صاعقه گیر و تعریف سیستم حفاظت خارجی

صاعقه گیر چیست ؟

صاعقه (LIGHTNING) فرآیندی طبیعی است که موجب تخلیه جریان الکتریکی بسیار شدید به زمین  می گردد  که موجب تخریب و یا آتش سوزی ساختمان و آسیب تجهیزات حساس می گردد. وظیفه صاعقه گیر جذب این جریان و انتقال آن از طریق هادی نزولی به چاه ارت میباشد. انتخاب نوع صاعقه گیر ,شعاع پوشش صاعقه گیر و اجرای چاه ارت استاندارد و انتخاب هادی نزولی مناسب از اصلی ترین ارکان  در اجرای صاعقه گیر میباشد 

اثرات صاعقه (LIGHTNING) بر ساختمان و سوله های صنعتی و تجهیزات چگونه است؟

• از اثرات مستقیم صاعقه(Lightning) ،تشکیل جریان و ولتاژ بسیار زیاد لحظه ای و ایجاد تخریب یا خسارات بر خود ساختمان از جمله آتش سوزی …… میباشد.
• اثرات غیرمستقیم صاعقه،  (Surge & Overvoltage )تشکیل ولتاژهای گذرا بر خطوط انتقال برق، مخابرات و کامپیوتر و ایجاد خسارات شدید بر  تجهیزات الکتریکی و  نیز الکترونیکی میباشد.

انواع صاعقه گیر:
۱. صاعقه گیر غیرفعال (Passive):
نخستین روش برای جذب صاعقه که به صاعقه گیرهای پسیو مشهور هستنند، توسط  فردی بنام  فرانکلین پیشنهاد شد. این صاعقه گیر، میله ای با نوک تیز است که در بالاترین نقطه ساختمان نصب می گردد. در زمان برخورد صاعقه با جذب ولتاژ ، جریان تولیدی را به چاه ارت منتقل می کند و  عامل  تاثیر گذار اضافی جهت جذب بهتر صاعقه  وجود ندارد.  این نوع از صاعقه گیر با توجه به نحوه ساخت و  کاربریهای مختلف  در  چند نواع مختلف ساخته می شود:

2. صاعقه گیر فعال(Active)
این نوع از صاعقه گیر به واسطه انرژی دریافتی از منابع بیرونی و یا به صورت خودکفا هوای پیرامون خود را یونیزه کرده و باعث جذب صاعقه می گردد.. این مدل از صاعقه گیر به دو بخش کلی تقسیم می گردنند:
• صاعقه گیرهای نیازمند به یک منبع خارجی نظیر برق شهر یا انرژی خورشیدی و …
• صاعقه گیر بی نیاز از یک منبع خارجی 

انواع صاعقه گیرهای فعال :
• صاعقه گیر اتمی
• صاعقه گیربادی (پیزوالکتریک)
• صاعقه گیرخورشیدی
• صاعقه گیرخازنی

صاعقه گیر اتمی
صاعقه گیر اتمی، با تشعشعات اتم سزیمی  که در داخل آن وجود داشت، فعالیت میکرد ولی امروزه، این نوع از صاعقه به توجه به موارد زیر تولید نمی گردند:
•  تشعشعات  یک عنصر اتمی و اثرات زیست محیطی شدید آن
• نیاز مبرم صاعقه گیراتمی به تشعشعات اتم سزیم و ضعف در نیمه عمر کوتاه آن

صاعقه گیر بادی :
صاعقه گیر بادی ازتشکیل  محفظه خالی با مسیر ورود و خروج دوکی شکل و آیرودینامیک بوجود آمده که ورود و خروج هوا از آن طی یک پریود و مسیر خاص صورت می گیرد و باعث ارتعاش یک الکترود عمودی در آن می شود. این الکترود به یک سلول پیزوالکتریک وصل شده و نوسانات الکترود باعث تشکیل الکترسیته ساکن در سلول می شود و این الکتریسیته ذخیره شده، در بین الکترود و دیواره خارجی صاعقه گیر تخلیه شده و باعث یونیزه شدن هوای اطراف میگردد.

صاعقه گیر خورشیدی:
صاعقه گیر خورشیدی از باتری و تعدادی سلول خورشیدی دریافت کننده انرژی تشکیل شده بطوریکه که تابش نور خورشید باعث شارژ باتری ها شده و انرژی ذخیره شده در باتری در زمان مناسب، باعث تخلیه و یونیزه شدن هوا میشود.

صاعقه گیر خازنی :
نحوه عملکرد صاعقه گیر خازنی وجود پتانسیل الکتریکی جوی می باشد. این صاعقه گیرها می توانند توان مصرفی خود را به صورت طبیعی از میدان الکتریکی جوی بگیرند. زمانی که انرژی الکتریکی اتمسفر از حد معینی بیشتر شود، واحد شارژ برای جمع آوری انرژی فعال می شود. این واحد تا اشباع خازن-های یک مدار الکترونیکی به شارژ شدن ادامه می دهد. هرگاه مقدار پتانسیل اتمسفر از حد مشخصی عبور کند، آن گاه دستور تخلیه خازن ها را به الکترود میانی متصل به زمین صادر می کند. همین امر باعث می شود تا هوای اطراف صاعقه گیر دچار یونیزاسیون شود.

صاعقه گیر خازنی
صاعقه گیرهای خازنی
هدف از نصب صاعقه گیر
براساس تحقیقات، در هر ثانیه، به طور متوسط بیش از پنجاه صاعقه به زمین اصابت می کنند و این صاعقه ها خسارات جانی و مالی فراوانی را از خود به جا می گذارند. وقتی صاعقه به یک سازه یا یک ناحیه مشخص اصابت می کند، این برخورد می تواند سبب خسارات قابل توجهی که معمولاً با آتش سوزی همراه است، شود و حفاظت در برابر این خطرات تنها توسط صاعقه گیر امکان پذیر است. به طور کلی، حوادثی که توسط صاعقه به وجود می آید به دو گروه تقسیم می شوند:
• حوادثی که به سبب برخورد مستقیم صاعقه به وجود می آید.
• حوادثی که به سبب اثرات غیر مستقیم صاعقه بوجود می آید.

هدف از نصب صاعقه گیر، حفاظت از سیستم ها و افراد در برابر صاعقه و به وجود آوردن مسیری مطمئن جهت انتقال جریان عظیم صاعقه به زمین است. در سیستم صاعقه گیر، رادهای هوائی وظیفه جذب صاعقه با میله راد صاعقه گیر و هادی های نزولی وظیفه انتقال جریان را به شبکه ارتینگ به عهده دارند. اگر سیستم صاعقه گیر به درستی طراحی و نصب شده باشد، امنیت جانی افراد و ایمنی تجهیزات را تضمین خواهد کرد.

صاعقه گیر و تعریف سیستم حفاظت خارجی

امروزه ارتباطات به يکی از ستون های زندگی تبديل گرديده و بسترهای اطلاع رسانی که دنيا را به دهکده کوچکي تبديل نموده اند سوار بر امواج خروشان ارتباطات می باشند .

در چنين وضعی ، با توجه به اهمیت برقراری ارتباطی پايدار بایستی به فکر بالا بردن ايمنی فيزيکی و الکتريکی سايتهای ارتباطی بود .
در گذشته رعد و برق و عوامل طبيعی خسارتهای جانی و مالی فراوانی به انسان وارد نموده اند . ولی امروزه ، اصابت مستقيم و يا القائات ناشی از اصابت غير مستقيم صاعقه می تواند اثرات مخربی برروی سايتهاو سيستم هاي ارتباطی گذاشته و علاوه بر خسارات فراوان مالی ، پايداری ارتباطات را نيز تهديد نمايد . 

در اين مقاله سعی خواهيم کرد تمامي اثرات صاعقه بر روي سيستم هاي ارتباطي را مورد بررسی قرار داده و راهکارهای عملی و استاندارد برای مقابله با آن ارائه نماييم.
تعريف يك سیستم هم پتانسیل :
وجود اختلاف پتانسیل بالا بین دو هادی الکتریکی نزدیک بهم باعث بوجود آمدن قوس الکتریکی می شود که خطر و خسارت ناشی از آن کمتر از صاعقه نیست ، بهمین دلیل در ایجاد یک سیستم حفاظتی ارت هم پتانسيل سازی از ارکان کار بوده و بدین مفهوم است که در یک مکان حفاظت شده بایستی تمامی هادی های الکتریکی ازقبیل بدنه دستگاهها ، سازه های فلزی ، لوله های آب و …. هم پتانسیل باشند زیرا در غیر این صورت این اختلاف پتانسیل باعث تخلیه شدن رعد وبرق از مسیر های نامناسب خواهد شد که احتمالاخسارت آن کمتر از اصابت مستقيم صاعقه نیست . برای ایجاد سیستم هم پتانسیل بایستی تمامی اجزاء هادی در ساختمان بگونه ای به سیستم زمین مشترك متصل گردند .
برای طراحی سيستم حفاظت از سايتهای ارتباطی در مقابل رعد و برق مولفه های فراوانی وجود دارد که مواردی در ذیل آمده است :
۱– موقعيت جغرافياي سايت ارتباطی (که بوسيله آن احتمال وقوع رعد وبرق در آن ناحيه و ضرورت نصب سيستم ارتينگ محاسبه می گردد)
۲– فاکتور تاثير سطوح خارجی ساختمان :
شکل و ارتفاع يک ساختمان با کاهش يا افزايش احتمال اصابت صاعقه به آن ساختمان مستقيما در ارتباط است .

۳– نوع ساختمان :
آجری يا بتونی بودن ساختمان و اينکه دارای اسکلت فلزی است يا نه ؟
۴– ارزش تجهیزات ارتباطی داخل ساختمان :
بسته به قيمت تجهيزات می توان مقدار هزينه مطلوب برای ايمنی آن را برآورد نمود .
در حالت كلي برای حفاظت از يک سايت ارتباطی در نظر گرفتن دو نوع حفاظت خارجی و حفاظت داخلی الزامی می باشد .
حفاظت خارجی : حفاظت خارجی سايت ارتباطی را در مقابل اصابت مستقيم رعد و برق محافظت می نمايد و از سه قسمت ذیل تشکیل گردیده است .
۱ـ برقگير ۲ـ هادی ميانی ۳ـ سيستم زمين
که هر کدام از موارد فوق دارای انواع محاسبات عديده ای می باشد که به اختصار شرح داده می شود .

برقگير وسيله ای است که در بالاترين نقطه ساختمان نصب گشته و اولين نقطه اصابت رعد و برق می باشد به دليل اينکه رعد و برق ازکوتاه ترين فاصله بین ابر و زمین تخليه می گردد. البته از نوک برقگير نصب شده به زاويه ۴۵ درجه تا سطح افق را مخروط ايمنی می گويند و هر جسمی که در درون مخروط ايمنی قرار گيرد ديگر در معرض اصابت مستقيم صاعقه نخواهد بود و به همين دلیل است که در بعضی موارد برای پوشش کل ساختمان سايت از چندين برقگير بصورت قفس فاراده استفاده می گردد و حتی در استاندارد ١٠٠-17 NFC فرانسه برای حفاظت از کاخانجات پتروشيمی و نفت و . . . پيشنهاد گرديده که در اطراف ساختمان چهار دکل نصب و هر کدام از آنها بوسيله سيم از سر به هم وصل شوند تا بدين صورت مخروط ايمنی با ضريب اطمينان بالا حاصل گردد .در حالت كلي مي توان نصب برقگير ها را با توپولوژي ساده يا مش نصب نمود

برقگير بر دو نوع است : ۱ـ برقگير غیر فعال( پسيو) ۲ـ برقگير فعال( اکتيو)
برقگير غیرفعال شامل يک ميله ی ساده ی نوک تيز است که دقيقا مخروط ايمنی از نوک آن به فاصله ۴۵درجه می باشد و در محاسبات عملی برای بالا رفتن اطمينان اين زاويه را۳۵ يا حتی پايينتر در نظر می گيرند . برقگير فعال با فناوری مختلف (خازنی ، اتمی و . . . ) هوای اطراف خويش را يونيزه می نمايد و بدينوسيله و مطابق با شکل ايمنی بيشتری را ايجاد می نمايد . اين نوع برقگير ها با توجه به توان ايمنی ايجادی به کلاسهای ۱، ۲و۳ تقسيم می گردند .

از نظر قيمت برقگير هاي فعال بسيار گرانقيمتر است ولي اين برقگير ها هميشه بهترين گزينه نمي باشندچون اين برقگير ها در شرايط مساوي محيط اطراف رعدو برق را بسمت خود مي خوانند واگر سيستم هادي مياني مناسب نداشته و بصورت كاملا حساس آنرا تست بازرسي و نگهداري ننماييم به استقبال خطر رفته ايم .
هادی ميانی :
ارتباط بين برقگير و سيستم زمين توسط هادی ميانی انجام می گيرد . با توجه به استاندارد NFC اگر ارتفاع ساختمان از ۲۸ متر بالاتر باشد يا اينکه طول ساختمان از۲برابر ارتفاع بزرگتر باشد بايستی برای اتصال برقگير به سيستم زمين از هادی میانی استفاده نمود . در مورد قطر هادی نيز استاندارد مصارف خانگی برای هادی ميانی سيم ۵۰ مسی و برای مصارف صنعتی سيم های۷۵ ،۹۰ ،۱۲۰ و . . . بسته به مولفه محتويات ساختمان می توان استفاده نمود .
يک نکته ضروری در مورد هادی ميانی تخليه جانبی است اگر هنگام نصب اتصالات هادی ميانی به اندازه کافی دقت نگردد ، امکان ايجاد اتصال کوتاه و تخليه انرژی از مسيرهای نامناسب وجود دارد که خطر اين مسئله می تواند بيشتر از خطر اصابت صاعقه باشد .

باتوجه به استاندارد فرانسه و با دقت در شکل بالا شرايط خمش های استاندارد هادی ميانی ارائه گرديده است که بايستی در طول مسير رعايت گردد .
سيستم زمين :
يکی از مهمترين قسمت های سيستم ارتينگ سيستم زمين آن می باشد بطوريکه بعضی سيستم ارت را در اين قسمت خلاصه می کنند .
با اصابت رعد وبرق به برقگير انرژي آن به برقگير منتقل مي گردد و سيستم هادي مياني وظيفه دارد بدون تخليه از مسير هاي نادرست از يك مسير مناسب كه در طراحي مد نظر بوده آنرا به سيستم زمين منتقل گرداند و كار سيستم ارت به تزريق انرژي رعدوبرق به زمين منتهي مي شود .
با توجه به توضيح بالا معلوم مي گردد كه قسمت زمين سيستم ارت بايستي بنحوي تخليه انرژي به زمين را در اسرع وقت انجام نمايد و مي دانيد زمين مبداء توان است و داراي مقاومت صفر، ولي به علت وجود لايه هاي پوسته زمين ، در سطح زمين مقاومت آن دقيقا صفر نيست و ما با ايجاد سيستم زمين مقاومت زمين را به صفر نزديك مي نماييم تا قابليت جذب انرژي رعد وبرق را داشته باشد.

پس مهمترين مولفه يك سيستم زمين مقدار مقاومت آن است كه هرجه پايينتر باشد بهتر است .
براي سيستم هاي قدرت ، مقاومت ارت زير2 اهم قابل قبول مي باشد ولي براي سيستم هاي حساس از قبيل سيستم هاي مخابراتي معمولا مقاومت زير 1 اهم مد نظر است كه در موارد خاص با توجه به پيشنهاد سازنده دستگاه اين مقدار تغيير مي يابد .
سيستم زمين به انواع مختلفی از قبيل سيستم چاه ، سيستم حلقه و سيستم ميله ای ارت تقسيم بندی می شود و با توجه به نوع خاکی که می خواهيم سيستم زمين ايجاد نمائيم انتخاب می گردد .
مثلا در جاده های سنگلاخی ، ميله های ارت که بصورت شبکه ای در زمين فرو می روند برای ايجاد و گسترش سيستم زمين بهترين گزينه است . براي حفاظت از دكل هاي مخابراتي نيز معمولا با توجه به پيشنهاد سازنده از سيستم ميله هاي ارت استفاده مي گردد ، بدين صورت كه دو عدد از ميله هاي برقيگر را در زمين كوبيده و اتصالات بين آنها و پايه دكل ايجاد مي گردد .

سيستم رينگ بدين صورت است كه بايستي دور ساختمان كانالي باريك به عمق٨۰ ـ۶۰ سانتيمتر حفر و سپس تسمه مسي را در داخل آن خواباند ( حداقل فاصله ۵ متر از ساختمان ) و اطراف آنرا با مواد پايين آورنده مقاومت از قبيل مخلوط زغال و نمك يا پودر بنتونيت يا مواد كاهنده اهم (LOM) پوشاند (از بالا و پايين به مقدار ۱۰سانتي متر ) و پس از پر كردن حلقه آنرا از مسير مناسب به هادي مياني متصل نمود . البته بايستي قبل از پوشاندن نسبت به اتصال سازه هاي فلزي ساختمان به تسمه اقدام نمود .
براي ايجاد چاه ارت ابتدا يك چاه به قطر ۸۰ سانتي متر حفر نماييم كه عمق چاه بايستي به حدي باشد كه به رطوبت طبيعي زمين رسيده باشيم .
چاه ارت شامل يك صفحه مسي با ابعاد فيزيكي 0.3*66*66 سانتیمتر مي باشد(اندازه اين صفحه قابل محاسبه است ولي اندازه داده شده معمولا در عمل مورد استفاده قرارا مي گيرد) كه بايستي در ته چاه قرار گيرد و بوسيله يك سيم هادي (معمولا از جنس و انداز هادي مياني )با اتصالات مخصوص به هادي مياني متصل گردد .
براي اتصال صفحه مسي به هادي از جوش مسی يا جوش يوني استفاده مي گردد و معمولا بصورت عمودي صفحه مسي داخل چاه قرار داده شده و اطراف آن با مواد كاهنده اهم مانند مخلوط زغال و نمك يا مواد شيميايي مانند بنتونيت و…. پر مي گردد معمولا حدود ۱۰سانتي متر از زير صفحه مسی تا ۲۰سانتي متر بالاي صفحه مسی بايستي با اين مواد پر شوند وبقيه چاه با خاك رس يا درصورت خوب بودن خاك منطقه (سنگلاخي نبودن و شن ريزه كمتر داشتن ) با خاك استخراج شده پر مي گردد .

در قسمت بالاي چاه حوضچه تست ايجاد مي گردد و معمولا كلمپ هاي تست و لوله آبياري در اين قسمت قرار مي گيرند و همچنين بابست هاي مخصوصي هادي مياني به هادي چاه متصل مي گردد .
براي اندازه گيري اهم چاه از دستگاه مخصوصي بنام ارت تستر استفاده مي گردد و طريقه استفاده از آن بحث مفصلي را مي طلبد كه در حوصله اين مقاله نيست .
لازم بذكر است در بعضي مواقع براي رسيدن به اهم پايين مي توان دو ، يا سه و يا تعداد بيشتري سيستم چاه ايجاد نمود و آنها را ازقسمت بالای چاه بهم متصل نمود .