تحقیق مقاله سیستم برق گیر میله ای

سیستم برق گیر میله ای

سیستم برقگیر میله ای از روشهای سنتی برای مقابله با صاعقه است که از زمان فرانکلین مورد استفاده بوده و بر اساس هدایت بار الکتریکی صاعقه به زمین عمل می‌نماید. صاعقه یکی از پدیده های قدرتمند ومخرب دنیای طبیعی است که سطح ولتاژ آن تا 100 میلیون ولت در هر ضربه می‌رسد. ضربات صاعقه به تجهیزات شبکه های قدرت یکی از عوامل جدی خطر و آسیب برای شرکتهای برق و مصرف کنندگان می‌باشد. در بعضی از مناطق آمریکا بخصوص مناطق جنوب شرقی ، صاعقه یک پدیده تقریباً روزانه است ، اما تابحال امکان پیش بینی و کنترل این پدیده وجود نداشته است. در سالهای اخیر فناوری پیش بینی و رهیابی توسعه یافته و شبکه ملی آشکار سازی صاعقه NLDN هنوز برای رهیابی صاعقه بیش از پیش تأکید دارد زیرا این امر می‌تواند در شبکه های حمل و نقل هوایی ، دریایی و فضانوردی بسیار موثر واقع گردد.

برق‌گیر یا رسانای آذرخش

برق‌گیری یا رسانای آذرخش، ساختمان‌های بلند را از یورش آذرخش (صاعقه) مصون می‌دارد. یک رسانای آذرخش ازیک نوار مسی کلفت تشکیل شده است که نوک‌های فلزی تیزی دارند و در بالای بلندترین قسمت ساختمان کار گذاشته می‌شود. این نوار را به تیغه فلزی بزرگی که در اعماق مرطوب زمین زیر ساختمان مدفون گشته است متصل می‌کنند.

این رسانا مسیری را برای شارش بار الکتریکی از بالای ساختمان به زمین فراهم می‌کند.

نشست تدریجی بار مثبت از نوکها (تخلیه الکتریکی از نوک‌های تیز بهتر انجام می‌شود) بسوی ابرها و شارش الکترونها از برق‌گیر به زمین، از انباشته شدن انبوه بار روی بلندترین بخشهای ساختمان جلوگیری می‌کند. اگر این تخلیه الکتریکی از نوکها و از طریق برق‌گیری صورت نگیرد تخلیه ناگهانی بار «آذرخش» صورت خواهد گرفت. شارش ناگهانی و بسیار عظیم بار که آذرخش روی می‌دهد آن قدر انرژی دارد که می‌تواند خسارتهای جدی به ساختمان وارد کند.

ایمنی از اصول مهم خلقت و راز دوام و بقای جهان طبیعت است . حفاظت موجودات زنده کره زمین از پرتوهای لایه ازن ، دفاع فیزیکی پوست بدن و مقابله شیمیایی گلبولهای سفید خون در مقابل میکروبهای مضر ، از نمونه های پدیده ، ایمنی و حفاظت در آفرینش هستند . انسان متمدن امروز این قانون طبیعی را در مهار نیروها و مصنوعات ماشینی خود تجربه نموده است . هر واحد صنعتی و شبکه برقی ، که استفاده از سیستم ایمنی و حفاظت را نادیده گرفته باشد ، دیر یا زود از میدان رقابتهای صنعتی دنیا ، عقب مانده و از دور خارج می شود . لذا با پیشرفت صنعت و پیچیدگی روز افزون تجهیزات و سیستم ها ، وجود قوانین و مقررات و همچنین تجهیزات لازم جهت رعایت موارد ایمنی و حفاظت ، از اهمیت بیشتری برخوردار میشود . امروزه انرژی الکتریکی جای خود را به عنوان یک انرژی برتر تثبیت کرده است ، و با پیشرفت صنایع و کارخانجات و مصرف کننده ها ، لزوم افزایش توان انتقالی بیش از پیش شده است و این خود مستلزم صرف هزینه ها و تجهیزات لازم و کارآمد جهت ارائه خدمات انتقال انرژی به صورت دائم و مستمر و بدون خطر و با کیفیت مطلوب می باشد . و این مهم بدون حفاظت و مراقبت از تجهیزات و امکانات پرهزینه مورد بهره برداری در صنعت برق حاصل نمی شود . بیشتر تجهیزات به کار رفته در صنعت برق بویژه پستها ، دارای هزینه بسیار بالایی هستند ، لذا آسیب دیدگی این تجهیزات ازیکطرف موجب تحمیل هزینه های سنگین بر صنعت برق می شود و از طرف دیگر تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کننده ها را دچار اشکال می کند . اضافه ولتاژهایی نظیر اضافه ولتاژ ناشی از رعد و برق ، کلید زنی و اضافه ولتاژهای موقت که از بوجود آمدن آنها در سیستم به طور کامل نمی توان جلوگیری کرد موجب بروز مشکلاتی می شوند . این گونه مشکلات در نقاطی از شبکه ، که سطح عایقی تجهیزات کمتر از مقدار اضافه ولتاژ باشد به وجود می آید . حال اگر از سطح عایقی بالا برای تجهیزات و سیستم استفاده کنیم ، مشکلاتی از جمله سرمایه گذاری زیاد ، افزایش حجم تجهیزات و غیره را به دنبال خواهد داشت . لذا برای کاهش سطح عایقی تجهیزات و کم کردن هزینه ، بایستی اضافه ولتاژها را کنترل و به زمین هدایت نمود . این کار با استفاده از تجهیزاتی همچون برقگیرها محقق می شود . از طرف دیگر نصب برقگیرها در شبکه ها نیاز به آشنایی کامل با انواع برقگیرها ، بررسی و تحلیل اصول کار و ساختمان آنها ، عوامل موثر در بروز اشکال در این تجهیزات و نحوه انتخاب و محل نصب آنها می باشد . با پیشرفت تکنولوژی ساخت مقاومتهای وابسته به جریان ، بتدریج مقاومتهایی ساخته شده که در ولتاژ نامی جریان اندکی از خود عبور می دهند . با ساخت این مقاومتها گام بزرگی در جهت کنترل اضافه ولتاژهای شبکه اعم از تخلیه جوی ، ولتاژهای موقت و کلید زنی برداشته شد . این تجهیزات هر چند وظیفه حفاظت شبکه در مقابل اضافه ولتاژها را دارند ولی بروز اشکال در این تجهیزات علاوه بر هزینه بالا جهت تهیه و نصب آنها ، همواره شبکه های توزیع و انتقال کشور را ساعت ها به حال خاموشی فرو برده اند که در پاره ای از موارد خسارت وارده از این ناحیه خیلی بیشتر از هزینه نصب و نگهداری این ادوات می باشد . طرز کار و ساختمان برقگیرهای فشار قوی در طی دو دهه اخیر با دگرگونی و تحول کامل روبرو شده است . نوع ابداع شده خصوصیات کاملاً متفاوت از نوعهای گذشته را دارا می باشد . در حال حاضر ساخت نوع قدیم منسوخ گشته ، کلیه کارخانجات سازنده به تدریج و در طی دو دهه ، از سال 1980 خط تولید خود را به نوع جدید تغییر داده اند .

ساخت و استفاده از برقگیرهای نوع جدید در حالی معمول گشته است که بسیاری از خصوصیات و پدیده های این نوع برقگیرها به طور دقیق و روشن شناخته نبوده ، دستورالعمل های انجام آزمایشات و انتخاب آنها در استانداردهای مختلف کاملاً قطعی نمی باشد .

ضرورت استفاد ه از برقگیرها

معمولاً وقتی درباره یک سیستم برق رسانی می اندیشیم ، اجزای چشمگیر آن ، از قبیل نیروگاههای بزرگ ، ترانسفورماتورها ، خطهای فشار قوی و غیره به ذهنمان می آیند . در عین حال که این اجزاء قسمت اصلی یک سیستم برق رسانی را تشکیل می دهند ، بسیار اجزای ضروری و جالب نیز در سیستم وجود دارند . از جمله سیستم حفاظت و ایمنی ، که وجود آنها در یک سیستم لازم و ضروری می باشد .

اساس کار دستگاه LCM آنالیز هارمونیک سوم موجود در جریان نشتی پیوسته برقگیر است.برخلاف سیستم های اندازه‌گیری موجود که بر اساس آنالیز هارمونیکها است ، LCM به هارمونیکهای موجود در ولتاژ سیستم حساس نیست ، زیرا با استفاده از یک پروب میدان الکتریکی که بر روی فلنج انتهایی برقگیر تحت آزمایش بسته می‌شود هارمونیکهای موجود در ولتاژ سیستم بوسیله پروب میدان جدا شده و خنثی می‌شوند. بنابراین نتایج اندازه گیری کاملاً مستقل از هارمونیکهای موجود در ولتاژ سیستم است. رابطه بین هارمونیک سوم جریان و اندازه مولفه مقاومتی جریان با اندازه گیری های انجام شده روی انواع مختلف وریستورهای  ZnO به اثبات رسیده است. با لحاظ کردن این رابطه در روش اندازه گیری LCM مستقیماً به صورت مولفه مقاومتی جریان نشتی برقگیر نشان داده می‌شود.

تاثیرات جریان نشتی خارجی ( از روی بدنه برقگیر ناشی از وجود آلودگی روی آن)حذف شده و خطای قابل ملاحظه ای بر روی مقدار متوسط جریان نشتی اندازه گیری شده ایجاد نخواهد شد.

سیستم های حفاظت صاعقه به دو گروه تقسیم بندی می‌شوند :

1 جمع آوری ضربه های صاعقه.

2 پیش بینی ضربه های صاعقه.

میله های برقگیر فرانکلین به عنوان جمع کننده محسوب می‌شوند بدین صورت که ضربه های صاعقه را در مجاورت خود جذب می‌نمایند. سیستم انتقال بار CTS یک سیستم جلوگیری کننده است و مانع از پیشروی جرقه های صاعقه می‌گردد.

بعبارتی دیگر ارزیابی مکانیزم عملکرد سیستم DAS نشان می‌دهد که این سیستم بطور ساده همان نظریه رد شده فرانکلین برای میله های برقگیر است که با خنثی نمودن بار الکتریکی ابرهای صاعقه ای از تشکیل صاعقه جلوگیری می‌نمود. اگر چه این میله ها احتمال ضربه ها را کاهش می‌دهنداما این اثر غیرقابل پیش بینی است برای اینکه بتوان نتایج سیستم های DAS ,  CTS را در حفاظت صاعقه ارزیابی نموده و در مورد وسعت محدوده قابل حفاظت تصمیم گیری نمود لازم است که درباره اثرات فن آوری این دو سیستم اندازه گیری های سازمان یافته و علمی‌انجام دهیم.

بعضی از مشتریهای استفاده کننده از فن آوری CT راضی هستند به طوری که در جنوب شرق آمریکا مشکلات متعددی در خصوص رعد و برق هست و کاربرهای این سیستم . استفاده از آن را مورد تاکید قرار داده اند. شرکت برق Auburndale دارای ژنراتورهای بوده و در منطقه ای قرار گرفته که میزان صاعقه در آن بالاست ودستگاهها بایستی 4تا6 صاعقه سنگین را در روز تحمل نمایندکه در بعضی موارد به خاموشی های 12 تا 24 ساعته منجر شده است. پس از استفاده از سیستم DAS برای مهار کردن (محدودسازی ) جریانهای صاعقه در سال 2000 فقط یکبار در طول طوفانها و صاعقه خاموشی داشته اند و مهندسین اتاق کنترل از این موضوع متعجب شده اند که صدمه ای به دستگاهها وارد نشده است. آنها مصمم هستند که دستگاههای بعدی را نیز به سیتم DAS مجهز نمایند تا تعداد ضربه های صاعقه را از 6 به یک کاهش دهند .چنین تجربه مشابهی نیز در Lexington که منطقه پر صاعقه ای است نیز اتفاق افتاده است.

در آنجا نیز با استفاده از سیستم DAS هزینه های سنگین صدمه دیدن تجهیزات بواسطه صاعقه را کاهش داده اند و از کاربرد این سیستم راضی هستند. در گزارش Ayers امده است که قبل از استفاده از این سیستم صدمات ناشی از صاعقه در طول یک دوره پنج ساله بین 25/1 تا 5/1 میلیون دلار بوده حال آنکه پس از استفاده از سیستم DAS این رقم به 5000 دلار کاهش یافته است.

اما کارایی فناوری انتقال بار صاعقه ،بحث انگیز بوده ونظر منتقدین بر این است که این سیستم مانع از وقوع صاعقه نمی‌شود ضمن اینکه هزینه نصب آن نیز گران است این اختلاف نظرها ادامه داشته تا اینکه در سالهای اخیر انجمن IEEE تصمیم گرفت که یک استاندارد برای سیستمهای انتقال بار صاعقه ارائه نماید.

به طور خلاصه این سیستمها در مقابل ضربه های صاعقه نمی‌توانند به طور کامل عمل حفاظت را انجام دهند زیرا روش معینی برای اندازه گیری یا اثبات درستی کار این دستگاه ها وجود ندارد. البته خبرهای دریافت شده از مشتریهای کاربرد این تجهیزات هنوز جالب است. منتهی خود مهندسین برق سیستمهای قدرت هستندکه باید از دستگاههای خود در مقابل صاعقه حفاظت و مراقبت بنماینداگر چه این کار با اطمینان کامل، دست نیافتنی است، لذا آنها باید تلاش کنند تا ضربه های صاعقه تا حد امکان کاهش یابد که در این راه سیستم DAS یا CTS می‌تواند به آنها کمک کند. 

بررسی برقگیرهای اکسید فلزی در حالت بهره برداری عادی

عملکرد صحیح برقگیرها برای داشتن قابلیت اطمینان بالا در سیستم های انتقال فشار قوی و توزیع بسیار حائز اهمیت است.

در مورد برقگیرهای اکسید فلزی  ( Metal Oxide  Surge  Arrester) وضعیت آنها را با استفاده از دستگاه نشان دهنده جریان نشتی LCM[1]  در حین کار می‌توان وارسی نمود. این وسیله اطلاعات مهمی‌را در مورد قابلیت اطمینان عملکرد برقگیر در اختیار استفاده کننده قرار می‌دهد. از آنجا که LCM در برابر شرایط جوی کاملاً محافظت شده است ، می‌تواند برای اندازه گیری جریان نشتی برای مدت طولانی نیز مورد استفاده قرار گیردو با استفاده از آن یک فرصت مناسب برای بدست آوردن تاثیرات هرگونه شرایط گذرا بر میزان مولفه مقاومتی جریان نشتی به دست آید.

مقادیر اندازه گیری شده یا از روی صفحه نمایش خوانده شده یا با کامپیوتر شخصی ( PC ) برای نسخه برداری یا نمایش گرافیکی فرستاده می‌شود. در حالت مونتورینگ بلند مدت ،مقدار متوسط مولفه جریان مقاومتی در هر دقیقه ، ساعت ، روز ، ماه و سال در حافظه LCM ذخیره می‌شود.

روش کار

برقگیر اکسید فلزی بطور پیوسته جریان نشتی کوچکی را عبور می‌دهد .مولفه مقاومتی این جریان نشتی زمانی که تنش های متفاوتی به برقگیر اعمال می‌شود افزایش می‌یابد که این باعث فرسودگی ودر نهایت سبب معیوب شدن برقگیر می‌شود. اندازه گیری مولفه مقاومتی جریان نشتی پیوسته ،روش دقیقی برای چک کردن وضعیت برقگیر در حال کار به دست می‌دهد.

سیستمهای حفاظتی جایگزین بجای روش سنتی میله های برقگیر ، سیستم انتقال بار الکتریکی CTS[2]  وسیستم استهلاک بار الکتریکی DAS[3] میباشند. اصول کار سیستمهای انتقال بار الکتریکی CTS بر طبق نظر جری کر و کولوبلدر که از صاحبنظران موضوع صاعقه هستند بر این استوار است که یک نقطه تیز با میدان الکترواستاتیکی قوی می‌تواند الکترونهایی از مولوکولهای هوای اطراف را که یونیزه شده اند هدایت نماید. پتانسیل این نقطه بیش از 10 کیلوولت نسبت به نقاط اطراف می‌باشد.

سیستم DAS از هزاران نقطه تیز تشکیل گردیده که بر روی سازه ای نصب می‌شوند و در شرایط ابری و طوفانی نقاط یونی فراوانی در فضا ایجاد نموده و بدین ترتیب احتمال تشکیل مسیرهای جریان بار صاعقه را کاهش می‌دهند. در واقع سیستم DAS بعنوان یک محدودساز میدان الکتریکی عمل می‌نماید.