سرج ارستر

تعداد بازدید: 1007

1- سرج ارستر(SPD)

سرج ارستر (Surge Protective Devise-SPD) اصطلاحی است که IEC به دستگاه هایی می دهد که قصد محدود کردن ولتاژهای گذرا (Transient Voltages) و جریان های غیر عادی را دارند . در کشورهای مختلف این محصول نام های گوناگونی دارد . در بسیاری از صنایع و مناطق از این اصطلاحات برای تعیین سطح حفاظتی استفاده می شود اما در کل تمام دستگاه هایی که به این نام ها نامیده می شوند به عنوان سرج ارستر شناخته می شوند .سرج ارسترها به وسیله فن آوری های مختلفی ساخته می شوند که گاهی برای نام گذاری از این فن آوری ها استفاده می شود .

موج هایی که توسط رعد و برق های جزیی و عمل سوییچ ایجاد می شوند . از شکل موج μs 20 /8 (موج جریان در 8 میکرو ثانیه به 90% مقدار حداکثر جریان تخلیه تعیین شده می رسد . و پس از گذشت 20 میکرو ثانیه جریان تخلیه به نصف مقدار حداکثر کاهش می یابد.) پیروی می کند . موج هایی که توسط صاعقه های مستقیم ایجاد می شوند . از شکل موج μs 350/10 (جریان صاعقه در 10 میکرو ثانیه به 90% مقدار حداکثر جریان تخلیه تعیین شده می رسد . و پس از گذشت 350 میکرو ثانیه جریان تخلیه به نصف مقدار حداکثر کاهش می یابد.) پیروی می کند .

1-3- سرج ارستر سيليكون كاربايد (SiC)

تا چندي قبل روش متداول حفاظت در مقابل صاعقه استفاده از سرج ارسترهاي سيليكون كاربايد (SiC) بود. اين سرج ارسترها از تركيب سري فواصل هوائي با مقاومت ساخته مي شوند و بر خلاف جرقه گيرها ، پس از عملكردن ، شبكه قدرت قابليت بازگشت به حالت اوليه را خواهد داشت. زيرا مقاومت مذكور جريان تخليه را كاهش داده و به لحاظ هم فاز بودن تقريبي جريان و ولتاژ پس از به صفر رسيدن شكل موج ولتاژ نامي سيستم ، جريان مجدداً برقرار نمي شود . مقاومت هاي اين نوع از برقگيرها از نوع غيرخطي هستند زيرا از يك طرف بايد آنقدر كوچك شوند كه توسط فواصل هوايي قابل قطع باشند و از طرف ديگر در ولتاژهاي ضربه اي به صورتي باشند كه در اثر تخليه جريان هاي ضربه اي زياد ، افت ولتاژ دو سر آنها (ولتاژ پسماند) از سطح حفاظتي تجهيزات كمتر شود. معمولاً اين مقاومتها از نيمه هادي سيليكون كاربايد (SiC) ساخته مي شوند كه داراي خاصيت مذكور مي باشند. برقگير سيليكون كارباید , شامل يك مقاومت سيليكون كاربايد , با مشخصه غيرخطي V-I بصورت سري با يك فاصله هوايي مي باشد. وقتي اضافه ولتاژ از حد ولتاژ جرقه بيشتر شود، با ايجاد جرقه در دو سر فاصله هوايي ، افزايش امپدانس مسير جرقه از افزايش شديد جريان جلوگيري مي كند. فاصله هوايي جرقه كه به آن فاصله جرقه اكتيو گفته مي شود، طوري طراحي مي گردد كه بعد از چند بار جرقه زدن در اثر اضافه ولتاژ، جرقه مسدود گردد.برقگيرهاي SiC به هيچ عنوان نبايد تحت اضافه ولتاژهاي با فركانس قدرت عمل كنند زيرا باعث ايجاد اتصال كوتاه به زمين و عبور انرژي زيادي از خود شده و از بين مي روند. برقگيرهاي SiC سطح اضافه ولتاژهاي ناشي از صاعقه و كليدزني را به حد مشخصي كاهش مي دهند كه اين حد بستگي به ولتاژ نامي برقگير دارد. اضافه ولتاژ كليدزني با انرژي بالا كه جريان تخليه زيادي را براي مدت طولاني اعمال مي كند، ممكن است باعث سوختن الكترودهاي برقگير شود و لذا اين مسأله باعث محدوديت در كاربرد اين نوع برقگيرها مي شود و همچنين باعث مي شود كه سطح استقامت عايقي بالاتري براي تجهيزات انتخاب شود. در چنين حالاتي بايد برقگيرهائي با ولتاژ نامي بالاتر انتخاب شوند تا در اضافه ولتاژهاي ناشي از كليدزني عمل نكنند. در برقگيرهاي SiC نوع جديد، براي كاهش تلفات (افزايش طول عمر و قدرت تحمل انرژي) برقگير و براي خاموش كردن جرقه در فاصله هوايي پس از حذف موج و در نتيجه قطع جريان، از روشهاي مغناطيسي استفاده مي شود. برقگير SiC با خاموش كن مغناطيسي سه برابر بيشتر از نوع معمولي آنها قابليت تحمل انرژي را دارا مي باشد، زيرا تلفات جريان متعاقب موج۱ به حداقل مقدار خود مي رسد. اين نوع برقگيرها در شبكه هاي با ولتاژ بالا كاربرد دارند.

2-3- سرج ارسترهای نوع اكسيد فلزي (MOV)

نوع جديد سرج ارسترها داراي بلوك هايي با مقاومت الكتريكي غيرخطي و از جنس اكسيد فلزات مي باشد. اين بلوك ها به MOV مشهور مي باشند. از آنجا كه حدود 95% از مواد تشكيل دهنده بلوك هاي MOV را اكسيد روي (ZnO) تشكيل مي دهد، به آنها برقگيرهاي ZnO نيز گفته مي شود. اجزاء تشكيل دهندة برقگيرهاي ZnO ، شامل اكسيد روي و مقادير كمي از اكسيد ديگر فلزات از قبيل بيسموت ، كبالت ، آنتيموان و اكسيد منگنز مي باشد. ذرات بسيار ريز اكسيد روي و اكسيد فلزات ديگر پس از فشرده شدن بصورت ديسك و در اندازه هاي معين شكل مي گيرند. سپس اين ديسكها در درجه حرارت بالا پخته شده و به صورت سراميك در مي آيند. اين ديسكها بصورت سري در محفظه استوانه اي شكل قرار گرفته و برقگير ZnO را تشكيل مي دهند. بلوك ZnO داراي يك مشخصه ولتاژ – جريان كاملاً غيرخطي مي باشد و داراي قابليت جذب انرژي بسيار خوبي است. دنباله جريان در اين نوع سرج ارسترها وجود ندارد ، يعني جريان با كاهش اضافه ولتاژ ضربه اي كاهش مي يابد و با ولتاژ متناوب (ولتاژ نامي سيستم) ادامه پيدا نمي كند. از اينرو اين نوع سرج ارسترها در عمل كمتر از برقگيرهاي با فاصله هوايي گرم مي شوند و تكرار عملكرد آنها كمتر مشكل ايجاد مي نمايد. از ديگر مزاياي اين نوع برقگيرها ، سرعت عملكرد در پيشاني موج است. به اين معني كه تأخيري كه در سرج ارسترهاي با فاصله هوايي وجود دارد ، در اين نوع سرج ارسترها خيلي كمتر است.با توجه به عدم وجود فاصله هوايي ، امكان موازي كردن برقگير ZnO وجود دارد. به اين ترتيب مي توان تحمل سرج ارستر در مقابل جريان هاي زياد را افزايش داد. با مقايسه مشخصه ولتاژ – جريان بلوك هاي SiC و ZnO مشخص مي شود كه تحت ولتاژ نامي شبكه ، جريان عبوري از بلوك ZnO كمتر از يك ميلي آمپر است. در حالي كه اين مقدار براي بلوك هاي SiC به مراتب بيشتر است. سرج ارسترهاي ZnO مي توانند اضافه ولتاژهاي با فركانس قدرت را براي مدت شخص تحمل كنند و با در نظر گرفتن اين ويژگي، حتي در سيستم هاي زمين نشده (كه هنگام اتصال كوتاه يك فاز به زمين، ولتاژ فازهاي ديگر مي تواند تا برابر افزايش يابد) مي توان سطح عايقي كمتري را انتخاب كرد. يكي از مشكلات سرج ارسترهاي ZnO ، جريان نشتي در فركانس قدرت مي باشد. اين جريان در حد ميلي آمپر است ولي ممكن است با تكرار عملكرد برقگير، لايه عايق بين دانه هاي اكسيد روي سوخته شود و باعث افزايش جريان نشتي گردد. مسأله ديگر، تغيير مقاومت بر اثر درجه حرارت است. اين تغيير در جريان هاي كم بيشتر محسوس است ولي بهرحال با كاهش مقاومت تحت ولتاژ نامي شبكه بر اثر درجه حرارت، احتمال گرم شدن و كاهش مقاومت و افزايش درجه حرارت وجود دارد. با وجود اين مشكلات، اما بخاطر مزاياي زياد سرج ارسترهاي ZnO ، استفاده از اين سرج ارسترها رو به افزايش است و بتدريج جايگزين برقگيرهاي ديگر مي گردند. بعضی از مزایای سرج ارسترهای ZnO عبارتند از: 1) كارائي بهتر نسبت به ساير برقگيرها (بهتر از ساير برقگيرها، اضافه ولتاژها را مي كند). 2) پراكندگي كم ولتاژ پسماند و همچنين داراي ولتاژ پسماند خيلي كم. 3) داراي تأخير زماني خيلي كم. 4) برگشت طبيعي به وضعيت اوليه يا مدار باز. 5) داراي مشخصه ولت – جريان خطي تر از سرج ارستر SiC. 6) داراي سطح حفاظتي خيلي خوب. 7) جريان نشتي پايين در شرايط كار نامي سيستم (حداقل تلف توان). از مهمترين عيب هاي سرج ارسترهاي ZnO ، قيمت زياد آنها نسبت به ديگر برقگيرهاست و ديگر اينكه سرج ارسترهاي ZnO در سيستم هاي داراي نوسانات ولتاژ قابل ملاحظه ، بيشتر از سرج ارسترهاي SiC در معرض خطر و آسيب ديدگي قرار مي گيرند.

3- بررسی سرج ارستر های فشار ضعیف (Surge Protection Device-SPD)

بررسی سرج ارستر های فشار ضعیف (Surge Protection Device) برای ایجاد اتصال هم پتانسیل باید در محل ورود تاسیسات به داخل سازه از برقگیر جریان صاعقه استفاده شود . که باید دارای کلاس حفاظتی I , B (در استاندارد IEC : I و با توجه به استاندارد VDE : B) باشد . لازم به ذکر است که استفاده از این برقگیر برای سازه هایی که LPS دارند اجباری است . اما در صورتی که LPS به سازه وصل نشده باشد . در اکثر موارد نیاز به استفاده از برقگیرهای کمکی درتابلوی توزیع برق کوچک یا نزدیک تر به تجهیز یا درون تجهیز است . این برقگیرها به عنوان محافظ ثانویه در نظر گرفته می شوند که باید دارای کلاس حفاظتی II یا III باشند . هدف از برقگیرهای کلاس I)B) شبیه سازی هدایت جریان های ضربه ای صاعقه است . به این ترتیب نام دیگر برقگیرهای کلاس I برقگیرهای جریان صاعقه است . هدف از برقگیرهای کلاس II )C)آزمایش برقگیرها در برابر جریان های ضربه ای کوتاه مدت تر است . و کمتر در معرض برخورد مستقیم جریان های ضربه ای قرار دارند . و برای پایین آوردن جریان صاعقه عبوری ازبرقگیر جریان صاعقه استفاده می شود . نام دیگر برقگیرهای کلاس II برقگیرهای اضافه ولتاژ است . هدف از برقگیرهای کلاس III)D) آزمایش برقگیرها در برابر ولتاژهای ضربه ای است . هدف از برقگیرهای کلاس B+C :طبق استاندارد، فاصله نصب بین دو برقگیر کلاس B و C نباید کمتر از 10 متر باشد. رعایت این فاصله، مشکلاتی را در امور تابلوسازی ایجاد می کند که برای رفع آن، از ارسترهای کلاس ترکیبی B+C استفاده می شود. برخی از ارسترهای کلاس B دارای تکنولوژی خاصی می باشند که می توان ارستر کلاس C را بلافاصله در کنار آن نصب نمود. هدف از برقگیرهای کلاس C+D :طبق استاندارد، فاصله نصب بین دو برقگیر کلاس C و D نباید کمتر از 5 متر باشد. رعایت این فاصله، مشکلاتی را در امور تابلو سازی ایجاد می کند که برای رفع آن، از ارسترهای کلاس ترکیبی C+D استفاده می شود. بر اساس استاندارد IEC : طول خط که ارستر در آن است و طول خط که دستگاه محافظ شونده در سیستم زمین , در هر صورت باید زیر 0.5 متر باشد . و اگر بیش از مقدار شود سیم بندی نوع V انتخاب می گردد . حداقل سطح مقطع برای حفاظت از صاعقه : مس : 16 میلیمتر مربع آلومینیوم : 25 میلیمتر مربع آهن : 50 میلیمتر مربع از مشخصات سرج ارسترها می توان به موارد زیر اشاره نمود : ولتاز نامی (Uc =Un= Nominal Voltage) : از آنجا که برقگير بين فاز و زمين قرار مي گيرد ولتاژ کار دائم روي برقگير به ميزان برابر ولتاژ خط مي باشد . مقدار RMS موج سینوسی که فرکانس آن 50 تا 60 هرتز است . و حداکثر ولتاژ کار دائمی , بیشترین ولتاژ دائمی است که می توان به یک برقگیر اعمال کرد بدون این که در عملکرد آن اختلال یا مانع ایجاد شود .که معمولا 15% نسبت به ولتاژ نامی افزایش دارد . جریان تخلیه ضربه(I-imp=Impulse Discharge Current) : یک موج استاندارد با شکل موج μs 350/10 می باشد که ارسترهای جریان باید قادر به تخلیه چند باره این جریان های ضربه باشند . بدون آنکه آسیبی به تجهیزات وارد آید . جریان تخلیه نامی(I-n=Nominal Discharge Current) : مقدار پیک یک جریان ضربه با شکل موج μs 20 /8 که ارستر برای تخلیه متعدد آن طراحی شده است . جریان تخلیه کل(I-total=Total discharge Current) : به جریانی که سرج ارستر باید توانایی عبور جمع جریان های هر سه فاز را در هنگام صاعقه و یا سوئیچینگ از مسیر کارتیج متصل به سیستم زمین دارا باشد . این جریان در برخی موارد برابر با جمع جریان تخلیه ضربه هر سه فاز است و در مواردی که از سرج ارستر نوع اسپارک گپ استفاده می شود . این جریان به گونه ای متفاوت محاسبه می شود . (بستگی به نوع سرج ارستر مورد استفاده دارد) سطح حفاظت ولتاژی(Up=Voltage Protection Level) : عبارتست از مقدار ولتاژي كه سرج ارستر , تجهيزات را در برابر آن محافظت مي كند . و ولتاژی که قابل تحمل بین ترمینال های سرج ارستر می باشد . مقدار آن از رابطه زير بدست مي آيد : Up >= 0.8 BIL كه در آن BIL سطح عايقي تجهيزات مي باشد . زمان پاسخ(t-A=Response Time) : مدت زمانی که طول می کشد در آن سرج ارستر به اغتشاشات ولتاژی ورودی به سیستم عکس العمل نشان دهد . که هر چه مدت این زمان کوتاه تر باشد , سرج ارستر با سرعت بیشتری , اغتشاش ورودی به سیستم را شناسایی کرده و از آسیب به تجهیزات دیگر جلوگیری می کند .

4- نکات کاربردی در رابطه با سرج ارستر

نکات کاربردی در رابطه با سرج ارستر : در انتخاب و نصب سرج ارستر نکاتی وجود دارد که توجه به آنها بسیار مفید است . • اکثر سرج ارسترهای تولید شده توسط شرکت های معتبر، بصورت ماژولار هستند و از دو قطعه پایه و ماژول حفاظتی تشکیل می شود. ماژول حفاظتی بشکل خشابی از پایه خارج شده یا به آن وارد می شود. • ممکن است یک سرج ارستر زمان کوتاه دوام بیاورد و یا چندین سال در یک تابلو برق مشغول حفاظت از مدارهای الکتریکی و تجهیزات برقی باشد. طول عمر سرج ارستر بستگی مستقیم به تعداد و قدرت صاعقه ها یا ضربات اضافه ولتاژهای حاصل از سوئیچینگ در شبکه دارد. • از آنجاییکه ماژول حفاظتی سرج ارستر بصورت کشویی خارج می شود، تعویض این قطعه بدون تغییر در سیم کشی یا شکل تابلو و بسرعت انجام پذیر است . البته تقریباتمامی بهای یک سرج ارستر متعلق به ماژول حفاظتی است و پایه چندان ارزشی ندارد. • بر روی سرج ارستر یک نمایشگر سبز رنگ وجود دارد که نشان دهنده سلامت قطعه است . پس از فرسوده شدن و از بین رفتن سرج ارستر، این نشانگر به قرمز تغییر رنگ داده که زمان تعویض آن را نشان می دهد . • برخی برقگیرها دارای کنتاکت کمکی (ریموت) می باشند که بر روی پایه آنها نصب است. هنگام فرسوده شدن کامل سرج ارستر و تغییر رنگ نشاندهنده به قرمز، کنتاکت کمکی بسته شده و مدار هشداری را فعال می کند. به این ترتیب امکان مانیتور کردن شرایط از راه دور نیز میسر است. شرکت ابو- بترمن آلمان نوعی ماژول آلارم نیز طراحی کرده است که بلافاصله پس از, از کارافتادن سرج ارستر آژیر می کشد. • سرج ارسترها در انواع تکفاز، فاز و نول، نول ، دو فاز، دو فاز و نول ، سه فاز و سه فاز و نول تولید می گردند که هریک به اقتضای محل و شرایط ، مورد استفاده قرار می گیرند. نکته مهم در این رابطه عدم ارتباط داخلی سرج ارسترها با یکدیگر می باشد. مدار و عملکرد سرج ارسترها کاملا از یکدیگر مستقل است و بر خلاف فیوزهای مینیاتوری ، کلیدهای اتوماتیک یا چنین تجهیزاتی ، اختلال در یکی از فازها موجب قطع هر سه خط نمی گردد. در پایه های دوپل و بالاتر، صرفا یک شینه (باسبار) مسیرهای خروجی به ارت را به یکدیگر پل می نماید که این ، تنها بمنظور کاهش میزان سیم کشی است. برخی اوقات این پل شدن در کارخانه انجام می شود که در بعضی قطعات قابل رویت و بعضی دیگر دیدنی نیست. گاهی نیز توسط کاربر شینه دلخواه استفاده می شود. نکته در اینجاست که هر چند یک سرج ارستر ممکن است سه فاز باشد ، باید از شینه تکفاز برای پل کردن استفاده نمود. • از نکته فوق در زمانیکه دسترسی به سرج ارستر با پایه های 2، 3 یا 4 پل نیست می توان بهره گرفت. استفاده از چند سرج ارستر تکفاز یا نول تکی برای ایجاد یک سیستم حفاظتی سه فاز (یا غیره) ، پل کردن پایه ها به یکدیگر و اتصال به ارت شیوه مناسبی است و اصراری به استفاده از پایه چند پل نیست. البته این روش مزیتی نیز دارد. در صورتیکه تحت شرایطی یکی از مسیرهای پایه چند پل آسیب ببیند، کاربر ملزم به تعویض کل پایه می باشد اما اگر اتفاقی موجب معیوب شدن یکی از چند پایه تک پل گردد ، فقط پایه آسیب دیده تعویض شده که صرفه جویی در هزینه است. • طبق استانداردهای جدید ، ماژول حفاظتی سرج ارسترهای فاز می بایست امکان قرار گرفتن در پایه را از هر دو جهت داشته باشند.این مطلب در مورد قطعات ابو– بترمن آلمان که از تعریف کنندگان استانداردهای این تجهیزات می باشد، صدق می کند. توجه کنید که این قانون مشمول ماژول های نول نمی باشد. • هنگام نصب سرج ارستر باید دقت نمود که این قطعه پیش از کلید محافظ جان یا هرگونه رله کنترل جریان نشتی نصب گردد . با توجه به اینکه عملکرد یک سرج ارستر از دید کلید محافظ جان ، نشت جریان است ؛ درصورتیکه ضربه ای در مدار وجود آید– که روزانه چندین بار اتفاق می افتد– و سرج ارستر عمل نماید ، کلید محافظ جان نیز مدار را قطع می کند که مطلوب نیست . بنابراین مناسب ترین محل نصب سرج ارستر در یک تابلو برق ، اولین نقطه ممکن در ورودی کابل به تابلو است , بعد از فیوز , که علاوه بر حفاظت از مدار ها و لوازم الکتریکی تغذیه شده توسط تابلو ، از تجهیزات نصب شده در تابلو نیز حفاظت می کند. (بعنوان مثال کنتاکتورها، رله ها، تایمرها و...) معمولاً در مسير برقگير به زمين يك شماره انداز قرار مي‏دهند كه مي‏تواند تعداد دفعات تخليه موجهاي ولتاژ ضربهاي بر روي برقگير را ثبت نمايد. برقگير در ورودي پستهاي ترانس قبل از كليه تجهيزات و تا حد ممكن نزديك به آنها نصب گردد. علاوه بر برقگيري كه در ورودي پستهاي ترانس نصب مي‏شود قبل از تجهيزات مهم مانند ترانسفورماتورهاي قدرت نيز جداگانه برقگير نصب مي‏شود. شرکت ابو– بترمن آلمان علاوه بر برقگیرهای شبکه AC، سیستمهای حفاظتی برای مصارف فتوولتائیک ، خطوط دیتا و DSL، تلفن وISDN ، آنتن و ... نیز تولید می کند که هر کدام توپولوژی ویژه ، استانداردها و نکات و ظرافتهای خود را دارند. در پایان ، هدف اصلی استفاده از سرج ارسترها ، فدا کردن یک قطعه برای حفظ سلامت انبوهی از قطعات است . بعبارتی " یکی برای همه ". در میان مدت و بلند مدت ، استفاده از سرج ارستر هزینه های بسیاری را کاهش می دهد و چندین برابر سرمایه گذاری برای این تجهیزات را باز می گرداند. • وجود سرج ارستر ها در سیستم باعث شناسایی جریان نشتی توسط رله ها می شود که وجود سرج ارستر بیشتر در سیستم باعث شناسایی جریان نشتی بیشتری توسط رله ها می شود و نهایتا فرمان تریپ از سوی رله صادر می گردد .و سیستم شامل زمان قطع بیشتری می شود .

2- زون های حفاظتی صاعقه با توجه به استاندارد

LPZ0A : منطقه محافظت نشده بیرون ساختمان . برخورد صاعقه مستقیم , بدون شیلد در برابر تداخل پالس الکترومغناطیسی (LEMP) LPZ0B : منطقه حفاظت شده بوسیله سیستم حفاظت صاعقه خارجی , بدون شیلد در برابر تداخل پالس الکترومغناطیسی (LEMP) LPZ1 : منطقه داخل ساختمان که ممکن است قسمت کمی از انرژی صاعقه را شامل شود . LPZ2 : منطقه داخل ساختمان که ممکن است موج های کمی را شامل شود . LPZ3 : منطقه داخل ساختمان (می تواند جعبه فلزی مصرف کننده باشد) بدون دخالت پالس های الکترومغناطیسی یا وجود موج .

  • 1- کتاب مرجع سیستم های حفاظت در برابر صاعقه
  • 2- کاتالوگ ها و دستور العمل های ارائه شده از سوی سازنده (شرکت OBO BETTERMANN آلمان)
  • 3- تجارب دوستان و همکاران در محیط های صنعتی
  • 4- منابع اینترنتی