براي محافظت آن ها از اثرات ثانويه صاعقه اين نوع تجهيز

ات بايستي به وسيله لوازم و ابزارهاي حفاظتي مخصوص به نامه اريسترها
(arresters)
هستند محافظت مي شوند.
اثرات ثانويه بطور خلاصه عبارتند از :
۱- اضافه ولتاژهاي حاصل از صاعقه Lightning Electromagnetic Pulse – LEP
2- اضافه ولتاژ حاصل از تخليه الكترواستاتيكي Electrostatic Static Discharge
3- اضافه ولتاژ هاي حاصل از فصع و وصل (Switching) مدار هاي جريان و حوادث و خطوط تغذيه Suitching Electro magnetic Pulse
صاعقه گير چگونه عمل مي کند؟
درست قبل از حدوث صاعقه بطور طبيعي محتوي الکتريکي اتمسفر بطور ناگهاني افزايش مي يابد. اين تغيير وضعيت توسط واحد جرقه زن حس و کنترل مي شود صاعقه گيرهاي الکترونيکي RPEVECTRON 2 انرژي موجود در هواي متلاطم پيش از طوفان را (که حدود چندين هزار ولت بر هر متر است) جذب و در واحدهاي جرقه زن ذخيره مي نمايد و در نهايت واحد جرقه زن با تخليه بار الکتريکي خازنها بين الکترودهاي فوقاني و الکترود مرکزي اش هواي اطراف را يونيزه مي نمايد.
________________________________________

اصول عملکرد
عمليات يونيزاسيون در نوک صاعقه گير به شرح زير تفسير مي شود:
الف- آزاد سازي کنترل شده يونها
واحد جرقه زن (TRIGGERING) صاعقه گيرهاي RPEVECTRON شرايطي را ايجاد مي کند تا چشمه جوشاني از يون (کرونا) در اطراف ميله نوک تيز فراهم شود. دقت عمل اين واحد بايد به گونه اي کنترل شده باش که آزاد سازي يونها را درست چند ميکرو ثانيه قبل از حدوث و تخليه صاعقه صورت دهد.
ب- اثر کرونا و واحد جرقه زن
حضور حجم وسيع بازهاي الکتريکي در اطراف ميله نوک تيز صاعقه گير پس از يونيزاسيون توسط واحد جرقه زن سبب مي شود تا پديده طبيعي تجمع بازهاي الکترونيکي اطراف ميله (Corona effect) تقويت و تشديد شود.
ج- تسريع در بروز علمدار حمله زميني
صاعقه گيرهاي RPEVECTRON طوري طراحي شده اند که ارسال علمدار حمله زميني را خيلي زودتر از نقاط هم ارتفاع مشابه همان محدوده به انجام برسانند و اين به معني تشکيل نقطه ترجيهي دريافت صاعقه در منطقه تحت حفاظت با RPEVECTRON نسبت به ساير نقاط مي باشد.
يک ميله ساده صاعقه گير را با يک صاعقه گير الکترونيکي (RPEVECTRON) در شرايط مساوي (نصب) در آزمايشگاه مورد بررسي قرار مي دهيم. بدينصورت که از اين منبع صاعقه مصنوعي (خازنهاي باردار شده) متساوي الفاصله هر دو را مورد حمله قرار مي دهيم. مشاهده مي شود که صاعقه گير الکترونيکي چندين ميکروثانيه زودتر از ميله ساده به واقعه عکس العمل نشان مي دهد اين اختلاف زمان را با (T) بنام زمان جرقه زني (TRIGGERING TIME) نامگذاري کرده اند.
در نهايت (T) به عنوان ابزار اندازه گيري کيفيت عملکرد صاعقه گير الکترونيکي و ميله هاي ساده انتخاب شد و طبق استاندارد NF C 17-102 مبناي مقايسه انواع صاعقه گيرها و اساس محاسبه شعاع حفاظت آنها قرار گرفته است

________________________________________
محدوده حفاظت
هدف از نصب ساعقه گير روي بام ساختمان ايجاد يک حوزه حفاظتي براي ساختمان است و حداکثر فاصله از محل نصب صاعقه گير که تحت حفاظت قرار مي گيرد (در ارتفاع محل نصب پايه صاعقه گير) شعاع حفاظتي ناميده مي شود.
شعاع حفاظتي صاعقه گير الکترونيکي PREVECTRON 2 با استفاده از جديدترين استاندارد NF C 17-102 (جولاي ١٩٩٥) و فرمولهاي اين استاندارد به شرح زير محاسبه شده اند.
محاسبات ارائه شده در جداول مقابل براساس چند پارامتر زير بدست آمده است:
١- تفاوت زمان تخليه صاعقه توسط صاعقه گيرهاي الکترونيکي و صاعقه گيرهاي ساده (t) که توسط C.N.R.S تائيد شده و نوع صاعقه گير مورد نظر بدست مي آيد. سپس با استفاده از فرمول
فاصله اي که نقطه دريافت صاعقه از نوک صاعقه گير دور مي شود محاسبه خواهد شد.
٢- براساس مشخصه هاي ساختمان يا پروژه، ضميمه B استاندارد NF C 17-102 و نرم افزار INDELEC ( که طبق استاندارد فوق تدوين شده) کلاس حفاظتي مورد نظر را انتخاب مي نمائيم. سپس با عنايت به کلاس حفاظت قطر کره فرضي را (D) از جدول استخراج مي نمائيم.
0- ارتفاع واقعي نصب صاعقه گير از روي سطح مورد نظر را براي تعيين شعاع حفاظتي بدست مي آوريم.
وقتي h بزرگتر از ٥ متر باشد.

وقتي h کوچکتر از ٥ متر باشد. شعاع حفاظتي از جداول همين صفحه استخراج مي شود.
h = ارتفاع واقعي نصب صاعقه گير نسبت به سطح مورد نظر جهت محاسبه شعاع حفاظت فاصله اي که صاعقه گير نقطه دريافت صاعقه را طبق تئوري گوي غلطان از ساختمان دور مي کند.

انواع صاعقه گیرها به شرح زیر میباشند:
١ ● ميله هاي ساده فرانكليني وقفس فارادي و صاعقه گيرهاي يونيزه كننده هوا
اولين واحد جذب كه توسط فرانكلين بيشنهاد گرديد، ميله هاي ساده بودند كه ضربه مستقيم صاعقه به اندازه طول میله ها، دور از ساختمان اتفاق می افتاد و شعاع حفاظتي اين صاعقه گيرهاي ساده در كلاسهاي حفاظتي براساس تئوري زاويه محاسبه مي گرديد.
H . tgα =Rp
H = طول ميله ساده
α = زاويه شعاع حفاظتي
Rp = شعاع حفاظتي ميله ساده
زمانيكهα = ۳۰ ۰ باشد ميزان شعاع حفاظتي Rp برابر ۰٫۷H مي باشد، در اين حالت كلاس حفاظتي در سطح (High Protection)(I) ميباشد.
زمانيكه α = ۴۵ ۰ نيز، Rp=H خواهد بود و كلاس حفاظت در سطح (Medium Protection (II ميباشد.
زمانيكه α = ۶۰ ۰ باشد ميزان شعاع حفاظتي Rp برابر ۱٫۷۳ H مي باشد، در اين حالت كلاس حفاظتي در سطح (Standard Protection) (III) مي باشد.
همانطوريكه ملاحظه ميشود، كلاس حفاظت با شعاع حفاظتي، رابطه معكوس دارد و بالطبع براي تدارك كلاس حفاظت بالاتر بايد هزينه بيشتري پرداخت كرد.لازم به ذكر است كه تعيين كلاس حفاظت، با توجه به موقعيت محل سايت،‌نوع كاربري آن، ابعاد ساختمان و . . . انجام خواهد شد.
٢ ● طراحي سیستم صاعقه گير به روش قفس فارادي
با گسترش ابعاد ساختمانها و با توجه به محدوديت هاي ميله ساده ، قفس فارادي (Faraday Cage) جايگزين ميله هاي ساده فرانكليني شد، امروزه نيز اكثر استانداردهاي جهاني استفاده از قفس فارادي را بهترين روش ميدانند. در اين روش سعي مي شود ساختمان را در قفسي از هاديهاي مسي يا فولادي محصور نمود.
دستورالعملهاي كلي روش قفس فارادي بشرح زير است:
• ايجاد يك رينگ از تسمه هاي مسي يا فولادي درپشت بام ساختمانها يا بر روي جان پناه آن
• ايجاد مشي از تسمه ها يا سيمهاي مسي يا فولادي در كف بام ساختمانها به گونه اي كه در بالاي بام ابعاد شطرنجي هادي ۵×۵ m (سطح I حفاظت ) ، ۱۰×۱۰ m (سطح II حفاظت) يا ۲۰×۲۰ m (سطح III حفاظت) ايجاد گردد.

• اجراي هاديهاي مياني نزولي در جهات مختلف ساختمان به نوعي كه هر هادي از هادي ديگر بين ۲۰ الي ۳۰ متر فاصله داشته باشد.
• محاسبه فواصل Bonding و اتصال عناصرفلزي روي بام و بدنه به هادي هاي صاعقه گير
همانطوركه ملاحظه مي فرمائيد در مسير اجراي روش قفس فارادي از ابزار هاي مختلفي مثل هاديهاي مسي، انواع بستهاي نگهدارنده، انواع کلمپهای چند راهي، ميله هاي برقگير ساده و پايه هاي نگهدارنده و . . . استفاده مي شود.
٣ ● تئوری گوی غلطان و صاعقه گیرهای یونیزه کننده:
طراحي و نصب اين صاعقه گير هاي براساس استاندارد NFC 17-102 انجام مي گيرد ريشه اين استاندارد نيز همان تئوري گوي غلطان است كه در تمامي استاندارد ها از آن استفاده شده است. NFC 17-102 با وارد كردن پارامتر ΔLدر فرمول محاسبات، شعاع پوشش افزايش يافته صاعقه گير را محاسبه مي كند.
صاعقه گير پس از نصب روي ساختمان، مي بايست بوسيله هاديهاي مياني Down Conductor از طريق سيم مسي بدون روكش به سيستم زمين متصل گردد.
مقاومت الكترود زمين صاعقه گير مي بايست زير ۱۰ اهم باشد و پس از اجرا به شبكه هم بتانسيل كل سايت متصل شود.
در اجراي الكترود زمين هر صاعقه گير مي بايست از اقلامي چون صفحه هاي مسي، مواد كاهنده مقاومت (LOM) ، اتصالات جوش انفجاري استفاده نمود.

اصول عملكرد صاعقه گيرهاي يونيزه كننده Prevectron 2 به شرح زیر است:
● شارژ واحد يونيزاسيون
واحد يونيزاسيون به وسيله الكترودهاي پائيني صاعقه گير، با توجه به شدت ميدان الكتريكي اتمسفر كه غالبا” هنگام صاعقه چندين ميليون ولت بر متر ميباشد شارژ ميشود و اين نوع صاعقه گير ها بدون نياز به منبع انرژي خارجی و بطور كاملا مستقل فعاليت مي نمايد.