تحقیق مقاله صاعقه گیر ها

آشنایی باصاعقه گیرها

جهان ما پر از شگفتی هاست برخی از این گونه علاوه بر شگفتی هایشان بالقوه حادثه آفرین و مصیبت بارند که برای سلامت محیط زیست و انسانها بسیار خطرناک می باشند (آذرخش، زلزله، سیل) آدمیان برای مبارزه با این گونه موارد و مصون ماندن از آن برای ادامه حیات طی سالیان دراز گذشته راههای متفاوتی را پیموده اند وعلم مبارزه و رویارویی با آن را آموخته اند و تجربه کرده اند و یاد گرفته اند که چگونه با آن روبه رو شوند و برآن غلبه کنند تا زنده باشند و زندگی کنند.

آذرخش و ماهیت آن

مورد ویژه ای که ما خواهان شناسایی و بررسی علل به وجود آمدن آن هستیم آذرخش (صاعقه) می باشد که این پدیده جالب الکتریکی نیز به نوبه خود در صورت نداشتن شناخت کافی از روشهای حفاظتی آن باعث خسارات های جانبی و مالی زیاد و جبران ناپذیر خواهد شد.

در مواقعی از سال تغییر و تحولات جوی باعث به وجود آمدن توده ابرهای باردار و بزرگی که به ابرهای سندانی شکل از نوع  (cumulonimbus)  معروف هستند تشکیل می شوند که در بعضی مواقع پهنای آن به 20 کیلومتر و با گستردگی چندین ده کیلومتر می رسد، بر اثر جابجایی درونی در بالای این توده بزرگ ابر کریستال های یخ با بهارهای مثبت و در پایین آن ذرات آب با بار منفی تشکیل می شوند.

این ابرهای باردار در حرکت خود یا به ابرهای دیگری برخورد کرده و بارهای الکترواستاتیکی خود را تخلیه می کنند که باعث به وجود آمدن تندر (رعد وبرق، آسمان غرنبه) می شوند.

این ابرها در حین گذار خود برای تخلیه بار خود با ولتاژهای بالای (حدود 20 کیلووات/ مترمربع) تخلیه ای بین نقاط مرتفع زمین (کوه ها- ساختمان های بلند- سازه های فلزی مرتفع- دکل های مخابراتی و تلویزیونی- مخزنهای بزرگ سوختی و شیمیایی- انبارهای مواد منفجره و آتش زا) انجام می دهند که این عمل تخلیه الکتریکی آذرخش نام دارد و این پدیده شگفت طبیعی است که اثرات زیان بار و مخربی را در صورت تجهیز نبودن این گونه تاسیسات به سیستمهای حفاظتی در برداشته، همچنین اثرات بعدی آن باعث خسارات فراوان دیگری خواهند شد.

روش های رویارویی با آذرخش و پیدایش صاعقه گیر

انسانهای نخستین در هنگام وقوع حادثه به ناچار راه گریز در پیش گرفته، دورانی بعد برای رهایی از این مصائب به نیایش و نذورات متوسل می شدند، اما وقتی انسانها دریافتند که با تکیه برخرد و تجربه خویش می توانند بر مشکلات پیروز شوند، توانایی یافتند برآن غلبه نمایند و در بسیاری از موارد آنان را به خدمت گیرند.

در همین راستا برای مقابله با آذرخش میله های ساده برق گیر کشف و ابداع گردیده اند که قدیمی ترین نوع آن     میله های ساده ایست که راس گنبدها و منارها در ایران خودمان مورد استفاده برای ایمنی ساختمان قرار گرفته اند (میدان نقش جهان- اصفهان)- در قرون 17 و 18 برای یافتن راه های جلوگیری از صدمات و خسارات صاعقه   کوشش های زیادی به عمل آمده است که در آن رابطه کوشش های چشمگیر بنجامین فرانکلین و دالی بارد است که موجب کشف و ابداع صاعقه گیرهای جدید گردید.

انواع صاعقه گیرهایی که مورد استفاده قرار گرفته اند عبارتند از :

1-        صاعقه گیرهای ابتدایی قرون گذشته

2-        صاعقه گیرهای فرانکلینی

3-        صاعقه گیرهای اتمی

4-        صافه گیرهای بادی (پیزو الکتریک)

5-        صاعقه گیرهای الکتروخازنی

ESE (Early Screamer Emission)

شیوه عملکرد صاعقه گیرهای جدید براساس نیروی الکتریسیته بوجود آمده در شرایط جوی بویژه قبل از اصابت مستقیم صاعقه می باشد که نسل نوین و تکامل یافته ترین آنهاست.

در میان صاعقه گیرهای ساخته شده کنونی که برای حفاظت جلد خارجی ساختمانها به کار می روند این صاعقه گیری بهتر است که

1-        شعاع پوشش حفاظتی بیشتر نسبت به نوع مشابه خود به خاطر کیفیت و تکنولوژی پیشرفته تر و برتر خود داشته.

2-        شرایط راحت تری برای نصب داشته.

3-        و توانسته باشد از استانداردهای لازم عملی بهره گیری کرده و دارای استانداردهای جهانی خاص خود باشد.

اجزای تشکیل دهنده سیستم حفاظتی در برابر آذرخش

1- صاعقه گیر 2- هادی میانی  3- سیستم ارت

1- صاعقه گیر : که شامل میله یکپارچه (فولادی ضدزنگ) با نوک تیز بوده و در قسمت میانی این خازن ها وجود دارند که در موقعیت شرایط جوی بوجود آمده باعث پاسخگویی سریع تر به صاعقه می شوند و در محفظه ای دایره شکل ضدآب قرار دارند.

2- هادی میانی : جریان حاصل از صاعقه را به سیستم ارت می رساند و طبق استاندارد NFC 17-102 تسمه ای مسی به اندازه های 20*3 میلی متر می باشد.

3- سیستم ارتینگ یا چاه ارت : که مقاومت آن باید کمتر از ده اهم باشد.

مزایا و مشخصات فنی عقه گیر الکترونیکی خازنی اینجسکو فرانسه  (INGESCO)

1-        دارا بودن بالاترین شعاع ضریب پوشش (150 متر) نسبت به کلیه صاعقه گیرهای الکترونیک خازنی دیگر

2-        صاعقه گیر الکترونیک خازنی INGESCO

3-         تنها صاعقه گیری است که مطابق با دو استاندارد جهانی

NFC 17-102  ‌و  UNF 21186

تست و گواهی لازم را اخذ نموده است.

4-        تست صاعقه گیرهای الکترونیک خازنی  INGESCO

توسط معتبرترین لابراتورها و کمپانیهای اروپا مانند :

TYCO (سازمان حفاظت از حریق اروپا)

EDF  (سازمان استاندارد فرانسه)

TELECOME (بزرگترین تولیدکننده تجهیزات مخابراتی اروپا)

L.C.O.E  (بزرگترین تولیدکننده تجهیزات مخابراتی اروپا) انجام گرفته است.

4- دارا بودن جداره خارجی تمام استیل که باعث مقاومت دستگاه در برابر عوامل فرسایش مانند : باد و آفتاب و...) می شود.

5- دارای نوک فولادی ضدزنگ

6- دو سال گارانتی دستگاه

4- 15 سال خدمات پس از فروش

نگهداری در برابر اثرات مخرب آذرخش و پی آمدهای آن  Lightning ProtectiSystem  - LPS

1- نگهداری بیرونی                                                        2- نگهداری درونی

نگهداری بیرونی : منظور از نگهداری بیرونی، حفظ ساختمانها و دکل ها و انسانها و حیوانات و اشیای آنها در مقابل ضربه مستقیم صاعقه که باعث آتش سوزی و تخریب می گردند که برای محافظت آنان از صاعقه گیر استفاده می شود.

نگهداری درونی : چون اکثر تاسیسات امروزی دارای سیستم های برق و الکترونیک در داخل ساختمان می باشد برای محافظت آن ها از اثرات ثانویه صاعقه این نوع تجهیزات بایستی به وسیله لوازم و ابزارهای حفاظتی مخصوص به نامه اریسترها

(arresters)

هستند محافظت می شوند.

اثرات ثانویه بطور خلاصه عبارتند از :

1- اضافه ولتاژهای حاصل از صاعقه  Lightning Electromagnetic Pulse - LEP

2- اضافه ولتاژ حاصل از تخلیه الکترواستاتیکی  Electrostatic Static Discharge

3- اضافه ولتاژ های حاصل از فصع و وصل (Switching) مدار های جریان و حوادث و خطوط تغذیه Suitching Electro magnetic Pulse

صاعقه گیر چگونه عمل می کند؟

درست قبل از حدوث صاعقه بطور طبیعی محتوی الکتریکی اتمسفر بطور ناگهانی افزایش می یابد. این تغییر وضعیت توسط واحد جرقه زن حس و کنترل می شود صاعقه گیرهای الکترونیکی RPEVECTRON 2 انرژی موجود در هوای متلاطم پیش از طوفان را (که حدود چندین هزار ولت بر هر متر است) جذب و در واحدهای جرقه زن ذخیره می نماید و در نهایت واحد جرقه زن با تخلیه بار الکتریکی خازنها بین الکترودهای فوقانی و الکترود مرکزی اش هوای اطراف را یونیزه می نماید.

اصول عملکرد

عملیات یونیزاسیون در نوک صاعقه گیر به شرح زیر تفسیر می شود:

الف- آزاد سازی کنترل شده یونها

واحد جرقه زن (TRIGGERING) صاعقه گیرهای RPEVECTRON شرایطی را ایجاد می کند تا چشمه جوشانی از یون (کرونا) در اطراف میله نوک تیز فراهم شود. دقت عمل این واحد باید به گونه ای کنترل شده باش که آزاد سازی یونها را درست چند میکرو ثانیه قبل از حدوث و تخلیه صاعقه صورت دهد.

ب- اثر کرونا و واحد جرقه زن

حضور حجم وسیع بازهای الکتریکی در اطراف میله نوک تیز صاعقه گیر پس از یونیزاسیون توسط واحد جرقه زن سبب می شود تا پدیده طبیعی تجمع بازهای الکترونیکی اطراف میله (Corona effect) تقویت و تشدید شود.

ج- تسریع در بروز علمدار حمله زمینی

صاعقه گیرهای RPEVECTRON طوری طراحی شده اند که ارسال علمدار حمله زمینی را خیلی زودتر از نقاط هم ارتفاع مشابه همان محدوده به انجام برسانند و این به معنی تشکیل نقطه ترجیهی دریافت صاعقه در منطقه تحت حفاظت با RPEVECTRON نسبت به سایر نقاط می باشد.

یک میله ساده صاعقه گیر را با یک صاعقه گیر الکترونیکی (RPEVECTRON) در شرایط مساوی (نصب) در آزمایشگاه مورد بررسی قرار می دهیم. بدینصورت که از این منبع صاعقه مصنوعی (خازنهای باردار شده) متساوی الفاصله هر دو را مورد حمله قرار می دهیم. مشاهده می شود که صاعقه گیر الکترونیکی چندین میکروثانیه زودتر از میله ساده به واقعه عکس العمل نشان می دهد این اختلاف زمان را با (T) بنام زمان جرقه زنی (TRIGGERING TIME) نامگذاری کرده اند.

در نهایت (T) به عنوان ابزار اندازه گیری کیفیت عملکرد صاعقه گیر الکترونیکی و میله های ساده انتخاب شد و طبق استاندارد NF C 17-102 مبنای مقایسه انواع صاعقه گیرها و اساس محاسبه شعاع حفاظت آنها قرار گرفته است

محدوده حفاظت

هدف از نصب ساعقه گیر روی بام ساختمان ایجاد یک حوزه حفاظتی برای ساختمان است و حداکثر فاصله از محل نصب صاعقه گیر که تحت حفاظت قرار می گیرد (در ارتفاع محل نصب پایه صاعقه گیر) شعاع حفاظتی نامیده می شود.

شعاع حفاظتی صاعقه گیر الکترونیکی PREVECTRON 2 با استفاده از جدیدترین استاندارد NF C 17-102 (جولای ١٩٩٥) و فرمولهای این استاندارد به شرح زیر محاسبه شده اند.

محاسبات ارائه شده در جداول مقابل براساس چند پارامتر زیر بدست آمده است:

١- تفاوت زمان تخلیه صاعقه توسط صاعقه گیرهای الکترونیکی و صاعقه گیرهای ساده (t) که توسط C.N.R.S تائید شده و نوع صاعقه گیر مورد نظر بدست می آید. سپس با استفاده از فرمول

فاصله ای که نقطه دریافت صاعقه از نوک صاعقه گیر دور می شود محاسبه خواهد شد.

٢- براساس مشخصه های ساختمان یا پروژه، ضمیمه B استاندارد NF C 17-102 و نرم افزار INDELEC ( که طبق استاندارد فوق تدوین شده) کلاس حفاظتی مورد نظر را انتخاب می نمائیم. سپس با عنایت به کلاس حفاظت قطر کره فرضی را (D) از جدول استخراج می نمائیم.

ارتفاع واقعی نصب صاعقه گیر از روی سطح مورد نظر را برای تعیین شعاع حفاظتی بدست می آوریم.

وقتی h بزرگتر از ٥ متر باشد.

 
وقتی h کوچکتر از ٥ متر باشد. شعاع حفاظتی از جداول همین صفحه استخراج می شود.

h = ارتفاع واقعی نصب صاعقه گیر نسبت به سطح مورد نظر جهت محاسبه شعاع حفاظت فاصله ای که صاعقه گیر نقطه دریافت صاعقه را طبق تئوری گوی غلطان از ساختمان دور می کند.

انواع صاعقه گیرها به شرح زیر میباشند:

١ ● میله های ساده فرانکلینی وقفس فارادی و صاعقه گیرهای یونیزه کننده هوا

اولین واحد جذب که توسط فرانکلین بیشنهاد گردید، میله های ساده بودند که ضربه مستقیم صاعقه به اندازه طول میله ها، دور از ساختمان اتفاق می افتاد و شعاع حفاظتی این صاعقه گیرهای ساده در کلاسهای حفاظتی براساس تئوری زاویه محاسبه می گردید.

H . tgα =Rp  

H = طول میله ساده 

α = زاویه شعاع حفاظتی 

Rp = شعاع حفاظتی میله ساده

زمانیکهα = 30 0 باشد میزان شعاع حفاظتی Rp برابر 0.7H می باشد، در این حالت کلاس حفاظتی در سطح (High Protection)(I) میباشد.

زمانیکه α = 45 0 نیز، Rp=H خواهد بود و کلاس حفاظت در سطح (Medium Protection (II میباشد.

زمانیکه α = 60 0 باشد میزان شعاع حفاظتی Rp برابر 1.73 H می باشد، در این حالت کلاس حفاظتی در سطح (Standard Protection) (III) می باشد.

همانطوریکه ملاحظه میشود، کلاس حفاظت با شعاع حفاظتی، رابطه معکوس دارد و بالطبع برای تدارک کلاس حفاظت بالاتر باید هزینه بیشتری پرداخت کرد.لازم به ذکر است که تعیین کلاس حفاظت، با توجه به موقعیت محل سایت،‌نوع کاربری آن، ابعاد ساختمان و . . . انجام خواهد شد.

 ٢ ● طراحی سیستم صاعقه گیر به روش قفس فارادی
با گسترش ابعاد ساختمانها و با توجه به محدودیت های میله ساده ، قفس فارادی (Faraday Cage) جایگزین میله های ساده فرانکلینی شد، امروزه نیز اکثر استانداردهای جهانی استفاده از قفس فارادی را بهترین روش میدانند. در این روش سعی می شود ساختمان را در قفسی از هادیهای مسی یا فولادی محصور نمود.

دستورالعملهای کلی روش قفس فارادی بشرح زیر است:

ایجاد یک رینگ از تسمه های مسی یا فولادی درپشت بام ساختمانها یا بر روی جان پناه آن

ایجاد مشی از تسمه ها یا سیمهای مسی یا فولادی در کف بام ساختمانها به گونه ای که در بالای بام ابعاد شطرنجی هادی 5x5 m (سطح I حفاظت ) ، 10x10 m (سطح II حفاظت) یا 20x20 m (سطح III حفاظت) ایجاد گردد.

اجرای هادیهای میانی نزولی در جهات مختلف ساختمان به نوعی که هر هادی از هادی دیگر بین 20 الی 30 متر فاصله داشته باشد.

محاسبه فواصل Bonding و اتصال عناصرفلزی روی بام و بدنه به هادی های صاعقه گیر

همانطورکه ملاحظه می فرمائید در مسیر اجرای روش قفس فارادی از ابزار های مختلفی مثل هادیهای مسی، انواع بستهای نگهدارنده، انواع کلمپهای چند راهی، میله های برقگیر ساده و پایه های نگهدارنده و . . . استفاده می شود.

٣ ● تئوری گوی غلطان و صاعقه گیرهای یونیزه کننده:

طراحی و نصب این صاعقه گیر های براساس استاندارد NFC 17-102 انجام می گیرد ریشه این استاندارد نیز همان تئوری گوی غلطان است که در تمامی استاندارد ها از آن استفاده شده است. NFC 17-102 با وارد کردن پارامتر ΔL‌در فرمول محاسبات، شعاع پوشش افزایش یافته صاعقه گیر را محاسبه می کند.