انواع برقگيرها
ساده ترين شكل برقگيرها، جرقه گيرها مي باشند كه از آنها بيشتر براي حفاظت زنجيره مقره ها، بوشينگ ترانسفورماتورها و خازنها استفاده مي شود. مشكل اصلي اين نوع برقگيرها ايجاد خطاي اتصال كوتاه به زمين پس از توليد جرقه مي باشد كه باعث عملكردن تجهيزات حفاظتي شبكه قدرت و در نتيجه ايجاد وقفه مي شوند. براي پرهيز از اين مشكل، از برقگيرهاي جديد شامل يك نوع مقاومت غيرخطي (بصورت مجزا و يا سري با جرقه گير) استفاده مي كنند. اخيراً استفاده از نيمه هادي ها با مقاومت غيرخطي و از جنس اكسيد فلزي (MOV) در برقگيرها، باعث شده كه فاصله هوايي برقگيرها حذف شود و برقگيرهاي جديد از كارائي بهتري در كنترل اضافه ولتاژها برخوردار شوند.
1-1-3-برقگير ميله اي (جرقه گير با فواصل هوايي)
اين نوع برقگيرها بصورت دو الكترود يا دو شاخك هستند كه متناسب با ولتاژ، در فاصله معين بين هادي و زمين قرار مي گيرند و در صورت بروز اضافه ولتاژ، بين آنها قوس الكتريكي برقرار مي شود. اين قوس باعث اتصال كوتاه گرديده از اضافه ولتاژ جلوگيري مي كند، البته باعث اختلال در امر برق رساني نيز مي گردد. در شبكه با قدرت كم، با شكل دادن به اين شاخك ها، پس از مدت نسبتاً كوتاهي قوس خاموش مي شود و چون جريان اتصال كوتاه كم بوده، خسارات ناشي از اتصال كوتاه وجود ندارد. در صورت بروز اضافه ولتاژ، در فاصله هوايي بين الكترودها قوس الكتريكي برقرار مي شود و به اين ترتيب از اعمال اضافه ولتاژ به تجهيزات جلوگيري مي شود. از معايب اصلي برقگير ميله اي، عدم توانايي در خاموش نمودن جرقه است و هنگاميكه بر اثر صاعقه جرقه زده شد، اين جرقه باقي خواهد ماند تا زمانيكه دستگاه بدون برق گردد. در نتيجه پس از هر بار جرقه، بايستي شبكه بي برق شده و مجدداً برقدار گردد. بطور كلي معايب اين نوع برقگيرها در برابر تنها مزيت آنها يعني ارزان بودنشان، خيلي زياد بوده و شامل موارد زير مي باشد:
1- تداوم عبور جريان به زمين حتي پس از حذف اضافه ولتاژ (در نتيجه باعث عملكردن وسايل حفاظتي و ايجاد وقفه در سيستم مي شود).
2- افت شديد ولتاژ فاز بخاطر اتصال كوتاه شدن فاز در لحظة عبور جريان از جرقه گير.
3- ايجاد موج بريده شده كه مي تواند سيم پيچي دستگاه ها (ترانسفورماتورها) را تهديد كند.
4- تحت تأثير قرار گرفتن عملكرد آن با شكل موج اضافه ولتاژ و همچنين شرايط محيطي (فشار، آلودگي، رطوبت، ....).
5- داراي تأخير زماني متناسب با اضافه ولتاژ (عملكرد نامناسب در برابر اضافه ولتاژهاي با پيشاني تند).
6- پراكندگي زياد ولتاژ جرقه (بيش از 40%).
جرقه گيرها فقط دو شرط اول يك برقگير خوب را دارا مي باشند.
1-3-برقگير لوله اي
اين نوع برقگيرها شامل يك فاصله هوايي براي جرقه زدن در فضا و يك فاصله ديگر در درون يك محفظه مخصوص مي باشند كه با هم بطور سري قرار دارند. اين نوع برقگيرها به منظور كوتاه كردن زمان عبور جريان هدايت شونده (پرهيز از وقوع اتصال كوتاه) تهيه شده اند. در برقگير لوله اي جريان هدايت شونده پس از يك يا چند پريود در اثر گازي كه خود برقگير توليد مي كند از بين مي رود و از اينجهت مي توان آنرا برقگير «جرقه خاموش كن» نيز ناميد.
برقگير لوله اي از يك لوله عايقي (R) از جنس مواد مصنوعي (PVC ، فيبر لاستيك سخت) تشكيل شده است و در داخل آن دو الكترود فلزي توپر (E) و تو خالي (G) قرار دارند. الكترود G مستقيماً به دكل يا سيم زمين متصل مي شود ولي بين الكترود E و فاز شبكه يك فاصله هوايي وجود دارد. هرگاه اضافه ولتاژي بين فاز و برقگير قرار بگيرد، فاصله هوايي L و فاصله بين دو الكترود توسط جرقه اتصال كوتاه مي شود و در اثر اين جرقه، شبكه اتصال زمين مي شود و جريان زيادي از برقگير مي گذرد كه سبب بخار شدن قسمتي از سطح داخلي لوله R مي شود. اين گاز فشار داخلي را با وجود اينكه سوراخ لوله الكترود انتهايي به خارج راه دارد، بحدي بالا مي برد كه با سرعت زياد از سوراخ G خارج مي شود. جريان سريع گاز، الكترونهاي موجود بين دو الكترود را با خود بخارج حمل مي كند، جرقه را خنك كرده و در ضمن طول قوس را بحدي زياد مي كند كه پيوستگي قوس از بين مي رود و قوس مي شكند و به اين ترتيب پس از يك يا چند پريود، بعلت اينكه حامل هاي بارهاي الكتريكي در مسير قوس موجود نيستند جرقة خاموش شده مجدداً روشن نمي شود و براي هميشه خاموش مي ماند و جريان اتصال كوتاه قطع مي گردد.
از برقگيرهاي لوله اي بيشتر در شبكه هاي با ولتاژ 10 تا 30 كيلوولت استفاده مي شود. اين نوع برقگيرها قادر نيستند كه به نحو مطلوب دامنه جريان هدايت شده را قبل از قطع محدود كنند و قابليت قطع جريان هدايت كننده با فركانس قدرت، بستگي به ظرفيت اتصال كوتاه سيستم در نقطه خطا دارد. همچنين ولتاژ جرقه اين نوع برقگيرها بالاتر از برقگيرهاي با مقاومت غير خطي است.
3-1-3-برقگير سيليكون كاربايد (SiC)
تا چندي قبل روش متداول حفاظت در مقابل صاعقه استفاده از برقگيرهاي سيليكون كاربايد (SiC) بود. اين برقگيرها از تركيب سري فواصل هوائي با مقاومت ساخته مي شوند و بر خلاف جرقه گيرها، پس از عملكردن، شبكه قدرت قابليت بازگشت به حالت اوليه را خواهد داشت. زيرا مقاومت مذكور جريان تخليه را كاهش داده و به لحاظ هم فاز بودن تقريبي جريان و ولتاژ پس از به صفر رسيدن شكل موج ولتاژ نامي سيستم، جريان مجدداً برقرار نمي شود. مقاومتهاي اين نوع از برقگيرها از نوع غيرخطي هستند زيرا از يك طرف بايد آنقدر كوچك شوند كه توسط فواصل هوايي قابل قطع باشند و از طرف ديگر در ولتاژهاي ضربه اي بصورتي باشند كه در اثر تخليه جريان هاي ضربه اي زياد، افت ولتاژ دو سر آنها (ولتاژ پسماند) از سطح حفاظتي تجهيزات كمتر شود. معمولاً اين مقاومتها از نيمه هادي سيليكون كاربايد (SiC) ساخته مي شوند كه داراي خاصيت مذكور مي باشند.
برقگير سيليكون كارباید شامل يك مقاومت سيليكون كاربايد با مشخصه غيرخطي V-I بصورت سري با يك فاصله هوايي مي باشد. وقتي اضافه ولتاژ از حد ولتاژ جرقه بيشتر شود، با ايجاد جرقه در دو سر فاصله هوايي، افزايش امپدانس مسير جرقه از افزايش شديد جريان جلوگيري مي كند. فاصله هوايي جرقه كه به آن فاصله جرقه اكتيو گفته مي شود، طوري طراحي مي گردد كه بعد از چند بار جرقه زدن در اثر اضافه ولتاژ، جرقه مسدود گردد.
برقگيرهاي SiC به هيچ عنوان نبايد تحت اضافه ولتاژهاي با فركانس قدرت عمل كنند زيرا باعث ايجاد اتصال كوتاه به زمين و عبور انرژي زيادي از خود شده و از بين مي روند. برقگيرهاي SiC سطح اضافه ولتاژهاي ناشي از صاعقه و كليدزني را به حد مشخصي كاهش مي دهند كه اين حد بستگي به ولتاژ نامي برقگير دارد. اضافه ولتاژ كليدزني با انرژي بالا كه جريان تخليه زيادي را براي مدت طولاني اعمال مي كند، ممكن است باعث سوختن الكترودهاي برقگير شود و لذا اين مسأله باعث محدوديت در كاربرد اين نوع برقگيرها مي شود و همچنين باعث مي شود كه سطح استقامت عايقي بالاتري براي تجهيزات انتخاب شود. در چنين حالاتي بايد برقگيرهائي با ولتاژ نامي بالاتر انتخاب شوند تا در اضافه ولتاژهاي ناشي از كليدزني عمل نكنند.
در برقگيرهاي SiC نوع جديد، براي كاهش تلفات (افزايش طول عمر و قدرت تحمل انرژي) برقگير و براي خاموش كردن جرقه در فاصله هوايي پس از حذف موج و در نتيجه قطع جريان، از روشهاي مغناطيسي استفاده مي شود. برقگير SiC با خاموش كن مغناطيسي سه برابر بيشتر از نوع معمولي آنها قابليت تحمل انرژي را دارا مي باشد، زيرا تلفات جريان متعاقب موج۱ به حداقل مقدار خود مي رسد. اين نوع برقگيرها در شبكه هاي با ولتاژ بالا كاربرد دارند.
4-1-3-برقگيرهاي نوع اكسيد فلزي (MOV)
نوع جديد برقگيرها داراي بلوك هايي با مقاومت الكتريكي غيرخطي و از جنس اكسيد فلزات مي باشد. اين بلوك ها به MOV مشهور مي باشند. از آنجا كه حدود 95% از مواد تشكيل دهنده بلوك هاي MOV را اكسيد روي (ZnO) تشكيل مي دهد، به آنها برقگيرهاي ZnO نيز گفته مي شود. اجزاء تشكيل دهندة برقگيرهاي ZnO ، شامل اكسيد روي و مقادير كمي از اكسيد ديگر فلزات از قبيل بيسموت، كبالت، آنتيموان و اكسيد منگنز مي باشد. ذرات بسيار ريز اكسيد روي و اكسيد فلزات ديگر پس از فشرده شدن بصورت ديسك و در اندازه هاي معين شكل مي گيرند. سپس اين ديسكها در درجه حرارت بالا پخته شده و به صورت سراميك در مي آيند. اين ديسكها بصورت سري در محفظه استوانه اي شكل قرار گرفته و برقگير ZnO را تشكيل مي دهند.
بلوك ZnO داراي يك مشخصه ولتاژ – جريان كاملاً غيرخطي مي باشد و داراي قابليت جذب انرژي بسيار خوبي است. دنباله جريان در اين نوع برقگيرها وجود ندارد، يعني جريان با كاهش اضافه ولتاژ ضربه اي كاهش مي يابد و با ولتاژ متناوب (ولتاژ نامي سيستم) ادامه پيدا نمي كند. از اينرو اين نوع برقگيرها در عمل كمتر از برقگيرهاي با فاصله هوايي گرم مي شوند و تكرار عملكرد آنها كمتر مشكل ايجاد مي نمايد. از ديگر مزاياي اين نوع برقگيرها، سرعت عملكرد در پيشاني موج است. به اين معني كه تأخيري كه در برقگيرهاي با فاصله هوايي وجود دارد، در اين نوع برقگيرها خيلي كمتر است.
با توجه به عدم وجود فاصله هوايي، امكان موازي كردن برقگير ZnO وجود دارد. به اين ترتيب مي توان تحمل برقگير در مقابل جريان هاي زياد را افزايش داد. با مقايسه مشخصه ولتاژ – جريان بلوك هاي SiC و ZnO مشخص مي شود كه تحت ولتاژ نامي شبكه، جريان عبوري از بلوك ZnO كمتر از يك ميلي آمپر است. در حالي كه اين مقدار براي بلوك هاي SiC به مراتب بيشتر است. برقگيرهاي ZnO مي توانند اضافه ولتاژهاي با فركانس قدرت را براي مدت شخص تحمل كنند و با در نظر گرفتن اين ويژگي، حتي در سيستم هاي زمين نشده (كه هنگام اتصال كوتاه يك فاز به زمين، ولتاژ فازهاي ديگر مي تواند تا برابر افزايش يابد) مي توان سطح عايقي كمتري را انتخاب كرد.
يكي از مشكلات برقگيرهاي ZnO ، جريان نشتي در فركانس قدرت مي باشد. اين جريان در حد ميلي آمپر است ولي ممكن است با تكرار عملكرد برقگير، لايه عايق بين دانه هاي اكسيد روي سوخته شود و باعث افزايش جريان نشتي گردد. مسأله ديگر، تغيير مقاومت بر اثر درجه حرارت است. اين تغيير در جريان هاي كم بيشتر محسوس است ولي بهرحال با كاهش مقاومت تحت ولتاژ نامي شبكه بر اثر درجه حرارت، احتمال گرم شدن و كاهش مقاومت و افزايش درجه حرارت وجود دارد.
با وجود اين مشكلات، اما بخاطر مزاياي زياد برقگيرهاي ZnO ، استفاده از اين برقگيرها رو به افزايش است و بتدريج جايگزين برقگيرهاي ديگر مي گردند.بعضی از مزایای برقگیرهای ZnO عبارتند از:
1) كارائي بهتر نسبت به ساير برقگيرها (بهتر از ساير برقگيرها، اضافه ولتاژها را
مي كند).
2) پراكندگي كم ولتاژ پسماند و همچنين داراي ولتاژ پسماند خيلي كم.
3) داراي تأخير زماني خيلي كم.
4) برگشت طبيعي به وضعيت اوليه يا مدار باز.
5) داراي مشخصه ولت – جريان خطي تر از برقگير SiC.
6) داراي سطح حفاظتي خيلي خوب.
7) جريان نشتي پايين در شرايط كار نامي سيستم (حداقل تلف توان).
از مهمترين عيبهاي برقگيرهاي ZnO ، قيمت زياد آنها نسبت به ديگر برقگيرهاست و ديگر اينكه برقگيرهاي ZnO در سيستم هاي داراي نوسانات ولتاژ قابل ملاحظه، بيشتر از برقگيرهاي SiC در معرض خطر و آسيب ديدگي قرار مي گيرند.
5-1-3-برقگير قوس طولاني (LFA)
نصب برقگير خط بين فاز – دكل بصورت موازي با زنجيره مقره يا بجاي مقره نياز به هزينه سنگيني دارد. لذا بايد به دنبال راهي بود تا بتوان هزينه نصب برقگيرها را كاهش داد و جلوي خروج خطوط بر اثر تخليه اضافه ولتاژهاي ناشي از تخليه جوي بر خط را گرفت. روش جديد حفاظت خطوط انتقال استفاده از يك سطح طولاني جهت هدايت قوس الكتريكي ناشي از تخليه مي باشد. برقگيرهاي قوس طولاني مي توانند بين هادي و زمين و يا بصورت سري با مقره قرار بگيرند. ساختار اين برقگيرها خيلي ساده بوده و در نتيجه نسبت به ساير برقگيرها ارزانتر مي باشند. بطوريكه قيمت آن در حدود يكدهم قيمت برقگيرهاي ZnO است. يكي ديگر از مزاياي عمده اين برقگيرها عدم جاري شدن جريان با فركانس شبكه (PAF) پس از اتمام تخليه جريان موج گذرا و بروز قوس بر روي مقره مي باشد. طول برقگيرهاي LFA از طول مقره اي كه بايد حفاظت شود، بيشتر است.