حفاظت در مقابل اضافه ولتاژ

 

حفاظت در مقابل اضافه ولتاژ


مطالبی که در این مقاله از سایت elicaelectric.com می خوانید

اهداف این مبحث:

  • اضافه ولتاژ
  • حفاظت سیستم های قدرت
  • انواع سیستم های حفاظت قدرت
  •  

 

اضافه ولتاژ

   یکی از نکات مهم در بحث ایمنی در برق، حفاظت در برابر اضافه ولتاژ است. اضافه ولتاژ به وجود آمده در خطوط برق و وسایل الکتریکی، خطرات بسیار زیادی را برای وسایل و افراد مجاور آن ایجاد می کند. اضافه ولتاژ تولیدی در خطوط، توسط عوامل داخلی یا بیرونی ایجاد می شود. عامل داخلی ممکن است در اثر اختلالات در شبکه نظیر سوئیچینگ (قطع و وصل خطوط)، اتصال کوتاه، رزونانس در شبکه، وصل مدار جریان بر روی سیم های طویل یا موتورها، تأسیسات با جبران کننده مرکزی و غیره به وجود آید.

   این اضافه ولتاژ داخلی به دو نوع اضافه ولتاژهای موقت ناشی از نوسانات فرکانس قدرت یا هارمونیک ها (که در شرایط بی باری یا بار بسیار کم رخ می دهند) و اضافه ولتاژهای کلیدزنی (که در شرایط بی باری یا بار بسیار کم رخ می دهند) و اضافه ولتاژهای کلیدزنی (که دارای دورۀ کوتاه بوده و به شدت میرا هستند) تقسیم می شود.

    عوامل بیرونی مانند صاعقه و رعد و برق، بیرون از شبکۀ قدرت وجود دارند که برخورد آنها به ادوات الکتریکی به خصوص در شبکه های دارای سیم های هوایی، یکی از دلایل عمدۀ اضافه ولتاژ محسوب می شوند. دامنۀ اضافه ولتاژهای صاعقه اساساً مستقل از طرح سیستم ها است. در حالی که اضافه ولتاژهای ایجاد شده به وسیلۀ عوامل داخلی مانند کلیدزنی با ازدیاد ولتاژ کاری سیستم افزایش می یابند.

 

حفاظت سیستم های قدرت

   بنا به دلائل ذکر شده لازم است از وسایل حفاظتی محدود کنندۀ جریان ضربه برای حفاظت سیستم های قدرت در برابر اضافه ولتاژ استفاده شود. یک وسیلۀ حفاظتی محدود کنندۀ ضربه باید اضافه ولتاژهای گذرا یا ولتاژهایی که باعث تخریب تجهیزات شبکه می شوند را محدود کرده و به زمین هدایت کند. همچنین باید بتواند این کار را بدون آنکه آسیبی ببیند به دفعات تکرار کند.

   بر این اساس، دو نوع سیستم حفاظت خارجی و داخلی برای حفاظت از عوامل خارجی و داخلی ایجاد اضافه ولتاژ تعریف می شوند. وسایل حفاظتی مانند برقگیرها، سیم های زمین (برای حفاظت خطوط و تجهیزات از برخورد مستقیم صاعقه)، جرقه گیرها، خازن های ضربه و مقاومت های زمین کننده، وریستورها (Sic , Zno)، دیودهای بهمنی (برای تغییر و دگرگونی شکل موج اضافه ولتاژها) و فیلترهای RC (برای حذف موج ضربه) نمونه ای از این سیستم های حفاظتی هستند.

   در ادامه برخی از سیستم های حفاظت خارجی از قبیل سیم زمین، هادی حفاظتی و برقگیر، جهت جلوگیری از اضافه ولتاژ ناشی از عوامل خارجی و برقگیر تابلویی جهت جلوگیری از اضافه ولتاژ ناشی از عوامل خارجی و برقگیر تابلویی جهت جلوگیری از اضافه ولتاژ ناشی از عوامل داخلی شرح داده می شود.

 

انواع سیستم های حفاظت قدرت

۱- سیم زمین

   برای حفاظت در صورت برخورد مستقیم صاعقه به خطوط انتقال انرژی، سیم زمین (گارد) نصب می شود. حفاظت در برابر افزایش ولتاژ ناشی از برخورد مستقیم صاعقه به مدار حامل جریان با حفاظت در برابر برخورد غیرمستقیم صاعقه متفاوت است. امواج فشارقوی در اثر برخورد مستقیم صاعقه به خط، در دو طرف آن به صورت یک موج سیار پیشروی می کنند.

   به منظور جلوگیری از پیشرفت بیشتر موج، در مکان مناسبی برقگیر نصب می شود. زمانی که ولتاژ پشت موج به مقدار لازم برای عملکرد برقگیر برسد، خط انتقال توسط برقگیر، اتصال زمین می شود و جریان موج توسط برقگیر به زمین تخلیه می شود که به این روش، حفاظت خارجی گفته می شود. اما قسمتی از پشت موج که هنوز به حد عملکرد برقگیر نرسیده است از محل برقگیر عبور می کند و به صورت موج بریدۀ سیار در طول سیم پیشروی کرده و وارد تأسیسات الکتریکی و پست می شود. برای جلوگیری از ضرر و زیان این قسمت از موج، موج گیرهایی در مسیر موج سیار نصب می شوند که به این روش، حفاظت داخلی گفته می شود.

 

 

 ۲- هادی حفاظتی

   این سیستم بیشتر جهت حفاظت ساختمان ها کاربرد دارد و ارتباط بین برقگیر و سیستم زمین توسط آن انجام می گیرد. باتوجه به استاندارد NFC اگر ارتفاع ساختمان بیشتر از ۲۸ متر باشد یا اینکه طول ساختمان از ۲ برابر ارتفاع آن بزرگتر باشد بایستی برای اتصال برقگیر به سیستم زمین از هادی میانی (حفاظتی) استفاده نمود.

   در مورد قطر هادی نیز با استفاده از استاندارد مصارف خانگی در هادی میانی، از سیم ۵۰ مسی (سیم مسی با سطح مقطع ۵۰ میلیمتر مربع) و برای مصارف صنعتی از سیم های ۷۵، ۹۰، ۱۲۰ و غیره بسته به ویژگی های آن صنعت می توان استفاده نمود.

  نکتۀ قابل توجه در مورد هادی میانی، تخلیۀ جانبی است. اگر هنگام نصب اتصالات هادی میانی به اندازۀ کافی دقت نگردد، امکان ایجاد اتصال کوتاه و تخلیۀ انرژی از مسیرهای نا مناسب وجود دارد که خطر این مسئله می تواند بیشتر از خطر اصابت صاعقه باشد.

 

 

 ۳- برقگیر

   امروزه برای حفاظت تجهیزات قدرت در برابر اضافه ولتاژهای گذرا، اغلب از برقگیر استفاده می شود. برقگیرها نسبت به سایر وسایل حفاظتی، بهترین حفاظت و بیشترین مقدار حذف امواج گذرا را فراهم می کنند. این وسیله به صورت موازی با وسیلۀ تحت حفاظت و یا بین فاز و زمین قرار می گیرد. انرژی موج اضافه ولتاژ توسط برقگیر به زمین منتقل شده و افت ولتاژ ناشی از جریان تخلیۀ برقگیر نیز به یک مقدار معینی (در حد سطح حفاظتی برقگیر) محدود می شود.

   برقگیرها باید چهار ویژگی اصلی زیر را داشته باشند:

  • در اضافه ولتاژها به منظور محدود سازی سطح ولتاژ، امپدانس کم داشته باشند.
  • برقگیرها باید بدون آسیب دیدن  توانایی دفع یا ذخیرۀ انرژی موج اضافه ولتاژ را داشته باشند.
  • پس از حذف و عبور اضافه ولتاژ، توانایی بازگشت به شرایط کار عادی خود (شرایط مدار باز) را داشته باشند.
  • در ولتاژ نامی شبکه به منظور کاهش تلفات، برقگیرها باید مانند یک مقره، امپدانس بی نهایت داشته باشند.

برقگیرها معمولاً در ابتدای خطوط ورودی و خروجی پست های فشارقوی، بر روی خطوط توزیع انرژی، خروجی ژنراتورها، دو طرف ترانسفورماتورهای قدرت، بر روی سیم پیچ سوم ترانسفورماتور، دو طرف بانک های خازنی و راکتورها و خطوط عبوری از مکان های کوهستانی و مکان های با سابقۀ ایجاد صاعقه نصب می شوند.

برقگیرها به طور کلی در انواع ساده (فرانکلین)، کنترل کننده (مقاومت غیرخطی) و داخل تابلو ساخته می شوند. ساده ترین نوع برقگیر که در سال ۱۷۵۳ به وسیله بنجامین فرانکلین طراحی و ساخته شد، میلۀ فرانکلین نامیده می شود.

 

 

  • انواع برقگیرها

 

۱- برقگیر میله ای: 

از معایب اصلی برقگیر میله ای (جرقه گیر با فواصل هوایی)، عدم توانایی در خاموش نمودن جرقه است و هنگامی که بر اثر برخورد صاعقه جرقه زده شد، این جرقه تا زمانی که دستگاه بی برق گردد، باقی خواهد ماند در نتیجه پس از هر بار ایجاد جرقه باید شبکه بی برق شده و مجدداً برق دار گردد. تنها مزیت این نوع برقگیرها ارزان بودن ( به خاطر سادگی ساختارشان) است.

 

 

ساختار برقگیر میله ای

 

شکل (۱) ساختار برقگیر میله ای

 

 

 

ساختار برقگیر میله ای با فاصله هوایی

 

شکل (۲) ساختار برقگیر میله ای با فاصله هوایی

 

 

۲- برقگیر لوله ای:

 در این نوع برقگیر جریان هدایت شونده پس از یک یا چند دوره (در اثر گازی که خود برقگیر تولید می کند) ازبین می رود. لذا به این نوع برقگیر جرقه خاموش کن نیز گفته می شود.

از این نوع برقگیرها به منظور کوتاه کردن زمان عبور جریان هدایت شونده (پرهیز از وقوع اتصال کوتاه) استفاده می شود. برقگیر لوله ای شامل یک فاصلۀ هوایی برای جرققه زدن در فضا ویک فاصلۀ دیگر در درون یک محفظۀ مخصوص می باشد که با هم به طور سری قرار دارند.

 

 

 

۳- برقگیر سیلیکن کاربید (سوپاپی): 

در این نوع برقگیر برخلاف جرقه گیرها، پس از عمل کردن آن شبکۀ قدرت قابلیت بازگشت به حالت اولیه را خواهد داشت. برقگیرهای SiC به هیچ عنوان نباید تحت اضافه ولتاژهای با فرکانس قدرت شبکه عمل کنند، زیرا باعث ایجاد اتصال کوتاه به زمین و عبور انرژی زیاد از آن شده و از بین می روند.

 

ساختار برقگیر سوپاپی

 

شکل (۳) ساختار برقگیر سوپاپی

 

 

برقگیرهای SiC سطح اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه و کلید زنی را به حد مشخصی کاهش می دهند که این حد بستگی به ولتاژ نامی برقگیر دارد.

 

۴- برقگیرهای نوع اکسید فلزی: 

این نوع برقگیرها در عمل کمتر از برقگیرهای دارای فاصلۀ هوایی گرم می شوند و تکرار عملکرد آنها کمتر مشکل ایجاد می نماید. از مزایای دیگر این نوع برقگیرها، سرعت عملکرد در پیشانی موج است. به این معنی که تأخیری که در برقگیرهای دارای فاصلۀ هوای وجود دارد، در این نوع برقگیرها خیلی کمتر است. با توجه به عدم وجود فاصلۀ هوایی، امکان موازی کردن برقگیر اکسید روی وجود دارد. به این ترتیب می توان تحمل برقگیر در مقابل جریان های زیاد را افزایش داد.

یکی از مشکلات برقگیرهای اکسید روی جریان نشتی در فرکانس قدرت می باشد. از مهمترین عیب های برقگیر اکسید روی قیمت زیاد آنها نسبت به دیگر برقگیرها است. علاوه برآن برقگیرهای اکسید روی در سیستم های با نوسانات ولتاژ قابل ملاحظه، بیشتر از برقگیرهای اکسید روی در معرض خطر آسیب دیدگی قرار می گیرند.

 

برقگیر اکسید فلزی

 

 

شکل (۴) نمونه ای از برقگیرهای اکسید فلزی

 

 

۵-برقگیر قوس طولانی (LFA):

نصب برقگير خط بين فاز – دكل بصورت موازي با زنجيره مقره يا بجاي مقره هزينه سنگيني را در بردارد. بنابراین، بايد به دنبال کاهش هزینه نصب برقگیرها بود و جلوي خروج خطوط بر اثر تخليه اضافه ولتاژهاي ناشي از تخليه جوي بر خط را گرفت.

روش جديد حفاظت خطوط انتقال استفاده از يك سطح طولاني جهت هدايت قوس الكتريكي ناشي از تخليه مي باشد برقگيرهاي قوس طولاني مي توانند بين هادي و زمين و يا بصورت سري با مقره قرار بگيرند.

ساختار اين برقگيرها ساده بوده و در نتيجه نسبت به ساير برقگيرها ارزانتر و مقرون به صرفه تر مي باشند، بطوريكه قيمت آن در حدود يك دهم قيمت برقگيرهاي ZnO است.

يكي ديگر از مزاياي عمده اين برقگيرها عدم جاري شدن جريان با فركانس شبكه (PAF) پس از اتمام تخليه جريان موج گذرا و بروز قوس بر روي مقره مي باشد. طول برقگيرهاي LFA از طول مقره اي كه بايد حفاظت شود، بيشتر است.

 

 

 

 

مقالات مرتبط

نظرات