برقگیر چیست؟ + ساختار برقگیر + نحوه عملکرد آن
برقگیر چیست؟
برقگیر دستگاهی است که از آسیبدیدگی تجهیزات در برابر ولتاژهای زیاد جلوگیری مینماید. این تجهیز، یک مسیر با امپدانس کم به زمین برای عبور جریان ناشی از برخوردهای صاعقه یا اضافه ولتاژهای گذرا ایجاد کرده و پس از آن به شرایط عملکرد عادی برمیگردد.
هنگامی که ولتاژ زیادی بر روی خط بهوجود میآید، برقگیر بلافاصله یک مسیر به زمین برای محدود کردن اضافه ولتاژ و از بین بردن آن تشکیل میدهد؛ بنابراین برقگیر باید بتواند اضافه ولتاژ را از بین برده و از جاری شدن هر چه بیشتر جریان به زمین جلوگیری نماید.
در صد سال گذشته، تکنولوژی ساخت برقگیر متحمل تغییراتی اساسی شده است. در اوایل دهه ۱۹۰۰، از فواصل جرقهزن بهمنظور متوقفسازی اضافه ولتاژها استفاده میگردید. دهه ۱۹۳۰، کربید سیلیکون جایگزین فواصل جرقهزن گردید.
در اواسط دهه ۱۹۷۰، برقگیرهای بدون فاصله هوایی اکسید روی که دارای مشخصه حفاظتی بهتری بودند، جایگزین برقگیرهای کربید سیلیکون شدند.
ساختار برقگیر
برقگیرها از نظر ساختار به دو دسته برقگیرهای کربید سیلیکون و برقگیرهای اکسید فلزی تقسیم میشوند.
1. برقگیر کربید سیلیکون (SiC)
امروزه تعداد زیادی از برقگیرهای کربید سیلیکون در سیستمهای قدرت استفاده میشوند. این برقگیرها دارای مشخصات الکترونیکی غیرمعمولی میباشند؛ برقگیر کربید سیلیکون دارای مقاومت زیادی نسبت به ولتاژ کم و مقاومت کمی نسبت به ولتاژهای زیاد میباشد.
هنگام وقوع صاعقه یا اضافه ولتاژهای گذرا، یک افزایش ناگهانی در ولتاژ و جریان بهوجود میآید. بهدنبال آن، مقاومت کربید سیلیکون دچار شکست شده و اجازه عبور جریان به زمین را میدهد. پس از عبور اضافه ولتاژ، مقاومتهای کربید سیلیکون افزایش مییابد و منجر به عملکرد عادی میشود.
در برقگیر کربید سیلیکون، از مقاومتهای غیرخطی کربید سیلیکون که بهصورت سری با فواصل هوایی قرار گرفتهاند، استفاده میشود. وظیفه فواصل هوایی این است تا مقاومتها را از ولتاژ حالت ماندگار سیستم ایزوله نماید.
چالشهای فواصل هوایی در برقگیرهای SiC
مشکل اساسی فواصل هوایی این است که نیازمند یک طراحی منظم و دقیق بهمنظور تخلیه از طریق جرقه و بازگشت به حالت عادی پس از عبور اضافه ولتاژ میباشند. در یک دوره زمانی، فاصله هوایی برقگیر در اضافه ولتاژهای کوچک یا حتی در ولتاژ عملکرد ماندگار، دچار شکست میگردد.
برقگیرهایی که هنگام عملکرد دچار نقص میشوند و دریچه کاهش فشار آنها عمل نمیکند، باید بیشتر مورد توجه قرار بگیرند؛ زیرا این فشار ممکن است موجب شکستن و تکهتکه شدن برقگیر شود.
با پیدایش برقگیرهای اکسید فلزی وریستوری، طراحی برقگیرهای کربید سیلیکون کمرنگتر گردیدند. برقگیرهای کربید سیلیکون نسبت به رطوبت آسیبپذیر میباشند. ورود رطوبت به این برقگیرها منجر به پیدایش نقص در اثر کاهش تخلیه میگردد. همچنین آلودگی نیز میتواند توزیع ولتاژ را بر روی برقگیر برهم زده و منجر به کاهش تخلیه گردد.
2. برقگیر اکسید فلزی (MO)
برقگیرهایی که امروزه نصب میشوند، برقگیر اکسید فلزی میباشند. گزارشات بیان میدارد که برقگیرهای اکسید فلزی در سال ۱۹۷۶ وارد بازار ایالات متحده شدند. این برقگیرهای اکسید فلزی برخلاف برقگیرهای کربید سیلیکون، دارای فاصله هوایی نمیباشند. این طرح بدون فاصله هوایی، گرمای زیادی را که در اثر وقوع جرقه و تخلیه جریان بهوجود میآید، حذف مینماید.
ویژگیهای ولتاژی برقگیر اکسید فلزی
برقگیر اکسید فلزی دارای دو محدوده ولتاژی میباشد: یکی ولتاژ نامی و دیگری ولتاژ حداکثر عملکرد پیوسته؛ در صورتی که برقگیر کربید سیلیکون تنها دارای ولتاژ نامی است.
در برقگیر اکسید فلزی که در آن از قرصهای اکسید روی استفاده شده است، شروع و خاتمه هدایت اضافه ولتاژ با علامت دادن در سطح ولتاژ مشخصی صورت میگیرد؛ این سازوکار عملکرد بهتری را ارائه میدهد و از اینرو حفاظت سیستم را بهبود میبخشد.
در این برقگیرها بهدلیل عدم امکان وقوع آلودگی در فاصله هوایی، نقص عملکرد کمتر بوده، اما همواره مقدار کمی جریان نشتی در فرکانس کار موجود خواهد بود.
نکته ایمنی در تست برقگیر
برای افرادی که برقگیر اکسید فلزی را تست مینمایند، آگاهی از این نکته مهم است که با قطع برقگیر اکسید فلزی از یک خط برقدار، مقدار کمی بار الکتریکی ساکن در برقگیر میماند. بهمنظور ایمنی تکنسین، بهتر است تا از یک زمین موقتی برای تخلیه انرژی استفاده نماید.
عایق پوشش برقگیر
برقگیر از نظر نوع عایق پوشش آن به دو دسته برقگیرهای چینی (Porcelain) و پلیمری تقسیم میشود. برقگیرهای پلیمری نسبت به برقگیرهای چینی از محبوبیت بیشتری برخوردار هستند.
هنگامی که یک بازبست اتفاق میافتد و خطا از بین نمیرود، برقگیر در معرض جریان خطای دوم قرار خواهد گرفت. از آنجایی که بدنه چینی (پرسلین) در اثر خطای اول ضعیف میشود. اغلب این خطای دوم منجر به انفجار برقگیر میگردد.
اگر فشار داخلی برقگیر از حد مجاز فراتر رود و برقگیر نتواند گازهای اضافی را خارج سازد، بهطور جدی از عملکرد باز میماند. اینگونه خرابی میتواند منجر به آسیبدیدگی تجهیزات دیگر و یا صدمه دیدن افرادی گردد که در مجاورت برقگیر قرار دارند.
مزایای برقگیرهای پلیمری در شرایط خطا
بهدلیل قابلیت برقگیر پلیمری در خارج کردن گازها در اثر وقوع جریان خطا، پوشش برقگیر ضعیف نمیشود؛ از اینرو برقگیر پلیمری میتواند دفعات زیادی در معرض بازبست قرار گیرد، بدون اینکه منجر به خرابی آن شود.
برقگیرهای پلیمری نسبت به برقگیرهای چینی کمی گرانتر هستند، اما از مشکلاتی نظیر ورود رطوبت (که اغلب در برقگیرهای چینی بهوقوع میپیوندد) مبرا میباشند.
خطرات انفجار در برقگیرهای چینی
همانطور که قبلاً اشاره شد، یکی از مسائل برقگیرهای کربید سیلیکون (با بدنه چینی)، عدم خروج کامل گازها میباشد که میتواند منجر به انفجار برقگیر گردد. عدم موفقیت برقگیر و تکهتکه شدن بدنه چینی، میتواند از طریق پرتاب قطعات حاصل از انفجار، منجر به آسیبدیدگی تجهیزات دیگر شود. در اکثر اوقات، آسیبدیدگی بوشینگها نیز بهدلیل برخورد تکههای حاصل از خطای عملکرد برقگیر میباشد.
بهکارگیری ترکیبی برقگیرها
ترکیب برقگیرهای اکسید فلزی و کربید سیلیکون بهطور معمول توصیه نمیشود، اما با استفاده مناسب میتوان آنها را با یکدیگر ترکیب نمود. اگر تمام برقگیرهای یکی از فازهای یک سیستم سه فاز از نوع اکسید فلزی باشد، دو فاز دیگر میتوانند از برقگیرهای کربید سیلیکون استفاده نمایند.
چنانچه برقگیرهایی که در سمت فشار ضعیف و فشار قوی یک فاز استفاده میشوند بهگونه مناسبی ترکیب نشوند، باعث ایجاد اختلال میگردند. معمولاً با قرار دادن یک برقگیر اکسید فلزی در طرف فشار قوی و یک برقگیر کربید سیلیکون در طرف فشار ضعیف، مشکلی بهوجود نمیآید.
بهدلیل موضوع اضافه ولتاژ انتقالی، هنگامی که سمت فشار قوی توسط برقگیر کربید سیلیکون حفاظت میگردد، نبایستی از برقگیر اکسید فلزی در سمت فشار ضعیف استفاده نمود. برقگیری که دارای امپدانس کمتری باشد، بخش بیشتری از انرژی اضافه ولتاژ را جذب میکند.
اضافه ولتاژ سمت فشار قوی بهدلیل بالا بودن ولتاژ جرقه در برقگیر کربید سیلیکون، ممکن است به برقگیر سمت فشار ضعیف انتقال یابد؛ در این حالت، برقگیر سمت فشار ضعیف (MO) بهدلیل عدم تحمل ولتاژ زیاد، دچار آسیبدیدگی میگردد.
اصول عملکرد و بهرهبرداری برقگیرهای اکسید فلزی
برقگیر کمک شایانی به هماهنگی عایقی در سیستمهای قدرت مینماید. شکل زیر این مطلب را بهخوبی نشان میدهد. در این شکل، ولتاژها بهصورت پریونیت پیک بالاترین ولتاژ پیوسته فاز به زمین، بر حسب مدت زمان پیدایش نمایش داده شدهاند.
تحلیل نواحی عملکردی برقگیر
محور زمان در شکل فوق، به چهار بخش تقسیم میشود که شامل موارد زیر میباشد:
۱. اضافه ولتاژهای صاعقه (چند میکروثانیه)
۲. اضافه ولتاژهای کلیدزنی
۳. اضافه ولتاژهای موقت (چند ثانیه)
۴. بالاترین ولتاژ کار پیوسته سیستم
در صورت عدم استفاده از برقگیر، مقدار ولتاژ و اضافه ولتاژ چند پریونیت بیشتر خواهد شد. همچنین در این حالت، اگر منحنی ولتاژ ایستادگی عایقی تجهیزات در نظر گرفته شود، مشاهده میشود که عایق تجهیزات نمیتواند استرس ناشی از اضافه ولتاژهای صاعقه و کلیدزنی را تحمل نماید.
در این لحظه است که برقگیرها وارد عمل میشوند. بدین ترتیب، برقگیر بر روی اضافه ولتاژهای صاعقه و کلیدزنی اثر میگذارد. بهطور معمول، برقگیر بهگونهای طراحی میشود تا بتواند اضافه ولتاژهای موقت را بدون آسیبدیدگی تحمل نماید.
ویژگی مقاومتهای اکسید فلزی
علیرغم اینکه هنوز تعداد زیادی برقگیرها با فواصل هوایی و مقاومتهای کربید سیلیکون در حال استفاده میباشند، برقگیرهایی که امروزه نصب میشوند تقریباً همگی برقگیرهای اکسید فلزی و بدون فاصله هوایی هستند. ویژگی برجسته مقاومتهای اکسید فلزی این است که مشخصه ولتاژ جریان آنها شدیداً غیرخطی میباشد.
جریانی که با فرکانس شبکه از برقگیرهای اکسید فلزی میگذرند، بهاندازهای کوچک هستند که برقگیرها تقریباً مانند یک عایق عمل میکنند. در صورتی که جریانهای با دامنه کیلوآمپر به برقگیر تزریق شود (مانند حالتی که اضافه ولتاژهای صاعقه و کلیدزنی رخ میدهد)، ولتاژی که روی ترمینالهای آن میافتد بهاندازه کافی کوچک میباشد تا از عایق تجهیزات در برابر اثرات اضافه ولتاژ محافظت نماید.
تحلیل منحنی مشخصه ولتاژ جریان
شکل زیر، مشخصه ولتاژ جریان یک برقگیر اکسید فلزی را که بین فاز و زمین در یک سیستم ۴۲۰ کیلوولت با نوترال زمینشده، نشان میدهد. محور قائم، پیک ولتاژ و محور افقی، پیک جریان را با مقیاس لگاریتمی نشان میدهد.
در مشخصه جریان شکل زیر، تنها مؤلفه مقاومتی جریان نشتی نمایش داده شده است. در این مثال، مطابق منحنی ولتاژ جریان، مقدار ولتاژ برابر با ۲۴۲ کیلوولت است؛ بهطوریکه جریان کل نشتی دارای مقدار پیک ۰/۷۵ میلیآمپر میباشد.
1. ولتاژ عملکرد پیوسته
پارامتر مهم بعدی، ولتاژ عملکرد پیوسته میباشد. مطابق استاندارد IEC، از علامت Uc برای این ولتاژ استفاده میشود؛ همچنین عبارت «حداکثر ولتاژ عملکرد پیوسته» (MCOV) نیز برای آن بهکار میرود. این ولتاژ، ولتاژی با فرکانس شبکه قدرت است که برقگیرها بدون هیچ محدودیتی میتوانند در آن قرار گیرند.
همانطور که در شکل بالا مشاهده کردید، ولتاژ عملکرد پیوسته از بالاترین ولتاژ پیوسته فاز به زمین بزرگتر میباشد. مطابق استاندارد IEC 60099-5، افزایش حداقل ۵ درصدی در این ولتاژ نیاز است تا با این افزایش، هارمونیکهای احتمالی در ولتاژ شبکه نیز در نظر گرفته شوند.
2. ولتاژ نامی برقگیر
پارامتر دیگر منحنی ولتاژ جریان، ولتاژ نامی میباشد که با Ur نمایش میدهند. ولتاژ نامی برقگیرهای اکسید فلزی آنگونه که تصور میشود، ولتاژی نیست که بتوان بهطور مداوم به آن اعمال کرد.
ولتاژ نامی بیانگر قابلیت آن برای مواجه شدن با اضافه ولتاژهای موقت (TOV) میباشد. برخلاف تصور، ولتاژ نامی ولتاژی نیست که بتوان بدون محدودیت به برقگیر اعمال نمود؛ بلکه این ولتاژ تنها میتواند برای مدت کوتاهی (مثلاً ۱۰ ثانیه) به برقگیرهای اکسید فلزی اعمال شوند. برخی سازندگان، این محدوده زمانی را تا ۱۰۰ ثانیه نیز مجاز میشمارند.
تحت شرایط ولتاژ نامی، مؤلفه مقاومتی نشتی جریان به میزان حدود یک میلیآمپر افزایش مییابد. این جریان منجر به افزایش حرارت در برقگیرها میشود، اما در بازه زمانی ۱۰ تا ۱۰۰ ثانیه مشکلی ایجاد نمیکند.
علت اصلی محدودیت زمانی، جلوگیری از ناپایداری حرارتی است؛ در صورت اعمال طولانیمدت ولتاژ نامی، برقگیرها قادر به خنکسازی خود نبودهاند و افزایش پیوسته دما منجر به «خودتخریبی» آنها میگردند.
3. ورود به ناحیه اشباع و اضافه ولتاژهای گذرا
تا این بخش از منحنی ولتاژ جریان، مربوط به فرکانس شبکه بود. از این نقطه به بعد، منحنی وارد ناحیهای میشود که حتی افزایش اندکی در ولتاژ، منجر به افزایش شدیدی در جریان میگردد. این بخش مربوط به پدیدههایی در گستره میلیثانیه یا میکروثانیه (مانند اضافه ولتاژهای صاعقه و کلیدزنی) است.
اعمال ولتاژ با فرکانس شبکه در این قسمت از منحنی، در کسری از ثانیه منجر به تخریب برقگیرها میشوند.
4. ویژگیهای حفاظتی در جریانهای بالا
مشخصه ولتاژ جریان در جریانهای بالاتر از ۱۰۰ آمپر، ویژگی حفاظتی برقگیر را تعریف میکند. پارامتر کلیدی در این بخش، سطح حفاظتی ضربه صاعقه (LPL) است. این پارامتر، ولتاژی را نشان میدهد که در اثر عبور «جریان تخلیه نامی» بر روی ترمینالهای برقگیر ظاهر میشود.
باید توجه داشت که جریان تخلیه نامی بهتنهایی گویای تمام ویژگیهای برقگیر نیست.
آیا این مقاله برایتان مفید بود؟
