مقالات
سرج یا اضافه ولتاژهای گذرا چیست و چگونه بر تجهیزات اثر میگذارد؟
فهرست مطالب
اضافه ولتاژهای گذرای الکتریکی می توانند در سیستم های قدرت از منابع مختلفی رخ دهند و اثرات نامطلوبی بر تجهیزات و قابلیت اطمینان سیستم قدرت داشته باشند. بهتر است در مورد منابع احتمالی موجود در تاسیسات خود اطلاعات داشته باشید و از آن در برابر اضافه ولتاژهای گذرای اتفاق افتاده، حفاظت کنید. در این مقاله با اضافه ولتاژهای گذرا یا سرج ها آشنا می شویم.
شاید قبلاً نام گذرا را شنیده باشید، به معنای چیزی که برای مدت بسیار کوتاهی دوام می آورد، اما وقتی صحبت از سیستم های قدرت الکتریکی می شود، اضافه ولتاژهای گذرا، بسیار مهم است و نیاز است از تجهیزات در مقابل آنها حفاظت شود.
اضافه ولتاژهای گذرای الکتریکی
هجوم های ناگهانی و کوتاه مدت انرژی که در خطوط برق یا داده و ارتباطات در یک شبکه از تاسیسات مملو از دستگاه های الکتریکی و سیستم های الکترونیکی و کامپیوتری القا می شوند، به عنوان اضافه ولتاژهای گذرای شناخته می شوند.
آنها دارای ویژگی ولتاژهای بسیار بالا هستند که مقادیر زیادی جریان و ولتاژ اضافی و نامطلوب را در یک مدار الکتریکی هدایت می کنند و از کمتر از یک میکروثانیه تا چند میلی ثانیه دوام می آورند. در نتیجه، سیستم الکتریکی برای لحظه ای از یک حالت پایدار به یک حالت ناپایدار لحظه ای گذر کند و دوباره به حالت پایدار باز می گردد. وضعیت پایدار پس از فروکش کردن اضافه ولتاژهای گذرا، حالت پایدار نامیده می شود.
اکثر اضافه ولتاژهای گذرای الکتریکی از بزرگی زیادی برخوردار نیستند، اما به دلیل تأثیر آنها بر عملکرد مدارها و قطع کننده ها یا دستگاه های حفاظتی، مقابله با آنها حیاتی هستند، چراکه می توانند باعث تلفات مختلف در یک شبکه از تجهیزات الکتریکی شوند و حتی ممکن است باعث آسیب های جبران ناپذیر سخت افزاری شوند. یک نمونه از موج اضافه ولتاژ گذاری لحظه ای در شکل نشان داده شده است.
شکل شماره یک: موج اضافه ولتاژ گذرای ناگهانی
اضافه ولتاژهای گذرا در سیستم های قدرت از مسیر کمترین مقاومت به زمین عبور می کنند و ممکن است اجزای مدار و دستگاه های نیمه هادی را گرم کرده و باعث اختلال در عملکرد و خرابی آنها شوند. همچنین، تعداد قابل توجهی از این اضافه ولتاژهای گذرای الکتریکی از بزرگی کافی برخوردار هستند که باعث شکست عایق تجهیزات در سیستم قدرت می شوند.
شرایط نامطلوب در طول یک سرج می تواند برای تجهیزات حفاظتی سیستم قدرت و کلید ها بسیار آسیب رسان باشد. تأثیر آنها بر دستگاه ها بسته به خود دستگاه و محل قرارگیری آن در سیستم قدرت متفاوت است.
بنابراین، مهندسان سیستم قدرت همیشه راه هایی را برای محدود کردن اضافه ولتاژهای گذرای تولید شده و کنترل اثرات آنها بر تجهیزات در حال کار، ابداع می کنند.
علل اضافه ولتاژهای گذرای در سیستم های قدرت
اضافه ولتاژهای گذرا در یک سیستم قدرت می توانند به طور خود به خود و نابجا رخ دهند، با این حال، تمام راه ها و منابعی که سرج ها می توانند از آنها منشا بگیرند را می توان به عنوان منابع داخلی یا خارجی طبقه بندی کرد.
منابع داخلی
منابع داخلی سرجها در داخل تاسیسات الکتریکی ایجاد میشوند و معمولاً ناشی از تجهیزات القایی مانند موتورها و ترانسفورماتورها هستند. قطع و وصل جریان در این تجهیزات باعث فروپاشی میدان مغناطیسی و ایجاد پالسهای ولتاژ میشود. همچنین عمل کلیدزنی، بارهای الکترونیک قدرت، تخلیه الکترواستاتیکی و حتی دستگاههایی مثل کپی و رلهها میتوانند سرجهای داخلی را تولید کنند. این سرجها معمولاً شدت بسیار بالا ندارند و بهندرت ولتاژ را بیش از دو برابر مقدار عادی افزایش میدهند، اما همچنان قادرند به تجهیزات حساسی که در نزدیکی قرار دارند آسیب وارد کنند.
شکل شماره 2: تهلیه الکترواستاتیکی از بدن انسان که یکی از شایعترین منابع داخلی است
منابع خارجی
چندین منبع اضافه ولتاژهای گذرا که در خارج از یک تاسیسات وجود دارند عبارتند از:
* صاعقه
* کلید زنی خازن
* کلید زنی خط
* کلید زنی ترانسفورماتور
* عملکرد فیوز محدود کننده جریان
اگر چه اضافه ولتاژهای گذرا که در خارج از سیستم الکتریکی رخ می دهند می توانند بر عملکرد تاسیسات الکتریکی تأثیر بگذارند، اما رخدادها و منابع اضافه ولتاژهای گذرای داخلی رایج تر هستند. عملکرد روزانه دستگاه ها در داخل تاسیسات – مانند موتورها، دستگاه های جوشکاری، کوره های الکتریکی، اجاق ها، المنت ها و بخاری های القایی و غیره می توانند اضافه ولتاژهای گذرایی تولید کنند که بر تجهیزات مجاور تأثیر می گذارند. شکل شماره 3 تخلیه صاعقه از مهمترین منابع خارجی تولید اضافه ولتاژهای لحظه ای را نشان داده شده است.
شکل شماره 3: تخلیه صاعقه در زمین از مهمترین منابع خارجی ایجاد اضافه ولتاژ های لحظه ای
انواع اضافه ولتاژهای گذرا
بر اساس تعریفی که توسط استاندارد های بین المللی ارائه شده است، دو نوع اضافه ولتاژهای گذرای یا سرج وجود دارد:
- اضافه ولتاژهای گذرای ضربه ای
تغییر ناگهانی و غیر فرکانس قدرت در ولتاژ یا جریان یا هر دو، که از نظر قطبیت یک طرفه است، به عنوان یک گذر ضربه ای طبقه بندی می شود و اضافه ولتاژهای گذرای ضربه ای نامیده می شود. نمونه ای از یک اضافه ولتاژهای گذرای ضربه ای می تواند یک گذر ناشی از صاعقه یا تخلیه الکترواستاتیکی باشد. شکل شماره 4 یک نمونه از برخورد تخلیه صاعقه در زمین و ایجاد اضافه ولتاژها یا سرج های ضربه ای را نشان می دهد.
شکل شماره 4 : برخورد صاعقه و تولید اضافه ولتاژهای ضربه ای
2- اضافه ولتاژهای گذرای نوسانی
یک تغییر ناگهانی و غیر فرکانس قدرت در ولتاژ یا جریان یا هر دو، که از نظر قطبیت دو طرفه است، به عنوان یک گذر نوسانی طبقه بندی می شود. یک علت نمونه می تواند انرژی دادن به بانک خازنی یا کلید زنی دستگاه های قدرت باشد. در شکل شماره 5 یک بانک خازنی نشان داده شده است.
شکل شماره 5
ماهیت اضافه ولتاژهای گذرای در سیستم های قدرت
اضافهولتاژهای گذرا معمولاً در بازهای بسیار کوتاه (کمتر از یک میکروثانیه تا چند میلیثانیه) رخ میدهند و بسته به مسیر عبور خود به دو نوع گذر حالت عادی و گذر حالت مشترک تقسیم میشوند. سرجها میتوانند باعث آسیبهای جدی مانند شکست دیالکتریک، فلاشاور، آرک فلش، افزایش حرارت، تخریب مواد و تجاوز از محدودیتهای dV/dt و dI/dt شوند. در شدتهای بالا، دیالکتریک رسانا شده، اتصال ناخواسته بین بخشهای مدار ایجاد میشود و تجهیزات الکترونیکی آسیب میبینند. حتی هوا نیز در شرایط شدید دچار شکست دیالکتریک میشود و تخلیه الکتریکی رخ میدهد. به طور کلی، سرجها با انرژی الکتریکی لحظهای، تنش مکانیکی و حرارتی ایجاد کرده و به تخریب ساختارهای عایقی منجر میشوند.
اثرات پدیده های اضافه ولتاژهای گذرای الکتریکی
تأثیر پدیده های اضافه ولتاژ های گذرا بر تجهیزات الکترونیکی عموماً در یکی از چهار دسته زیر قرار میگیرد:
1- قطع و وصل متناوب
قطع و وصل متناوب زمانی رخ می دهد که یک رویداد گذرا به یک شبکه داده یا کنترل وارد شده و منجر به از دست رفتن یا خراب شدن داده ها شود. این ممکن است منجر به قفل شدن، قطع شدن یا عملکرد نامناسب یک بار یا دستگاه شود.
2-تخریب مزمن
تخریب مزمن ممکن است زمانی رخ دهد که رویداد های اضافه ولتاژهای گذرای مکرر، یکپارچگی و قابلیت اطمینان یک قطعه در معرض دید را کاهش دهند. در طول روزها، هفته ها یا حتی ماهها اثر تجمعی ولتاژهای گذرا منجر به از کار افتادن قطعه آسیب پذیر می شود. از آنجا که ولتاژهای گذرا در این مورد مکرر و نسبتاً ثابت هستند، یافتن منبع آنها امکان پذیر است.
3- خرابی پنهان
خرابی های پنهان شبیه به تخریب مزمن هستند، با این تفاوت که ناشی از یک رویداد اضافه ولتاژ گذرا قابل توجه هستند که به قطعات آسیب می رساند، اما نه تا حدی که قطعه نتواند عملکرد مورد نظر خود را انجام دهد. در طول یک دوره زمانی و شاید روزها، هفته ها یا حتی ماه ها تنش های معمولی ناشی از عملکرد عادی منجر به از کار افتادن قطعه می شود. عیب یابی این نوع حالت دشوارتر است زیرا علت اصلی خرابی ممکن است در زمان نامشخصی در گذشته رخ داده باشد.
4- خرابی فاجعه بار
خرابی های فاجعه بار ناشی از اضافه ولتاژهای گذرا به راحتی شناسایی و تشخیص داده می شوند زیرا قطعه یا دستگاه آسیب دیده تقریباً بلا فاصله از کار می افتد و حتی ممکن است آسیب قابل مشاهده باشد. در این حالت، مقدار اوج اضافه ولتاژ گذرا یا نرخ افزایش آن از آستانه نامی قطعه فراتر می رود، به گونه ای که یک مدار باز یا اتصال کوتاه دائمی در داخل قطعه ایجاد می کند. احتمال ارتباط خرابی قطعه با اختلال در سیستم قدرت معمولاً در این نوع رویداد بیشتر است.
دستگاه هایی مانند دستگاه های مبتنی بر ریزپردازنده و کنترلرهای منطقی قابل برنامهریزی (PLC) به ویژه در برابر آسیب ناشی از اضافه ولتاژهای گذرا آسیب پذیر هستند. بر این اساس، قرار گرفتن در معرض ولتاژهای گذرا می تواند قابلیت اطمینان را کاهش داده و عمر عملیاتی این نوع تجهیزات را کوتاه کند. با تکامل فناوری و کاهش مقیاس این دستگاه ها، اجزای دستگاه کوچکتر می شوند و حساسیت آنها به آسیب ناشی از افزایش ولتاژ، افزایش می یابد.
نشان داده شده است که ولتاژهای گذرا می توانند در عملکرد عادی تجهیزات اختلال ایجاد کرده و منجر به رفتار نامنظم و کاهش کیفیت محصول نهایی شوند. علاوه بر این، وقفه در فرآیند های تولید مداوم می تواند منجر به زیان های درآمدی ناشی از توقف تولید شود.
حفاظت از پدیدههای اضافه ولتاژهای گذرا
پدیده های اضافه ولتاژهای گذرا یا افزایش ناگهانی ولتاژ در سیستم قدرت ممکن است به دلیل سوئیچینگ یا علل دیگر ایجاد شوند، اما مهمترین و خطرناک ترین اضافه ولتاژهای گذرا ، آنهایی هستند که در اثر صاعقه ایجاد می شوند. روش ها و تجهیزات متداول مورد استفاده برای حفاظت در برابر صاعقه عبارتند از:
- الکترود زمین و سیستم ارتینگ
نیروگاه ها و پست های برق از تجهیزات گران قیمتی تشکیل شده اند که نیاز به محافظت در برابر برخورد مستقیم صاعقه دارند. این امر با استفاده از یک صفحه زمین حاصل می شود که شبکه ای از هادی های مسی است که در اطراف و روی تجهیزات مانند یک سپر یا قفس قرار میگیرند. این صفحه حداقل در دو نقطه به زمین متصل است. با استفاده از سیستم ارت و شبکه ای از سیم کشی ها در صورت برخورد مستقیم صاعقه، ضربه صاعقه را از تجهیزات به زمین هدایت میکند و در نتیجه از تجهیزات حفاظت میکند. درشکل شماره 6 الکترود زمین نشان داده شده است.
شکل شماره 6 : الکترود زمین
- کابل ها یا سیم های محافظ هوایی
یکی دیگر از راه های موثر برای محافظت از خطوط انتقال در برابر صاعقه، استفاده از سیم محافظ هوایی است. سیم های زمین بالاتر از هادی های خط قرار میگیرند و در نزدیکی برج یا دکل انتقال برق به زمین متصل می شوند، به طوری که در صورت برخورد صاعقه، صاعقه توسط سیم زمین رهگیری شده و به زمین هدایت می شود و در نتیجه از هادی های خط محافظت می شود. در شکل شماره 7 کابل های قدرت و خطوط انتقال نیروی الکتریکی نشان داده شده است.
شکل شماره 7: کابل های هوایی خطوط انتقال نیرو
- برقگیرها یا منحرف کننده های اضافه ولتاژهای گذرا
صفحه زمین و سیم های زمین نمی توانند از تجهیزات در برابر افزایش ولتاژی که ممکن است به پایانه های تجهیزات برسد، محافظت کنند. اینجاست که از برقگیر یا سرج ارسترها استفاده می شود. برقگیر با هدایت افزایش ولتاژ بالا به زمین کار میکند. این دستگاه از یک شکاف جرقه ای سری با یک مقاومت غیرخطی تشکیل شده است. این تجهیز به صورت موازی با دستگاهی که قرار است از آن محافظت کند، یعنی بین خطوط فاز و نول و زمین، متصل می شود.
طول شکاف به گونه ای تنظیم شده است که ولتاژ خط معمولی برای ایجاد قوس در سراسر شکاف کافی نیست، اما ولتاژ بسیار بالا باعث شکست عایق هوا و تشکیل قوس می شود. خاصیت مقاومت غیرخطی این است که با افزایش ولتاژ (یا جریان) مقاومت آن کاهش می یابد و بالعکس. در شکل شماره 8 با نمونه ای از برقگیرها که جهت حفاظت از ترانسفورماتورها نصب شده اند، نشان داده شده است.
شکل شماه 8 : برقگیر
تجزیه و تحلیل پدیدههای گذرا و مطالعه پایداری با استفاده از نرمافزار
تجزیهوتحلیل پدیدههای گذرای الکترومغناطیسی یکی از پیچیدهترین مطالعات شبکه در سیستمهای قدرت است و نقش مهمی در افزایش اطمینان و پایداری بهرهبرداری دارد. برای این منظور از نرمافزارهای تخصصی مانند ATP-EMTP استفاده میشود که امکان شبیهسازی دقیق شبکههای قدرت، تجهیزات و سیستمهای کنترل را فراهم میکند. این نرمافزار با دقت بالا، سرعت مناسب و قابلیت مدلسازی گسترده، به استانداردی معتبر در مهندسی برق قدرت تبدیل شده و ابزاری کلیدی برای تحلیل، طراحی و رفع اختلالات ناشی از اضافهولتاژهای گذرا است.
انجام یک مطالعه پایداری اضافه ولتاژهای گذرا
مطالعه پایداری اضافه ولتاژهای گذرا یک فرآیند دو مرحله ای است که شامل موارد زیر است:
1- شناسایی پدیدههای گذرا
سیستم قدرت مورد نظر به طور جدی تجزیه و تحلیل و با استفاده از یک برنامه گذراهای الکترومغناطیسی (EMTP) مدلسازی می شود تا علت اصلی اختلال اضافه ولتاژهای گذرا کشف شود و پس از شناسایی، بدترین سناریو در برنامه شبیه سازی میشود. پارامترهای کلیدی اختلال گذرا مانند مقدار، نرخ افزایش، مدت زمان، فرکانس و انرژی آن از شبیه ساز استخراج می شوند.
2- طراحی یک طرح کاهش مناسب
یک طرح کاهش مناسب با توجه به پارامترهای استخراج شده از شبیه سازی و پاسخ فرکانسی مشخصه سیستم مورد نظر انتخاب و طراحی می شود تا بهترین راه حل جامع برای کاهش پدیده های گذرا به یک سطح ایمن ارائه شود.
خلاصه سخن پایانی
اضافهولتاژهای گذرا یکی از اصلیترین عوامل خرابی تجهیزات الکتریکی و سیستمهای حساس هستند و به دلیل انتقال ناگهانی انرژی بالا، میتوانند خسارتهای جدی ایجاد کنند. برای حفاظت مؤثر، استفاده از ارتینگ صحیح، الکترود زمین و سرجارسترها ضروری است.
در کنار این روشها، ارت الکترونیکی شرکت کنزا صنعت الموت بهعنوان یک راهکار نوآورانه و ثبتشده، حفاظت قابلاعتمادی برای تجهیزات حساس فراهم میکند. این سیستم با ایجاد نقطه مرجع پایدار و تخلیه سریع سرجها، بهویژه در مناطق با خاک مقاوم یا شرایط رعدوبرق، کارایی تجهیزات را تا حدود ۸۰٪ افزایش داده است.
با توجه به سوءاستفاده برخی تولیدکنندگان متفرقه، فقط نسخه اصلی این سیستم که متعلق به کنزا صنعت الموت است قابل اطمینان بوده و مسئولیت استفاده از نمونههای مشابه بر عهده خریدار است.