آموزش روش محاسبه صاعقه گیر الکترونیکی و دانلود جزوه آموزش نرم اف
موارد کاربرد سیستم برقگیر الکترونیکی (ESE):
این سیستم بر اساس استاندارد NFC 17-102 برای محافظت ساختمان های عادی با ارتفاع کمتر از 60 متر و فضاهای باز در موارد زیرممکن است مورد استفاده قرارگیرد :
مجموعه های مسکونی ، ساختمان های مختلف مجموعه فرهنگی و آموزشی و مانند آن ، کارخانه های مختلف و پالایشگاه ها وفضاهای باز شامل انبارها و محوطه های تفریحی و رفاهی و ...
محدوده حفاظتی هر برقگیر الکترونیک:
این محدوده از گردش شعاع های حفاظتی( (R pn حاصل از ارتفاع های مختلف (hh)حول محور آن به وجود می آید
شعاع حفاظتی هر برقگیر الکترونیک:
شعاع حفاظت هر برقگیر الکترونیک (Rp) بستگی به ارتفاع نوک آن نسبت به سطح مورد حفاظت (h) پیشروی زمان تخلیـه (ΔT) انتخـاب کلاس حفاظت ( که براسـاس استانداردNFC 17-102 قابل ارزیابی است) مورد نیاز دارد که به شرح ذیل محاسبه و تعیین می شود :
Rp : شعاع حفاظت برقگیر
h : ارتفاع نوک میله برقگیر از سطح مورد حفاظت
D : قطر کره فرضی با توجه به کلاس حفاظت یا فاصله برخورد صاعقه
ΔL : فاصله ای که برقگیر نقطه دریافت صاعقه را برابر نظریه گوی فرضی(Fictitious sphere )از نوک پایانه هوایی دور می کند.
کلاس حفاظت(D ) : کلاس حفاظت ، که طبقه بندی سیستم حفاظتی برقگیر الکترونیک در برابر صاعقه است و سطح کارایی آن را بیان می کند ( که شعاع کره یونیزه شده علمدار حمله از طرف ابر می باشد ) در این استاندارد به سه طبقه به شرح زیر تقسیم شده است :
کلاس1 : 20 متر = D ، حداکثر حفاظت
کلاس2 : 45 متر = D ، حفاظت متوسط
کلاس3 : 60 متر = D ، حفاظت استاندارد
تعریف فاصله ΔL : طول مسافتی که علمدار حمله زمینی در زمان ΔT ، طی میکند ، ΔL نامیده می شود.
این فاصله براساس فرمول :
L(m) = V(m/µs). ΔT(µs)Δ محاسبه می شود .
ΔT زمانی است که برقگیر الکترونیکی زودتر از یک میله ساده ( در ارتفاع مساوی ) صاعقه را دریافت می کند و بر اساس یک سری از آزمایشات در آزمایشگاه ها تعیین میگردد ( به این زمان، زمان پیشروی تخلیه نیز گفته میشود) . V سرعت یونیزاسیون کانال صاعقه می باشد که معادل m/µs1 در نظر گرفته می شود .
صاعقه گیرهای یونیزه کننده هوا
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.
صاعقه گیر پس از نصب روی ساختمان، می بایست بوسیله هادیهای میانی Down Conductor از طریق سیم مسی بدون روکش به سیستم زمین متصل گردد.
مقاومت الکترود زمین صاعقه گیر می بایست زیر 10 اهم باشد و پس از اجرا به شبکه هم بتانسیل کل سایت متصل شود.
در اجرای الکترود زمین هر صاعقه گیر می بایست از اقلامی چون صفحه های مسی، مواد کاهنده مقاومت (LOM) ، اتصالات جوش انفجاری استفاده نمود.
((Rp = √( h(2D-h) + ΔL (2D+ ΔL برای H≥5 meter
H = ارتفاع واقعی نصب صاعقه گیر نسبت به سطح مورد نظر
Rp = شعاع حفاظتی
ΔL = فاصله ای که یون ها در جهت صاعقه می پیمایند (پارامتر متغیر بر حسب نوع و مشخصات صاعقه گیر)
D = درجه پیشرفت صاعقه یا مدت جهش صاعقه در طول مسیر ، که بر اساس درجه حفاظتی تعیین می شود :
Protection Level I : D = 20m
Protection Level II : D = 30m
Protection Level III : D = 45m
Protection Level IV : D = 60m
برای ارتفاع کمتر از 5 متر ، شعاع حفاظتی از جداول مربوط به هر صاعقه گیر محاسبه می شود.
صاعقه گیر قفس فارادی
ارزیابی میزان خطر صاعقه :
ارزیابی میزان خطرصاعقه برای هربنا یا سازه به عوامل مختلفی بستگی دارد که عبارتند از:
- نوع بنا یا سازه(برج ،مسکونی ،تجمعی ، صنعتی و مانند آن).
- ساختار و مصالح به کار رفته در بنا ( چوب ، آجر، بتن فولاد و مانند آن)وبه اختصار یعنی آنکه نوع ساختمان آجری است یا بتنی ؟ دارای اسکلت فلزی یا بتنی مسلح است ؟ آیا سقف فلزی دارد ؟ و...
- ارتفاع ساختمان و موقعیت نسبی آن نسبت به بلندی سایر بنا ها .
- موقعیت توپوگرافی محل (زمین مسطح ، تپه ماهور کوهستانی ).
- محتوای تصرف از نظر آتش گیری و نیزدفعات رعدو برق درمنطقه مورد نظر.
- محتویات ساختمان چیست ؟( اشیاء با ارزش یک موزه ، مرکز تلفن یا اثاثیه یک خانه کهنه معمولی یا اشیاء اسقاط) و...
انواع صاعقه گیر ها ( برقگیرها )
بطور کلی برقگیر هایی که معمولاً برای محافظت خارجی ساختمانها و دیگر تأسیسات یاد شده ممکن است بکار برده شود عبارتند از:
1- برقگیر قفس فاراده یا شکلی از آن.
2- برقگیر مولد برق اولیه : (ESE : Early Streamer Emission) موسوم به صاعقه گیر الکترونیکی.
3-صاعقه گیر های اتمی که از سال 1375 در ایران استفاده از آن ممنوع گردیده است.
صاعقه گیر قفس فارادی یا شکلی از آن
این گونه برقگیر ها که ممکن است متشکل از تعدادی میله برقگیر فرانکلین یا ترکیبی از میله ها ، سیم های کشیده شده و شبکه هادی ها باشند برای محافظت ساختمان ها و دیگر تأسیسات (از جمله مناره ها و برج ها ،بناهای گنبدی شکل دودکش های بلند کارخانه ها، دکل های خطوط انتقال نیروی برق و...) در برابر صاعقه مناسب و قابل استفاده می باشند.
اصول محافظت ساختمان ها ودیگرتأسیسات
این اصول در برابرصاعقه براساس جذب، هدایت و دفع بارالکتریکی به زمین از طریق مسیرعبورجریان برق جداگانه باحداقل مقاومت و بدون اینکه خطری ایجاد کند استوار می باشد، که ممکن است شامل سیستم های حفاظت بیرونی و درونی باشد. مسیرمذکورشامل پایانه های هوایی(Air Terminals) شبکه هادی ها از تسمه و یا سیم مسی رابط و پایانه های زمینی(Ground Terminal) یاچاه های اتصال زمین می باشد.
ساده ترین نوع برقگیر که در سال 1753 میلادی به وسیله بنجامین فرانکلین طراحی و ساخته شده ، میله فرانکلین است .
مشخصات پایانه های هوایی قفس فاراده ( میله های برقگیر)
1-میله برقگیر یک پارچه و سر میله تک شاخه و یا چند شاخه باید از جنس مس خالص ( با ضریب رسانایی حدود 95% )ساخته شده و نوک شاخه ها به شکل مخروطی تیز بوده و صیقلی شده باشد . برای نصب سر میله ( تک شاخه و یا چند شاخه ) بر روی میله برقگیر باید قسمت داخلی انتهای آن دارای دنده متناسب با دنده میله برقگیر باشد.
2- میله برقگیر دو پارچه باید از میله یا لوله مسی صیقل داده شده ساخته شود و دو سر آن ( یک سر برای سوار کردن سر میله و سر دیگر برای نصب روی پایه ) به طول مناسب دنده شده باشد .
قطر میله برقگیر دو پارچه باید حداقل 63/0 اینچ و حداکثر یک اینچ بوده و طول آن نیز حداقل یک متر و حداکثر دو متر باشد. در مواقعی که ارتفاع میله برقگیر از یک متر متجاوز باشد باید از نقطه ای که از نصف ارتفاع آن کمتر نباشد حفاظت لازم از نظر ایستایی میله در نظر گرفته شود.
طول میله برقگیر فرانکلین
این طول برای ابنیه مختلف به شرح ذیل خواهد بود :
- مناره ها و برج ها و دود کشهای کارخانه ها و دکل های خطوط انتقال نیرو ، حدود 30 سانتیمتر بالاتراز سطح حفاظت.
- بنا های گنبدی شکل بستگی به شعاع مقطع قسمت پایین گنبد داشته و طول میله برقگیر باید طوری محاسبه و انتخاب شود که بعد از نصب برروی گنبد ، ارتفاع ازسر برقگیر تا مقطع قسمت پایین گنبد بزرگتر از شعاع قسمت پایین گنبد باشد.ولی در هر صورت نباید ارتفاع برقگیر از بالاترین بخش گنبد کمتر از 30 سانتیمتر باشد.
- برج سیلو های مختلف ، ساختمان کارخانه ها و ابنیه گوناگون ، حداقل یک متر و حداکثر دو متر بالاتر از سطح حفاظت . دراینگونه موارد باید تمهیدات لازم در برابر واژگونی میله هاپیش بینی شود.
- دکل های فلزی مخصوص نصب پرچم ، میله برقگیر مخصوص تیرهای نصب پرچم مشابه سر میله تک شاخه بوده ، ولی باید دارای پایه مناسب برای نصب روی تیر و همچنین حفاظ باشد
تعداد پایانه ها ی هوایی مورد نیاز برای محافظت ساختمان ها
این تعداد ، بستگی به سطح پشت بام ساختمان مربوط ارتفاع و فواصل نصب پایانه ها دارد که برحسب استاندارد مورد مراجعه مختلف است . فواصل نصب پایانه های مزبور بر اساس استاندارد NFPA 78 به قرار زیر است :
فواصل پیرامونی سقف های مسطح یا با شیب ملایم و سقف ها ی شیب دار : در مواردی که ارتفاع نوک پایانه هوایی از سطح مورد حفاظت از 10 اینچ (254 میلیمتر) کمتر نباشد، فواصل نصب بر روی نقاط پیرامونی سقف های مسطح یا با شیب ملایم و نیز فواصل نصب بر روی خط الرأس سقف های شیب دار ، باید حد اکثر 20 فوت ( 6 متر ) در نظر گرفته شود و در صورتی که ارتفاع مزبور حداقل 24 اینچ ( 60 سانتیمتر) یا بیشتر باشد فواصل نصب باید حداکثر 25 فوت ( 6/7 متر) انتخاب شود . در این گونه موارد فواصل نصب پایانه های هوایی از کناره ها و گوشه های سطوح نامبرده باید حداکثر 60 سانتیمتر باشد .
حداقل ابعاد تسمه مسی شبکه
حداقل ابعاد تسمه مسی شبکه مشبک اتصال پایانه های هوایی در پشت بام برای سطح تا 1800 متر مربع باید 3*20 میلیمتر و بیشتر از 1800 متر مربع 3*25 میلیمتر یا بیشتر باشد .
حداقل ابعاد تسمه مسی هادی های ارتباطی
حداقل ابعاد تسمه های مسی هادی های ارتباطی ( هادی های نزولی ) بین شبکه مشبک پشت بام و پایانه های زمینی برای سطح تا 90 متر مربع وارتفاع حداکثر 18 متر باید3*20 میلیمتر(یا سیم مسی لخت با حداقل سطح مقطع 70 میلیمتر مربع) و بیشتر از 90 متر 3*25 میلیمتر(یا سیم مسی لخت با حداقل سطح مقطع 90 میلیمتر مربع) یا بالاتر باشد .
روش های تعیین تعداد هادی های نزولی
برای تعیین تعداد هادی های ارتباطی ( هادی های نزولی ) بین شبکه مشبک پشت بام و پایا نه های زمینی باید یکی از دو روش زیر ملاک محاسبه قرار گیرد :
1-احتساب پیرامون : بطور کلی برای هر 30 متر محیط ( پیرامون) تحت محافظت برقگیر باید یک نزولی در نظر گرفته شود ، لیکن حداقل تعداد نزولی ها برای هر نوع ساختمان دو عدد خواهد بود
2-احتساب مساحت : برای سطوح تحت محافظت برقگیر تا 360 متر مربع مساحت دو نزولی و برای هر 270 مترمربع مازاد یک نزولی اضافی باید در نظر گرفته شود .
بطور مثال: تا 360 متر مربع دو نزولی ، 630 متر مربع سه نزولی، 900 متر مربع چهار نزولی ، 1170 الی 1200 متر مربع پنج نزولی ، و به همین ترتیب ادامه می یابد .
لازم به ذکر است که در هر صورت مقاومت سیستم پایانه های زمینی نباید از 5 اهم تجاوز کند .
صاعقه گیر چگونه عمل میکند؟ و انواع آن کدامند؟
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 PREVECTRON 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.
عملیات یونیزاسیون در نوک صاعقه گیر به شرح زیر تفسیر می شود:
الف- آزاد سازی کنترل شده یونها
واحد جرقه زن (TRIGGERING) صاعقه گیرهای PREVECTRON 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 PREVECTRON 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 PREVECTRON نسبت به سایر نقاط می باشد.
زمان جرقه زنی:
یک میله ساده صاعقه گیر را با یک صاعقه گیر الکترونیکی (PREVECTRON) 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
هدف از نصب صاعقه 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.
انواع صاعقه گیرها :
1- میله های ساده فرانکلینی :
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.
2- 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 5*5 m (سطح I حفاظت ) ، 10*10 m (سطح II حفاظت) یا 20*20 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
ضمنا" 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.
3- صاعقه گیرهای یونیزه کننده هوا :
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 ΔL در فرمول محاسبات، شعاع پوشش افزایش یافته صاعقه گیر را محاسبه می کند.
صاعقه گیر پس از نصب روی ساختمان، می بایست بوسیله هادیهای میانی Down Conductor از طریق سیم مسی بدون روکش به سیستم زمین متصل گردد.
مقاومت الکترود زمین صاعقه گیر می بایست زیر 10 اهم باشد و پس از اجرا به شبکه هم بتانسیل کل سایت متصل شود.
در اجرای الکترود زمین هر صاعقه گیر می بایست از اقلامی چون صفحه های مسی، مواد کاهنده مقاومت (LOM) ، اتصالات جوش انفجاری استفاده نمود.
