پیشنهاد X
اصول حفاظت در برابر صاعقه

بازگشت به صفحه اصلی
متعلقات سیستم حفاظتی الکترونیک خازنی
ادارات ، سازمانها و شرکتهای استفاده کننده تجهیزات سیرپروتک
متعلقات سیستم ارتینگ آموج فرایند
متعلقات سیستم ارتینگ اسپاک
بیوگرافی بنجامین فرانکلین
 فرمولاسیون ایجاد اوزون در اثر تخلیه کرونا
بنجامین فرانکلین و تحقیقات الکتریکی
ناقوسهای فرانکلین
نرم افزار محاسبه ریسک اصابت صاعقه

صاعقه چیست و چگونه بوجود می آید ؟

صاعقه یکی از اسرار آمیز ترین پدیده های خلقت است که در عین زیبایی ، بسیار مخرب بوده و در طول تاریخ زندگی بشر ، موجب ضرر و زیان مالی و جانی بسیاری شده است . صاعقه از تخلیه الکترواستاتیکی میان ابر و زمین بوجود می آید . در ابرهایی از نوع کومولونیمبوس که گهگاه تا 18 کیلومتر ارتفاع و چندین کیلومتر عرض دارند ، طی مراحلی ذرات آب دارای بار منفی و ذرات یخ دارای بار مثبت شده بطوریکه عموماً بارهای منفی در لایه های زیرین و بارهای مثبت در بخشهای فوقانی ابر متمرکز می شوند . در این حالت بارهای مثبت سطح زمین نیز در زیر سایه ابر مجتمع می گردند . به محض اینکه میدانهای الکتریکی گسترش و شدت می یابد ، مناطق بیشتری در روی زمین به تناسب ارتفاعات و شکل ساختمانها ، به محیط خاص الکتریکی ( کرونا ) تبدیل می شوند . کرونا ، یونیزاسیون هوا در نتیجه شکستن خواص عایقی آن است که بصورت هاله بنفش رنگ در حول هادی نمایان می شود .

با افزایش پتانسیل الکتریکی ابر نسبت به زمین ، یک جریان پیشرو از الکترونها با حرکتی نردبانی شکل از ابر به سوی زمین ( downward leader ) سرازیر شده و کانال اولیه صاعقه را شکل می دهد . هوای اطراف این کانال کاملاً یونیزه است . این پلکان که گاه طول شاخه های آن به 50 متر می رسد ، بار زیادی را در نوک پیکان با خود حمل کرده  موجب افزایش شدت میدان الکتریکی جو و شکست مقاومت عایقی هوا می شود .

در این حالت سرعت حرکت کانال نزدیک شونده به زمین بیش از 300 کیلومتر در ثانیه می باشد .در این زمان با افزایش شدت میدان الکتریکی در سطح زمین ، یک جریان الکتریکی بالا رونده ( upward leader ) نیز از زمین بسوی ابر پیش می رود . پس از اصابت این دو پیکان به یکدیگر ، کانال جریان بسته شده و ضربه اصلی صاعقه ( return stroke) اتفاق می افتد و بدین ترتیب جهت خنثی شدن بارهای ابر و زمین ، جریان بسیار زیادی در مدت کوتاهی در این کانال برقرار می شود . صاعقه در انواع مختلف اتفاق می افتد که متداول ترین آنها ( 90% ) از نوع صاعقه منفی نزولی و خطرناکترین آنها نوع مثبت صعودی می باشد .

صاعقه انواع مختلفی دارد که می توان بین ابری ، ابر به زمین و زمین به ابر را برشمرد . اما انواع دیگری از صاعقه نیز وجود دارند که در تصویر زیر مشاهده می کنید .

پس از برخورد صاعقه به زمین یا ساختمان ، وسایل الکترونیکی داخل ساختمانهایی که تا شعاع 1.5 کیلومتری از محل برخورد و در محدوده میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده قرار دارند ، در معرض خطر خواهند بود . حفاظت موثر این تجهیزات در مقابل ولتاژ های القایی حاصله وقتی امکانپذیر است که کلیه سیستم های حفاظت داخلی همراه با حفاظت خارجی ساختمان تواماً نصب شده باشند . حفاظت داخلی از صاعقه عبارتست از تهیه وسائلی که به کمک آنها بتوان اثرات اضافه ولتاژهای القایی حاصل از جریانهای صاعقه را ، بر روی تجهیزات داخل ساختمان خنثی کرد .

عواملی که میتوانند شدیداً تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی را به خطر انداخته یا غیر قابل استفاده کنند عبارتند از :

 صاعقه از سه طریق می تواند موجب بروز اضافه ولتاژ در سیستم های الکتریکی شود .

1 - کوپلاژ مقاومتی

وقتی که صاعقه به ساختمانی ضربه می زند ، جریانی که به زمین تخلیه می شود پتانسیل زمین را در سیستم های برق و دیتا ، تا چند صد کیلو ولت افزایش می دهد . این امر موجب می شود بخشی از جریان صاعقه از طریق هادیهای ورودی- خروجی ، به ساختمانهای دیگر متقل شود .

2 – کوپلاژ سلفی ( مغناطیسی )

عبور جریان صاعقه از یک هادی و یا از کانال تخلیه خود ، ایجاد یک میدان شدید مغناطیسی می نماید . وقتی که خطوط میدان ، هادیهایی را که تشکیل لوپ داده اند قطع کند ، در آنها ولتاژی معادل چند ده کیلو ولت القاء می شود .

3 – کوپلاژ خازنی ( الکتریکی )

کانال صاعقه در نزدیکی نقطه تخلیه ، یک میدان شدید الکتریکی ایجاد می کند . کابل ها و هادیها ، مانند صفحات خازن و هوا نیز عایق دی الکتریک آنهاست، بدینصورت علیرغم عدم برخورد صاعقه به ساختمان ، کابل ها تحت یک ولتاژ بالا قرار می گیرند .

اصول حفاظت از صاعقه :

اثرات ناشی از صاعقه :
آمار بدست آمده ، نشان دهنده آن است که تقریباً 5000 توفان همراه با آذرخش بر روی زمین رخ می دهد که این صاعقه ها می توانندبرای انسان ، اشیاء و ... خطرناک باشند .صاعقه دارای شدتی برابر 200 کیلو آمپر است . فرکانس و شدت صاعقه به مشخصه های محیطی بستگی دارد و با داشتن اطلاعات دقیق در مورد مشخصه های محیطی، می توان بهترین و موثرترین نوع حفاظت را تعیین نمود .

 اثرات صاعقه به دو صورت حاصل می گردد . یکی بوسیله اصابت مستقیم و دیگری بصورت اصابت غیر مستقیم . اصابت مستقیم پیامد های خطراکی برای ساختمان ، انسان و حیوان دارد و اصابت غیر مستقیم خسارات اقتصادی سنگینی را به دنبال دارد که معمولاً بوسیله القاء اضافه ولتاژ بر روی هادیهای الکتریکی است .



اثر اصابت صاعقه به زمین چمن

 
 

اثر اصابت صاعقه و ایجاد گل صاعقه بر روی پوست بدن کسانی که از صاعقه ، جان سالم بدر برده اند



گروهی در پارک Hicksville  مشغول ورزش بودند که با آغاز توفان به زیر درختی پناه بردند .
با اصابت صاعقه به درخت پنج نفر زخمی شدند . یکی از آنان گفت جریان الکتریسیته از بدنم عبور کرد
و از طریق پاهایم  کفشم را ترکاند . دومین نفر 35 درصد بدنش بعلت آتش گرفتن لباس هایش دچار سوختگی درجه سه شد .
سومین نفر از اصابت صاعقه چیزی ندیده بود اما زبانش بعلت قفل شدنِ دندان هایش ، مجروح و دچار خونریزی شده بود .

   

اصابت صاعقه به صوفی فراست و زنده ماندن او بعلت اینکه دست دوستش را گرفته بود ( تقسیم جریان صاعقه ) .
مسیر عبور جریان را بر روی لباس او مشاهده می کنید .

اثر اصابت صاعقه و ایجاد گل صاعقه بر روی پوست بدن احشام




فسیل صاعقه که دراثر اصابت صاعقه در لایه های شنی ایجاد می گردد

 

نمونه هایی از اصابت صاعقه به درختان

  

نمونه هایی از اصابت صاعقه به درختان و تیرهای برق

اصابت صاعقه به درختان تزئینی

اصابت صاعقه به احشام

اصابت صاعقه به حیوانات وحشی مثل گوزن های شمالی

On September 1, 1939, lightning hit and killed 835 sheep that had been bedded down for the night on the top of Pine Canyon in the Raft River Mountains of Box Elder County in northwestern Utah. Rain from a passing thunderstorm wet the ground and sheep, causing the lightning's electrical discharge to move completely through the herd of female sheep and lambs. The next morning, fifteen sheep (out of 850) were found alive but in a dazed condition. The sheepherder was knocked temporarily unconscious, but escaped death because he was in a tent. However, burned spots on his canvas tent revealed he probably missed the fate of the sheep by only a slim margin. (Photo courtesy of National Weather Service.)

اصابت صاعقه به دیوارها و ساختمانها ( لزوم حفاظت ابنیه تاریخی )

کلیسای Eastern maudit  در انگلستان که قسمتی از سنگ بنا در اثر اصابت صاعقه تخریب شد

مخروط کلیسای 195 ساله Medway در ماساچوست آمریکا که در اول جولای 2009 مورد اصابت صاعقه قرار گرفت

  

آتشسوزی در توربین های بادی

آتش سوزی ساختمان در اثر اصابت صاعقه

  

آسیب دیدگی خط لوله زیر زمینی در اثر اصابت صاعقه

اصابت صاعقه به قسمت فوقانی قلاب ماهیگیری و ذوب آن

 

اصابت صاعقه به بدنه هواپیما

اصابت صاعقه به آسفالت وسط اتوبان و ایجاد حفره ای عمیق

آسیب دیدگی و ترکیدگی بتون فونداسیون ساختمان در اثر اصابت صاعقه

  

آتشسوزی در ساختمانهای مسکونی ، حتی کم ارتفاع

بررسی تصویری اصابت صاعقه در طی یک ساعت در سطح آمریکا - هر نقطه آبی مشخص کننده اصابت یک صاعقه است

 

رنگهای صاعقه

صاعقه ها که می توانند رنگهای رنگین کمان را شامل شوند که این رنگها حاشیه ای بر رنگ سفید مرکزی هستند . این رنگها معمولاً شامل رنگ های آبی ، زرد و بنفش هستند .
رنگ صاعقه میزان حرارت آنرا تعیین می کند . بنفش خنک ترین و سرخ داغترین رعدوبرق ها هستند .
 
اما رنگ صاعقه به عوامل محیطی نیز بستگی دارد
 
بروز صاعقه آبی به معنی شرایط رگبار و تگرگ است .
بروز صاعقه قرمز به معنی بارش باران است .
بروز صاعقه زرد به معنی وجود گردوغبار زیاد در هوا است .
بروز صاعقه سفید به معنی خشکی و عدم رطوبت هواست و اغلب باعث آتش سوزی در جنگلها می شود .
 

صاعقه داغ و سرد

 
اکثر صاعقه ها در بازه زمانی در حدود چند میلی ثانیه اتفاق می افتند اما گاهی در طی یک یا چند صاعقه پی در پی ، جریان پیوسته ای در حدود 100 آمپر تامین می گردد . این نوع از صاعقه ها را اصطلاحاً صاعقه داغ می شناسند که اغلب باعث آتش سوزیهایی می گردد . اختلاف حرارت ناشی از صاعقه ها ی گرم و سرد ، از 8.300  تا 33000 درجه سانتیگراد متغیر است . این جریان پیوسته ، سالانه  باعث بیش از 10 هزار آتش سوزی در ایالات متحده می گردد .

شرایط جوی ایجاد صاعقه :

تحت شرایط اتمسفریک ، بارهای درون ابر یونیزه شده و از یکدیگر جدا می شوند. بدین صورت که بارهای منفی به سمت پایین ابر حرکت کرده و بارهای مثبت به سمت بالای ابر می روند و یا برعکس و پتانسیل الکتریکی درون بر به حدود میلیون ولت می رسد .

در سطح زمین نیز در یک شرایط مشابه ، این اثر با پلاریته مخالف ایجاد می شود . میدان الکتریکی بین قسمت پایین ابر و سطح زمین بسیار شدید گشته و یک تخلیه الکتریکی ایجاد می گردد که حاصل آن ، جریان رو به پائینی می باشد .وقتی این جریان تخلیه به سطح زمین می رسد ، یک جریان با بارهای مثبت رو به بالا ایجاد می نماید . وقتی این دو جریان با یکدیگر برخورد می کنند ، مدار تخلیه بسته گشته و جریان تخلیه ای بین 10 تا 200 کیلو آمپر تولید می شود .

   


حفاظت در برابر صاعقه :
برای ایجاد یک حفاظت مناسب ، نیاز به مجهز شدن به دو نوع حفاطت هستیم

 1 - حفاظت خارجی در برابر اصابت مستقیم صاعقه با استفاده از یکی از سه سیستم زیر :

2 - حفاظت داخلی در برابر اضافه ولتاژ حاصل از صاعقه در مجاورت یا بر روی هادیهای شبکه الکتریکی می باشد. حفاظت خارجی و داخلی نیازمند یک سیستم طمین مناسب جهت تخلیه جریانات صاعقه است .

حفاظت خارجی :

1 - میله صاعقه گیر:
Air Terminaion System

صاعقه گیر باید سایر نقاط موجود ساختمان را مورد حفاظت قرار دهد و وظیفه آن ، جلوگیری از برخورد صاعقه به ساختمان و تخلیه جریان ساعقه به زمین است . جهت نصب باید به این نکات توجه داشت : قرار دادن صاعقه گیر بر روی دکل مربوطه - استفاده از یک یا چند هادی میانی - یک گیره تست برای هر هادی میانی جهت اندازه گیری مقاومت زمین - فاصله هادی میانی از اجسام فلزی باید 2 متر باشد - سیستم طمین جداگانه برای هر هادی میانی - هم پتانسیل سازی چاههای ارت .

2 - سیستم ترمینال سیم هوایی
Wire Termination System

این نوع حفاظت بصورت استفاده از یک یا چند سیم هوایی در بالای ناحیه مورد حفاظت است .این سیم ها از طریق دکل هایی در دو طرف ناحیه مورد نظر قرار گرفته و از همان طریق نیز به زمین متصل میشوند .
نکات لازم : یک یا چند سیم هادی هوایی - دو دکل جهت مهار کردن سیم - سیستم زمین جداگانه برای هر هادی میانی - هم پتانسیل سازی سیستم های زمین .

3 - سیستم ترمینال مش
Mesh Air Termination System

این سیستم شامل چندین میله مهار شده و متصل به یکدیگر است که تمامی این میله ها توسط هادی بهم وصل شده و به زمین نیز متصل می شوند .
نکات لازم : چندین میله مهار شده - یک شبکه متصل شده به میله ها - برای هر میله نیاز به یک هادی میانی است - هر هادی میانی نیاز به یک چاه ارت جداگانه دارد - هم پتانسیل سازی سیستم های زمین .

انواع صاعقه گیر

صاعقه گیر ها  از نظر نحوه عملکرد ، به دو نوع اصلی تقسیم می شوند : فعال و غیر فعال

صاعقه گیر های غیر فعال ( Passive )

صاعقه گیرهایی که بر اساس شکل و خاصیت فیزیکی متضمن تشدید پدیده هایی مثل اثر میله نوک تیز ( Point Effect ) می ش.ند و در این مسیر هیچ عامل تشدید کننده ای غیر از شکل خاص آنها وجود ندارد . مثل میله ساده فرانکلین ، صاعقه گیر های ژوپیتر ، جوجه تیغی و ترمینال سیم هوایی ( سیم های معلق ) .

صاعقه گیر های فعال ( Active  )

صاعقه گیر هایی که به واسطه انرژی دریافت شده از منبع خارجی و یا تولید شده بصورت خودکفا ، اثر پدیده هایی مثل Point Effect یا Corona Effect را تشدید می نماید ، تنوع وسیعی دارند . از انواع آنها می توان اتمی - بادی - خورشیدی - برقی - خازنی و ... را نام برد .

وابسته یا خودکفا

از نظر نیاز به انرژی ، صاعقه گیر های فعال به دو گروه تقسیم می شوند . آنهائیکه برای فعال شدن به یک منبع خارجی مثل باتری یا برق شهر محتاج هستند و بدون آن نمی توانند کار کنند و گروهی که انرژی را توسط یک مکانیسم داخلی از محیط اطراف دریافت می نمایند . نوع اول را وابسته و نوع دوم را خودکفا می نامند .

انواع صاعقه گیر های خودکفا

1 - صاعقه گیر های اتمی

این گروه از صاعقه گیر ها که سابقاً ساخته می شد ، به هیچ وجه انرژی مصرفی را  از منبع خارجی تامین نمی کرد و لذا ضمن قدرت یونیزاسیون بالا ، شعاع حفاظتی وسیعی را فراهم می آورد .

دلیل حذف این نوع صاعقه گیر از مدار تولید و مصرف به قرار زیر هستند :

الف - یونیزاسیون هوای اطراف این نوع صاعقه گیر در تمام فصول و مواقع سال رخ می دهد . هیچ وابستگی به شرایط جوی و محیطی ندارد . نیمه عمر طولانی چشمه سزیم تداوم طول عمر دستگاه را سبب می شد اما محیط را در مواقع غیر ضروری با یونیزاسیون مداوم دچار آلودگی می نمود ( تشعشع رادیواکتیو برای موجودات زنده مضر است ، اگرچه هنوز وسعت این مضرات کاملاً مشخص نشده اما اجتناب از آن توصیه شده است ) .

ب - چون پدیده یونیزاسیون در این ابزار ارتباط با پیوند صحیح صاعقه گیر با زمین ندارد و عملاً به دلیل منشأ خاص ( عنصر رادیواکتیو ) انرژی آن از پدیده Point Effect نشأت نمی گیرد ( اگرصاعقه گیری با تشدید پدیده Point Effect فعال شود در صورت قطع مسیر هادی میانی و چاه ارت عملاً از کار می افتد و یونیزاسیون صورت نمی گیرد ) در صورت قطع مسیر چاه ارت یونیزاسیون ادامه دشته و صاعقه گیر بدون داشتن اتصال مناسب با زمین نقطه برتر دریافت صاعقه باقی می ماند و در صورت دریافت صاعقه ، بعلت نقص در مسیر تخلیه صاعقه گیر متلاشی شده و یا به اطراف جرقه جانبی پرتاب می نماید و موجب آتش سوزی می شود که این هر دو با هدف اولیه نصب صاعقه گیر منافات دارد و لدا همین عوامل سبب حذف آن از چرخه تولید و مصرف شد .

 

2 - صاعقه گیر های بادی یا پیزوالکتریک

این نوع صاعقه گیر از یک محفظه خالی با مسیر ورود و خروج دوکی شکل آیرو دینامیک ساخته شده که ورود و خروج هوا از آن طی یک سیکل و مسیر مشخص صورت می پذیرد و سبب ارتعاش یک الکترود عمودی می شود . الکترود موصوف به یک سلول پیزوالکتریک متصل است . نوسانات الکترود سبب ایجاد الکتریسیته ساکن در سلول می شود و این انرژی ذخیره شده بین الکترود و جداره خارجی صاعقه گیر تخلیه شده و سبب یونیزاسیون هوای اطراف خواهد شد . تکنیک فوق خودکفا اما بسیار حساس و آسیب پذیر است . چراکه ورود یک جسم خارجی و عدم خروج آن به سبب مسیر دوکی شکل خروجی ممکن است باعث انسداد مسیر و از کار افتادن دستگاه شود . ضمن اینکه وزش هر نوع باد ( که لزوماً صاعقه ای به دنبال ندارد ) باعث شارژ شدن بی مورد دستگاه و کاهش طول عمر سلول پیزوالکتریک و عملکرد ارتعاشی آن می شود .

3 - صاعقه گیر های خورشیدی

این نوع صاعقه گیر مجهز به باتری و تعدادی سلول خورشیدی دریافت کننده انرژی است که در تابش نور آفتاب سبب شارژ شدن باتری و ذخیره الکتریسیته ساکن در آنهاست . این انرژی بایستی در لحظه مناسب باعث تخلیه و یونیزاسیون هوا شود . صرف نظر از مکانیسم عمل آن ، این نوع صاعقه گیر ها هم بعلت وابستگی شدید به باتری ، فتوسل ( طول عمر باتری و زمان محدود ذخیره انرژی ) عملاً مکانیسم مناسبی برای تضمین ایمنی نیست چراکه هیچ اطمینانی وجود ندارد که هوای ابری و غیر آفتابی کمتر از ساعات شارژ ماندن باتری طول خواهد کشید و اگر بیشتر باشد ، قطعاً از صاعقه گیر فوق کاری ساخته نیست .

4 - صاعقه گیرهای الکترونیک خازنی - اتمسفریک

مکانیسم عملکرد این صاعقه گیر بر اساس وجود پتانسیل الکتریکی اتمسفر طراحی شده و در صورتی که شرایط جوی فاقد پتانسیل الکتریکی باشد این صاعقه گیر همانند یک برقگیر ساده است و فعالیتی ندارد . واحد حس کننده این صاعقه گیر وقتی انرژی الکتریکی اتمسفر فراتر از حد معینی ( مثلاً 5 کیلو ولت بر متر ) می رود ، واحد شارژ را برای جمع آوری انرژی بکار می اندازد . این واحد تا پر شدن خازنهای یک مدار الکترونیکی بکار ادامه می دهد . همین واحد وقتی میزان پتانسیل اتمسفر از حد معینی ( نزدیک به وقوع صاعقه مثلاً در حدود 100 کیلو ولت بر متر ) گذر نماید ، واحد شارژ دستور تخلیه خازنها را به الکترود میانی متصل به زمین می دهد . اینکار باعث یونیزاسیون هوای اطراف صاعقه گیر خواهد شد . اینکار بصورت متوالی تکرار شده و با افزایش پتانسیل اتمسفر شدت می یابد . روش عملکرد این نوع صاعقه گیر بعلت وابستگی مطلق به شرایط جوی صاعقه خیز بهترین کارآیی را داراست .

 

    

 

آدرس : ارومیه خیام جنوبی کوچه 23 شماره 31 طبقه اول  کدپستی " 14311-57146  تلفکس :  2249231- 0441   همراه :  09144405568  نادری

GEHamahang@yahoo.com            info@GEHamahang.com