چرا باید از سرج ارستر استفاده کنیم؟

اضافه ولتاژهای ناگهانی به وجود آمده از صاعقه، سوئیچینگ اتصال کوتاه، کلید زنی و یا دشارژ الکترواستاتیک می تواند به تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی آسیب رسانده و باعث سوختن یا کاهش عمر آن ها گردد. 

پس برای جلوگیری از آسیب رساندن به تجهیزات می بایست از مداراتی استفاده کرد که در آن ها محدود کننده های ولتاژ وجود دارد تا در زمان بسیار کوتاه سیستم را زمین کنند و اضافه ولتاژ مذکور را در زمین تخلیه کند. المان های مذکوربه نام ارستر یا Surge Voltage Protection  معروف می باشند که باید با استاندارد IEC61-643  مطابقت داشته باشد. این تجهیزات باید توانایی عبور سریع جریان های تا چندین هزار آمپر را به زمین داشته باشند و بلافاصله بعد از کاهش ولتاژ، مجددا به حالت اولیه برگشته و مداررا از حالت اتصال کوتاه خارج کند. 

چرا باید از تجهیزات درمقابل اضافه ولتاژهای ناگهانی محافظت نمود؟ 

از آنجا که هزینه های تعمیر، تعویض و در کنار آن توقف ماشین آلات بسیار بالا بوده،  می بایست تا حد امکان از بروز چنین وضعیتی جلوگیری نمود. با حفاظت ویژه اضافه ولتاژ، تجهیزات الکتریکی و دستگاه ها به طور موثری در مقابل از بین رفتن توسط اضافه ولتاژ، حفاظت می شوند. هرچه سیستم الکترونیکی از پیوستگی بیشتری برخوردار باشد، مقاوت کمتری درمقابل اضافه ولتاژ از خود نشان می دهد.

امروزه افزایش روزافزون ضربات و صدمات ناشی از اضافه ولتاژ، به دلیل حساس تر شدن قطعات و تجهیزات الکترونیکی توجه بیشتری را بخود جلب نموده است. هر سیستم تحت ولتاژ نامی تعیین شده خود در مدار کار کرده و هنگامی که ولتاژ اعمال شده از سطح ولتاژ نامی قطعه بیشتر گردد، یک ولتاژ اضافی در شبکه، با توجه به منابع تولید که در بالا ذکر گردید خواهیم داشت.  معمولا زمان بروز اینگونه ولتاژها بسیار کوتاه بوده ( کمتر از 0.5 ms ) وبسیار سریع و گذرا اتفاق می افتد. ولتاژهای گذرا در بسیاری موارد، قطعات الکترونیکی از قبیل منابع تغذیه، بار و غیره را نابود می سازد، که قدرت تخریب اصولا به قدرت دی الکتریک تجهیزات مرتبط می باشد.. به عنوان مثال برای یک مدار که در آن یک رله 230VAC به کار برده شده، یک کوپل گذاری ولتاژ به اندازه 500 ولت که به دلیل سوئیچینگ در مصرف کننده القایی به وجود آمده است، اضافه ولتاژی محسوب می گردد که احتمال ایجاد صدمه توسط آن به رله خیلی کم است، زیرا این ولتاژ بیشتر از 2.5 برابر ولتاژ نامی نبوده و تنها در محدوده چند میکروثانیه صورت می گیرد. اما شرایط برای یک مدار 5VDC که به یک IC وصل است متفاوت است، ولتاژ القایی در این سیستم گاهی اوقات به 100 برابر ولتاژ نامی می رسد که مسلما باعث از بین رفتن قطعات می گردد. مقاومت ICها در برابر ولتاژهای از بین برنده به مراتب از رله ها کمتر می باشد. .

تکنولوژی های رایج

برای نیل به هدفی که در بالا گفته شد، از تکنولوژی های متفاوتی استفاده می گردد:

1.  جرقه گیر شیار دار (Air Spark Gap): روشی ساده که در کلاس B از آن استفاده می گردد. 

2. فاصله هوایی کپسولی (Encapsulated Spark Gap): این تکنولوژی در ارسترهای کلاس B استفاده می شود و عملکرد آن از نوع شیاردار بسیار بهتر است.

3. گازی (Gas-filled/GDT): یک فاصله هوایی به همراه کپسول پرشده از گاز که در ارسترهای کلاس C استفاده می گردد.

4. وریستور (MOV/Varistor): یک عنصر غیر خطی با مقاوت معکوس در برابر ولتاژ که بیشتر در ارسترهای کلاس C و D کاربرد دارد و استفاده از آن در کلاس B پیشنهاد نمی گردد.

5. دیودهای محدود کننده (Suppressor Diode): در اصل دو دیود زنر می باشد که به صورت معکوس با یکدیگر سری می شوند و فقط برای ارسترهای کلاس D استفاده می شود.

هر یک از تکنولوژی های فوق مشخصات خاص خود را داشته که می بایست در زمان انتخاب مورد توجه قرار گیرند مانند:

• ظرفیت جلوگیری از اضافه ولتاژ ناگهانی
• نوع عملکرد
• نوع خاموش شدن
• ولتاژ آستانه

گروه بندی ارسترها بر اساس قدرت قطع

کلیۀ ارسترهای رایج دربخش حفاظت ثانویه، متناسب با قدرت قطع و کاربرد به چهار گروه تقسیم می شوند:

1. ارستر کلاس B جهت حفاظت در برابر صاعقه (lightning Current Arrester): محافظ سیستم های تغذیه باید طوری برقرار گردد که قدرت جلوگیری از جریان های ضربه ای متناوب با دامنه زیاد که از تخلیه صاعقه ایجاد می گردد را داشته باشد. ارسترهای کلاس B به عنوان اولبن گام جهت حفاطت در برابر صاعقه، می بایست به راحتی جریان های تا 100 کیلوآمپر را با موج جریانی (10/350)µs به زمین تخلیه کنند. 

2. ارستر های کلاس C جهت حفاظت در برابر سوئیچینگ (Surge Voltage Arrester): ارستر کلاس C به عنوان پلۀ دوم حفاظت می باشد و اضافه ولتاژ ناگهانی را کاهش می دهد، این ارستر اضافه ولتاژهای نشتی از ارستر کلاس B را حذف نموده و همچنین اضافه ولتاژهای ناشی از سوئیچینگ که روی شبکه قدرت منتشر می گردند را به زمین منتقل می نماید. این محافظ در مقابل جریان های ناگهانی تا 40 کیلو آمپر و موج جریانی (8/20)µs برای یک مرتبه و یا 20 کیلو آمپر به دفعات عمل می‌نماید. ارسترهای مذکور می بایست اضافه ولتاژهای ناگهانی را متناسب با بارهای 230V برطبق استاندارد DIN VDE 0110 و IEC60364-4-443 به حد قابل قبول کاهش دهند. ذکر این نکته ضروریست که طبق استاندارد، فاصله بین نصب دو برقگیر کلاس B و C نباید از 10 متر کمتر باشد. همچنین این فاصله، بین دو برقگیر کلاس C و D نیز نباید کمتر از 5 متر باشد.

3. ارستر ترکیبی کلاس Arrester Combination - B+C:رعایت فاصله 10 متر بین نصب دو ارستر کلاس B و C معمولا اشکالاتی را در امور تابلوسازی ایجاد می‌کند که برای رفع آن، امروزه از ارسترهای ترکیبی استفاده می گردد. نصب آسان، کاهش فضا و هزینه باعث گردیده تا استفاده از اینگونه ارسترها رواج بیشتری پیدا کند.

4. ارستر کلاس D جهت حفاظت تجهیزات (Device protection): در پله سوم حفاظت و برای تکمیل روند مقابله با اضافه ولتاژ از ارستر کلاس D استفاده می گردد. این نوع ارستر براساس استاندارد IEC 61024 باید مستقیما قبل از تجهیز نصب گردد. این ارسترها به اشکال گوناگون و به صورت ریلی یا پریزی (ارت دار) تولید می گردند و متناسب با محل نصب و کاربرد انتخاب می‌گردند.

مشخصات فنی ارسترها

مشخصه های اصلی یک ارستر که در زمان انتخاب می بایست به آن ها توجه نمود، به شرح ذیل تعریف می گردند:

1. ولتاژ نامی(Nominal Voltage-Un): در اصل ولتاژ کاری نرمال یک ارستر بوده و از آنجا که ارستر با خط موازی می باشد، باید مقدار آن متناسب با ولتاژ خط انتخاب گردد.

2. اضافه ولتاژ دائمی (Arrester Rated Voltag-Uc): حداکثر ولتاژی می باشد که ارستر می تواند به طور دائم آن را تحمل نموده و آسیب نبیند. به همین دلیل هر قدر Uc یک ارستر بالاتر باشد بهتر است و عمر مفید بیشتری دارد.

3. ولتاژ حفاظتی (Voltage Protection level-Up): ولتاژی می باشد که اضافه ولتاژهای بالاتر از آن باعث عملکرد ارستر شده و می تواند شوک وارده را به زمین انتقال دهد. بنابراین هرقدر Up یک ارستر پایین تر باشد بهتر است و حفاظت مناسب تری برای تجهیزات مهیا می سازد.

4. جریان نامی تخلیه (Nominal Discharge surge current-In): جریان تخلیه نرمال و با شکل موج جریانی (8/20)µs می باشد که ارستر می تواند به دفعات آن را زمین نموده و آسیب نبیند و هرچقدر بالاتر باشد بهتر است. امروزه ارسترهایی با قدرت تخلیه تا 100KA نیز تولید می گردند. جریان In یکی از پارامترهای مهم در انتخاب برقگیر می باشد و باید به طور ویژه به آن توجه نمود.

5. جریان تخلیۀ ماکزیمم (Max Discharge surge current-Imax): حداکثر جریانی است که ارستر می تواند به زمین تخلیه نماید ولی ممکن است پس از تخلیه، خود ارستر نیز آسیب ببیند.به همین دلیل عبور این جریان از ارستر فقط یکبار تضمین می گردد. این جریان معمولا برای ارسترهای کلاس C و D تعریف می گردد.

6. جریان ضربه (Lighting test current-limp): یک جریان لحظه ایی با شکل موج (10/350) µs با مشخصه هایی شبیه به صاعقه که مقدار انرژی و جریان آن معلوم بوده و در شرایط آزمایشگاهی به ارستر اعمال گشته و با آن تست می گردد. این جریان بیشتر در ارسترهای کلاس B تعیین می شود. امروزه ارسترهایی با limp تا 100KA نیز تولید می شوند.

تذکر: به دلیل قرارگیری ارستر به صورت موازی در مدار، معمولا جریان مصرفی بار، ارتباط چندانی با جریان های فوق ندارد و در انتخاب ارستر لحاظ نمی گردد.