محافظ‌های ولتاژ - تجهیزات حفاظت اضافه ولتاژ SPD

اولین مرجع آزمایش‌های مرتبط با صاعقه، آزمایش بادبادک بنجامین فرانکلین در سال ۱۷۶۲ بود. فرانکلین یک میله فلزی را روی بادبادک قرار داد و انتهای آن را به یک کلید فلزی متصل کرد. جریان صاعقه از طریق میله فلزی به کلید فلزی و سپس به زمین منتقل شد و به این ترتیب سیستم برق‌گیر کشف شد.

 

اما آیا سیستم برق‌گیر برای محافظت از دستگاه‌های الکترونیکی متصل به شبکه در برابر صاعقه کافی است؟

 

در این نقطه باید اصول عملکرد و محافظت سیستم برق‌گیر و پرافود را توضیح داد.

 

سیستم برق‌گیر در هنگام برخورد صاعقه، جریان آن را از طریق میله فلزی جذب کرده و به زمین منتقل می‌کند، بنابراین از آسیب صاعقه به تأسیسات جلوگیری می‌شود. برق‌گیر به‌عنوان محافظ خارجی در برابر صاعقه شناخته می‌شود و از آتش‌سوزی‌های ناشی از صاعقه جلوگیری می‌کند. با این حال، صاعقه تا شعاع ۲ کیلومتری از محل برخورد تأثیر می‌گذارد و باعث خرابی یا سوختن دستگاه‌های الکتریکی در آن محدوده می‌شود.

 

پرافود عنصری است که از دستگاه‌های متصل به شبکه، خود شبکه و تأسیسات در برابر ضربه‌های ناشی از صاعقه (ضربه‌هایی که وارد شبکه می‌شوند) و ضربه‌های ناگهانی داخلی محافظت می‌کند. پرافودها دو نوع محافظت را انجام می‌دهند:

 

۱- محدود کردن ولتاژ بیش از حد به سطح ولتاژ Up اعلام‌شده روی پرافود و محافظت در برابر آن

 

۲- انتقال جریان بیش از حد از طریق عناصر محافظ داخلی به زمین

 

 

نکته مهم این است که در پرافودهایی که محافظ نول ندارند، همان‌طور که در شکل ۱ دیده می‌شود، جریان ضربه‌ای ایجادشده در خط فاز به‌دلیل فناوری داخلی پرافود مانند اتصال کوتاه بین فاز و نول عمل کرده و از طریق نول به شبکه بازمی‌گردد. اما در پرافودهایی که دارای محافظ نول-زمین هستند (شکل ۲)، جریان بیش از حد به زمین منتقل شده و محافظت ایمن‌تری فراهم می‌شود.

 

برای محافظت مؤثر در برابر ضربه، ابتدا باید شرایط فیزیکی منطقه محافظت‌شده (ارتفاع، وجود و موقعیت سیستم برق‌گیر، فاصله تا پست‌های ترانسفورماتور) و نوع سیستم مورد محافظت (روشنایی، صنعتی، سیستم‌های ارتباطی، خطوط دیتا، سیستم‌های DC و...) مشخص شود.

 

سیستم‌هایی که برای محافظت در برابر صاعقه و جریان‌های ضربه‌ای باید استفاده شوند عبارت‌اند از:

 

سیستم زمین‌کردن هم‌پتانسیل: در این سیستم، تمام زمین‌کردن‌ها با شینه‌های هم‌پتانسیل به هم متصل شده و از اختلاف پتانسیل بین دو نقطه جلوگیری می‌شود.

 

محافظت خارجی در برابر صاعقه: از برخورد مستقیم صاعقه جلوگیری کرده و انرژی آن را به زمین منتقل می‌کند.

 

زمین‌کردن

 

محافظت داخلی در برابر صاعقه: همان‌طور که گفته شد، انرژی صاعقه پس از رسیدن به زمین تا شعاع ۲ کیلومتری تأثیر می‌گذارد و باعث خرابی دستگاه‌های الکترونیکی متصل به شبکه می‌شود. علاوه بر این، تنها عامل خرابی دستگاه‌ها، جریان و ولتاژ بیش از حد ناشی از صاعقه نیست؛ بلکه هارمونیک‌ها و عناصر کلیدزنی نیز می‌توانند باعث نوسانات ناگهانی ولتاژ شوند. در این نقطه، استفاده از سیستم محافظت داخلی (پرافودهای ولتاژ پایین) اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

فناوری‌های اصلی مورد استفاده در پرافودها:

 

فناوری MOV: MOV (وارستور اکسید فلزی) یک عنصر غیرخطی مقاومتی است. با تغییر ولتاژ سیستم، مقاومت وارستور نیز تغییر کرده و جریان عبوری را کنترل می‌کند. یعنی وارستور یک عنصر کنترل‌شده با ولتاژ محسوب می‌شود. در تصویر زیر، وارستور در ولتاژ کمتر از سطح مشخص‌شده، مقاومت بالایی داشته و مانند مدار باز عمل می‌کند و اجازه عبور جریان را نمی‌دهد. اما زمانی که ولتاژ سیستم از ولتاژ وارستور عبور کند، مانند اتصال کوتاه عمل کرده و تمام جریان را عبور می‌دهد.

 

 

به‌دلیل زمان پاسخ بسیار کوتاه وارستورها (حدود ۲۰ نانوثانیه)، این فناوری در دستگاه‌های محافظت در برابر صاعقه برای انتقال جریان بیش از حد به زمین ترجیح داده می‌شود.

 

لوله تخلیه گاز:

 

از دو الکترود رسانا تشکیل شده که با فضای پرشده از گاز از هم جدا شده‌اند. برای رسانا شدن لوله، الکترون داخل آن باید به انرژی کافی برسد. زمانی که اختلاف پتانسیل بین رساناها از ولتاژ شکست گاز عبور کند، الکترون آزاد با مولکول‌های گاز برخورد کرده و گاز را یونیزه می‌کند. گاز یونیزه‌شده مقاومت الکتریکی را به‌شدت کاهش می‌دهد. به این ترتیب، جریان پیک ۸/۲۰ میکروثانیه از مسیر با امپدانس پایین به زمین منتقل شده و از آسیب به دستگاه‌ها جلوگیری می‌شود.

 

توضیحات پارامترهای فنی:

 

ولتاژ نامی (Un): ولتاژی که پرافود در شرایط عادی تحت آن کار می‌کند.

 

جریان تخلیه نامی (In): حداکثر جریان تخلیه‌ای که پرافود می‌تواند بدون آسیب، حدود ۲۰ بار و با شکل موج ۸/۲۰ میکروثانیه تحمل کند.

 

حداکثر جریان تخلیه (Imax): حداکثر جریان تخلیه‌ای که پرافود می‌تواند با شکل موج ۸/۲۰ میکروثانیه بدون آسیب تحمل کند.

اگرچه برای Imax و In از یک شکل موج صحبت می‌شود، Imax مقدار نهایی قابل تحمل بدون آسیب است، در حالی که In باید به‌گونه‌ای باشد که پرافود بتواند آن را ۲۰ بار تحمل کند.

 

حداکثر ولتاژ کاری (Uc): ولتاژی که در حالت محافظت، می‌توان به‌طور دائم به پرافود اعمال کرد. این مقدار باید حداقل ۱۰٪ بیشتر از ولتاژ نامی (Un) باشد.

 

سطح محافظت ولتاژ (Up): ولتاژی که پرافود در هنگام ضربه آن را کاهش می‌دهد.

 

جریان تخلیه ضربه‌ای (Iimp): مقدار پیک جریان موج صاعقه ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه را نشان می‌دهد. پرافود باید بتواند تمام جریان‌های صاعقه تا مقدار Iimp را به‌طور ایمن به زمین منتقل کرده و ولتاژ بیش از حد را به سطح Up کاهش دهد.

 

ویژگی‌های ضربه‌ای:

 

مقادیر محافظت جریان در پرافودها بر اساس شکل موج اعلام می‌شوند. اما منظور از شکل موج ۱۰/۳۵۰ یا ۸/۲۰ میکروثانیه چیست؟

 

۱۰/۳۵۰ میکروثانیه نماد ضربه صاعقه است؛ در ۱۰ می