سرج ارستر - Surge Arrester

راهنمای انتخاب سرج ارستر مناسب

تجهیزات الکترونیکی امروزه بیشتر و بیشتر در معرض آسیب های ناشی از ولتاژهای سرج هستند. کوچک شدن برد تجهیزات الکترونیکی و عناصر تشکیل دهنده آن (نیمه هادی ها و...) و همچنین کاهش فاصله عایقی آن ها باعث افزایش حساسیت و آسیب پذیری این قطعات نسبت به اضافه ولتاژها شده است. ولتاژهای سرج در اثر تخلیه صاعقه در محلی دورتر یا عملیات سوییچینگ در سیستم های الکتریکی بزرگ به وجود می آیند. تجربه نشان داده است که تخلیه صاعقه تا فاصله 2 کیلومتری می تواند برای تجهیزات الکترونیکی خطر آفرین باشد. طی رخداد های صاعقه نیز حجم زیادی از انرژی در یک لحظه ی خیلی کوتاه آزاد می شود. این پیک های ولتاژ قادرند علیرغم تمام اتصالات هادی که ایجاد شده است در یک ساختمان نفوذ کنند و باعث ایجاد خسارات شدیدی شوند. استانداردها ماکزیمم جریان مورد انتظار برای یک صاعه را 200 کیلو آمپر تعیین کرده اند. فرض شده که %50 این جریان از طریق سیستم ارتینگ به زمین منتقل و %50 بقیه در همان زمان از مسیر خطوط هادی برق و یا مخابراتی و احیانا از طریق لوله های آب، استراکچر فلزی ساختمان و تاسیسات فلزی، وارد ساختمان می شوند. حفاظت موثر از تجهیزات داخل ساختمان در مقابل ولتاژهای القایی حاصله وقتی امکان پذیر است که کلیه سیستم های حفاظت داخلی همراه با حفاظت خارجی ساختمان تواما نصب شده باشند. حفاظت داخلی از صاعقه عبارتست از تهیه وسائلی که به کمک آن ها بتوان اثرات اضافه ولتاژهای القایی حاصل از جریان های صاعقه را بر روی تجهیزات داخل ساختمان خنثی کرد.

انواع اضافه ولتاژ  

1. اضافه ولتاژهای فوق گذرا : اضافه ولتاژهایی هستند که در زمان بسیار کوتاه در حد میکروثانیه رخ می دهند و تنها راهکار حفاظت در برابر آن نصب ارسترهای حفاظتی می باشد. تنها بخشی از این اضافه ولتاژها در اثر صاعقه پدید می آید و بخش عمده آن ها ناشی از عملیات سوییچینگ و حوادث تغذیه می باشند.
2. اضافه ولتاژهای گذرا : اضافه ولتاژهایی هستند که به صورت نوسان فرکانسی ولتاژ و در مدت زمان طولانی تر از حالت اول رخ می دهند و معمولا در حد چند میلی ثانیه می باشند. ارسترهای حفاظتی نمی توانند نقش خاصی در حفاظت از این پدیده داشته باشند.

انواع حفاظت

به منظور جلوگیری از آسیب های ولتاژ سرج ، دو نوع حفاظت را اعمال می کنیم

1. حفاظت اولیه : به منظور جلوگیری از خطر برخورد مستقیم صاعقه به ساختمان و تاسیسات که می تواند منجر به تخریب فلزی، آتش سوزی و تلفات انسانی گردد از سیستم صاعقه گیر استفاده می کنند.
2. حفاظت ثانویه (داخلی) و سرج ارستر : حفاظت ثانویه دومین مرحلی از حفاظت در برابر اضافه ولتاژها و اضافه جریان های ناشی از صاعقه و سوییچینگ می باشد که توسط سرج ارستر (برقگیر) انجام می گیرد.

سرج ارستر یا برقگیر

وسیله ایست که در شبکه های الکتریکی برای تجهیزات در مقابل صدمات ناشی از اضافه ولتاژها و اضافه جریان های ناگهانی همچون صاعقه بکار برده می شود. برقگیر در مقابل اضافه ولتاژهای معمولی یک مقاومت بسیار بزرگ و در حد عایق و در مقابل اضافه ولتاژهای آنی مقاومت بسیار کمی از خود نشان داده و این اضافه ولتاژها و جریان ها را به سمت زمین هدایت می کند.

موج هایی که توسط عمل سوییچینگ ایجاد می شوند از شکل موج 8/20 میکروثانیه (موج جریان در 8 میکروثانیه به %90 مقدار حداکثر جریان تخلیه تعیین شده می رسد و پس از گذشت 20 میکروثانیه جریان تخلیه به نصف مقدار حداکثر کاهش می یابد) و موج هایی که توسط صاعقه مستقیم ایجاد می شوند از شکل موج 10/350 میکروثانیه پیروی می کنند (موج جریان در 10 میکروثانیه به مقدار حداکثر جریان تخلیه تعیین شده می رسد و پس از گذشت 350 میکروثانیه جریان تخلیه به نصف مقدار حداکثر کاهش می یابد).

Zone بندی سرج ارسترها

به منظور کاهش تدریجی و مرحله ای ولتاژهای صاعقه و سرج، تا رساندن ولتاژ به حد مناسب و بی خطر برای تجهیزات برقی و الکترونیکی، ساختمان و تاسیسات را به نواحی حفاظتی صاعقه (LPZ) تقسیم می کنند. در مرز هر ناحیه ارسترهای مناسب جهت جذب و تخلیه ولتاژهای صاعقه و سرج نصب می گردند که با هم پتانسیل سازی موجب جلوگیری از آسیب دیدن تجهیزات می شوند.

• LPZ 0_A : این ناحیه حفاظت نشده در خارج از ساختمان/تاسیسات می باشند. در این ناحیه هیچ حفاظتی در مقابل برخورد مستقیم صاعقه و همچنین هیچ اقدام حفاظتی در مقابل القای الکترومغناطیسی ناشی از تخلیه صاعقه انجام نشده است.
• LPZ 0_B : این ناحیه توسط سیستم حفاظت از برخورد مستقیم صاعقه (حفاظت پیرامونی) حفاظت شده است. در این ناحیه هیچ اقدامی جهت حفاظت در مقابل القای الکترومغناطیسی ناشی از تخلیه صاعقه انجام نشده است.
• LPZ 1 : این ناحیه داخل ساختمان/تاسیسات می باشد که در این ناحیه احتمال وجود انرژی اثرات صاعقه به مقدار کم داده می شود.
• LPZ 2 : این ناحیه داخل ساختمان/تاسیسات می باشد که در این ناحیه ولتاژهای صاعقه و سرج به مقدار بسیار کم وجود دارد.
• LPZ 3 : این ناحیه، ناحیه داخل ساختمان/تاسیسات می باشد که همچنین میتواند تجهیزاتی باشند که در داخل یک محفظه فلزی قرار گرفته اند. مانند تجهیزات داخل رکهای فلزی که در این ناحیه هیچ نفوذی از القای الکترومغناطیسی ناشی از تخلیه صاعقه وجود ندارد.

کلاس بندی برقگیرها

سرج ارسترها به سه نوع کلاس تقسیم می شوند :

• کلاس B – کلاس 1 : در ورودی ساختمان به کار میروند. اتصال آن به خطوط برق خارج از ساختمان به صورت موازی است. در این نوع ارسترها قابلیت تخلیه جریان مستقیم صاعقه با شکل موج 10/350 میکروثانیه را دارند.
• کلاس C – کلاس 2 : در تابلوی اصلی و فرعی به کار میرود. این تجهیزات باید قبل از RCD به کار روند، چرا که در غیر این صورت RCD جریان سرج را به عنوان جریان باقیمانده خواهد دید و مدار را قطع خواهد کرد. این ارسترها معمولا اثرات باقیمانده از سرجی که در مراحل قبل با استفاده از نصب ارستر کلاس B تضعیف شده و یا سرج های القا شده با شکل موج 8/20 میکروثانیه را نیز محدود می کنند.
• کلاس D – کلاس 3 : برای حفاظت در برابر کوپلینگ القایی و سرجهای سوییچینگ در مدار دستگاههای نهایی (قبل از پریز برق) با شکل موج ترکیبی 8/20 میکروثانیه جریان و 1.2/50 میکروثانیه ولتاژ استفاده میشود. این ولتاژهای سرج عمدتا بین کابل فاز (L) و نول (N) رخ میدهند. مدار Y از خطوط L و N با مدارات وریستوری حفاظت کرده و از طریق اسپارک گپ به خط PE وصل میشود. به لطف حضور این مدار حفاظتی، ولتاژهای سرج بدون این که RCD مدار را قطع کند، گرفته میشوند.
• کلاس B+C – کلاس 2+1 : برقگیرهای شامل این کلاس در تجهیزات داخلی ساختمان قرار می گیرند.

نحوه انتخاب و نصب ارسترهای حفاظتی

انتخاب ارسترهای حفاظتی و هماهنگی بین آن ها همواره باید با توجه به مشخصات فنی ارسترها، تجهیزات مورد حفاظت و شرایط نصب صورت پذیرد. در این راستا مراحل زیر پیشنهاد می گردد

1. انتخاب ارستر حفاظتی کلاس B در نقطه ورودی خطوط تغذیه به ساختمان در تابلوی اصلی.
2. بررسی سطح ولتاژ حفاظتی ارستر حفاظتی اول نسبت به سطح تحمل عایقی تجهیزات.
3. بررسی فاصله کابلی تا تجهیزات، تغییرات ناحیه حفاظتی تابلوی فرعی و احیانا نیازمندی به ارستر حفاظتی دوم. 
4. بررسی هماهنگی انرژی ارستر حفاظتی دوم نسبت به ارستر حفاظتی اول.
5. بررسی سطح ولتاژ حفاظتی ارستر حفاظتی دوم نسبت به سطح تحمل عایقی تجهیزات.
6. بررسی فاصله کابلی تا تجهیزات و احیانا نیازمندی به ارستر حفاظتی سوم در نزدیک ترین نقطه به تجهیزات (پریز تغذیه تجهیزات) و هماهنگی با ارستر های حفاظتی اول و دوم.
7. ملاحظات نصب ارستر حفاظتی

مشخصه های نوشته شده روی سرج ارستر ها

برای انتخاب یک SPD مناسب نیازمان به مشخصه های زیر دقت شود

• U_c: بیشترین ولتاژ است که می توان به طور مداوم به یک برقگیر اعمال کرد، بدون این که در عملکرد آن اخلال ایجاد شود. برقگیر را باید طوری انتخاب نمود که ولتاژ سیستم توزیع برق از این درجه بندی تجاوز نکند. به همین دلیل هر قدر U_c یک ارستر بالاتر باشد بهتر است و عمر مفید بیشتری دارد.
• U_p: سطح حفاظتی ولتاژ. دو سر ترمینال ارستر روی U_p محدود می شود و نمی گذارد ولتاژ بالاتر برود. هر چه این مقدار کمتر باشد ف برقگیر مناسب تر است.
• U_res: ولتاژ باقیمانده. حداکثر مقدار ولتاژی که از طریق ترمینال های SPD در خلال یا بعد از شارژ جریان سرج اتفاق می افتد.
• I_imp: حداکثر جریان ضربه ای با شکل موج 10/350 میکروثانیه که توسط ارستر قابل تحمل است.
• I_n: جریان تخلیه ی نامی : حداکثر مقدار جریان شکل موج 8/20 میکروثانیه است که در هنگام عبور از SPD تخلیه می شود. SPD می تواند حداقل 20 بار این اضافه جریان را تخلیه کند. مقدار بالای I_n نشان دهنده ی طول عمر بیشتر برای SPD می باشد. و حداقل مقدار آن 5 کیلو آمپر می باشد.
• I_max : حداکثر جریان تخلیه : حداکثر مقدار جریان شکل موج 8/20 میکروثانیه است که SPD فقط یکبار می تواند آن را تحمل و تخلیه کند.
• I_total: مجموع کل جریان های تخلیه تمام پل ها با شکل موج 10/350 میکروثانیه.
• t_A: زمان پاسخ. مدت زمانی که طول می کشد تا سرج ارستر به اغتشاشات ولتاژی ورودی به سیستم عکس العمل نشان دهد. 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.

موقعیت و نوع SPD

در ساختمان یا محدوده 50 متری آن میله برقگیر حفاظتی وجود دارد : SPD نوع 1 + نوع 2 یا نوع 1+2

در ساختمان یا محدوده 50 متری آن میله برقگیر حفاظتی وجود ندارد : SPD نوع 2

چنان چه ساختمان حفاظت خارجی نداشته باشد :

• ساختمان های شخصی 

1. فاصله بین تابلو اصل و فرعی کمتر از 10 متر است : SPD تابلو اصلی نوع 2+3 - تابلو فرعی SPD نیاز ندارد
2. فاصله بین تابلو اصل و فرعی بیشتر از 10 متر است : SPD تابلو اصلی نوع 2 - SPD تابلو فرعی نوع 2

• ساختمان های صنعتی و تجاری

1. فاصله بین تابلو اصل و فرعی کمتر از 10 متر است : SPD تابلو اصلی نوع 2 - تابلو فرعی SPD نیاز ندارد
2. فاصله بین تابلو اصل و فرعی بیشتر از 10 متر است : SPD تابلو اصلی نوع 2 - SPD تابلو فرعی نوع 2

چنان چه ساختمان حفاظت خارجی داشته باشد :

• ساختمان های شخصی

1. فاصله بین تابلو اصل و فرعی کمتر از 10 متر است : SPD تابلو اصلی نوع 1+2 - تابلو فرعی SPD نیاز ندارد
2. فاصله بین تابلو اصل و فرعی بیشتر از 10 متر است :SPD تابلو اصلی نوع 1+2 - SPD تابلو فرعی نوع 2

• ساختمان های صنعتی و تجاری

1. فاصله بین تابلو اصل و فرعی کمتر از 10 متر : SPD تابلو اصلی نوع 1 - تابلو فرعی SPD نیاز ندارد
2. فاصله بین تابلو اصل و فرعی بیشتر از 10 متر : SPD تابلو اصلی نوع 1 - SPD تابلو فرعی نوع 2