قفس فارادی چیست و چگونه کار می کند؟

وبلاگ نور/ ميله هاي ساده فرانکليني : اولين واحد جذب که توسط فرانکلين بيشنهاد گرديد، ميله هاي ساده بودند که ضربه مستقيم صاعقه به اندازه طول ميله ها، دور از ساختمان اتفاق مي افتاد و شعاع حفاظتي اين صاعقه گيرهاي ساده در کلاسهاي حفاظتي براساس تئوري زاويه محاسبه مي گرديد. قفس فارادي : با گسترش ابعاد ساختمانها و با توجه به محدوديت هاي ميله ساده ، قفس فارادي (Faraday Cage) جايگزين ميله هاي ساده فرانکليني شد، امروزه نيز اکثر استانداردهاي جهاني استفاده از قفس فارادي را بهترين روش ميدانند. در اين روش سعي مي شود ساختمان را در قفسي از هاديهاي مسي يا فولادي محصور نمود. صاعقه گيرهاي يونيزه کننده هوا : طراحي و نصب اين صاعقه گير هاي براساس استاندارد NFC 17-102 انجام مي گيرد ريشه اين استاندارد نيز همان تئوري گوي غلطان است که در تمامي استاندارد ها از آن استفاده شده است. NFC 17-102 با وارد کردن پارامتر ΔL‌ در فرمول محاسبات، شعاع پوشش افزايش يافته صاعقه گير را محاسبه مي کند. صاعقه گير پس از نصب روي ساختمان، مي بايست بوسيله هاديهاي مياني Down Conductor از طريق سيم مسي بدون روکش به سيستم زمين متصل گردد. مقاومت الکترود زمين صاعقه گير مي بايست زير 10 اهم باشد و پس از اجرا به شبکه هم بتانسيل کل سايت متصل شود. در اجراي الکترود زمين هر صاعقه گير مي بايست از اقلامي چون صفحه هاي مسي، مواد کاهنده مقاومت (LOM) ، اتصالات جوش انفجاري استفاده نمود. صاعقه گير الکترونيکي : درست قبل از حدوث صاعقه بطور طبيعي محتوي الکتريکي اتمسفر بطور ناگهاني افزايش مي يابد. اين تغيير وضعيت توسط واحد جرقه زن حس و کنترل مي شود صاعقه گيرهاي الکترونيکي انرژي موجود در هواي متلاطم پيش از طوفان را (که حدود چندين هزار ولت بر هر متر است) جذب و در واحدهاي جرقه زن ذخيره مي نمايد و در نهايت واحد جرقه زن با تخليه بار الکتريکي خازنها بين الکترودهاي فوقاني و الکترود مرکزي اش هواي اطراف را يونيزه مي نمايد اصول عملکرد صاعقه گير الکترونيکي : آزاد سازي کنترل شده يونها : واحد جرقه زن (TRIGGERING) صاعقه گيرهاي الکترونيکي شرايطي را ايجاد مي کند تا چشمه جوشاني از يون (کرونا) در اطراف ميله نوک تيز فراهم شود. دقت عمل اين واحد بايد به گونه اي کنترل شده باش که آزاد سازي يونها را درست چند ميکرو ثانيه قبل از حدوث و تخليه صاعقه صورت دهد. اثر کرونا و واحد جرقه زن : حضور حجم وسيع بارهاي الکتريکي در اطراف ميله نوک تيز صاعقه گير پس از يونيزاسيون توسط واحد جرقه زن سبب مي شود تا پديده طبيعي تجمع بارهاي الکترونيکي اطراف ميله (Corona effect) تقويت و تشديد شود. تسريع در بروز علمدار حمله زميني : صاعقه گيرهاي الکترونيکي طوري طراحي شده اند که ارسال علمدار حمله زميني را خيلي زودتر از نقاط هم ارتفاع مشابه همان محدوده به انجام برسانند و اين به معني تشکيل نقطه ترجيهي دريافت صاعقه در منطقه تحت حفاظت با صاعقه گيرهاي الکترونيکي نسبت به ساير نقاط مي باشد. سيستم هم پتانسيل : وجود اختلاف پتانسيل بالا بين دو هادي الکتريکي نزديک به هم باعث بوجود آمدن قوس الکتريکي مي شود که خطر و خسارت ناشي از آن کمتر از صاعقه نيست ، به همين دليل در ايجاد يک سيستم حفاظتي هم پتانسيل سازي از ارکان کار بوده و بدين مفهوم است که در يک مکان حفاظت شده بايستي تمامي هادي هاي الکتريکي از قبيل بدنه دستگاه ها، سازه هاي فلزي، لوله هاي آب و ... هم پتانسيل باشند زيرا در غير اين صورت اين اختلاف پتانسيل باعث تخليه شدن رعد و برق از مسيرهاي نامناسب خواهد شد که احتمالاً خسارت آن کمتر از اصابت مستقيم صاعقه نيست . براي ايجاد سيستم هم پتانسيل بايستي تمامي اجزاء هادي در ساختمان به گونه اي به سيستم زمين مشترک متصل گردند . براي طراحي سيستم حفاظت از سايت هاي ارتباطي در مقابل رعد وبرق مؤلفه هاي فراواني وجود دارد که مواردي در ذيل آمده است : 1- موقعيت جغرافياي سايت ارتباطي ( که به وسيله آن احتمال وقوع رع و برق در آن ناحيه و ضرورت نصب سيستم ارتينگ محاسبه مي گردد ) . 2- فاکتور تأثير سطوح خارجي ساختمان : شکل و ارتفاع يک ساختمان با کاهش يا افزايش احتمال اصابت صاعقه به آن ساختمان مستقيماً در ارتباط است . 3- نوع ساختمان : آجري يا بتوني بودن ساختمان و اين که داراي اسکلت فلزي است يا نه ؟ 4- ارزش تجهيزات ارتباطي داخل ساختمان : بسته به قيمت تجهيزات مي توان مقدار هزينه مطلوب براي ايمني آن را برآورد نمود . در حالت کلي براي حفاظت از يک سايت ارتباطي در نظر گرفتن دو نوع حفاظت خارجي و حفاظت داخلي الزامي مي باشد . حفاظت خارجي : حفاظت خارجي سايت ارتباطي را در مقابل اصابت مستقيم رعد و برق محافظت مي نمايد و از سه قسمت ذيل تشکيل گرديده است . 1- برقگير 2- هادي مياني 3- سيستم زمين که هر کدام از موارد فوق داراي انواع محاسبات عديده اي مي باشد که به اختصار شرح داده مي شود . برقگير : برقگير وسيله اي است که در بالاترين نقطه ساختمان نصب گشته و اولين نقطه اصابت رعد و برق مي باشد به دليل اين که رعد و برق از کوتاه ترين فاصله بين ابر و زمين تخليه مي گردد . البته از نوک برقگير نصب شده به زاويه 45 درجه تا سطح افق را مخروط ايمني مي گويند و هر جسمي که در درون مخروط ايمني قرار گيرد ديگر در معرض اصابت مستقيم صاعقه نخواهد نخواهد بود و به همين دليل است که دربعضي موارد براي پوشش کل ساختمان سايت از چندين برقگير به صورت قفس فاراده استفاده مي گردد و حتي در استاندارد NFC 17-100 فرانسه براي حفاظت از کارخانجات پتروشيمي و نفت و ... پيشنهاد گرديده که در اطراف ساختمان چهار دکل نصب و هر کدام از آن ها به وسيله سيم از سر به هم وصل شوند تا بدين صورت مخروط ايمني با ضريب اطمينان بالا حاصل گردد. در حالت کلي مي توان نصب برقگيرها را با توپولوژي ساده يا مش (Mesh ) نمود . برقگير بر دو نوع است : 1- برقگير غيرفعال ( پسيو ) 2- برقگير فعال ( اکتيو ) برقگير غيرفعال شامل يک ميله ساده نوک تيز است که دقيقاً مخروط ايمني از نوک آن به فاصله 45 درجه مي باشد و در محاسبات عملي براي بالا رفتن اطمينان اين زاويه را 35 يا حتي پايين تر در نظر مي گيرند . برقگير فعال با فناوري مختلف ( خازني ، اتمي و ... ) هواي اطراف خويش را يونيزه مي نمايد و بدينوسيله ايمني بيشتري را ايجاد مي نمايد . اين نوع برقگيرها با توجه به توان ايمني ايجادي به کلاس هاي 1 ، 2 و 3 تقسيم مي گردند. در برقگيرهاي فعال معمولاً سه مؤلفه کلاس حفاظتي ، شعاع حفاظت و ارتفاع برقگير نسبت به سطح بايستي مورد توجه قرار گيرد. از نظر قيمت نيز برقگيرهاي فعال گران تر هستند و مي بايست در انتخاب برقگير دقت نماييم تا مجهز به سيستم هادي مياني مناسب باشد تا برقگير درست عمل کرده و موجب خسارت نشود هادي مياني : ارتباط بين برقگير و سيستم زمين توسط هادي مياني انجام مي گيرد. با توجه به استاندارد NFC اگر ارتفاع ساختمان از 28 متر بالاتر باشد يا اين که طول ساختمان از 2 برابر ارتفاع بزرگ تر باشد بايستي براي اتصال برقگير به سيستم زمين از هادي مياني استفاده نمود. در مورد قطر هادي نيز استاندارد مصارف خانگي براي هادي مياني سيم 50 مسي و براي مصارف صنعتي سيم هاي 75 ، 90 ، 120 و ... بسته به مؤلفه محتويات ساختمان مي توان استفاده نمود. يک نکته ضروري در مورد هادي مياني تخليه جانبي است اگر هنگام نصب اتصالات هادي مياني به اندازه کافي دقت نگردد، امکان ايجاد اتصال کوتاه و تخليه انرژي از مسيرهاي نامناسب وجود دارد که خطر اين مسئله مي تواند بيشتر از خطر اصابت صاعقه باشد. براي نصب هادي مياني از بست هاي مخصوصي استفاده مي گردد که معمولاً از جنس مس يا استيل هستند و همچنين منطبق بر استاندارد اروپا فاصله هادي مياني از ديوار بايستي کمتر از يک دهم متر باشد. سيستم زمين : يکي از مهم ترين قسمت هاي سيستم ارتينگ سيستم زمين مي باشد آن مي باشد به طوري که بعضي سيستم ارت را در اين قسمت خلاصه مي کنند. با اصابت رعد و برق به برقگير انرژي آن به برقگير منتقل مي گردد و سيستم هادي مياني وظيفه دارد بدون تخليه از مسيرهاي نادرست از يک مسير مناسب که در طراحي مدنظر بوده آن را به سيستم زمين منتقل گرداند و کار سيستم ارت به تزريق انرژي رعد و برق به زمين منتهي مي شود. با توجه به توضيح بالا معلوم مي گردد که قسمت زمين سيستم ارت بايستي به نحوي تخليه انرژي به زمين را در اسرع وقت انجام نمايد و مي دانيد زمين مبداء توان است و داراي مقاومت صفر ، ولي به علت وجود لايه هاي پوسته زمين، در سطح زمين مقاومت آن دقيقاً صفر نيست و ما با ايجاد سيستم زمين مقاومت زمين را به صفر نزديک مي نماييم تا قابليت جذب انرژي رعد و برق را داشته باشد. پس مهمترين مؤلفه يک سيستم زمين مقدار مقاومت آن است که هر چه پايين تر باشد بهتر است. براي سيستم هاي قدرت، مقاومت ارت زير 10 اهم قابل قبول مي باشد ولي براي سيستم هاي حساس از قبيل سيستم هاي مخابراتي معمولاً مقاومت زير 3 اهم مدنظر است که در موارد خاص با توجه به پيشنهاد سازنده دستگاه اين مقدار تغيير مي يابد. سيستم زمين به انواع مختلفي از قبيل سيستم چاه، سيستم حلقه و سيستم ميله اي ارت تقسيم بندي مي شود و با توجه به نوع خاکي که مي خواهيم سيستم زمين ايجاد نماييم انتخاب مي گردد. مثلاً در جاده هاي سنگلاخي، ميله هاي ارت که به صورت شبکه اي در زمين فرو مي روند براي ايجاد و گسترش سيستم زمين بهترين گزينه است. سيستم حفاظت داخلي : حفاظت داخلي سايت ارتباطي را در مقابل عوامل مختلفي از قبيل نوسانات ولتاژ(Over Voltage) و القائات ناشي از اصابت غيرمستقيم رعد و برق(که به شعاع يک کيلومتر از محل اصابت اين القائات وجود دارند) محافظت مي نمايد. ارسترها تجهيزاتي هستند که کار حفاظت از سيستم هاي مخابرات و الکترونيک، در برابر نوسانات ناشي از رعد و برق را بر عهده دارند البته نقش ضربه گيرهاي ولتاژ را نبايد از قلم انداخت. سيستم حفاظت خارجي مخصوصاً در قسمت انتهاي آن قدرت آني تخليه انرژي زياد ايجاد شده از اصابت مستقيم را ندارد و گفته مي شود در لحظه اول تنها 50 درصد انرژي تخليه مي گردد و با توجه به هم پتانسيل بودن ساختمان امکان برگشت انرژي به داخل سايت و مورد حمله قرار دادن آن موجود مي باشد، با نصب ضربه گيرها اين امکان از بين خواهد رفت. ضربه گيرها در کلاس هاي حفاظتي مختلف يک، دو، سه و به صورت يک پل، دو پل تا چهار پل موجود است که در محاسبه نصب آن ها جريان گذرنده در محل نصب و مکان نصب مهم مي باشد به طور مثال اگر مي خواهيم ضربه گير را در ورودي اصلي برق ساختمان قرار دهيم بهتر است از ضربه گيرهاي کلاس يک استفاده نمود. ارسترهاي مختلفي براي محافظت از خطوط تلفن، خطوط آنتن، شبکه هاي رايانه اي و شبکه هاي راديويي فرکانس بالا موجود است که مي توان بسته به پورت هاي ورودي و خروجي و تعيين اهميت حفاظت نسبت به تهيه آن ها در رنج ها و کلاس هاي مختلف اقدام نمود. البته بحث در مورد ساختار داخلي ارسترها بسيار مفصل است که در قالب اين مقاله نمي گنجد.