صاعقه گیر الکترونیکی چیست؟

صاعقه گیر الکترونیکی یا صاعقه گیر اکتیو یک پایانه هوایی با استفاده از مکانیزم یونیزاسیون خازنی و ایجاد شعاع پوشش ، صاعقه را در زون حفاظتی خود جذب وبه زمین منتقل می نماید. به این نوع از صاعقه گیر ESEAT(Early Streamer Emission Air Terminal) نیز گفته می شود.

تاریخچه حفاظت در برابر صاعقه :

پدر علم حفاظت در برابر صاعقه بدون شک بنجامین فرانکلین است. اولین بار میله های سنتی صاعقه گیر در سال 1750 در مجله جنتلمن توسط فرانکلین معرفی شد و بعدها در رساله اش در سال 1751 به بیان کاملتر ویژگی های آن پرداخته شد. وی استفاده از میله های صاعقه گیر برای حفاظت ساختمانها در برابر صاعقه را در رساله خود پیشنهاد داد. در سال 1876 تحقیقات فرانکلین توسط ماکسول پیگیری شد که این تحقیقات منجر به پیشنهاد مدل کامل سیستم حفاظت در برابر صاعقه گردید. ماکسول در این مدل پیشنهاد داد ساختمان در میان تسمه های فلزی قرار داده شود. با این کار جریان صاعقه مجبور می شود مسیر سطح بیرونی ساختمان را دنبال کند و در نتیجه جریان الکتریکی صاعقه به داخل ساختمان ورود پیدا نمی کند. این ایده در نهایت به معرفی روش مقرون به صرفه از نظر اقتصادی به نام قفس فاراده (روش مش) منتهی شد که در آن قفسی از رساناها کل سازه را در بر میگیرد و مانع از صدمه دیدن ساختمان توسط صاعقه می شود.

سیستم حفاظت در برابر صاعقه دو بخش اجرایی دارد. بخش اجرایی بیرونی شامل تجهیزات حفاظتی (پایانه های صاعقه گیر) ، اتصال ها و تجهیزات هدایت کننده جریان صاعقه از محل برخورد با سیستم صاعقه گیر به زمین است و بخش اجرایی داخلی شامل تجهیزات هم پتانسیل سازی یا فاصله جداسازی است که از خطرات ناشی از جرقه زنی در داخل سازه جلوگیری می نماید.

نحوه عملکرد صاعقه گیر الکترونیکی :

مکانیسم عملکرد صاعقه گیر الکترونیک خازنی - اتمسفریک (برقگیر اکتیو) بر اساس وجود پتانسل الکتریکی اتمسفر طراحی شده و در صورتی که شرایط جوی فاقد پتانسیل الکتریکی باشد ، این صاعقه گیر همانند یک صاعقه گیر ساده است و فعالیتی ندارد. واحد حس کننده این صاعقه گیر وقتی انرژی اتمسفر فراتر از حد معینی (مثلا 5 کیلوولت بر متر) می رسد ، واحد شارژ را برای جمع آوری انرژی به کار می اندازد. این واحد تا پر شدن خازن های مدار تریگری الکتریکی به کار خود ادامه می دهد. همین واحد وقتی میزات پتانسیل اتمسفر از حد معینی (نزدیک به وقوع صاعقه مثلا در حدود 100 کیلوولت بر متر) گذر نماید ، واحد شارژ دستور تخلیه خازن ها را به الکترود میانی متصل به زمین می دهد. این کار بصورت متوالی تکرار شده و باعث یونیزاسیون هوای اطراف صاعقه گیر و تشدید افزایش پتانسیل اتمسفر می گردد. نحوه عملکرد صاعقه گیر الکترونیکی به علت وابستگی مطلق به شرایط جوی صاعقه خیز بهترین کارایی را دارد.

باید توجه داشت صاعقه گیر اکتیو (برقگیر اکتیو) از نظر قیمت بسیار گرانقیمت هستند ولی این صاعقه گیر ها همیشه بهترین گزینه نیستند ، زیرا در شرایط مساوی محیط اطراف صاعقه را به سمت خود هدایت می کنند و اگر سیستم هادی میانی مناسب نباشد و بصورت کاملا دقیق مورد بازرسی و آزمایش قرار نگیرد و نگهداری نشود به استقبال خطر رفته ایم.

سیستم صاعقه گیر مولد برق اولیه بر اساس استاندارد NFC17-102 برای محافظت از ساختمان های عادی با ارتفاع کمتر از 60 متر و فضاهای باز در موارد زیر قابل استفاده است :

- ساختمان های مسکونی

- ساختمان های مجموعه فرهنگی و آموزشی

- مجموعه ساختمان های تجاری ، اداری ، ورزشی و غیره

- ساختمان های درمانی و مراقبتی

- کارخانه ها و پالایشگاه ها

- ساختمان های بلند مرتبه

- موزه ها و آثار باستانی

- برج ها و دودکش های کارخانجات

- فضاهای باز شامل انبارها و محوطه های تفریحی و رفاهی

محدوده حفاظتی صاعقه گیر الکترونیکی :

محدوده حفاظتی هر صاعقه گیر الکترونیکی از گردش شعاع حفاظتی (Rpn) حاصل از ارتفاع های مختلف (hn) حول محور آن به وجود می آید. در صاعقه گیر اکتیو (فعال) معمولا باید سه مولفه کلاس حفاظتی ، شعاع حفاظت و ارتفاع صاعقه گیر نسبت به سطح ، مورد توجه قرار گیرد.

dd

شعاع حفاظت هر صاعقه گیر الکترونیکی (Rp) بستگی به ارتفاع نوک آن نسبت به سطح مورد حفاظت (h) ، پیشروی زمان تخلیه (Dt) و انتخاب کلاس حفاظتی مورد نیاز دارد که به این صورت محاسبه و تعیین می شود. باید توجه داشت که ارتفاع بزرگتر یا مساوی 5 متر است . بنابراین شعاع حفاظتی با توجه به کلاس حفاظت مورد نظر از رابطه زیر ، منحنی ها و یا جداول مندرج در استاندارد NFC17-102 بدست می اید.

در این رابطه (Rp) شعاع حفاظت صاعقه گیر ، h ارتفاع نوک میله صاعقه گیر از سطح مورد حفاظت ، D قطر گوی فرضی با توجه به کلاس حفاظت یا فاصله برخورد صاعقه و (DL) فاصله ای که صاعقه گیر نقطه دریافت صاعقه را برابر نظریه گوی غلتان از نوک پایانه صاعقه گیر دور می کند.

در مواردی که ارتفاع کمتر از 5 متر باشد ، شعاع حفاظت باید با استفاده از منحنی ها و جداول مندرج در استاندارد NFC17-102 بدست آید و رابطه ارایه شده استفاده نمی گردد.

جدول شعاع پوشش معمولا توسط شرکت های سازنده ارایه می گردد و نیازی به استفاده از روابط بالا نیست. بعنوان مثال جهت بدست آوردن شعاع پوشش صاعقه گیر الکترونیکی ، در اینجا صاعقه گیر الکترونیکی THUNDER60 محصول شرکت الکتروتوان را انتخاب می نماییم.

همانطور که در جدول ملاحظه می نمایید برای این صاعقه گیر الکترونیکی چهار کلاس حفاظتی تعیین شده است که در ذیل همین بحث به آن خواهیم پرداخت. ردیف اول شامل ارتفاع نصب صاعقه گیر است که در اینجا ارتفاع های 2 ، 4 ، 6 ، 8 ، 10 ، 20 و 60 متر در نظر گرفته شده است و در پایین ، شعاع پوشش متناظر با همان ارتفاع نصب و کلاس حفاظتی مد نظر  محاسبه شده است. بعنوان نمونه اگر صاعقه گیر تندر 60 ، در ارتفاع 6 متری قرار بگیرد شعاع پوشش 79 متر را در کلاس I ، شعاع پوشش 87 متر را در کلاس II ، شعاع پوشش 97 متر را در کلاس III و شعاع پوشش حداکثر 107 متر را در کلاس IV تامین می نماید و شعاع 107 متر در واقع حداکثر شعاع پوشش این صاعقه گیر در ارتفاع نصب 6 متر می باشد.

کلاس حفاظتی صاعقه گیر الکترونیکی :

کلاس حفاظتی عبارت است از تعیین محدوده ای که در آن احتما برخورد صاعقه مستقیم ، مطابق با درصد معینی باشد.  بر اساس استاندارد NFC17-102 سه کلاس حفاظتی تعیین شده است که در آن کلاس I بیشترین سطح حفاظتی را دارا بوده و سطح آن 98 درصد می باشد . سطح II سطح حفاظتی 95 درصد و برای کلاس III سطح حفاظتی 90 درصد محاسبه شده است. البته در استاندارد CTE SU 8 کلاس حفاظتی به چهار کلاس ارتقاء یافته و برای کلاس IV سطح 80 درصد در نظر گرفته شده است. این نکته حائز اهمیت است که کلاس حفاظتی ، میزان توانایی تامین جریان توسط صاعقه را نیز بیان می نماید. بر اساس رابطه بین جریان صاعقه و شعاع گوی غلتان و همچنین اندازه گیری های انجام شده ، باید عنوان داشت شعاع گوی غلتان در کلاس حفاظتی I برابر با 20 متر ، برای کلاس II شعاع گوی غلتان 30 متر ، برای کلاس III شعاع گوی غلتان 45 متر و برای کلاس IV شعاع گوی غلتان (گوی یونیزه شده) برابر با 60 متر می باشد.

زمان فعالسازی صاعقه گیر الکترونیکی :

تمامی اتصالات و تجهیزات موجود در پشت بام ها ، نوک های تیز لبه بام و ... هنگام وقوع صاعقه شروع به ایجاد کانال یونیزه و مجرایی برای برخورد صاعقه می نمایند. اما صاعقه گیر الکترونیکی با توجه به مدار تریگری یونیزاسیون خازنی ، با سرعت بیشتری نسبت به دیگر اجسام شروع به ایجاد کانال تخلیه صاعقه نموده و زودتر از بقیه اقدام به جذب صاعقه می نماید. بر این اساس زمان فعالسازی صاعقه گیر یعنی اختلاف زمانی میان صاعقه گیر و دیگر اجسام برای جذب صاعقه . بعنوان مثال هنگامی که عنوان می شود زمان فعالسازی صاعقه گیر THUNDER60 برابر با 60 میکروثانیه است یعنی این صاعقه گیر 60 میکروثانیه زودتر از دیگر اجسام صاعقه را جذب می نماید.

مزایا و معایب صاعقه گیر الکترونیکی :

امروزه بدلایل زیادی استفاده از صاعقه گیر های الکترونیکی در جهان گسترش یافته است . در اینجا به ذکر برخی از مزایای صاعقه گیر اکترونیکی می پردازیم :

- صاعقه گیر الکترونیکی دارای شعاع پوشش وسیعی در مقایسه با رادهای سنتی و سیستم صاعقه گیر پسیو می باشد.

- سهولت در اجرای صاعقه گیر الکترونیکی و کاهش زمان نصب نسبت به صاعقه گیرهای سنتی و میله ای

- کاهش هزینه های سیستم حفاظت در برابر صاعقه . با توجه به شعاع پوشش و منطقه تحت حفاظت ، اجرای صاعقه گیر الکترونیکی دارای هزینه های به مراتب پایین تری نسبت به سیستم صاعقه گیر پسیو و سنتی می باشد.

- مطابقت با استانداردهای روز دنیا

- امکان بررسی و تست سیستم صاعقه گیر و همچنین جمع آوری اطلاعات و دیتا در مورد برخورد صاعقه با تجهیزات تحت حفاظت

- طول عمر بسیار بیشتر نسبت به صاعقه گیرهای سنتی بر اساس جنس و طراحی صاعقه گیر الکترونیکی