در واقع برقگیر (سرج ارستر / Surge Arrester) یک وسیله حفاظتی است که برای محافظت تجهیزات و شبکههای برق در برابر اضافهولتاژهای گذرا بهکار میرود. منابع این اضافهولتاژها میتوانند صاعقه، جرقهها، عملیات سوئیچینگ (قطع و وصل کلیدها)، خطاهای شبکه و تخلیههای ولتاژی موجی در هادیها باشند. هدف برقگیر، شناسایی پالس ولتاژ گذرا و هدایت انرژی اضافی به زمین قبل از آنکه به تجهیزات حساس آسیب برساند.
اجزاء و ساختار برقگیر
-هسته (قرصهای اکسید روی):
عمده ارسترهای مدرن از چندین دیسک یا قرص از جنس اکسید فلزی (Metal Oxide Varistor — MOV) تشکیل میشوند. تعداد و ابعاد این قرصها متناسب با ولتاژ و توان سیستم انتخاب میشود.
-بدنه عایقی:
بدنه معمولاً از سرامیک (پرلسیان) یا مواد پلیمری (مثلاً سیلیکون پلیمری) ساخته میشود تا عایق مناسبی فراهم کند.
-پایهها و ترمینالها:
برای اتصال به خطوط و بهخصوص اتصال زمین (ارت) طراحی شدهاند.
-محفظه حفاظتی و سیستم تهویه:
در انواع با گپ (gapped) یا بدون گپ (gapless)، طراحی برای کنترل آرک و پراکندگی حرارت متفاوت است.
اصول عملکرد برقگیرها
در شرایط نرمال، برقگیر مقاومت بالایی نشان میدهد و جریان قابل توجهی عبور نمیدهد (حالت عایقی).
هنگام بروز اضافهولتاژ گذرا، مشخصه غیرخطی هسته (MOV یا عناصر مشابه) ناگهان مقاومت خود را کاهش میدهد و مسیر کممقاومتی برای عبور انرژی ایجاد میکند. انرژی موج به زمین هدایت میشود و از تجهیزات محافظت میگردد.
پس از عبور موج، مقاومت بازمیگردد و برقگیر به حالت عایقی بازمیگردد؛ طراحی باید طوری باشد که آرک پس از اتمام پالس قطع شود تا جریان پیوستهای از برقگیر عبور نکند.
مشخصههای مهم عملکردی شامل ولتاژ کاری مداوم، ولتاژ راهاندازی (trigger/residual voltage)، جریان ضربهای قابل تحمل و توان جذب انرژی است.
کاربردهای برقگیر
-حفاظت ترانسفورماتورها:
جلوگیری از آسیب عایقی و عیوب ناشی از ولتاژ گذرا.
-حفاظت خطوط و پستهای فشار قوی:
تخلیه اضافهولتاژهای موجی روی هادیها و کاهش احتمال خطا.
-حفاظت تجهیزات حساس (دستگاههای صنعتی، مراکز داده، مخابرات):
کاهش اثرات سوئیچینگ و ولتاژهای القایی.
-در تابلوهای توزیع ساختمانها و خانهها:
نصب SPDها برای محافظت لوازم الکترونیکی خانگی.
رابطه با افزایش توان انتقال در خطوط دومداره
نصب برقگیر روی خطوط باعث کاهش احتمال خطاهای ناشی از اضافهولتاژ و در نتیجه کاهش نرخ حوادث میشود. وقتی درصد خطا پایین بیاید، امکان بهرهگیری بیشتر از ظرفیت مدارها (ضریب استفاده) وجود دارد؛ به عبارت دیگر، میتوان مدارها را نزدیکتر به ظرفیت اسمی بهرهبرداری کرد بدون اینکه خطر قابلتوجهی از بابت وقفه توان بهوجود آید. این موضوع در طراحی شبکههای دو مداره که برای پشتیبانی متقابل توان کاربرد دارند، اهمیت دارد.
تفاوت برقگیر با صاعقهگیر (میله صاعقهگیر) و محافظ نوسان
-میله صاعقهگیر (Lightning Rod / Air Terminal):
جزء سیستم حفاظت خارجی (external/primary protection). بهصورت فیزیکی در بالاترین نقاط سازه نصب میشود تا ضربه مستقیم صاعقه را جذب و جریان را از طریق مسیر هادی به زمین منتقل کند. هدف اصلی، جلوگیری از برخورد مستقیم صاعقه به سازه است.
-برقگیر / سرج ارستر (Surge Arrester / SPD):
بخشی از حفاظت داخلی (secondary protection). در داخل تابلوها یا در کنار تجهیزات نصب شده و هدف آن، کاهش ولتاژهای گذرا القایی یا ناشی از سوئیچینگ است که ممکن است از طریق سیستم برق به تجهیزات وارد شوند.
-محافظ نوسان (Surge Suppressor / Power Strip Protectors):
نمونههای کوچکتر و غالباً برای مصرفکنندههای خانگی که در نقطه بار نصب میشوند تا دستگاههای الکترونیکی را در برابر پالسهای کوچک تا متوسط محافظت کنند.
برقگیر و میله صاعقهگیر مکمل یکدیگرند; نمیتوان یکی را جایگزین دیگری کرد.
نکات کلیدی در طراحی، نصب و بهرهبرداری از برقگیرها
-زمین مناسب (Earthing):
کیفیت و مقاومت زمین از اهمیت بالایی برخوردار است؛ اتصال زمین باید کممقاومت و پایدار باشد.
-هماهنگی حفاظتی:
برقگیرها باید از نظر ولتاژ با سطح عایقی تجهیزات هماهنگ شوند تا پس از عمل، ولتاژ باقیمانده باعث آسیب نشود.
-محل نصب:
نصب در سمت ورودی تابلو یا نزدیک تجهیزات حساس و همگامسازی با دیگر المانهای حفاظتی (فیوزها، کلیدها).
-ظرفیت انرژی و جریان ضربهای:
انتخاب بر اساس احتمال جریانهای ضربهای (مثلاً ناشی از صاعقه یا خطاهای شبکه).
-بازرسی و نگهداری:
پس از رخدادهای قوی (صاعقه مستقیم یا موجهای شدید) باید برقگیر بازدید و در صورت نیاز تعویض گردد. وجود علائم سوختگی یا تغییر مشخصهها نشانه ضرورت سرویس است.
-جلوگیری از آرک مداوم:
طراحی باید تضمین کند که پس از عملکرد، آرک خاموش شده و برقگیر به حالت عایقی بازمیگردد؛ در غیر اینصورت جریان پیوسته میتواند منجر به صدمه جدی شود.
دستهبندی انواع برقگیر
برقگیرها بر اساس ساختار و عملکرد به انواع مختلفی تقسیم میشوند. هر کدام از این تجهیزات برای شرایط خاصی در شبکههای قدرت یا ساختمانها به کار میروند. در ادامه، انواع برقگیر را بررسی میکنیم.
۱. برقگیر میلهای
سادهترین و قدیمیترین نوع برقگیر، نوع میلهای است. این نوع همچنان در بسیاری از نقاط کاربرد دارد، زیرا ارزان و قابل اعتماد است. برقگیر میلهای شامل دو میله نوکتیز است؛ یکی در قسمت برقدار نصب میشود و دیگری روی بدنه یا در بخش زیر ایزولاتور قرار گرفته و به زمین متصل میگردد. فاصله بین دو نوک متناسب با ولتاژ سیستم تنظیم میشود.
تنظیم فاصله باید به گونهای باشد که در برابر ولتاژ عادی شبکه پایداری داشته باشد و تنها در زمان وقوع اضافهولتاژ شدید، تخلیه الکتریکی اتفاق بیفتد. با این حال، عملکرد این نوع برقگیر دقت بالایی ندارد و تنها در یک محدوده ولتاژی مشخص کار میکند.
۲. برقگیر با فاصله هوایی
این نوع برقگیر که به نام جرقهگیر یا برقگیر شاخکی نیز شناخته میشود، در پستهای فشار قوی کاربرد زیادی دارد. اساس کار آن بسیار ساده است: هنگامی که ولتاژ شبکه در محدوده عادی باشد، مانند یک کلید باز عمل میکند. اما در صورت افزایش بیش از حد ولتاژ، بین شاخکها قوس الکتریکی برقرار شده و مسیر عبور جریان صاعقه به سمت زمین فراهم میشود.
برقگیرهای با فاصله هوایی معمولاً در محل اتصال مقرهها به هادی یا در اطراف بوشینگ ترانسهای توزیع نصب میشوند. مزیت اصلی آنها سادگی ساخت و هزینه کم است، اما از دقت و سرعت کافی در برابر همه نوع اضافهولتاژ برخوردار نیستند.
۳. برقگیر با مقاومت غیرخطی و خازن
این نوع برقگیر ترکیبی از خازنهای سری و مقاومتهای غیرخطی است. در شرایط عادی، خازنها مانع عبور جریان به درون برقگیر میشوند. زمانی که ولتاژ افزایش یابد، فاصله هوایی بین خازنها هادی شده و جریان از مقاومت غیرخطی عبور میکند. مقاومت غیرخطی افت ولتاژ دو سر برقگیر را کنترل میکند.
برای افزایش استقامت در برابر ولتاژهای برگشتی، به جای یک خازن از چند خازن استفاده میشود. مجموعه خازنها و مقاومتها درون یک ایزولاتور عایقی قرار دارند. تقسیم ولتاژ روی خازنها باید متوازن باشد تا عملکرد برقگیر بهینه باقی بماند.
۴. برقگیر بدون فاصله هوایی
در این نوع، به جای خازنهای معمولی، از قطعات اکسید روی به شکل قرصهای کوچک استفاده میشود که روی هم قرار میگیرند. این طراحی سادهتر است و ابعاد کوچکتری دارد.
مزیت اصلی برقگیرهای بدون فاصله هوایی این است که میتوانند در ولتاژهای پایینتر وارد عمل شوند. در نتیجه، سطح حفاظت تجهیزات افزایش یافته و هزینهها کاهش پیدا میکند. جریان نشتی در این نوع تقریباً صفر است، به همین دلیل طول عمر و راندمان بالاتری دارند.
۵. برقگیر خازنی
این برقگیر بیشتر در ولتاژهای فشار ضعیف به کار میرود. عملکرد آن به گونهای است که انرژی حاصل از موج اضافهولتاژ در خازن ذخیره میشود. سپس این انرژی به تدریج تخلیه شده و از آسیب رسیدن به تجهیزات جلوگیری میکند.
۶. برقگیر فیوزی
در این نوع، در صورت وقوع اضافهولتاژ شدید و عبور جریان بیش از حد، فیوز داخلی میسوزد. جرقه حاصل با استفاده از گاز یا مواد نسوز خاموش میشود. برقگیرهای فیوزی معمولاً به عنوان حفاظت ثانویه و مکمل سایر برقگیرها استفاده میشوند.
محل نصب مناسب برقگیر
انتخاب محل نصب برقگیر از اهمیت بالایی برخوردار است. اولین معیار، نزدیکی به تجهیزات گرانقیمت مانند ترانسفورماتورهای قدرت است. برقگیر باید در ورودی پستهای ترانس و قبل از همه تجهیزات نصب شود تا موج اضافهولتاژ پیش از ورود به شبکه حذف گردد.
علاوه بر این، در طرف فشار قوی ترانسفورماتور نیز برقگیر مجزا نصب میشود. روی فیدر خط نیز برقگیر قرار میدهند تا در صورت باز بودن کلید خط (به علت خطا یا تعمیرات) از آسیب دیدن تجهیزات سرخط جلوگیری شود.
نکات مهم در استفاده از برقگیر
نصب برقگیر موازی با زنجیر مقره مانع شکست الکتریکی در اثر صاعقه میشود.
در مکانهایی که مقاومت زمین بالاست و احتمال خطا ناشی از برخورد صاعقه زیاد است، استفاده از برقگیر بسیار ضروری است.
-شمارنده برقگیر
عمر مفید برقگیرها وابسته به تعداد دفعات عملکرد آنهاست. به همین دلیل، معمولاً در مسیر اتصال به زمین، شمارندهای نصب میشود که تعداد عملکردها را ثبت کند. بررسی دورهای این شمارنده کمک میکند تا از سلامت و کارایی برقگیر اطمینان حاصل شود.
-سیستم زمین در برقگیرها
برای عملکرد صحیح، برقگیر باید با کوتاهترین و کممقاومتترین مسیر به سیستم ارت پست متصل شود. در انتخاب سطح مقطع سیم اتصال زمین باید جریانهای اتصال کوتاه احتمالی نیز در نظر گرفته شود. همچنین ارزیابی مقاومت و پیوستگی سیستم زمین ضروری است. اگر چندین سال از اندازهگیری مقاومت زمین گذشته باشد، بهتر است سیستم ارت دوباره بررسی و تقویت گردد.
سخن آخر
برقگیر نقشی حیاتی در حفاظت تجهیزات و شبکههای برق در برابر اضافهولتاژهای ناگهانی دارد و انتخاب صحیح آن میتواند از خسارات سنگین مالی و فنی جلوگیری کند. در صورت نیاز به تهیه انواع برقگیر و دریافت مشاوره تخصصی برای انتخاب بهترین گزینه متناسب با پروژه، شرکت ایستا توان صنعت به عنوان مرجع مطمئن و قابل اعتماد در کنار شماست.
سوالات متداول
۱. آیا برقگیر همان صاعقهگیر است؟
خیر. صاعقهگیر برای هدایت مستقیم صاعقه به زمین در بیرون ساختمان نصب میشود، در حالیکه برقگیر در داخل تابلو یا نزدیک تجهیزات قرار میگیرد و اضافهولتاژهای گذرا را به زمین منتقل میکند.
۲. عمر مفید برقگیر چقدر است؟
عمر برقگیر به تعداد و شدت ضربههای ولتاژی بستگی دارد. پس از هر صاعقه یا اضافهولتاژ شدید باید عملکرد آن بررسی شود و در صورت کاهش کارایی، تعویض گردد.
۳. آیا برقگیر در شبکههای خانگی هم کاربرد دارد؟
بله. برقگیرهای خانگی یا همان محافظهای نوسان (SPD) در تابلوهای برق یا چندراهیها نصب میشوند و از لوازم برقی حساس در برابر ولتاژهای ناگهانی محافظت میکنند.
۴. مهمترین شرط عملکرد درست برقگیر چیست؟
داشتن اتصال زمین (ارت) استاندارد و کممقاومت، اصلیترین شرط برای کارایی صحیح برقگیر است؛ بدون ارت مناسب، تخلیه جریان اضافهولتاژ به درستی انجام نمیشود.