صاعقه چیست وچگونه بوجود می آید؟

مقدمه:
براساس آمار درسال 1993از خسارتهای طبیعی ناشی از طوفان،آتش سوزی،دزدی وغیره%34।6مربوط به صاعقه واثرات ثانویه آن بوده است.شاید ساده ترین دلیل این حوادث عدم آگاهی از روشهای صحیح حفاظت باشد.مضا فاً به اینکه همه به غلط تصور می کنند که داشتن یک صاعقه گیر نوع میله ای در خارج ساختمان [که تنها از وقوع جرقه وتخرب فیزیکی ساختمان جلوگیری می کند] می تواند ،کلیه تجهیزات برقی والکترونیکی داخل ساختمان رانیز حفاظت نماید. در صورتیکه چنین نیست.واما امروزه تکنولوژی به کمک آمده وتجهیزاتی طراحی وابداع شده است که بتواند حفاظت مناسب را بوجود آورد. ودر مقالات بعد جهت تکمیل این مقاله به حفاظت کنندهای خط تغذیه دستگاههای الکتریکی وتجهیزات حفاظتی DEHN خواهیم پرداخت.

صاعقه یکی ازاسرار آمیزترین پدیدههای خلقت است، که در عین زیبایی بسیار مخرب ودرطول تاریخ زندگی انسان ، موجب ضرر وزیان مالی وجانی بسیاری شده است. صاعقه از تخلیه الکترواستاتیکی میان ابر وزمین بوجود می آید. در ابرهایی از نوع کومولونیمبوس (که گاه تا 18km ارتفاع وچندین کیلو متر عرض دارند)طی مراحلی،ذرات آب دارای بار مثبت شده بطوریکه بارهای منفی درلایه های زیرین وبارهای مثبت در بخشهای فوقانی ابر متمر کزمی شوند. دراین حالت بارهای مثبت سطح زمین نیز،در زیر سایه ابر مجتمع می گردند.با افزایش پتانسل الکتریکی ابرنسبت به زمین یک جریان پیشرواز الکترونها با حرکتی نردبانی شکل از ابر به سوی زمین(downward leader) سرازیر شده وکانال اولیه صاعقه راشکل می دهد.هوای اطراف این کانال کاملاٌ یونیزه است.این پیکان که گاه طول شاخه های آن به 50m می رسد،بار زیادی را در نوک پیکان با خود حمل کرده وموجب افزایش شدت میدان الکتریکی جووشکست مقاومت عایقی هوا می شود.دراین حالت سرعت حرکت کانال نزدیک شونده به زمین بیش از300km/sمی باشد.دراین زمان با افزایش شدت میدان الکتریکی در سطح زمین،یک جریان الکتریکی بالا رونده(upward leader )نیز از زمین به سوی ابر پیش می رود. پس از اصابت این دو پیکان به یکدیگر،کانال جریان بسته شده وضربه اصلی صاعقه ((return strokeاتفاق می افتد،و بدین ترتیب جهت خنثی شدن بارهای ابر وزمین،جریان بسیار زیادی در مدت کوتاهی در این کانال برقرار می شود.صاعقه در انواع مختلف اتفاق می افتد که متداولترین آنها((%90از نوع صاعقه منفی نزولی وخطرناکترین آنها نوع مثبت صعودی می باشد.
صدمات صاعقه
اصولاٌبشر تا قبل از تجربه شخصی حدوث سانحه، کمتر به دنبال علت وقوع آنها بوده است اما خسارات زیاد ومکرر ناشی از اثرات اولیه (ضربه های مستقیم)و ثانویه (میدانهای الکترومغناطیسی)صاعقه امروز به حدی رسیده است که توجه وراهکارهای جدی را می طلبد.شاید اولین دلیل بروز این حوادث،عدم آگاهی از روشهای صحیح حفاظت باشد،که داشتن یک صاعقه گیردر خارج ساختمان(که تنها از وقوع جرقه وتخریب فیزیکی ساختمان جلوی گیری می کند) می تواند کلیه تجهیزات برقی والکترونیکی داخل ساختمان را نیز حفاظت نماید،در صورتی که چنین نیست.طی ده سال گذشته استانداردهای جهانی به ما این امکان را داده اند که طراحیهای مناسبی با رعایت اصول وقوانین(ElectroMagnetic Compatibilty )EMCانجام دهیم. امروزه وسایل وتجهیزاتی که برای یک زندگی ساده تدارک دیده شده،پر از مدارهای الکترونیکی است.وسایل خانگی،کامپییوتر،فاکس،بیسیم،تلویزیون ،تلفن،شبکه های اطلاعاتی جهانی ،همه وهمه از مدارهای الکترونیکی ساخته شده اندکه گران بوده وتعمیراتشان نیز آسان نیست وگاهی از خط خارج شدن آنها مصادف با خسارتهای غیر قابل جبرانی می باشد. عواملی که می توانند شدیداٌتجهیزات نامبرده بالا یا بطور کلی هر وسیله دیگری را که مدارهای الکترونیکی در آنها بکار رفته باشد به خطر انداخته یاغیر قابل استفاده کنند،عبارتنداز:
· اضافه ولتاژهای ناشی از تخلیه های الکترواستاتیک(Electrostatic Discharge)
· اضافه ولتاژهای ناشی از قطع ووصل مدارات جریان(Switching Electromagnetic Pulse)
· اضافه ولتاژهای ناشی از ضربه های مستقیم صاعقه ومیدانهای الکترومغناطیسی آن(Lightning- Electromagnetic ulse)
صاعقه از سه طریق می تواندموجب بروز اضافه ولتاژدر سیستم های الکتریکی شود
1 -کوپلاژمقاومتی:وقتی که صاعقه به ساختمانی ضربه می زندجریانی که به زمین تخلیه می شودپتانسیل زمین رادر سیستم های برق ودیتا،تا چند صد کیلوولت افزایش می دهد.این امر موجب می شود بخشی از جریان صاعقه ازطریق هادیهای ورودی –خروجی به ساختمانهای دیگرمنتقل شود.(شکل-1)
2- کوپلاژسلفی:عبورصاعقه ازیک هادی ویا کانال تخلیه، خود ایجاد یک میدان شدید مغناطیسی می نماید. وقتی که خطوط میدان،هادیهای را که تشکیل لوپ داده اند قطع کند،در آنها ولتاژی معادل چند کیلوولت القاء می شود.
3- کوپلاژ خازنی:کانال صاعقه در نزدیکی نقطه تخلیه،یک میدان شدید الکتریکی ایجاد می کند।کابلها وهادیها مانند خازن وهوانیز عایق دی الکتریک آنهاست. بدینصورت علیرغم عدم برخورد صاعقه به ساختمان کابلها تحت یک ولتاژ بالا قرار میگیرد.

اصول حفاظت از صاعقه
حفاظت یک ساختمان بطور کامل شامل موارد زیر است:
1-حفاظت جلد خارجی ساختمان از ضربه های مستقیم صاعقه
2-حفاظت داخلی و تجهیزات نصب شده داخل ساختمان در مقابل آثار ثانویه صاعقه

1-حفاظت جلد خارجی ساختمان
منظوراز حفاظت خارجی ،حفظ بدنه واستراکچر ساختمان از آتش سوزی وانهدام در اثر اصابت صاعقه است. کلیه تجهیزات(مانند برقگیر) که جهت جذب وهدایت صاعقه از پشت بام تا سیستم زمین نصب می شوند،طبق استانداردIEC -61024 شناسایی می گردند.
2-حفاظت تجهیزات نصب شده در داخل ساختمان
توسعه کاربرد سیستم های الکتریکی در جهان ،موجب افزایش شدید آمار صدمات وارده به این دستگاهها در اثرصاعقه و اضافه ولتاژهای ناشی از آن شده است।لازم به ذکر است که تنها بخشی از اضافه ولتاژها دراثر صاعقه بوده وبخش عمده آنها ناشی از عملیات سوئیچینگ وحوادث تغذیه می باشند.برای این بخش از حفاظت،کاهش اثر میدانهای الکترومغناطیسی ناشی از صاعقه مد نظر قرار می گیرد.

پس از بر خورد صاعقه به زمین یا ساختمان،وسایل الکترونیکی داخل ساختمانهایی که تا شعاع 15km از محل برخوردودر محدوده میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده قرار دارند،در معرض خطر خواهند بود।(شکل-4) حفاظت موثر این تجهیزات در مقابل ولتاژهای القایی حاصله،وقتی امکان پذیر است که کلیه سیستم های حفاظت داخلی همراه با حفاظت خارجی ساختمان تواماٌ نصب شده باشند.حفاظت داخلی ازصاعقه عبارتست از تهیه وسایلی که به کمک آنها بتوان اثرات اضافه ولتاژهای القایی حاصل از جریانهای صاعقه رابرروی تجهیزات داخل ساختمان خنثی کرد.واز تئوری منطقه بندی ( (Zone Conceptجهت حفاظت داخلی ساختمان استفاده می شود. ضمناٌ برای کسب اطلاعات دقیق تربه استاندارد IEC-61643 که در این زمینه تدوین شده است مراجعه گردد.

يك سيستم صاعقه اساساً از سه قسمت اصلي تشكيل شده است كه از :
1- آنتن برقگير Air termination
2- هادي ها Conductor
3- الكترود يا سيستم اتصال به زمين Earth termination

آنتن هاي برقگير : عبارتند از جسم نوك دار با الكترود لوله اي در اندازه مشخص و يك پايه كه داراي يك زمينه هدايت كنندگي مي باشد. وظيفه آنتن برقگير اين است كه تخليه الكتريكي صاعقه را كه احتمال دارد در ساختمان تحت حفاظت صورت گيرد ، به طرف خود منحرف نموده و به طرف زمين بارهاي مربوطه را هدايت مي نمايد. محل نصب آنتن برقگير در بلندترين نقطه ساختمان مي باشد.
هادي ها : كه سبب ارتباط الكتريكي آنتن هاي برقگير به زمين و به يكديگر و نيز به اجسام فلزي مجاور مي گردد. وظيف هادي ها تخليه بارهاي صاعقه از آنتن برقگير به زمين مي باشد. هادي ها مي توانند بصورت تسمه اي يا كابلي شكل باشند.
سيستم اتصال به زمين : عبارت است از يك يا چند الكترود منفرد يا مرتبط كه بارهاي الكتريكي را از آنتن توسط هادي هاي نزولي به زمين منتقل مي كنند.
رابط ها عبارتند از پيوند الكتريكي مابين دو يا بيشتر قسمت هاي سيستم حفاظتي.
اتصالات : عبارتند از هادي هايي كه به منظور فراهم نمودن اتصال الكتريكي مابين حفاظت صاعقه و قسمت هاي فلزي ديگر و مابين قسمت هاي مختلف اخير برقرار شده است.
بست ها : كه جهت محكم نمودن هادي ها به ساختمان به كار مي روند. اين بست ها براي اندازه هاي مختلف تسمه بايد طراحي گردد.
1- سيستم حفاظت بر سوله ها ( يا بام هاي مسطح ) : در اين سيستم از روشي موسوم به سيستم حفاظت فاراده استفاده مي نمايند. آنتن برقگير بصورت لوله هاي كوتاهي است با نوك تيز كه در چند متري يكديگر دور تا دور پشت بام يا در خط الراس سقف سوله قرار دارند.
قطر و ضخامت آنتن برقگير در صورت استفاده از ميله بايد مطابق با جدولي كه ابعاد اجزاء تشكيل دهنده سيستم حفاظت صاعقه را مي دهد اجرا شود.
2- بام هاي با شيب تند : حداكثر فاصله بين ميله هاي برقگير در خط الرآس بام هاي با شيب تند ، 6 تا 8 متري باشد.
تذكر : سقف ها با شيب ملايم آنهايي هستند كه عرض آنها چنانچه مساوي يا كمتر از 40 فوت ( 12 متر ) باشد شيب آنها كمتر از يك هشتم ، چنانچه متجاوز از 40 فوت ( 12 متر ) باشد ، شيب آنها كمتر از يك چهارم باشد.
3- سقف با شيب ملايم : چنانچه عرض آنها از 15 متر بيشتر باشد ، بايد علاوه بر آنكه داراي آنتن هاي اضافي در خط الرآس و نقاط لازم ديگر باشند ، كه فاصله آنها از 15 متر تجاوز نكند ، دور تا دور آنها نيز آنتن هايي به فواصل 6 تا 8 متر بايد نصب گردد.
فاصله آنتن هاي برقگير از انتهاي بام يا خط الرآس سوله يا تغيير مسير هر بام بايد در حدود 2 فوت ( 60 سانتي متر ) باشد.
طول آنتن ها حداكثر 150 و حداقل 30 سانتي متر مي باشند.
آنتن هاي برقگير بايد در قسمت هاي اساسي و محكم و در بلندترين نقطه ساختمان نصب گردند و سطح مقطع نقطه اتكا حداقل بايد با سطح مقطع يكي باشد و طوري بايد محكم گردند كه احتمال واژگون شدن به وسيله باد را نداشته باشند. آنتن هاي برقگير با ارتفاع متجاوز از 60 سانتي متر ، بايد نگهداري آنها از نقطه اي باشد كه ارتفاع آن كمتر از ارتفاع نصب آنتن نباشد.
هواكش ، دودكش ، مخازن آب و ساير برجستگي هاي ديگر پشت بام كه احتمال آسيب ناشي از شوك دارند بايد به آنها اتصال الكتريكي ( به وسيله هادي هاي فرعي ، آنها را به هادي اصلي متصل نمود ) ايجاد نمود و يا ممكن است به وسيله يك هادي خارجي به يكديگر متصل و سپس به اسكلت ساختمان وصل شوند كه تعداد اين اتصالات نبايد از تعداد اتصال هاي زمين كمتر باشد.
با استفاده از منابع زیر :
1-espak company

گروه آموزشی برق-الکترونیک