صفحه اصلی     سرج ارستر     سیستم زمین    مجله ایران شماتیک      تماس با ما

 

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 ( نگاه فرکانسی به سیستم حفاظت در برابر صاعقه ) .

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

تاريخچه حفاظت در برابر صاعقه :

باورها و اعتقادات :

يونانيان باستان به خداي زئوس اعتقاد داشتند كه سلاح صاعقه در اختيار اوست .
در قرآن ( سوره جن ) آمده كه خداوند متعال براي جلوگيري از دستبرد شياطين به اسرار آسمانها ، آنها را با صاعقه دور مي كند .

 

وجود برقگيرهايي در مناطق باستاني كرت ، هند ، مصر و فلسطين و توانايي انسان باستاني در انتقال نيروي الكتريكي صاعقه براي روشن كردن محراب معابد و احتمالات درخصوص اينكه آيا فانوس دريايي اسكندريه توسط انر‍ژي الكتريكي روشن بوده است يا خير بيانگر درك انسان باستاني از انرژي الكتريكي صاعقه و روشهاي انتقال و مهار نمودن آن مي باشد . در زير تصاويري از اين مكانها را مشاهده مي كنيد .

حجاري هاي ايجاد شده بر روي ديوار هاي پرستشگاههاي مصريان و استفاده از ميله هاي برقگير باعث حفاظت محل و نشانه قدرت بخشي به پرستشگاه بوده است .

پس از بازسازي محوطه ، جزئيات بدست آمده بيانگر وجود  ميله هاي نوك تيز در نما بوده كه جهت انتقال انرژي الكتريكي طبيعي به داخل پرستشگاه براي قدرت بخشي به آن ، سه هزار سال قبل از بنجامين فرانكلين مورد استفاده قرار مي گرفته است .

در تصويري  از كوهستان مقدس تمدن Minoan (مربوط‌ به تمدن‌ باستان‌ عصر مفرغ‌ جزيره‌ كرت‌ ) برقگير هاي نوك تيز مشاهده مي شوند .

از طرفي در مورد معبد سليمان در فلسطين اشغالي ، در هيچ جاي تاريخ خبري از اصابت صاعقه به آن خبري ثبت نشده است . Josephus  تاريخ نگار يهودي ( Josephus Flavius ) درخصوص علت اين پديده مي گويد بر روي گنبد اين معبد شاخه هايي از طلا ايجاد شده كه توسط اتصالاتي از اين فلز با هدايت الكتريكي بالا بهم وصل شده اند . اين رشته ها به گوشه هاي معبد متصل و از آن نقاط به زمين متصل گرديده اند .

براي مشاهده متن كامل به ويژه نامه شماره 3 مجله الكترونيكي ايران شماتيك مراجعه فرمائيد ( بزودي ) .

 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

در اول سپتامبر 1939 ، اصابت صاعقه در منطقه اي در شمال غربي ايالت يوتا باعث تلف شدن 835 گوسفند شد . بعلت بارش باران و رطوبت خاك ، انتقال جريانات الكتريكي صاعقه در مسير  اين گله باعث تلف شدن گوسفندان شده بود . صبح روز بعد بيش از 50 گوسفند را زنده اما درحالت گيجي پيدا كردند . چوپان با اينكه داخل چادر حضور داشته اما با اصابت صاعقه دچار بيهوشي موقت شده و از مرگ نجات يافته است . با مشاهده سوختگي هاي شديد بر روي چادر برزنتي ، مشخص مي شود كه يك مانع نازك باعث شده كه او به سرنوشت گوسفندان دچار نشود .

 

  

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

       

کلیسای Eastern maudit  در انگلستان ( تصوير سمت چپ ) 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

اصابت صاعقه و تخريب بخشي از موزه شهر سنت لويس

اصابت صاعقه به چراغ دكل و تخريب حباب شيشه اي آن

آتش سوزي و تخريب مخازن سوخت در اثر اصابت صاعقه

  

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 بال و بدنه هواپیما

اصابت صاعقه به آسفالت وسط اتوبان و ایجاد حفره ای عمیق ( هميشه بلندترين نقطه مورد اصابت قرار نمي گيرد ) .

آسیب دیدگی و ترکیدگی بتون فونداسیون ساختمان در اثر اصابت صاعقه ( اشكال استفاده از بدنه فلزي ساختمان بعنوان هادي مياني صاعقه گير )

  

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 .

روشهاي فوق متعاقباً به تفصيل تشريح خواهند گرديد .

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 شوند 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 یا رادیواکتیو

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 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 . نمونه هایی از این صاعقه گیرها با ترکیب انواع خورشیدی ( سولار ) و بادی ( پیزوالکتریک ) عملکرد دستگاه را بهبود بخشیده اند .

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 .

نقشه فراواني استفاده از صاعقه گيرهاي الكترونيك خازني در سطح جهان

نام اصلي اينگونه صاعقه گير ها ( ESE  ( Early Streamer Emission مي باشد . اساس كار اينگونه صاعقه گيرها بدينصورت است كه با ايجاد گوي يونيزه شده در اطراف صاعقه گير ، جريانات صاعقه امكان اصابت به محدوده داخلي را نداشته و به جلد خارجي اين گوي اصابت مي كنند .

زمان فعال سازي يا Advanced Time  كه با DT شناخته مي شود عبارتست از زماني كه صاعقه گير سريعتر از يك برقگير معمولي عمل مي كند . با توجه به اينكه سرعت جريان بالارونده درحدود يك ميكروثانيه در متر مي باشد ( هرچند در روشهای ثبت سرعت صاعقه به روشهای اپتیک ، همیشه این مقدار صادق نبوده و سرعتهای بسیار کمتری هم ثبت شده که این یکی از مواردیست تا منتقدین این سیستم ها بر آن استناد کنند ) لذا پارامتر ديگري به نام DL مطرح مي گردد كه عبارتست از شعاع گوي يونيزه شونده . بر اساس مطالب فوق صاعقه گيري با زمان فعال سازي 30 ميكروثانيه ، داراي شعاع گوي يونيزه شونده 30 متري مي باشد .

كلاس حفاظتي صاعقه :

كلاس حفاظتي عبارتست از تعيين محدوده اي كه در آن احتمال برخورد صاعقه مستقيم ، مطابق با درصد معيني مي باشد . بر اساي استاندارد NFC17 102  سه كلاس حفاظتي در نظر گرفته مي شود . كلاس يك كه بيشترين سطح حفاظتي را دارد ، در آن 98 درصد حفاظت در نظر گرفته مي شود و به ترتيب براي كلاس هاي 2 و 3 مقادير 95 و 90 درصد محاسبه شده است . البته در استاندارد جديد CTE SU 8 ، اين 3 كلاس به چهار كلاس افزايش يافته و براي كلاسهاي يك تا چهار به ترتيب 98 ، 95 ، 90 و 80 درصد حفاظت در نظر گرفته مي شود .اما كلاس حفاظتي نكته ديگري را نيز بيان مي كند و آن توانايي تامين جريان توسط صاعقه است . بدين معني كه صاعقه هاي اصابت كننده در كلاس های مختلف توانایی ایجاد حریانهایی در محدوده جدول زیر خواهند داشت  .

نکته : در نسخه جدید استاندارد NF C 17 102:2011 که در آن بصورت تخصصی در مورد سیستم حفاظت در برابر صاعقه به روش اکتیو صحبت شده است ، بهبود کلاس حفاتی را به حصول شرایطی منوط کرده است .بدینصورت که اگر در سیستم حفاظت در برابر صاعقه ای در کلاس یک ؛ هادی های نزولی در بالا و پائین ساختمان ، به اسکلت فلزی و یا میلگردهای همبندی شده داخل بتن همبند شوند ، کلاس حفاظتی به یک سطح بالاتر ارتقاء پیدا می کند که بصورت +I نمایش داده می شود . اما درصورتیکه در کلاس حفاظتی +I ، از شعاع تعیین شده توسط جدولهای موجود به میزان 40 درصد کم کنیم و همچنان ساختمان در محدوده پوشش حفاظتی صاعقه گیر فعال قرار گیرد ، کلاس حفاظتی به کلاس ++I ارتقاء خواهد یافت .

تعیین شعاع حفاظتی صاعقه گیرهای اکتیو :

برای تعیین شعاع حفاظتی صاعقه گیر فعال براساس استاندارد NF C17 102:2011 نیاز است نوع صاعقه گیر ( برای تعیین ∆ ) ، کلاس حفاظتی ( r که شعاع گوی متناظر با هر کلاس حفاظتی می باشد ) و ارتفاع نصب صاعقه گیر ( h ) لازم می باشد . صاعقه گیر باید حداقل دو متر بالاتر از کلیه تجهیزات تصب شود . پس برای ارتفاع های بین دو تا پنج متر از معادله 1 و برای ارتفاع های بیشتر از رابطه 2 استفاده می شود .

در نتیجه محاسبه روابط بالا ، منحنی ای به شکل زیر ایجاد می شود که تعیین کننده محدوده شعاع حفاظتی متناظر با فرضیات ما خواهد بود .

تعيين شعاع حفاظتي به روش پسيو :

بر اساس استاندارد IEC62305 براي تعيين شعاع حفاظتي روشهاي مختلفي وجود دارد كه مشخصات كلاس حفاظتي ، ارتفاع سازه ، نوع برقگير ( اكتيو يا پسيو ) در تعيين آن درنظر گرفته مي شوند .

روشهاي حفاظت ( Protection Methods ) عبارتند از :

مخروط فرانكلين يا روش زاويه ( Angle Method ) : در اين روش محدوده اي مخروطي بر اساس جدول و شكل زير كه زاويه راس آن بستگي به ارتفاع سازه دارد ايجاد مي شود كه محدوده حفاظتي بحساب مي آيد . همانطور كه مشاهده مي كنيد اين روش براي سازه هاي مرتفع تر از 20 متر براي كلاس يك پاسخگو نيست .

ميله هاي برقگير بايد در بلندترين نقاط ساختمان بنحوي قرار گيرند كه گوشه هاي ساختمان بكلي محافظت شوند . در اينحالت بر اساس ارتفاع نوك برقگير ، شعاع حفاظتي در پاي ساختمان را نتيجه مي دهد .

روش گوي غلتان ( Rolling Sphere Method ) : در اين روش گوي هايي با شعاع هايي متناظر با كلاس هاي حفاظتي در نظر گرفته مي شود ( اين شعاع D عبارتست از فاصله آخرين استپ از ليدر پائين رونده ) كه شعاع حفاظتي ، محدوده زير منحني نقاط تلاقي كره با نوك برقگير و زمين مي باشد ( احتمال اصابت صاعقه تنها به نقاطي وجود دارد كه با كره تلاقي دارند  ) .

وقتي كه برقگير پسيو نصب شد ، شعاع حفاظتي بر اساس فرمول زير محاسبه مي گردد

روش قفس فارادي (Mesh Method ) :  در اين روش تسمه هاي مسي را بصورت متقاطع به نحوي بر روي سطح خارجي ساختمان نصب مي كنند كه فاصله اين تسمه هاي مسي ، متناظر با اعداد مرتبط با كلاس حفاظتي است . براي ساختمان هاي مرتفع تر از 60 متر ، براي 20 درصد ديوارهاي بخش بالايي ساختمان نيز اين روش اجرا ميگردد .

همچنين فاصله بين هادي هاي نزولی از جدول زير بدست مي آيد .

هادي هاي نزولی بايد هر سی سانتیمتر توسط بست به جداره ساختمان محكم شوند .
به منظور جلوگيري از خسارتهاي ناشي از اثرات حرارتي عبور جريان صاعقه از هادي مياني طولاني لازم است هر 20 متر بخشي به منظور جبران اين اختلاف طول در نظر گرفته شود .
به منظور جلوگيري از صدمات مكانيكي به هادي مياني ، حداقل سطح 20 متر پائيني هادي مياني با پوشش فلزي پوشانده شود .
بخش جداشونده اي براي هر هادي مياني در نظر گرفته شود تا بتوان مقاومت هريك از سيستم هاي ارت را جداگانه اندازه گيري نمود .
مقاومت كمتر از 10 اهم براي سيستم ارت توصيه مي گردد .
بمنظور جلوگيري از خوردگي ، بخش متصل كننده بخشهاي غير همجنس سيستم ارت ، توسط اتصالات بيمتال و يا استيل ضدزنگ متصل شوند .

سیستم های ایزوله و غیر ایزوله :

در سیستم ایزوله ، صاعقه گیر جایی خارج از ساختمان بعنوان مثال بر روی دکلی با فاصله از ساختمان مورد حفاظت نصب می شود . اما در سیستم غیر ایزوله ، صاعقه گیر و هادی های نزولی بر روی ساختمان مورد حفاظت نصب می شوند .

تعیین تعداد هادی های نزولی :

بر اساس استاندارد IEC 62305:2010 و NF C17 102:2011 حداقل تعداد هادی های نزولی در سیستم غیر ایزوله دو رشته تعیین شده که از دو طرف سازه و حتی الامکان از گوشه ها بسمت پائین هدایت می شوند . البته تحت شرایطی می توان از بخشهای فلزی سازه بعنوان یکی از این هادی های نزولی بهره برد ( توضیح ). در استاندارد NFPA 780:2017 که استاندارد حفاظت در برابر آتشسوزی ایالات متحده می باشد برای تعیین تعداد هادی های نزولی روشی آرده شده است که بدینصورت تعیین می شود . با تعیین محیط ساختمان در صورتیکه محیط کمتر از 76 متر باشد از حداقل دو رشته هادی نزولی استفاده می شود و به ازای هر 30 متر افزایش این محیط ، یک رشته به تعداد هادی های نزولی افزوده می شود . بعنوان مثال ساختمانی با محیط 109 متر ، نیاز به حداقل چهار رشته هادی نزولی دارد . در سیستم های ایزوله حداقل به یک رشته هادی نزولی نیاز است و درصورتیکه بدنه محل نصب فلزی بوده ( بعنوان مثال بر روی دکل فلزی نصب شده باشد ) و پیوستگی لازم را داشته باشد ، میتوان از بدنه سازه بعنوان هادی نزولی بهره برد .

نگاه فرکانسی به سیستم حفاظت در برابر صاعقه :

شاید شنیده باشید که در اثر بروز صاعقه ، جریانهای بالا در ولتاژ های بسیار بالا در محل تخلیه ایجاد می شوند . اما این ولتاژ ها در چه محدوده فرکانسی ظهور پیدا می کنند ؟ از آنجا که ماهیت ایجاد این ولتاژ های عظیم ، سایش مولکوهای آب در اثر حرکت جریانهای هوای گرم و سرد در ابر ها بوده و این انرژی الکتریکی بصورت الکترواستاتیکی است ، فرکانس در این منظر چگونه نمود پیدا می کند ؟ بعبارتی در چه مرحله ای این فرکانسها ایجاد می شوند ؟

برای توضیح این موضوع لازمست شکل موج حریان تخلیه صاعقه را مورد بررسی قرار دهیم .

با توجه به مشخصات شکل موج جریان صاعقه می توان آنرا تابع ضربه بحساب آورد . شکل موجی که در زمان ده میکروثانیه به دامنه یکصد کیلوآمپری میرسد . سیگنالی با دامنه بسیار زیاد که در زمان بسیار اندکی اتفاق افتاده است . از آنجائیکه وقتی تابع ضربه ای در بعد زمان اتفاق می افتد ، در بعد فرکانس همه فرکانسها تولید می شوند ، ایجاد جریان شدید ضربه ای صاعقه در هادی نزولی را میتوان منشاء ایجاد طیف وسیعی از فرکانسها در مسیر تخلیه بحساب آورد . از لحاظ تئوری ، کل طیف فرکانسی در لحظه ایجاد شده و به تعبیری نویزی سفید تولید می شود . اما از آنجائیکه انتشار و یا جریان یافتن این فرکانسها در هادی نزولی مستلزم شرایط خاصی برای هر محدوده از فرکانس می باشد ، بخش عمده این فرکانسها در ابتدای مسیر تشعشع کرده و هادی نزولی را ترک می کنند و در اصل عمده حریاناتی که در هادی نزولی جریان می یابند ، فرکانسهای پائینتر هستند . به این نکته هم توجه باید کرد که نور نیز از جنس امواج الکترومغناطیسی بوده و حداقل در حالت تئوریک ، در لحظه اصابت صاعقه ایجاد و منتشر می شود .

 

توضیح : در  Time Domain نگاه زمانی وجود دارد و سیگنال بر اساس گذر زمان نشان داده می شود شکلی که در دستگاه اسیلوسکوپ مشاهده می کنیم اما Frequency Domain حالتی را نشان می دهد که در محور افقی فرکانس های مختلف را داریم چیزی که در دستگاه اسپکتروم آنالایزر نمایش داده می شود . در نگاه فرکانسی ، فرکانسها در لحظه نمایش داده می شوند نه سیر تغییرات زمانی . در تصویر زیر بسادگی تفاوت این دو نگاه را مشاهده می کنید .

برای آزمایش ساده این اثر ، یعنی ایجاد نویز سفید در اثر تابع ضربه ، میتوان رایویی را در کنار کلید برق قرار داد . همین که کلید زنی اتفاق می افتد ، صدایی از رادیو بر روی موج اصلی شنیده می شود . یعنی فرکانسی در این محدوده ایجاد شد . با تغییر موج رادیو و تکرار کلید زنی به این نتیجه خواهیم رسید که فرکانس در کل طیف فرکانسی ایجاد می شود .

تفاوت صاعقه گیرهای الکتریکی و خازنی :

در صاعقه گیر های خازنی همانطور که از اسمشان پیداست ، تامین کننده انرژی برای یونیزه کردن محیط اطراف صاعقه گیر توسط خازنی انجام می شود یعنی با افزایش سطح میدان الکتریکی در اثر فعالیت ابرها ، خازن داخلی شروع به شارژ شدن کرده و محیط اطراف خود را یونیزه می کند  اما در انواع صاعقه گیرهای الکترونیکی ، باتری تعبیه شده در آن عمل یونیزاسیون را بر عهده دارد و دارای عمر مشخصی است .

شمارنده های تعداد اصابت صاعقه :

بر اساس استاندارد ، بعد از هر اصابت صاعقه به سیستم حفاظتی ، برای برطرف کردن صدمات ایجاد شده احتمالی ، لازم است سیستم سریعاً بررسی شود و تعبیه کنتور در مسیر هادی نزولی صاعقه گیر می تواند بصورت دقیق تعیین کنه که اصابتی صورت پذیرفته یا خیر . این شمارنده در ارتفاع دو متری از سطح و در مسیر هادی نزولی قرار می گیرد .

شمارنده ها معمولا تغذیه خود را از جریان عبوری تامین می کنند ولی انواعی از شمارنده ها ارائه شده اند که علاوه بر ثبت اصابت صاعقه مشخصات مهمی مثل پلاریته صاعقه ، پیک جریان آن ، تاریخ ، ساعت و مقدار انرژی تخلیه شده را نیز ثبت می کنند و امکان استخراج این اطلاعات توسط درگاه یو اس بی تعبیه شده وجود دارد . این نوع از شمارنده ها تغذیه خود را از باتری تعبیه شده در خود تامین می کنند . در تصاویر بالا انواع بدون تغذیه خارجی و در زیر نمونه هایی از شمارنده هایی با تغذیه خارجی را مشاهده می کنید .

شمارنده سری AT-LOGGER نصب شده  به همراه  تجهیزات جانبی

نمونه ای از اطلاعات استخراج شده از شمارنده صاعقه سری AT-LOGGER

 

صفحه اصلی     سرج ارستر     سیستم زمین    مجله ایران شماتیک      تماس با ما

اطلاعات این صفحه بتدریج تکمیل و بروزرسانی می شود . با ماه همراه باشید
تاریخ آخرین بروزرسانی : چهاردهم شهریور نود و هشت