برق گیر و نقش آن در حفاظت سیستم

همه چیز درباره برق گیر

در یک سیستم انتقال قدرت الکتریکی به دلایل مختلفی می تواند یک جریان سریع و غیرعادی الکتریکی رخ دهد. این موج یا جهش در یک سیستم الکتریکی مثل تابلو برق عمدتاً به دلیل رعد و برق و تکانه های سوئیچینگ ایجاد می شود. افزایش ولتاژ الکتریکی یک ولتاژ موقتی بسیار زیاد در شبکه و سیستم الکتریکی ایجاد می کند. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، شکل این ولتاژ گذرا دارای یک خیز شدید و یک افت ملایم است. این موج ولتاژ سریع، از طریق شبکه الکتریکی عبور می کند و باعث ایجاد تنش های ولتاژ اضافی بر روی تمام عایق ها و تجهیزات الکتریکی که در مسیر حرکت آن قرار گرفته اند می شود.

علت استفاده از برق گیر چیست؟

به دلیل اثر مخربی که جریان ناگهانی (=افزایش ولتاژ) برای سیستم به دنبال دارد، ضروری است که کلیه تجهیزات الکتریکی نظیر تابلو برق صنعتی و عایق های سیستم قدرت باید در برابر نوسانات الکتریکی محافظت شوند. روش محافظت از سیستم در برابر ولتاژ معمولاً به عنوان حفاظت از نوسانات (Surge protection) گفته می شود. تجهیزات اصلی که معمولاً برای این منظور استفاده می شود صاعقه گیر یا برق گیر نام دارد.

انواع امواج ناگهانی

به طور کلی، دو نوع موج ناگهانی وجود دارد که یکی از بیرون از جو مانند رعد و برق جوی ناشی می شود. نوع دوم نیز از خود سیستم الکتریکی مانند نوسانات سوئیچینگ سرچشمه می گیرد. هنگامی که یک ابر با بار الکتریکی در نزدیکی یک خط انتقال برق قرار می گیرد، ابر بارهای الکتریکی را در خط القا می کند. در نتیجه، هنگامی که ابر باردار به طور ناگهانی از طریق رعد و برق تخلیه می شود، بار القایی در خط انتقال دیگر ثابت نیست.

تنش ولتاژی در اثر رعد و برق

در نتیجه این تخلیه الکتریکی، موج افزایشی در خطوط انتقال برق شروع به حرکت می کند. این ولتاژ گذرا هم به سمت مصرف کننده و هم منبع در خط انتقال به دلیل اندوکتانس خط توزیع شده و ظرفیت خازن نامطلوب حرکت می کند. این موج ولتاژ افزایشی با سرعت نور حرکت می کند. در انتهای خط انتقال، با تغییر امپدانس نوسان، موج ولتاژ به عقب منعکس می شود. این حرکت رو به جلو و عقب موج ولتاژ افزایشی تا زمانی ادامه می یابد که انرژی نوسان یا ضربه توسط مقاومت خط کاهش یابد. این پدیده باعث ایجاد تنش ولتاژی در سیستم انتقال چند برابر بیشتر از ولتاژ نامی نرمال سیستم می شود. از این رو، برای ایجاد سیستم قابل اعتماد و سالم باید طرح حفاظت از نوسانات در سیستم انتقال برق ارائه شود. صاعقه گیر یکی از اجزای اصلی برای محافظت از سیستم در برابر امواج ناگهانی می باشد.

نوسان ناشی از داخل سیستم الکتریکی

همانطور که قبلاً گفتیم، نوسان الکتریکی نیز می تواند از خود سیستم تولید شود. در واقع در طول عملیات سوئیچینگ ممکن است احتمال ایجاد نوسان در جریان وجود داشته باشد. در حین کار عادی، اگر جداکننده الکتریکی در حین بار گشوده شود، مدار باز ناگهانی در سیستم رخ می دهد. علاوه بر این، تکنیک‌های اصلی خاموش کردن قوس مدارشکن (کلیدبرق) SF6 و قطع کننده مدار خلاء ممکن است منجر به قطع جریان و احتراق مجدد چندگانه شود. همان طور که می دانیم قطع ناگهانی جریان باعث ایجاد di/dt می شود. [di/dt = نرخ تغییر جریان با توجه به زمان

محل نصب برق گیر نوع داخلی

از آنجایی که بار الکتریکی عموماً القایی است، یک ولتاژ گذرا وجود دارد که با L(di/dt) بیان می شود که در آن L اندوکتانس بار سیستم است. این ولتاژ در سراسر کنتاکت‌های بازکننده القا می‌شود و به سمت بار حرکت می‌کند و به شیوه‌ای مشابه ضربه رعد و برق منعکس می‌شود. در این صورت، برای مقاومت در برابر ولتاژ افزایش یافته، برق گیر در انتهای خط انتقال قرار می گیرد.

برق گیر در کجا استفاده می شود؟

به طور کلی ترانسفورماتور برق میدان نفتی، تابلو برق، کابل ها، خطوط انتقال الکتریکی، خطوط توزیع کاملاً قادر به تحمل این ولتاژهای ضربه ای سوئیچینگ هستند، زیرا سطح عایق آن ها برای مقاومت در برابر ولتاژهای بسیار زیاد طراحی شده است. اما ژنراتور، موتور الکتریکی، ترانسفورماتورهای نوع خشک و کوره های قوس الکتریکی و غیره نمی توانند ولتاژهای ضربه ای سوئیچینگ زیاد را تحمل کنند. زیرا اساساً این نوع تجهیزات سطح عایق بالایی ندارند. برای محافظت از این تجهیزات در برابر نوسانات، استفاده از برق گیر ضروری است.

یک مقاله مفید دیگر بخوانید: قوس الکتریکی چیست؟

برق گیر در پست برق

در پست کمپکت برق، برقگیرها عمدتاً در ورودی هر فیدر و همچنین در هر دو مسیر ترانسفورماتورهای برق مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا ترانسفورماتور نیز به عنوان منبع بار القایی و یکی از تجهیزات بسیار پرهزینه در نظر گرفته می شود. در عصر مدرن، برق گیرهای ZnO یا اکسید روی به طور عمده برای حفاظت از نوسانات استفاده می شود. در ادامه درباره برق گیر زینک اکسید صحبت کنیم.

ساخت برق گیر زینک اکسید

این نوع برق گیر از تعدادی دیسک اکسید زینک جامد تشکیل شده است. این دیسک ها یکی یکی چیده شده اند تا یک ساختار استوانه ای شکل بگیرد. تعداد دیسک های اکسید زینک مورد استفاده در هر برق گیر به درجه ولتاژ سیستم بستگی دارد. این ساختار در یک محفظه استوانه ای از پلیمر یا چینی نگهداری می شود. سپس مجموعه دیسک ها در داخل محفظه قرار می گیرد و توسط یک فنر که به کلاهک انتهایی در بالا متصل است، به شدت تحت فشار قرار می گیرد. ترمینال اتصال تجهیزات برای خط از درپوش بالایی و پایانه اتصال زمین از درپوش پایینی متصل می شوند.

اصول کار برق گیر زینک اکسید

عملکرد عادی به عنوان شرایطی تعریف می شود که هیچ موجی وجود نداشته باشد و برق گیر فقط تحت ولتاژ نرمال سیستم باشد. اکسید روی دارای ویژگی های ولتاژ جریان بسیار غیریکنواخت (I-V) است. این مشخصه I-V باعث می شود که اکسید روی برای طراحی صاعقه گیر بدون گپ اکسید روی (برای حفاظت از نوسانات) بسیار مناسب باشد. مقاومت غیرخطی بلوک، یک خاصیت ذاتی است و عمدتاً از اکسید روی (90 تا 95٪) با مقادیر نسبتاً کمی از چندین ماده افزودنی دیگر اکسید فلزات (5 تا 10٪) مانند آلومینا، تری اکسید آنتیموان و بیسموت تشکیل شده است.

این مقاله را از دست ندهید: چک لیست خرید تابلو برق

فرمول جریان و ولتآژ برق گیر

در مقیاس ماکروسکوپی، افزودنی‌ها تقریباً به طور همگن در سراسر بلوک‌های برق گیر توزیع می‌شوند. اما ساختارهای ریز بلوک اکسید فلزی شبکه ای از آرایش های سری و موازی از دانه های اکسید روی (ZnO) بسیار آلاییده شده (highly doped) را نشان می دهد که توسط اتصالات بین ذره ای جدا شده اند. ظرفیت تحمل جریان بلوک برق گیر متناسب با سطح مقطع کل بلوک است. ویژگی های مقاومت غیرخطی بلوک ZnO را می توان به صورت زیر بیان کرد:

در اینجا، Ir و Vr به ترتیب جریان و ولتاژ مرجع صاعقه گیر یا بلوک برق گیر هستند. مقدار x در مورد بلوک اکسید فلزی 30 تا 40 است.

ولتاژ و جریان مرجع

برای سیستم معمولی، ولتاژ و جریان به صورت خطی افزایش می یابد، یعنی برای افزایش ولتاژ سیستم در این محدوده، جریان به نسبت خطی افزایش می یابد. جریان در این ناحیه از مشخصه ها در محدوده میکرو آمپر است. اما فراتر از یک سطح ولتاژ مشخص، (سطح ولتاژ جریان نشتی)، جریان به سرعت شروع به افزایش در محدود کیلواهم می‌کند. در نتیجه ولتاژی که پس از آن جریان از به صورت سریع بسیار زیاد می شود، به عنوان “ولتاژ مرجع” و جریان در آن ولتاژ مرجع نیز به عنوان “جریان مرجع” شناخته می شود. تخلیه ناگهانی جریان عظیم از طریق برق گیر درست فراتر از سطح ولتاژ مرجع، سیستم را از فشار ناشی از ولتاژ گذرا و بیش از حد، محافظت می کند.

نقش دما در برق گیر زینک اکسید

رابطه ولتاژ-جریان در یک بلوک اکسید فلزی به شدت به دما بستگی دارد. بلوک اکسید فلزی دارای ضریب دمایی منفی است. این بدان معناست که با افزایش دما، مقاومت برق گیر کاهش می یابد، بنابراین برای برخی از ولتاژهای سیستم، جریان نشتی از طریق ابزار با افزایش دما افزایش می یابد.

نکات مهم در طراحی برق گیر

همانطور که می دانیم، یک جریان نشتی پیوسته در برق گیر وجود خواهد داشت. این جریان نشتی گرما تولید می کند. این گرمای تولید شده باید به درستی پراکنده شود. در غیر این صورت دمای سیستم ممکن است افزایش یابد که جریان نشتی را بیشتر افزایش می دهد. به همین دلیل طراحی حرارتی مناسب محفظه برق گیر نقش مهمی ایفا می کند. یک دمای بحرانی بسته به درجه ولتاژ بلوک اکسید فلزی وجود دارد که فراتر از آن گرمای تولید شده در بلوک نمی تواند با سرعت مناسب دفع شود و در نهایت منجر به فرار حرارتی صاعقه گیر می شود.

شاید برای شما مفید باشد: فیوز الکتریکی چیست؟

خلاصه مقاله

برق گیر یا صاعقه گیر، در دو حالت می تواند سیستم را از تنش های ولتاژی-جریانی اضافی حفاظت کند. در حالت اول، در برابر ولتاژ اضافی و ناگهانی بیرونی ناشی از رعد و برق و در حالت دوم ناشی از عملکرد سوئیچینگ داخلی سیستم خواهد بود. با مطالعه این مقاله می‌توانیم درک کنیم که اصل کار صاعقه گیر یا برق گیر مورد استفاده برای حفاظت از نوسانات به طور کامل به ویژگی‌های غیرخطی V-I بلوک‌های اکسید فلزی (ZnO) در داخل محفظه عایق برقگیر بستگی دارد.

ساخت تابلو برق صنعتی

شرکت آداک بهین نیرو، به پشتوانه سال ها تجربه درخشان و کسب رضایت صدها مشتری عزیز خود، مفتخر به طراحی و ساخت انواع تابلو برق صنعتی، پست کمپکت، تجهیزات روشنایی، بدنه آماده تابلو برق، سینی و نردبان کابل می باشد. ما برای انجام سفارش ساخت تابلو برق شما در هر نقطه از ایران آمادگی کامل داریم. انواع تابلو برق فشار ضعیف و فشار متوسط، پست کمپکت و بدنه آماده تابلو برق در مجموعه آداک به صورت صفر تا صد طراحی و ساخته می شوند. برای مشاهده محصولات ما لطفاً از کاتالوگ آنلاین محصولات آداک دیدن فرمایید. برای سفارش ساخت تابلو برق با شماره زیر تماس حاصل فرموده و از مشاوره کارشناسان آداک بهره مند شوید: