روش‌های حفاظتی در ایستگاه‌های انتقال برق در برابر صاعقه

این مقاله به بررسی تکنیک‌های متنوع حفاظتی ایستگاه‌های انتقال برق می‌پردازد که با هدف کاهش احتمال و آسیب‌های ناشی از برخورد مستقیم صاعقه طراحی شده‌اند.

برخورد مستقیم صاعقه با خطوط انتقال یا ایستگاه‌های برق می‌تواند به تجهیزات الکتریکی آسیب رساند و امنیت پرسنلی که در نزدیکی این ایستگاه‌ها حضور دارند را به خطر بیندازد.

تمرکز این مقاله بر روی روش‌های نوینی است که مهندسان برای محافظت از تجهیزات ایستگاه‌ها و افرادی که در معرض خطر ضربات صاعقه قرار دارند، به کار می‌برند. لازم به ذکر است که این نوشتار به‌طور خاص به حفاظت در برابر ضربات مستقیم صاعقه می‌پردازد.

خصوصیات ایستگاه‌های انتقال

ایستگاه‌های انتقال برق معمولاً شامل بخش‌های زیر هستند:

• خطوط ورودی و خروجی هوایی
• صفحات جمع‌آوری انرژی (باسبارها)
• قطع‌کننده‌های مدار
• سوئیچ‌ها
• ترانسفورماتورها (برق، جریان و پتانسیل)
• تجهیزات جانبی (مانند خازن‌های حامل جریان)
• ساختمان‌ها

سازه‌های فولادی از تجهیزات مانند انتهای خطوط، صفحات جمع‌آوری انرژی و سوئیچ‌ها حمایت می‌کنند. این ساختارهای فولادی بر روی بنیادهای بتنی قرار دارند که به عمق زمین دفن شده‌اند.

این ایستگاه‌ها به حفاظت در برابر نه تنها ضربات مستقیم صاعقه بلکه همچنین امواج مسافرتی ناشی از برخورد آن‌ها نیاز دارند. هدف اصلی از زمین‌سازی جهت حفاظت از صاعقه، تأمین یک مسیر امن و مطمئن برای هدایت پالس‌های صاعقه به زمین است تا افراد و تأسیسات در امان بمانند.

روش‌های متوقف‌سازی صاعقه

روش‌های اصلی برای حفاظت از ایستگاه‌های انتقال برق در برابر ضربات مستقیم صاعقه شامل موارد زیر هستند:

• زاویه حفاظتی و منطقه حفاظتی
• الکترو-هندسی
• کره در حال غلتش
• مش

بیایید به طور مفصل به هر یک از این روش‌ها بپردازیم.

روش زاویه حفاظتی و منطقه حفاظتی

این روش که برای سال‌ها به عنوان یک راهکار اساسی در حفاظت از خطوط برق و ایستگاه‌ها به کار رفته، تأمین‌کننده حفاظت منطقی و قدرتمندی است. تا چندی پیش، این روش به‌عنوان یکی از روش‌های اصلی توصیه‌شده توسط استانداردهای حفاظت در برابر صاعقه شناخته می‌شد.

این شیوه شامل استفاده از سیم‌های زمین، دکل‌ها یا میله‌های فرانکلین است. سیم‌های زمین بر روی ایستگاه‌های انتقال برق به‌گونه‌ای نصب می‌شوند که تمامی تجهیزات داخل منطقه حفاظتی قرار گیرند. زاویه حفاظتی سیم زمین بین یک خط عمودی از طریق سیم زمین و یک خط مایل که سیم زمین و شیء مورد حفاظت را به هم وصل می‌کند، تعریف می‌شود.

زاویه حفاظتی سیم زمین ویژگی‌ای است که سطح حفاظت ایستگاه را افزایش می‌دهد.

شکل ۱. زاویه حفاظتی سیم زمین α.

منطقه حفاظتی سیم زمین، فضایی است که بین صفحه پایه cbc و صفحات قطری ac قرار دارد و از سیم زمین به سمت صفحه شیء ادامه می‌یابد. شکل ۲ برش عرضی این حجم را نشان می‌دهد.

شکل ۲. برش عرضی منطقه حفاظتی سیم زمین.

براساس شکل ۲، نسبت حفاظتی k=ky/y و زاویه حفاظتی α = tanˉ¹k محاسبه می‌شود.

به همین ترتیب، شکل ۳ برش عرضی ناحیه حفاظتی برای یک دکل یا میله به ارتفاع y را نشان می‌دهد که در آن یک مخروط حفاظتی در اطراف دکل یا میله تعریف می‌شود. همانند قبل، نسبت حفاظتی k=ky/y و زاویه حفاظتی α = tanˉ¹k است.

شکل ۳. برش عرضی مخروط حفاظتی یک دکل یا میله.

طی سال‌ها، محققان کوشش کرده‌اند تا بهترین ارقام برای نسبت حفاظتی و زاویه حفاظتی را تعیین کنند. جدول ۱ مقادیر متداولی که هنوز در حال استفاده هستند را به نمایش می‌گذارد.

طراحان این امکان را دارند که با افزایش ارتفاع دستگاه‌های حفاظتی – شامل سیم زمین، دکل یا میله – زاویه حفاظتی را کاهش دهند، چرا که این زوایا ممکن است برای ساختارهای بلند مناسب نباشند.

ابعاد، شکل و تعداد اشیایی که نیاز به محافظت دارند، مشخص‌کننده تعداد کل سیم‌های زمین، دکل‌ها یا میله‌هایی است که باید نصب شوند. تجهیزات حفاظتی باید به اندازه‌ای طراحی شوند که پوشش کاملی از تمامی ایستگاه شامل تجهیزات خارجی و بالای ساختار اصلی ارائه دهند.

همچنین، تداخل نواحی حفاظتی می‌تواند احتمال ضربات مستقیم صاعقه را به میزان قابل توجهی کاهش دهد (شکل ۴).

شکل ۴. سیم‌های زمین هوایی ایستگاه را محافظت می‌کنند.

وجود یک سازه فولادی زمین‌دار کافی است تا صفحات جمع‌آوری انرژی و دستگاه‌های زیر آن را در شرایطی که هیچ شی برای حفاظت در بالای ایستگاه وجود ندارد، محافظت کند.

در ایستگاه‌های کوچک، دکل‌ها یا میله‌هایی که به گوشه‌ها یا ستون‌ها متصل هستند، صفحات جمع‌آوری انرژی و تجهیزات در مخروط‌های حفاظتی آن‌ها را حفظ می‌کنند (شکل ۵). یک چیدمان دیگر شامل استفاده از دکل‌های خودایستا در داخل و اطراف ایستگاه است.

شکل ۵. دکل‌های عمودی ایستگاه را محافظت می‌کنند.

سیم‌های زمین، دکل‌ها و میله‌ها باید به الکترود زمین‌سازی ایستگاه و سیستم ضد بالای خطوط هوایی، در صورت وجود، متصل شوند.

سیم‌های زمین خطوط ورودی و خروجی باید در بالای سازه فولادی ایستگاه خاتمه یابند – این ممکن است نیازمند ستون‌های فولادی باشد که بالای ساختار اصلی گسترش یابند. برای خطوط بدون حفاظت، توصیه می‌شود که یک سیم زمین حداقل به فاصله ۱ کیلومتر برای کاهش شدت پالس‌های صاعقه ورودی از طریق خطوط اجرا شود.

روش الکترو-هندسی (EGM)

در اوایل دهه ۱۹۷۰، از این روش به منظور حفاظت از خطوط برق در برابر صاعقه استفاده شد و به‌تدریج (حدود سال ۱۹۷۶) کاربرد آن به ایستگاه‌های انتقال برق نیز گسترش یافت.

فاصله ضربه‌زن یکی از مفاهیم کلیدی در درک روش الکترو-هندسی است.

بر اساس نظریه پیش‌ضربه مکانیسم پله‌ای، قبل از این که پیشگام پله‌ای به سطح زمین برسد، تخلیه‌ای مشابه با لیدر از زمین برای دیدار با آن به سمت بالا می‌رود. پس از برقراری اتصال پیشگام به زمین، یک موج بازگشتی از قدرت به سمت کانال یونی شده که توسط لیدر ایجاد شده، حرکت می‌کند.

نظریه EGM بیان می‌کند که زمانی که پیشگام پله‌ای به فاصله بحرانی از یک ساختار زمین‌دار برسد – جایی که گرادیان پتانسیل متوسط در شکاف بین نوک لیدر و ساختار برابر با گرادیان پتانسیل استریمری است – شکاف از هم می‌پاشد و صاعقه به سمت ساختار زمین‌دار جذب می‌شود. این فاصله بحرانی همان فاصله ضربه‌زن است.

در مورد ساختارهای بلندتر، فاصله ضربه‌زن فاصله‌ای است بین نوک لیدر و ساختار که در آن یک استریمر شروع به شکل‌گیری می‌کند.

عناصر حفاظتی در ایستگاه‌های انتقال برق

اولین عنصر در یک سازه زمین‌گیر که در فاصله ضربه قرار دارد، نقطه‌ای خواهد بود که صاعقه به آن ضربه می‌زند. فاصله ضربه به شدت جریان بازگشتی بستگی دارد؛ هرچه شدت جریان ضربه بیشتر باشد، فاصله ضربه بزرگ‌تر است و بالعکس.

یک مفهوم مهم این است که طراحی سیستم حفاظتی فرض می‌کند که جریان ضربه‌ای به اندازه I1 وجود دارد. حفاظتی که ایجاد شده احتمالاً نمی‌تواند اشیاء را برای جریان‌های ضربه‌ای I2 I1 که فاصله ضربه بیشتری دارند، محافظت خواهد کرد.

حفاظت ایستگاه‌های انتقال برق، ضربه‌های با شدت I1 یا بیشتر را قطع می‌کند. در این صورت، عایق ایستگاه باید ولتاژهای ناشی را بدون وقوع جرقه تحمل کند، زمانی که ضربه‌هایی با جریانی کمتر از I1 به حفاظتی نفوذ می‌کنند. تعیین جریان ضربه طراحی با در نظر گرفتن اینکه عایق سیستم چه مقدار را می‌تواند تحمل کند، تضمین می‌کند که ایستگاه در برابر ضربه‌هایی با جریان کمتر محافظت خواهد شد.

همه ضربه‌ها با شدت‌های اوج کمتر از I1 به طور حتم حفاظتی را نقض نخواهند کرد و به سازه‌ها ضربه خواهند زد. بسته به موقعیت رهبرانی که به صورت پلکانی حرکت می‌کنند، حفاظتی برخی از این ضربه‌ها را جذب خواهد کرد.

روش کره در حال غلتش

روش کره در حال غلتش، یک مشتق از روش الکترو-هندسی است. این روش از یک کره فرضی با شعاع S برای تعیین دستگاه‌های حفاظت در سازه‌ها استفاده می‌کند. اصطلاح کره در حال غلتش از مطالعات رالف ه. لی در ایالات متحده آمریکا (۱۹۷۷) برای حفاظت از ساختمان‌ها و کارخانجات صنعتی استخراج شده است.

نقطه آغاز این روش وجود یک حجم کروی با شعاع برابر با فاصله ضربه است که دور نوک رهبر پلکانی قرار دارد. رهبر پلکانی به اولین نقطه یک سازه زمین‌گیر که وارد این حجم می‌شود متصل می‌گردد.

کره باید تنها با عناصر سیستم حفاظت تماس داشته باشد، زمانی که در اطراف سازه حفاظت شده غلتیده می‌شود. جایی که کره با تجهیزات یا ساختمان‌ها در ایستگاه تماس می‌گیرد، ضربه‌های صاعقه یک خطر هستند. در فضایی بین کره و زمین، برخورد صاعقه غیرمحتمل است.

شکل ۶ یک سازه بلند و یک کره در حال غلتش با شعاع S را نشان می‌دهد. همه نقاطی که توسط کره لمس می‌شوند، غیرمحافظت شده هستند، که به ما نشان می‌دهد که سقف و بخش‌هایی از دیوارها به حفاظت نیاز دارند.

شکل ۶. کره‌ای که بر روی یک سازه بلند در حال غلتش است.

شکل ۷ همان کره را با یک سازه کوتاه‌تر نشان می‌دهد. در اینجا، تنها سقف به حفاظت نیاز دارد.

شکل ۷. کره‌ای که بر روی یک سازه کوتاه در حال غلتش است.

در یک ایستگاه، کره بر روی سیم‌های زمین، دکل‌ها، میله‌ها، حصارها و هر شیء فلزی زمین‌گیر که باید محافظت شود، غلت می‌خورد (شکل ۸).

شکل ۸. اصل روش کره در حال غلتش با الکترودهای حفاظتی متعدد. تصویر از IEEE Std ۹۹۸.

شکل ۹ کره‌ای به شعاع اختیاری را نشان می‌دهد که بر روی تجهیزات و یک دکل در بخشی از ایستگاه در حال چرخش است. قسمت‌های غیرمحافظت شده تجهیزات درون کره را مشاهده کنید.

شکل ۹. کره‌ای که بر روی تجهیزات و یک دکل در ایستگاه در حال غلتش است و نقاط غیرمحافظت شده را آشکار می‌کند. تصویر بر اساس Verdolin Solutions.

اگر به یاد بیاوریم که شعاع کره – فاصله ضربه – به شدت جریان بازگشتی پیش‌بینی‌شده بستگی دارد و اینکه حفاظت کمتری برای جریان‌های پایین‌تر وجود دارد، حفاظت سازه‌هایی که به صاعقه حساس هستند باید از جریان‌های کوچک و شعاع‌های کوچک کره به عنوان پارامترهای طراحی استفاده کند.

روش کره در حال غلتش به ما اجازه می‌دهد تا مخروط حفاظتی و زاویه حفاظتی معادل یک دکل یا میله را تعیین کنیم. شکل ۱۰ مخروط حفاظتی (منطقه سایه‌دار دور دستگاه) و زاویه حفاظتی معادل دو دکل عمودی با استفاده از یک کره به شعاع ۲۰ متر را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که ارقام مخروط و زاویه حفاظتی به ارتفاع دستگاه برای یک شعاع ثابت کره بستگی دارد.

شکل ۱۰. مخروط‌ها و زوایای حفاظتی ناشی از روش کره در حال غلتش. (الف) دکل کوتاه (ب) دکل بلند.

روش کره در حال غلتش به طور مساوی به سطوح صاف، نقاط تیز، لبه‌ها و گوشه‌ها اعمال می‌شود. این وضعیت عیب این روش است زیرا مشاهدات میدانی روی ساختمان‌ها نشان می‌دهد که بیشتر ضربه‌ها به نقاط تیز یا گوشه‌های برآمده ختم می‌شوند. تحقیقات نشان می‌دهد که اتصال ضربه‌های صاعقه به سازه‌ها به شدت جریان بازگشتی پیش‌بینی‌شده و هندسه سازه بستگی دارد. این محدودیت در روش ممکن است در برخی مواقع باعث خطاهایی شود.

روش مش

تنها راه برای ایمن‌سازی یک سازه در برابر صاعقه، احاطه کردن آن با فلز زمین‌گیر (قفس فاردی) است، اما این راه‌حل عملی نیست. روش مش شامل احاطه کردن سازه درون یک مش هادی است که به ما یک قفس فاردی عملی می‌دهد. این روش برای حفاظت از ساختمان‌های ایستگاه، مانند اتاق کنترل، مفید است.

روش یک مش از سیم‌ها را در بالای ساختمان یا در فاصله معینی از سقف آن قرار می‌دهد و هادی‌های پایین را برای اتصال به الکترودهای زمین فراهم می‌کند. اندازه سلول و فاصله بین هادی‌های پایین بستگی به سطح حفاظت مورد نیاز دارد. بیشتر جریان‌های صاعقه از طریق سیم‌ها و الکترودهای زمین نزدیک به نقطه برخورد عبور می‌کنند.

شکل ۱۱. مش سیمی در بالای یک ساختمان. تصویر بر اساس Aplicaciones Tecnológicas.

روش کره در حال غلتش ابعاد سلول را برای سطوح مختلف حفاظت تأیید می‌کند. شکل ۱۲ نشان می‌دهد که بر اساس روش کره در حال غلتش، ممکن است صاعقه به ساختمان با مشی که به طور مستقیم بر روی سقف قرار دارد، ضربه بزند. بنابراین، بهتر است بین مش و بالای ساختمان مقداری فاصله ایجاد کنیم.

شکل ۱۲. بالا بردن مش سیمی حفاظت ساختمان را افزایش می‌دهد.

بررسی حفاظتی ایستگاه

حفاظت یک ایستگاه در برابر ضربه‌های مستقیم صاعقه شامل فراهم کردن مسیرهای هادی ایمن برای حمل جریان‌های صاعقه به زمین بدون آسیب رساندن به تجهیزات و به خطر انداختن پرسنل است.

روش‌های حفاظتی

ساده‌ترین و قدیمی‌ترین روش حفاظت، استفاده از زاویه حفاظتی و ناحیه حفاظتی است. در این روش، زاویه حفاظتی برای تعیین موقعیت سیم‌های زمین، دکل‌ها و میله‌ها به کار می‌رود. زاویه α خطی مایل را مشخص می‌کند که محدودهٔ ناحیه حفاظتی را تعیین می‌نماید. سازه‌هایی که در این ناحیه قرار دارند، به طور چشمگیری در برابر صاعقه محافظت می‌شوند.

برای سیم زمین، زاویه حفاظتی سطوح شیبداری ایجاد می‌کند که تمام اشیای زیر آن را از صاعقه محفوظ می‌دارد. برای دکل‌ها یا میله‌ها نیز این زاویه یک سطح مخروطی شکل به وجود می‌آورد که از اجسام واقع در زیر آن محافظت می‌کند.

اگر تجهیزات خارج از ناحیه حفاظتی دستگاه قرار گیرند، حفاظت ممکن است کامل نباشد. در این حالت، ممکن است برخی صاعقه‌ها به جای دستگاه حفاظتی، مستقیماً به تجهیزات یا افراد برخورد کرده و آسیب وارد کنند.

مفهوم زاویه و ناحیه حفاظتی کهنه است و روش‌ها دست‌خوش تحول چشمگیری شده‌اند تا دقت محافظت را افزایش دهند. یکی از پیشرفته‌ترین این روش‌ها، روش گوی متحرک است.

در این روش، گویی بر روی سازه حفاظتی غلتانده می‌شود؛ هر منطقه‌ای که گوی نتواند به آن دست یابد، درون ناحیه حفاظتی محسوب می‌شود. شعاع گوی به فاصله ضربه وابسته است. فاصله ضربه، طولی است که صاعقه در آن آخرین شکست خود را به سوی زمین یا شیئی متصل به زمین انجام می‌دهد. هر چه شعاع گوی در طراحی کوچک‌تر باشد، سطح حفاظت بالاتری حاصل می‌شود.

امروزه روش گوی متحرک به‌طور گسترده‌ای مورد پذیرش قرار گرفته است.

برای سازه‌های با سقف مسطح، اغلب از یک شبکه هادی افقی به عنوان سیستم حفاظتی استفاده می‌شود تا اثری مشابه قفس فارادی ایجاد کند. این تکنیک، روش مش (Mesh Method) نام دارد. در روش مش، هادی‌ها روی سقف ساختمان نصب شده و از طریق هادی‌های پایین‌رو به زمین متصل می‌شوند و بدین ترتیب مسیری کوتاه برای هدایت جریان صاعقه به زمین ایجاد می‌کنند. این مش، مسیرهای متعددی برای عبور جریان صاعقه به سمت زمین فراهم می‌آورد.

نویسنده

لورنتزو ماری مدرک کارشناسی ارشد خود را در رشته مهندسی قدرت الکتریکی از مؤسسه پلی‌تکنیک رنسلر (RPI) دریافت کرده است. او از سال ۱۹۸۲ به عنوان استاد دانشگاه مشغول به تدریس بوده و مباحثی چون آنالیز مدارهای الکتریکی، ماشین‌های الکتریکی، آنالیز سیستم‌های قدرت و زمین‌سازی سیستم‌های قدرت را آموزش داده است. همچنین مقالات متعددی نوشته که به عنوان منابع آموزشی توسط دانشجویان استفاده می‌شوند. وی پنج دوره آموزشی برای مهندسان برق در برنامه‌های توسعه حرفه‌ای طراحی کرده است که شامل نصب‌های الکتریکی در مکان‌های خطرناک، کد برق ملی، ماشین‌های الکتریکی، سیستم‌های زمین‌سازی الکتریک و طراحی ایستگاه‌های قدرت الکتریکی می‌شود. او به عنوان مهندس حرفه‌ای، ده‌ها سند فنی و سایر مدارک مربوط به تجهیزات و نصب‌های الکتریکی برای پروژه‌های بزرگ نفت، گاز و پتروشیمی تألیف کرده است. ماری مدیر پروژه‌های EPCC برای برخی از پروژه‌های عظیم نفت، گاز و پتروشیمی بوده و در این زمینه اسناد مدیریتی رایج را تدوین کرده است.

منبع: eepower.com

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

نوشته‌های بیشتر را ببینید

پرسش‌های متداول

هدف از روش‌های حفاظتی در ایستگاه‌های انتقال چیست؟

هدف از این روش‌ها کاهش احتمال و آسیب‌های ناشی از برخورد مستقیم صاعقه به تجهیزات و افراد است.

آیا ایستگاه‌های کوچک نیز به حفاظت در برابر صاعقه نیاز دارند؟

بله، ایستگاه‌های کوچک نیز باید محافظت شوند، به ویژه با استفاده از دکل‌ها یا میله‌های نصب شده که صفحات جمع‌آوری انرژی را در مخروط حفاظتی خود پوشش دهند.

روش الکترو-هندسی چیست؟

این روش به تحلیل فاصله ضربه‌زن پرداخته و روش‌های حفاظتی برای کاهش برخورد صاعقه به زیرساخت‌ها را پیشنهاد می‌دهد.

منبع: powerquality.blog