اشاره:
در اين مقاله استفاده از برقگير آويزي به عنوان عامل حفاظتي در مقابل اصابت صاعقه انتقال و بالا بردن ضريب اطمينان شبكه تشريح شده است. در اين راستا ساختمان داخلي و نحوه به كارگيري برقگير آويزي در خطوط انتقال فشار قوي و تفاوتهاي آن بر برقگيرهاي متداول بيان شده است. در انتها، مدلي از شبكه با استفاده از نرم افزار ATP شبيه سازي و مورد مطالعه قرار گرفته و نتايج آن ارائه شده است.

ABSTRACT:
In order to increase the reliability of transmission lines against lightning strikes, application of arresters is the useful way. Lightning surges cause flashover on insulator string, especially in towers with high ground resistance. So a short circuit between line and tower will be app eared. If there is a arrester beside the insulator string, surge current will pass through the arrester to arrester to ground and there is not any flashover. Also in this paper the basic concepts and construction of transmission line arrester. Will be described. At the end of poper. Performance and application of arresters in line will be proved by results of simulating a line with EMTP.

۱- مقدمه
استفاده از برقگير در خطوط انتقال به منظور افزايش قابليت اطمينان شبكه و كاهش خطاهاي ناشي از اصابت صاعقه و همچنين حذف مطمئن اضافه ولتاژ ناشي از صاعقه، صورت مي گيرد. اضافه ولتاژهاي ايجاد شده در شبكه تاثير مخربي بر تجهيزات و تاسيسات الكتريكي بر جاي مي گذارند، اما حدود آسيب با توجه به مقاومت عايقي وسيله الكتريكي متفاوت مي باشد. اضافه ولتاژهاي ناشي از صاعقه كه به صورت استاندارد ۵۰/۲/۱ ميكروثانيه بيان مي شوند به دليل پشتيباني موج تيز و دامنه بالايي ك داراي اثرات تخريبي شديدي در شبكه بر جاي مي گذارند.

از جمله اين آثار، مي توان به سوختن تجهيزات فشار قوي و ايجاد خطاي اتصال كوتاه در پستهاي فشار قوي و يا شكست الكتريكي سطحي در طول زنجير مقره و ايجاد خطاي اتصال كوتاه در آن اشاره كرد. تمامي اين موارد منجر به ايجاد خطا و قطع شبكه مي گردد. براي پيشگيري از اين نوع خطاها در پستهاي فشار قوي روشهاي متعددي وجود دارد كه عملي‌ترين و اقتصادي‌ترين آنها استفاده از سيم محافظ و برقگير است. از طرف ديگر در خطوط انتقال فشار قوي نيز روشهاي متعددي براي جلوگيري از شكست الكتريكي زنجير مقره در اثر اصابت ساعقه وجود دارد كه به طور خلاصه مي‌توان از سيم محافظ و كاهش مقاومت پاي برج و افزايش سطح عايقي نام برد.

افزايش سطح عايقي در برجها، اگر چه از بروز شكست الكتريكي سطحي در زنجير مقره جلوگيري مي كند ليكن منجر به بزرگ شدن بازوها و ارتفاع برج و افزايش هزينه مي گردد. از طرف ديگر، در مناطق سنگي و صخره اي كه مقاومت زمين بالا است، مقاوت پاي برج، بزرگ خواهد بود. در اين صورت‌حتي اگر خط انتقال، توسط سيم زمين محافظت گردد، به دليل بالا بودن مقاومت پاي برج، در زمان اصابت صاعقه به برج،

پتانسيل برج آنچنان بالا مي رود كه اختلاف آن با ولتاژ خط، از سطح عايقي مقره فراتر مي رود و بنابراين شكست الكتريكي سطحي در زنجير مقره روي داده و در صورت تداوم قوس الكتريكي، خط انتقال توسط كليدهاي قدرت قطع مي‌گردد. بدين لحاظ در صورتي كه بتوان با بكارگيري الكترودهاي زمين در عمق زياد و يا روشهاي ديگر، مقاومت پاي برج را كاهش داد، پديده اخير و يا قوس برگشتي روي نخواهد داد. ولي در مواردي مانند سخت بودن يا سنگي بودن زمين در كوههاي مرتفع، اين امكان وجود ندارد و تاثير روشهاي ذكر شده در عمل كم مي باشد.

بنابراين استفاده از برقگير براي كاهش خطاهاي ناشي از شكست الكتريكي سطحي زنجير مقره در اينگونه موارد بيشتر مورد توجه قرار مي گيرد. بكارگيري برقگير در خطوط انتقال در چنين شرايطي درصد خطاهاي ناشي از اصابت صاعقه به خط انتقال را به طور چشمگيري كاهش مي دهد اين امر به مفهوم افزايش قابليت اطمينان كه حذف مطمئن اضافه ولتاژهاي حاصل از صاعقه و شدن خسارتهاي مالي ناشي از قطع شبكه و تخريب تجهيزات مي باشد.

۲- ويژگيهاي برقگيرهاي خطوط انتقال
اساس كار و ساختمان برقگيرهاي خطوط انتقال از برقگيرهاي پستهاي فشار قوي الهام گرفته شده است. اما تفاوتهايي نيز وجود دارد. به طور خلاصه، برقگيرهاي متداولي كه در پستهاي فشار قوي به كار مي رود. شامل برقگيرهاي ميله اي، انفجاري، فاصله هوايي‌كنترل كننده، كربورسيليسيمي‌و اكسيد فلزي مي‌گردند. برقگيرهاي يادشده، مي توانند تركيبي از يك يا چند جزء اساسي ساختمان برقگير شامل محفظه، قسمت فعال شونده، (مانند مقاومت غيرخطي) و فاصله هوايي باشند. مشخصات هر يك از اين برقگيرها در جدول خلاصه شده است.

با توجه به خواص ذكر شده براي برقگيرهاي متداول، برقگيرهاي خطوط انتقال، بايد شرايط زير را داشته باشند:
الف) قبل از فعال شدن كليدهاي فشارقوي، جريان پيرو را قطع كنند.
ب) حتي در شرايطي كه برقگير نتواند صحيح عمل كند، مانع بازبست مدار نشوند.
پ) در صورت عبور جريان صاعقه بيش از مقدار نامي، منفجر نشوند.
ت) از لحاظ فيزيكي كوچك و سبك باشند بطوري كه بتوان آنها را در خطوط انتقال موجود، بدون تغيير دادن

جدول (۱) مشخصات برقگيرهاي ميله اي، انفجاري و مقاومت غيرخطي
نوع

موضوع ميله اي انفجاري كربورسيلسيم اكسيد روي
با فاصله هوايي بدون فاصله هوايي با فاصله هوايي بدون فاصله هوايي
ولتاژ باقيمانده در حد صفر در حد صفر به دليل آنكه در حالت عادي، شبكه، جريان نشتي بالايي دارد، ساخت اين برقگير بدون فاصله هوايي امكان پذير نيست
وقوع خطا اتصال كوتاه شبكه در جريان كمتر يا بيشتر امكان غلط عمل نمودن
جريان پيرو دارد دارد ولي قطع مي شود

تاخير در زمان تخليه وابسته به شرايط محيطي و ولتاژ وابسته به شرايط محيطي
زوال پذيري ناچيز زياد كم ناچيز در صورت طراحي صحيح، كم است
ساير متاثر از شرايط آب وهوايي است زمان بين ۱/۰ ميكروثانيه تا چند ميلي ثانيه حداقل و حداكثر جريان براي آن بايد تعريف شود نفوذ رطوبت و نشست گاز درون آن مشكل آفرين است امكان طراحي آن در ابعاد كوچك وجود دارد نسبت به رطوبت حساس مي باشد.
ث) از لحاظ مكانيكي، شرايط مناسب را دارا باشند.

ج) هنگامي كه خطايي در عملكرد برقگير واقع شود، از آنجا كه برقگير بين خط و برج قرار مي گيرد، بهتر است از لحاظ الكتريكي رابطه اي بين خط و برج برقرار نگردد. به اين دليل، در برقگير بدون فاصله هوايي، در اين خصوص بايد تدبيري انديشيده شود.
با توجه به موارد مطرح شده فوق، ذيلاً قسمتهاي اساسي يك برقگير خط، شرح داده مي شوند

۲-۱- ساختمان و اصول كاربرقگير خط
قسمتهاي اساسي يك برقگير خط شامل محفظه، قسمت فعال شونده يا مقاومت غيرخطي، فاصله هوايي سري و فشار شكن مي بانشد كه در برقگيرهاي بدون فاصله هوايي مورد سوم وجود ندارد.
۲-۱-۱- محفظه يا قسمت نگهدارنده

محفظه هاي پليمري بطور كلي به دو دسته پليمري و چيني تقسيم بندي مي شوند و به شكل استوانه بوده و از دو لايه دروني و بيروني تشكيل يم شوند. لايه دروني از جنس FRP و لايه بيروني از جنس لاستيك اتيلن پروپيلن مي باشد. علت بهره گيري از پليمرها به دليل سبكي آنهاست و از طرف ديگر در يك طول ثابت نسبت به پرسلين مي توان فاصله خزشي‌را ۵/۱ برابر بزرگتر نمود. عمر اين گونه محفظه ها بين ۲۰ تا ۳۰ سال برآورد شده است‌به طوري كه در اين زمان تغييري‌در خواص آنها ايجاد نمي‌شود.

نوع ديگر اين محفظه ها از جنس پرسلين است كه شبيه محفظه برقگيرهاي متداول است. در سالهاي اخير نمونه جديد برقگيرهاي بدون فاصله هوايي جهت استفاده در خطوط انتقال، ابداع شده است كه در اين برقگيرها قرص اكسيد روي را در محفظه هاي استوانه اي شكلي كه در باله مقره بشقابي تدارك ديده اند، قرار مي دهند. اين نوع برقگيرها به برقگير آويزي موسوم هستند. از به هم پيوستن چند برقگيرآويزي، زنجير مقره اي حاصل مي شود كه هر دو عمل مقره و برقگير را انجام مي دهد. از مزاياي عمده اين نوع برقگير، حذف سريع و مطمئن اضافه ولتاژ ناشي از صاعقه مي‌باشد [۵].

۲-۱-۲- مقاومتهاي غيرخطي:
قرصهاي اكسيد روي در مقايسه با مقاومتهاي غيرخطي ديگر از مشخصه غيرخطي بسيار خوبي برخوردار هستند. اين مقاومتها وظيفه جذب و انتقال انرژي صاعقه به زمين را به عهده دارند. ابعاد قرص اكسيد روي، بر اساس جريان تخليه و انرژي قابل تحمل قرص، تعيين مي گردد. بر مبناي نظريه آرمسترانگ، وايت هد [۱] جريان تخليه در برخورد صاعقه به سيم زمين و خطا در سيم زمين توسط نرم افزار ATP محاسبه مي شود كه در شكل (۱) يك منحني مربوط به خطاي سيم زمين و جريان صاعقه نشان داده شده است. در نهايت با مشخص شدن جريان نامي، قطر قرص و ابعاد آن استخراج مي گردد [۵].

۲-۱-۳- فاصله هوايي سري:
اين فاصله هوايي، به صورت سري با محفظه برقگير قرار مي گيرد و در شرايط بروز اضافه ولتاژ گذرا، دچار شكست الكتريكي شده و جريان صاعقه را عبور مي دهد. فاصله هوايي سري بر مبناي قطع جريان پيرو، هماهنگي عايقي، ولتاژ پايداري به ازاي ولتاژ فركانس قدرت و ولتاژ پايداري در مقابل موج ضربه كليدزني، محاسبه مي‌شود.

شكل (۱) منحني جريان صاعقه و خطاي سيم زمين.
۲-۱-۴- فشار شكن:
طراحي و نحوه عملكرد فشارشكن در اين نوع برقگيرها، با برقگيرهاي متداول پستهاي فشار قوي متفاوت است. هنگامي كه به علت جريان شديد صاعقه قرصهاي اكسيد روي صدمه ديده و فشار دروني محفظه، بالا مي رود محفظه برقگير در اثر اين فشار منفرج مي شود. براي مقابله با اين امر، بايد فشار را به گونه اي محدود نمود. يكي از روشهاي عملي در محفظه هاي پليمري، تعبيه سوراخهايي در محفظه است.

به طوري كه با ازدياد فشار بيش از حد متعارف، سوراخها كه با اتيلن پروپيلن پر شده اند، باز شده و قوس الكتريكي به بيرون از محفظه برقگير منتقل مي شود و فشار دروني آزاد مي‌گردد.

در شكل (۲) منفذهاي فشارشكن در يك نمونه از برقگير فاصله هوايي دار نشان داده شده است. شايان ذكر است كه اگر به هر دليلي منفذهاي فشارشكن به درستي عمل نكنند و برقگير منفجر شود به دليل آنكه، محفظه هاي پليمري تكه تكه نمي‌شوند، مثل برقگيرهاي‌با محفظه چيني، براي‌محيط اطراف خود ايجاد خطر نمي‌كنند.

شكل (۲) فشار شكن در يك نمونه از محفظه هاي پليمري
۳- هماهنگي عايقي
به منظور اطمينان از عملكرد صحيح برقگير، لازم است كه هماهنيگ عايقي صحيحي بين زنجير مقره و برقگير وجود داشته باشد و شكست الكتريكي در برقيگر نسبت به زنجير مقره، سريعتر واقع شود. اين مهم بر اساس سطوح عايقي متفاوت بين زنجير مقره و برقگير به دست مي آيد.
در زنجير مقره، فاصله هوايي بين الكترودهاي ميله اي دو سر زنجير مقره توسط رابطه زير تعريف مي شود [۲ و ۱]:
(۱)
كه در آن به ترتيب: ۱Z : فاصله بين دو الكترود ۰ :Zطول زنجير مقره
و از طرف ديگر فاصله بين بدنه برج و هادي خط از رابطه زير به دست مي آيد:
(۲)

اين فاصله بايد صحيح انتخاب شود تا شكست الكتريكي بطور حتم در فاصله هوايي زنجير مقره واقع شود.لذا در يك طراحي صحيح، ولتاژ شكست ۵۰% موج ضرقه صاعقه در برقگير داراي فاصله هوايي، هيچگاه از ولتاژ شكست ۵۰% موج ضربه صاعقه در الكترودهاي ميله اي دو سر زنجير مقره فراتر نخواهد رفت [۲].

در صورت صدمه ديدن قرصهاي اكسيد روي فاصله هوايي سرد در برقگير، بايد در مقابل اضافه ولتاژ ناشي از كليدزني پايدار باشد و از طرف ديگر، لازم است كه اين فاصله هوايي در مقابل موج ضربه صاعقه فعال شود تا زنجير مقره دچار شكست الكتريكي نگردد. به بيان دقيق تر ولتاژ شكست برقگير داراي فاصله هوايي در حالت عادي به صورت زير تعريف مي شود:
(۳)

Var: ولتاژ شكست برقگير زماني كه قرصهاي اكسيد روي سالم هستند.
V1Ma: ولتاژ مرجع قرصهاي اكسيد روي.
VFOG: ولتاژ شكست فاصله هوايي برقگير
اگر به مقاومتهاي غيرخطي برقگير آسيبي برسد . بنابراين، طول فاصله هوايي سري بايد به اندازه اي باشد كه در مقابل موج ضربه كليدزني پايدار باشد. حداقل فاصله هوايي سري از روي ولتاژ پايداري موج ضربه كليدزني به شرح زير محاسبه مي شود:

(۴)
VSP: ولتاژ پايداري در مقابل موج ضربه كليدزني
ULm: حداكثر شبكه
۱k : ضريب اضافه ولتاژ كليدزني (ضريب اضافه ولتاژ كليد زني به ازاي برابر ۲ مي باشد و به ازاي برابر ۸۴/۱ مي باشد).
براي استخراج ولتاژ پايداري در مقابل موج ضربه كليدزني، براي فاصله هوايي سري برقگيري كه مقاومتهاي غيرخطي آن آسيب ديده اند، مقدار انتخاب مي‌شود و به اين ترتيب حداقل طول فاصله هوايي سري به دست مي آيد.

از طرف ديگر زماني كه از برقگير به موازات زنجير مقره استفاده شود، بايد هماهنگي عايقي دقيقي بين برقگير و الكترودهاي ميله اي دو سر زنجير مقره برقرار باشد. در شكل (۳) شكست الكتريكي در مقابل موج ضربه كليدزني به ازاي طول فاصله هوايي سري در برقگير نشان داده شده است [۲ و ۱].

شكل (۳) منحنيهاي شكست الكتريكي موج ضربه كليدزني برحسب طول فاصله هوايي سري.
۴- عملكرد و نحوه به كارگيري برقيگيرهاي خطوط انتقال در شبكه
همانطور كه گفته شد، برقگيرهاي خطوط انتقال به موازات زنجير مقره قرار مي‌گيرند كه در صورت اصابت صاعقه‌‌اي با دامنه بالا به برج يا خط، ولتاژ دو سر زنجير مقره را كه همان ولتاژ باقيمانده برقگير است، در محدوده اي كمتر از ولتاژ شكست سطحي زنجير مقره قرار مي دهند. سوال اين است كه آيا كليه دكلها وفازها بايد برقگير داشته باشند؟ اگر جواب منفي است، نقاط بهينه نصب برقگير داشته باشند؟ اگر جواب منفي است،

نقاط بهينه نصب برقگير كجاست؟ براي پاسخ به اين پرسش ذكر اين نكته ضروري است كه قرار دادن برقگير به موازات زنجير مقره دو وهله اول براي جلوگيري از شكست الكتريكي زنجير مقره هنگام اصابت صاعقه مي باشد و در مرحله دوم، براي حذف مطمئن اضافه ولتاژ ايجاد شده در خط و شبكه است. در شكل (۴) قسمتي از يك خط انتقال نشان داده شده است. برجهاي A و B در قسمتهايي از مسير خط هستند كه مقاومت زمين در آنها بالا است (مانند مناطق صخره اي، كوههاي مرتفع و…) و برجهايC و D در بخشي از مسير خط هستند كه مقاومت زمين آنها پايين است و حداكثر به مي رسد.

اگر در شكل (۴- الف) صاعقه اي با دامنه بالا به نزديكي برج A اصابت كند، به علت آن كه مقاومت برج A بالا است، امكان تخليه جريان صاعقه به زمين وجود نخواهد داشت لذا پتانسيل برج A به مقدار قابل ملاحظه اي افزايش خواهد يافت. بطوري كه اختلاف پتانسيل بين برج و خط از BIL زنجير مقره بيشتر شده و شكست الكتريكي در زنجير مقره صورت خواهد گرفت. اما از آنجا كه در اين برج برقگير نصب شده، به شرط آنكه ولتاژ باقيمانده برقگير كمتر از BIL زنجير مقره باشد، مقداري از ولتاژ صاعقه توسط برقگير موجود به تدريج محدود شده و بخش باقيمانده آن به هاديهاي فاز، به صورت موج سيار منتقل مي شود.

اين موج سيار در دو سمت خط، روي هاديهاي فاز و سيم زمين، شروع به حركت مي نمايد. پس از رسيدن موج سيار به برج B به علت وجود برقگير و همان شرايط حاكم در برج A ، اختلاف پتانسيل بين برج و هادي فاز در سطح ولتاژ باقيمانده برقگير محدود مي شود. بنابراين بديهي است با توجه به هماهنگي صايقي بين برقگير و زنجير مقره، شكست الكتريكي در زنجير مقره برج B نيز رخ ندهد. بدين ترتيب موج سيار به برجهاي D وC كه توسط برقگير محافظت نشده اند،

خواهد رسيد. از آنجا كه مقاومت پاي برج اين دكلها، كم مي باشد موج سياري كه حامل آن سيم زمين است پس از رسيدن به برج مثلاً C به زمين تخليه مي شود و لذا ولتاژ برج به سمت مقادير كمتر، كاهش داده مي‌شود. اين در حالي است كه ولتاژ هاديهاي فاز تقريباً در حد ولتاژ صاعقه باقيمانده‌است. بنابراين در اين حالت اختلاف پتانسيل بسيار زيادي در زنجير مقره هاي C وd ايجاد مي شود كه نهايتاً منجر به شكست الكتريكي در آنها مي گردد. اما از طرف ديگر اگر مقاومت پاي برج دكلهاي C وD زياد باشد،

ولتاژي كه در دو سر زنجير مقره(بين‌هادي فاز و برج)قرار مي‌گيرد كم بوده و شكست الكتريكي‌در مقره‌هاي اين دو برج بروز نخواهد كرد. در نتيجه ملاحظه مي شود نصب برقگير در برجهايي كه مقاومت پاي برج آنها زياد است از ايجاد شكست الكتريكي روي اين برجها جلوگيري مي كند ولي باعث بروز قوس در زنجير مقره برجهاي مجاور با مقاومت كم مي گردد.

شكل (۴) بخشي از خط انتقال كه در اين قسمت مقاومت پاي برج بالا است.
در شكل (۴- ب) علاوه بر دكلهاي A و B در برجهاي C و D نيز برقگير نصب شده است. در اين حالت پس از رسيدن موج سيار به اين برجها، اختلاف پتانسيل ايجاد شده به دليل كم بودن مقاومت پاي برج دكلهاي C و D توسط برقگير در سطح ولتاژ باقيمانده محدود مي گردد. بدين ترتيب شكست الكتريكي در زنجير مقره روي نخواهد داد و جريان صاعقه از طريق برقگير به زمين منتقل خواهد شد. بدين لحاظ مي توان اين برجها را به نام برج تخليه نامگذاري نمود.

از طرف ديگر اگر صاعقه اي به برجهاي C و D اصابت كند، به علت پايين بودن مقاومت پاي برج، اضافه ولتاژ ايجاد شده مستقيماً از طريق اين برجها به زمين منتقل مي شود. در حالت ديگر، در صورت برخورد صاعقه به هاديهاي فاز (خطاي سيم زمين)، به همان دليل، برقگير از شكست الكتريكي زنجير مقره پيشگيري خواهد كرد.

لذا در پاسخ به سوال ذكر شده مي توان به نتايج زير رسيد:
الف) استفاده از برقگير در بخشهايي از خط انتقال ضروري است كه صاعقه خيز بوده، مقاومت زمين در آن مناطق بالا، امكان كاهش مقاومت زمين كم و يا مشكل و نيز صعب العبور باشند و زمان و هزينه زيادي جهت تعويض و جايگزيني مقره هاي صدمه ديده خط مورد نياز باشد.
ب) در تمام هاديهاي فاز بخش حفاظت شده (در بند الف) بايد برقگير نصب شود. در صورتي كه به هر دليلي نتوان در تمام هاديهاي فاز، برقگير نصب كرد، نصب برقگير در بالاترين هادي فاز از لحاظ مكاني مهمتر از ساير هاديهاي فاز مي باشد.

ج) بخش حفاظت شده شامل برجهاي با مقاومت بالا و دو برج ابتدايي و انتهايي بخش حفاظت شده مي باشد. مقاومت پاي برج ابتدايي و انتهايي كمتر از ۱۰ اهم است و نصب برقگير در آنها ضروري است.

با توجه به نتايج اخير مي توان مطمئن بود كه اگر صاعقه در منطقه حفاظت شده اصابت كند در داخل و يا خارج محوطه حفاظت شده شكست الكتريكي در مقره ها ايجاد نخواهد شد. يادآور مي شود كه هزينه استفاده و نصب برقگير در خط انتقال بايد كمتر از هزينه ها و خساراتي باشد كه در صورت عدم بكارگيري آن بروز خواهد كرد.

از آنجا كه صنايع برق هنوز روشي را براي محاسبه هزينه خطاهاي ناشي از شكست الكتريكي زنجير مقره و قطع و تعمير و نگهداري خط و خسارات حاصل از دست رفتن بارهاي صنعتي و احتمالاً از دست دادن كل سيستم و مخارج مربوط به جايگزيني مقره ها و زمان از دست رفته، ارائه نداده اند، نمي توان محاسبه و مقايسه اقتصادي دقيقي انجام داد. به همين ترتيب زماني كه مقره هاي آسيب ديده در مناطق دور دست باشند، زمان وهزينه لازم براي تعمير و نگهداري بطور قابل‌توجهي افزايش خواهد‌يافت كه استفاده از برقگير در اين گونه مناطق اين زمان و هزينه را به حداقل ممكن مي‌رساند [۴ و۳].